抽水蓄能电站水库各类水体的H-O同位素组成特征及其水力联系

张 立 郑小贺 李广凯 杨张阳 饶文波 茅昌平

1（山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司 泰安 271000）

2（河海大学 地球科学与工程学院 南京 210098）

我国现有水库大坝上万座，在防洪、发电及水资源调配方面充当着重要的角色，产生了巨大的社会、经济及环境效益。通常，水库运行一定时间后，由于施工技术与地质条件的限制存在不同程度的安全隐患。渗漏是典型的水库隐患，它不仅使水漏失，甚至使水库漏空，严重的还会导致大坝垮塌，给人民生命财产带来巨大损失［1］。据统计，国内由于渗漏问题造成的土石坝失事占全部事故的30%以上［2］，为及时排除水库运行过程中出现的安全隐患以避免水库出现垮塌事故，水库渗漏探测显得尤为重要和紧迫［3］。

天然水中氢有两种稳定性同位素：2H与1H，氧有三稳定性同位素：16O、17O和18O。这些同位素通过不同的组合方式，可以形成不同的同位素水分子，如1H2O、1H2H18O和1H2H16O等。质量大的水分子，如1H2H18O优先在液相（水相）中富集，质量小的水分子，如2H16O则趋于残留在气相水（水蒸汽）中［4］。由于质量的差异，同位素在液相和气相之间产生明显的分馏。这种分馏与温度、蒸发、地形以及距海洋远近等多种因素有密切关系［5］。例如，大气降水随纬度与高度的增加，其δ2H和δ18O值越来越低。同时，大气降水具有明显的季节性效应，在冬季或干季，其δ2H和δ18O值增高；而在夏季或雨季，δ2H和δ18O值降低。大气降水是地表水（河水、湖水）、地下水最初的补给来源，在补给河流、湖泊或入渗地下的过程中，由于受到不同地域的环境影响而遭受不同程度的蒸发与混合，从而导致地表水与地下水有不同的H-O同位素组成［4］。因此，这一方法在研究水循环过程与机制上有很大的潜能［6-11］。近年来，H-O同位素示踪由于能有效确定水体的补给来源与排泄关系，也已成为水库渗漏探测的重要技术手段之一［12］，并在新安江、小浪底与黄壁庄水库等多个水库渗漏探测研究中得到了广泛应用［13-15］。

山东泰山抽水蓄能电站是一座承担山东电网调峰填谷的重要电站，近年来，该电站上水库出现几处渗漏问题，已引起管理部门的高度重视。本研究拟对该水库不同类型水体的氢氧同位素组成进行调查分析，进而对各水体之间的水力联系进行探讨，为水库渗漏处理与控制提供有益参考。

1 研究区域概况

泰山抽水蓄能电站位于山东省泰安市泰山风景区西南麓，属黄河下游支流大汶河水系的泮河流域，距泰安市5 km，距济南市约70 km，所处地貌为低山丘陵（图1）。泰安抽水蓄能电站为日调节纯抽水蓄能电站，主要担负山东电网的调峰填谷任务，是山东电力系统中承担调峰容量80万千瓦的大（I）型工程。电站由上水库、下水库、输水系统及地下厂房系统等建筑物组成。电站利用已经建成的泰安市大河水库作为下水库，在大河水库左岸樱桃沟上游修建了上水库（图1（b））。

上水库三面环山（图1（b）），山体呈北西-南东向展布，另一面为混凝土面板堆石坝，库盆开阔，高程310～380 m，左岸山体雄厚，山脊高程500～600 m；右岸横岭呈北西-南东向，岭脊高程400～500 m，自岭脊向南西方向地形缓缓下降，山脚处高程200 m左右。上水库由混凝土面板堆石坝、上水库进/出水口、库盆及其防渗系统构成。上水库流域面积为1.45 km2，总库容为1 168.1万立方米，发电库容为895.11万立方米。

研究区气候为温带季风气候，四季分明，春季干旱多风，夏季高温多雨；土壤为棕壤土类，上水库两侧山坡为薄层砂质砾石土、酸性岩残坡积棕壤性土；植被为暖温带落叶阔叶林带，主要乔灌树种有松麻栎、黑松、胡枝、荆条等。多年平均降水为708.0 mm，并集中于6～9月，夏季常有暴雨发生，单日最大降雨量为75 mm∙d-1［16］。

上水库为一天然库盆，坝区内出露的岩性为太古界泰山杂岩和第四纪堆积物，岩石主要为交代式花岗岩、混合花岗岩、斑纹状混合岩和斜长片麻岩等。工程区岩性主要为致密、坚硬的混合花岗岩，岩性单一。抽水蓄能电站区内发育有区域性断裂4条，其中，F1断层穿过上水库沟底（图1（c）），贯穿上下游岩层破碎地带，坝址区断层破碎带宽44～52 m，发育有5组裂隙，其中以NEE及NE向较发育，多形成裂隙密集带［17］。两岸边坡稳定，左岸及库尾向邻谷渗漏的可能性不大，右岸横岭相对比较单薄，局部节理密集带可能存在渗漏。

图1 泰山抽水蓄能电站上水库工程分布及采样点分布图Fig.1 Map showing the upper reservoir and sampling points

2 采样与分析

2019年7月、9月、10月分别对泰安抽水蓄能电站水库区域进行了详细的野外考察，并采集了各类水样，包括右岸（水库南）排水廊道、库底廊道、隧道涵洞及坝后量水堰的渗漏水，左岸（水库北）钻孔及启闭机周边的深井井水，上水库库水（图1和表1）。使用500 mL的聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）塑料瓶采集水样。在盛装水样之前，样品瓶经去离子水清洗三遍，在采样时用水样再重新清洗三遍，防止样品遭受污染。同时，为防止蒸发，水样应装满样品瓶，不留空间，拧紧瓶盖，并用美国Parafilm封口膜进行外围瓶盖封口。为了保证水样的自然属性，对样品不添加任何保存剂和防腐剂，并在现场写好标签并做好详细记录。对于水库水与钻井水样品，采用自制的有机玻璃采样器进行收集，采样时采样器放置在水面1 m以下。

样品运回实验室后，在河海大学地球科学与工程学院同位素水文实验室利用激光同位素分析仪（LGR9120032）测试其H-O同位素组成。同位素测试之前，利用孔径为0.45 μm的滤膜对水样进行了过滤。同位素测试结果以基于维也纳平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW）为标准的千分值（‰）表示。δ18O和δ2H的分析误差分别为±0.2%和±1.0%。同位素组成的表达式为：

表1 泰山抽水蓄能电站上水库区域各类水体采集点信息及同位素组成Table 1 The sampling information and isotope compositions of various water samples from the reservoir area of the Taishan pumped storage power station

3 结果与讨论

3.1 10月份水库各水体的H-O同位素分布特征

如表1所示，上水库水的δ18O与δ17O值分别在-5.37‰ ～ -6.48‰、-2.58‰ ～ -3.23‰之间变化，平均值分别为-5.94‰与-2.89‰；δ2H值在-45.4‰～-46.6‰之间变化，平均值为-46.04‰。右岸排水廊道渗漏水的δ18O与δ17O值在-4.86‰ ～-4.87‰、-3.24‰～-3.37‰之间变化，平均值分别为-4.86‰与-3.31‰；δ2H值在-46‰～-46.6‰之间变化，平均值为-46.32‰。钻孔井水的δ18O与δ17O值分别在-7.58‰ ～ -8.97‰、-4.12‰ ～ -4.80‰之间变化，平均值分别为-8.15‰与-4.39‰；δ2H值在-51‰ ～-59.7‰之间变化，平均值为-55.29‰。库底廊道排水孔、隧道及坝后量水堰渗漏水的δ18O与δ17O值分别在-5.43‰ ～-6.45‰、-2.76‰ ～-3.59‰之间变化，平均值分别为-5.79‰与-3.12‰；δ2H值在-44.4‰～-50.5‰之间变化，平均值为-46.67‰。

相比较而言，钻孔井水的同位素比值明显较低（图2）。右岸廊道渗漏水氧同位素值明显高于库水，而库底廊道及隧道坝后渗漏水的氧同位素值与库水差别不大（图2（a））。但右岸廊道渗漏水的氢同位素组成与库水的差别小，库底廊道005号排水孔（7号样品）的氢同位素组成与库水有明显差别（图2（a））。

如图2（b）所示，右岸排水廊道渗漏水的氘盈余在-7～-8变化；钻孔井水的氘盈余都在5以上，大部分在12以上；库底廊道与隧道坝后渗漏水的氘盈余在1～-1变化；库水的氘盈余变化较大，一些样品在5以上，一些样品在0以下。氘盈余的空间分布与δ18O、δ17O及δ2H有较好的对应（图2），即低的δ18O、δ17O及δ2H值对应高的氘盈余，高的δ18O、δ17O及δ2H值对应低的氘盈余。相比较而言，右岸排水廊道和钻孔井水的水样H-O同位素特征与库水有较大的差异。

3.2 10月份水库各水体同位素组成与其他月份的比较

如图3所示，不同月份各类水体的δ18O、δ17O及δ2H有较明显的差异。7月份各类水体的δ18O、δ17O及δ2H值相对于9月、10月的偏正（图3（a）、（b）、（c）），这可能是7月份气温较高、地表蒸发较强引起的。左岸钻孔水的δ18O、δ17O及δ2H值在9月与10月之间有较大的变化，而上水库水、右岸廊道排水及坝后量水堰渗漏水的δ18O、δ17O及δ2H值在这两个月之间变化不大（图3（a）、（b）、（c））。各类水体的氘盈余值在7月、9月和10月之间存在较大的差异（图3（d）），例如，上水库水样的氘盈余在10月份最高，在7月份最低；而右岸廊道排水孔水样品的氘盈余在10月份最低，九月份最高。各类水体同位素组成的月际变化与当地的气象水文及水文地质等因素有紧密的关系。

3.3 同位素指示不同水体的水力联系

氘盈余是Dansgaard［18］提出的一个概念，定义为d=δ2H-8×δ18O，这个参数可以反映水体补给来源区的水文信息，包括降水、气温、湿度及蒸发等［19］，因而常与δ18O或δ2H值一起成为追踪水体补给来源的有效手段。

如图4（b）所示，10月份的钻孔井水样品氘盈余值（d）在6～12变化，平均值接近在全球大气降水的值，与其他样品的值有显著差别，且这些样品的氢氧同位素组成落在全球降水线［20］（Global Meteoric Water Line，GMWL）（δ2H=8×δ18O+10）附近并处于其下端（图4（a））。据此推测，10月份的钻孔井水应当由降水通过水库两岸岩体裂隙入渗补给而来，且没有遭受明显的蒸发。根据这三个钻孔水样的同位素组成计算得到的平均值（δ2H=-55.3‰，δ18O=-8.14‰）恰好落在全球降水线上（图4（a））。由于没有当地降水的同位素数据，本文中钻井水样品的平均同位素值可视为当地降水的表征值。10月份其他水样都落在全球降水线右下方，遭受了不同程度的蒸发（图4（a））。右岸廊道排水洞渗漏水样与库底廊道005号排水孔样品落在斜率最低的蒸发线上，表明其遭受了最强的蒸发。另外，右岸廊道排水洞渗漏水样氘盈余值很低，与库水样品及钻孔井水的差别很大（图4（b））。因此，右岸廊道排水洞渗漏水不是由库水和近期降水补给所导致，可能与遭受较强蒸发的早期降水补给有关。库水可被认为是当地多次降水补给的混合，其氘盈余值在右岸廊道排水洞渗漏水与钻孔井水的之间，也间接支持了这一论断（图4（b））。10月份的库底廊道005号排水孔样品与库底廊道003号排水孔样品有相似的氘盈余值，两者都落在库水样品的范围内（图4（b）），不过，在δ18O-δ2H关系图上两者差别较大：003号样品与库水样品接近，而005号样品与库水样品相距较远（图4（a））。库底廊道排水孔样品应当来自库水渗漏，005号排水孔样品遭受较强的蒸发，可能系人为所致。10月份右岸排水隧道及坝后量水堰水样的氘盈余值落在水库水样的范围之内（图4（b）），其δ18O与δ2H值也有相似的特征（图4（a））。这表明右岸排水隧道及坝后量水堰的渗漏水来自库水渗漏。总之，10月份期间，钻孔井水与右岸廊道排水洞渗漏水不是库水的侧向渗漏，而分别是不同时期的降水入渗补给，其它水体与库水关系密切，或者说由库水渗漏所致。

7月与9月份各水体样品都落在全球降水线的右下方，但7月份的同位素值明显高于9月份（图4（c）、（d））。这有两种可能的解释：1）这两个月份的水样有相同的补给来源，但7月份的遭受更强的蒸发；2）这两个月份的水样补给来源存在差异。如图4（c）所示，这两个月份的水样看起来都落在同一条蒸发线上，似乎有相似的补给来源。假定这一结论成立，可通过所谓的蒸发线（δ2H=6.2×δ18O-10.9）与全球降水线相交计算得到最初的降水同位素值：δ18O=-11.81‰，δ2H为-84.5‰。然而，在山东及周边地区降水很少有这样负的同位素值［21］。据此认为，第二种解释较为合理。而且，这两个月份的水样在氘盈余（d）上的显著差别也证明了这一点。7月份的库水样在δ18O-δ2H关系图上与右岸排水廊道渗漏水样接近，与坝后量水堰渗漏水样有一定的不同（图4（c））。同时，库水样与这两个点的渗漏水样在氘盈余值上轻微的差别（图4（d））。右岸排水廊道和坝后量水堰渗漏水样可能主要来自库水渗漏补给，也存在其它成因的水混入。而在这个时期，6号施工支洞山体渗水与廊道山体渗水无论在δ18O、δ2H还是在氘盈余上都接近，而与库水样差别明显（图4（c）、（d）），表明这两个点的渗漏水有相同的来源但与库水无关。9月份，除了左岸钻孔外，库水、右岸排水廊道水及坝后量水堰渗漏水都有相似的同位素组成（图4（c）、（d）），表明9月份右岸排水廊道与坝后量水堰的渗漏水来自库水的渗漏。

总体上不同月份水库中渗漏水的补给来源有一定的变动。这种变动与水库区域的气象水文、库区水量及水文地质等条件有密不可分的联系。

图3 泰山抽水蓄能电站上水库7月、9月、10月的各类水体δ18O、δ17O及δ2H值的比较Fig.3 Comparison of the δ18O,δ17O and δ2H values of various water bodies in the Taishan pumped storage power station in July,September and October

图4 泰山抽水蓄能电站上水库各类水体δ18O与δ2H、氘盈余的关系[20]Fig.4 Relationships between δ18O,δ2H and deuterium excess(d-excess)of various water bodies in the Taishan pumped storage power station[20]

4 结语

本文对泰山抽水蓄能电站水库区域各类水体（库水、渗漏水及钻井水等）的H-O同位素组成进行了取样分析，对各类水体之间的水力联系进行了深入探讨。取得的主要认识如下：

1）水库区域各类水体的δ18O、δ17O与δ2H值分别在-4.12‰ ～ -8.97‰、-37‰ ～ -59.7‰、-2.17‰ ～-4.8‰之间变化。不同水体同位素组成存在差别。

2）各类水体稳定同位素组成在不同的月份差异较大。总体上7月份的比9月、10月的值明显偏正。除左岸钻孔水外，其他水体δ18O、δ17O与δ2H在9月与10月之间的差异不大。不同水体氘盈余有不同的月际变化规律。

3）10月份，钻孔井水、右岸廊道渗漏水不是来自库水渗漏，而其它渗漏水与库水关系密切。9月份，左岸钻井水不是库水渗漏，而坝后量水堰、右岸排水廊道渗漏水与库水关系密切。7月份，右岸排水廊道渗漏水与库水关系密切。

库水渗漏随月份发生明显变化。这可能与不同月份库水位和气候水文条件密切相关。因此，按月份圈定库水渗漏区域是指导水库渗漏修行之有效的策略。本研究成果对深入理解电站水库区域的水循环有重要的理论价值，对水库渗漏治理与控制有实际指导意义。后期将进一步开展水库与钻井不同月份、不同深度水样的同位素研究工作，以期精准确定水库的渗漏区域，为水库渗漏全面修复提供依据。