某水电站蓄水对下游温泉的影响研究

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摘 要：水电站蓄水后，库区附近地下水渗流场的变化是否会对下游约3 km处温泉的天然循环条件造成影响，进而改变其水量、水温和水质等要素成为制约工程建设的关键问题。有鉴于此，在对研究区水文地质调查、勘探及试验资料进行整理归纳的基础上，采用地质分析与数值模拟相结合的方法，从定性和定量两个方面评价了水电站蓄水对温泉的影响。结果表明：温泉群属上升泉，其形成与区域地下水的深循环有关，这一循环系统相对独立，只是在泉水上升排泄过程中，与浅表地下水发生了混合；水电站建成后，温泉仍会正常排泄；蓄水对温泉群的水量、水温和水质基本无影响。

关键词：水电站 温泉 地质分析 数值模拟

中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0076-04

Study on the Influence after Impoundment of Ahydropower Station to the Downstream Hot Spring

Wang Yonghui Li Zhong Wang Zhong Yang Jian

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming Yunnan，650051，China）

Abstract： It is the key problem of engineering construction that if the change of groundwater seepage field near the Reservoir Area will affect the natural circulation condition of the downstream hot spring about 3km after impoundment of a hydropower station， and then change the water quantity， temperature and quality.In view of this，the influence was evaluated qualitatively and quantitatively from the method of combing geological analysis and numerical simulation on the basis of summarizing the data of hydrogeology survey，exploration and experiment.The results showed that：The hot springs group is an ascending spring， which is related to the deep circulation of groundwater.The circulation system is relatively independent， it has been mixed with near-surface groundwater only in the process of the spring water discharge； The hot spring will be discharged normally after completion of the hydropower station；The influence after impoundment of the hydropower station is very little for the water quantity，temperature and quality of the hot spring.

Key Words：Hydropower station；Hot spring；Geological analysis；Numerical simulation

拟建水电站位于云南省西部，坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高约180 m，初拟正常蓄水位961 m，装机容量为260万kW，年发电量约127.4亿kW·h。

温泉群呈线状分布于拟建水电站下游约3 km的河流右岸，由8个泉点组成，出露高程主要集中于830～833 m，水温为37℃～59 ℃，总流量约17 L/s。泉水具承压性，属上升泉。

水电站蓄水后，库区附近地下水渗流场的变化是否会对下游温泉的天然循环条件造成影响，进而改变温泉的水量、水温和水质等要素成为影响工程建设的关键问题之一。有鉴于此，在对研究区水文地质调查、勘探及试验资料进行整理归纳的基础上，采用地质分析与数值模拟相结合的方法，从定性和定量两个方面评价了水电站蓄水对温泉的影响，以期达到合理开发和妥善保护地质环境的目的。此外，该研究成果也可为其他类似有人文景观保护要求的工程提供较好的借鉴[1-3]。

1 区域地质背景

该区地处云贵高原西部边缘地带，属高山深切峡谷地貌，地势总体北高南低，主要山脉和水系近南北向展布。两岸山脉高程3 500 ～3 900 m，河床高程为800～1 000 m，相对高差达2000～3 000 m。

区域内地层较为齐全，从元古界到第四系均有出露，地层总体呈南北向分布，受构造控制明显。

区内构造形迹主要表现为断裂。断裂构造的体系和序次较明显，近南北向的断裂被近东西向的断裂错断。该区发育的Ⅰ级结构面有5条，分别为近南北向展布于河流西岸的FA、FB断裂，东岸的FC断裂和近东西向展布的FD、FE断裂。区内Ⅱ级结构面仅1条，为近南北向展布的F1断层。

温泉群位于FE断裂与F1断层交汇部位，断裂的相互切割使得岩体破碎，裂隙发育。此处F1断层以西为三叠系中统河湾街组（T2h）白云岩、灰质白云岩；F1断层以东为石炭系卧牛寺组（C3w）玄武岩。温泉正是出露在F1断层所形成的两种透水性差异较大岩体的分界部位（图1）。

2 温泉成因模式分析

2.1 热源及水源

热源主要来自于地壳深部。根据西南地区岩石圈地温分布特征，该区属于高温型地块，地壳上地幔特定深度温度、莫霍面温度及各结构面地温梯度均为云南省最高值。以550 ℃代表居里面温度，则其埋深最浅为16.7 km。岩石圈底界温度为1 460 ℃～1 526 ℃。上述温度反映了该单元强烈的高地热背景和相应的岩石圈热结构。该区附近地壳浅部无年轻岩浆侵入体，故不存在岩浆热等附加热源。因此，分析认为地幔热流和上地壳含放射性元素衰变产生的地壳热流构成了温泉地热系统的热源[4-6]。

氢氧同位素组成是寻找地下水补给源的天然示踪剂。根据一个地区地下水的同位素组成在δD-δ18O关系图上是否落在当地降水线上，可判定地下水的起源是大气降水还是其他来源[7]。将温泉水样氢氧同位素组成投到δD-δ18O关系图上可以看到，结果紧靠在西南降水线附近（图2），说明温泉水受大气降水补给。

研究表明，大气降水的氢氧同位素组成常呈现出有规律的变化，即海拔越高，水中的δD和δ18O含量就越低。因此，根据δ18O的高程效应，利用公式（1）可对温泉水补给高程进行推算。

（1）

式（1）中：H为温泉水补给区高程（m）；δs为温泉δ18O含量（‰）；δp为参照水体δ18O含量（‰）；K为δ18O梯度（‰/100 m）；h为参照水体补给高程（m）。

室内试验测得温泉群δ18O含量为-10.95‰，以该区地表水作为参照水体，其δ18O值为-14.72‰。据于津生等人对川西及藏东地区δ18O高程效应的研究，梯度值为-0.26‰/100 m[8]，故K取-0.26‰/100 m。已知地表水补给高程h为3 255 m。将以上数据代入公式（1），计算求得温泉水补给高程为1 805 m。因此，温泉群补给区高程在1 800 m左右。

2.2 热储及循环深度

通过对地热温标的测定，可计算出深部热储温度。地球化学地热温标法的原理是地热流体与矿物在一定温度条件下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，流体中的化学成分仍保持不变。根据温泉水中SiO2的含量利用公式（2）可对其热储温度进行计算。

（2）

式中：t为热储温度（℃）；SiO2为二氧化硅的含量（mg/L）。

实验测得温泉中SiO2含量为32.81 mg/L，由此计算热储温度为82.8 ℃。

根据上述热储温度利用公式（3）对温泉水的循环深度进行估算[9]。

（3）

式中：D为循环深度（m）；t为热储温度（℃）；t0为恒温带温度（℃）；G为地温梯度（℃/100m）；d0为恒温带深度（m）。

热储温度t取82.8 ℃；恒温带温度t0取当地平均气温，为18 ℃；该区属高热流背景区，地温梯度偏高，G取3.5 ℃/100 m；恒温带深度d0取20 m。计算求得温泉水循环深度为1 871 m。

2.3 通道及盖层

作为区域性断裂的FA、FB不仅控制了区内的沉积建造及构造格局，而且为大气降水向地壳深部的运移提供了通道。F1断层则成为地下热水的排泄通道。上述3条断层相互组合，为地下水进行深循环并在沿途吸收深部的热量，然后在水头和密度差作用下向地表运移提供了必要的通道，起到了导水、导热的作用。

研究区西部三叠系中统河湾街组（T2h）之下的石炭系上统丁家寨组（C3d）地层岩性为砾岩、砂岩、泥岩及生物结晶灰岩。这类地层具有渗透性差和热传导率低的特点，组成了深部热储的良好盖层。

2.4 补给、径流、排泄特征

综上所述，温泉在研究区西部1 800 m左右的山区接受大气降水补给后顺区域性断裂FA和FB向地壳深部径流。在运移过程中，地下水不断从岩石中获取热量并逐渐被加热，当循环至约1 870 m深度时水温增至83 ℃左右，形成深部热储。最后，地下水在水头和密度差作用下顺F1断层向地表运移并在地形有利部位出露形成了温泉群（图3）。

3 水电站蓄水对温泉的影响

3.1 定性分析

根据上述分析，温泉群属上升泉，其形成与区域地下水的深循环有关，补给高程在研究区西部1 800 m左右的山区，循环深度约1 870 m。这一循环系统相对独立，只是在泉水排泄出地表的过程中，与浅表地下水发生了混合。

研究表明，水电站蓄水后对地下水渗流场的影响也只是局限在一定的范围和深度，超出这一范围和深度后，则恢复为天然地下水渗流场。因此，评价水电站蓄水对距离约3 km外温泉群的影响，关键是需要分析蓄水对浅表地下水循环系统的改变是否会延续至温泉区，进而影响到温泉的正常排泄。

温泉属深部循环地下水，泉群出露高程为830～833 m。调查发现，无论枯季、雨季其出露点均高于河水位，表现为泉水补给河水。即使其上游3 km外的水电站蓄水后，这一关系也不会发生改变。

水电站蓄水至961 m时，库水通过坝基向下游河床渗漏的平均水力梯度为20.79%。与此相比，库水与温泉群间的水力梯度仅为4.37%。根据压水试验资料，坝基岩体属微透水～中等透水。沟通水库与温泉群的结构面—F1断层宽2～8 m，破碎带组成物质以糜棱岩、断层泥、角砾岩为主。现场平硐揭露F1属压扭性断层，透水性差。因此，水电站蓄水后，库水向温泉群渗漏的水动力条件及渗漏通道的渗透性均较差，故渗漏至温泉排泄区附近的库水量极为有限。

综上可知：蓄水不会对温泉群排泄区附近浅表地下水循环系统产生大的影响；水电站建成后，温泉仍会自然排泄且其水量、水温不会产生大的变化。

3.2 模拟计算

采用美国地质调查局开发的模块化地下水流三维有限差分计算程序Modflow对地下水渗流场进行模拟。模型东西及南北长度均为4 500 m，面积20.25 km2，包括了水电站工程区及温泉群。

模拟区气候变化较大，干、湿季节分明，通常5～10月为雨季，降雨量丰富，暴雨较多。根据气象资料，本区多年平均降雨量1 080 mm，5～10月降雨量为864 mm，11月至次年4月降雨量为216 mm。所以按照季节将一年作为2个应力期（即雨季和干季），每个时间段内包括若干时间步长，时间步长由模型自动控制。根据模型运行情况调整时间步长，严格控制每次迭代的误差。模型中一年的降雨量按雨季和干季分别施加，其余年份依次类推。

由于温泉的形成与区域地下水的深循环有关，因此模型的高程范围设置较大，为0～2 000 m。为更真实地反映地层结构，将模型剖分为24层，200行、200列，共计960 000个单元。所有分层界限（层顶标高、层底标高）均自模拟计算区内勘探、水文地质剖面图数据提取，并恢复为三维空间数据，由此建立三维空间物理模型（图4）。

根据地下水渗流场特征和地层水文地质结构，将研究区边界条件确定如下：左岸为变水头边界；右岸为定水头边界；南部为流出边界；模拟区内水库及河流均为定水头边界。

此次渗流场模型的建立所采用的玄武岩渗透系数来源于水电站枢纽区钻孔压水试验成果，有效孔隙率数据采用坝址区岩石物理力学试验成果。由于模型涉及范围较大，其余岩体并无相关资料，因此，参数的选取尚参考了溪洛渡、官地、乌东德等大型水电工程的资料（表1）。

此次模型计算主要分两种方案进行。

（1）针对现状天然条件下，对模型进行校验，并进行40个水文年的非稳定流模拟与评价，模拟计算地下水渗流场及温泉流量的变化。

（2）针对蓄水后，水库水体对地下水渗流场及温泉流量的影响，进行40个水文年的非稳定流模拟与评价。

通过数值模拟计算天然条件下温泉群总流量平均值为17.23

L/s，这一结果与现场实测值基本一致。水电站蓄水至961m后，计算得出温泉群总流量平均值为17.21 L/s，这与天然条件下的总流量17.23 L/s十分接近，说明蓄水对温泉流量的增减基本无影响。

4 结语

通过上述分析可得出以下结论。

（1）温泉在研究区西部1 800 m左右的山区接受大气降水补给后顺区域性断裂FA和FB向地壳深部径流。在运移过程中，地下水不断从岩石中获取热量并逐渐被加热，当循环至约1 870 m深度时水温增至83 ℃左右，形成深部热储。最后，地下水在水头和密度差作用下顺F1断层向地表运移并在地形有利部位出露形成了温泉群。

（2）温泉群属上升泉，其形成与区域地下水的深循环有关，这一循环系统相对独立，只是在泉水上升排泄过程中，与浅表地下水发生了混合。

（3）地质分析与数值模拟计算均表明：水电站建成后，温泉仍会自然排泄，蓄水对温泉群的水量、水温和水质基本无影响。

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