原标题：化学与水利水电工程的发展关系（水利水电工程与社会的关系）

化学与水利水电工程的发展关系,对未来水利水电工程发展的建议：选择化学与水利水电工程的发展关系,对未来水利水电工程发展的建议好吗？

化学与水利水电工程的发展关系,对未来水利水电工程发展的建议

摘 要：

在高放废物处置库场地性能评价中，场地水文地质条件是工作重点，特别是区域和局部地下水的水文地球化学特征是处置库安全性和可行性的关键评价内容。为了解和掌握预选区的总体水文地质条件，在北山预选区南部河西走廊(酒泉玉门-肃州段)开展了水文地球化学调查。在此基础上，利用水化学和同位素水文地球化学方法，分析了研究区地下水的化学成分、形成、演化、循环特征和成因。结果表明，浅层地下水在氧化条件下为淡水，主要为SO4-HCO 3-Ca-Mg型水。深层地下水TDS沿地下水流向增加，水化学类型逐渐演化为SO4 cl-na mg ca型。推测北山预选区深层地下水为Cl SO4或SO4 cl-na型水。根据氢氧同位素资料，建立了大气降水线方程D=7.5718O 8.4(R=0.98)和高程效应方程D=-0.0.025 85H 28.28(R=0.90)和18O=-0.003 47H 3.04(R=0.92)。研究区浅层和深层地下水来源于大气降水，补给高程与祁连山相似。综合分析表明，研究区地下水补给的主要来源是祁连山降水形成的冰雪融化。

关键词：

水文地球化学；氢和氧同位素；深层地下水；河西走廊；北山；

作者简介：

吴广印(1994—)，男，硕士研究生，主要从事水文地球化学研究。E-mail:139686548@qq.com；

*刘金辉(1961—)，男，教授，博士，主要从事水文地质和水文地球化学研究。E-mail:liujh1961@163.com；

基金：

国防科技工业局项目(21104001100)；

引用：

吴广印，刘金辉，孙占学，等.河西走廊酒泉玉门-肃州地区地下水水文地球化学特征[j].水利水电技术，2021，51 (10) : 111-118。

吴广印，刘金辉，孙占学，等。河西走廊酒泉玉门-肃州地区地下水水文地球化学特征[J]。水利水电工程，2021，51(10) : 111-118。

0 引 言

甘肃北山地区是我国高放废物处置库的重要预选区，现已进入地下实验室研究阶段。19

85年以来,不少学者在该区开展了大量水文地质研究工作,对水文地质条件有较深刻的认识。郭永海等(2008)对北山预选区地下水起源、形成分布、水化学特征和循环交替条件做了较深入研究,认为北山地区地下水位分布不均匀、循环交替能力弱,深部和浅部地下水均源自大气降水补给,水化学类型以 Cl·SO4-Na和SO4·Cl-Na型为主。庞忠和(2007)、周志超(2014)通过对预选区钻孔中深部地下水补给来源研究,认为北山地区地下水入渗补给缓慢,其3H年龄为60 a以上,深部地下水81Kr年龄为25 ka和46 ka,4He平均滞留时间为3.8 ka和5.0 ka。董艳辉等(2009)通过数值模拟,分析了断层及不同补给条件对地下水流场的影响。吴晓翠等(2017)基于北山地区花岗岩水中Fe2+/Fe3+比值,提出了推测北山地下水氧化还原电势的可能方法。这些研究成果对认识北山预选区水文地质条件取得了实质性进展,但其研究范围多局限于北山预选区,对其南部的祁连山-河西走廊地区地下水水文地球化学特征尚未开展系统的调查与研究工作,尤其对酒泉玉门-肃州地区深部地下水水文地球化学特征及其与北山预选区深部地下水的关系与形成机制还不十分清楚。因此,本文根据水文地球化学调查结果,对河西走廊玉门-肃州段地下水水文地球化学特征进行探讨,为探讨河西走廊地下水与北山预选区地下水的关系提供水文地球化学特征。

1 自然地理概况

1.1 气 候

酒泉玉门-肃州地区位于甘肃省西部,南部为祁连山,北部为北山预选区。其地理位置为东经:96°45′～98°45′,北纬:39°25′～40°35′,面积约17400 km2(见图1)。祁连山北麓属冰缘半干旱高山气候,年平均气温-5.6～3.7 ℃;海拔4500m以上分布有现代冰川或终年积雪,年降水量为100～400 mm;走廊地区海拔1000～1500m,绿洲、戈壁相间分布,年降水量150～500mm,蒸发量1300～1700 mm。

图1 研究区位置示意

1.2 水 文

区内河流均发源于祁连山冰川积雪区,自西而东发育有昌马河(疏勒河)、石油河、北大河(讨赖河)、洪水坝河;昌马河、石油河属疏勒河水系,北大河、洪水坝河属黑河水系。

昌马峡至走廊平地为昌马河中游,向北分流于大坝冲积扇面;石油河向北流经玉门市西老君庙进入山前冲积洪积平原,至赤金峡出露成泉汇集成赤金河,在东北流注入花海子;北大河源头于冰沟口,从嘉峪关市西南入境,由东面流出;洪水坝河源于肃南裕固族自治县的走廊南山与陶麟山之间的分水岭,是河西走廊地区地下水的补给来源之一。

1.3 地形地貌

祁连山是由一系列3000～5000 m的高山群组成。山前地带河流阶段性下切,形成峡谷状的河谷形态,在河床两岸形成多级阶地,地势呈南高北低,自西南向东北倾斜。北部酒泉盆地,海拔1350～1500 m,由近代洪积和冲积物所构成的山前倾斜平原。由于区内构造、岩性、气候诸多因素的影响,形成了不同的构造地形、剥蚀地形和堆积地形。河流从发源地到其水流终止或散失区,要穿越中高山(水文网强烈排水带),丘陵(阻水带),盆地洪积扇群(渗入径流带)、细土平原(泉水溢出带),低山丘陵(阻水带)及北部盆地(渗入蒸发带)不同的地带(见图2)。

图2 南北向剖面示意

2 地质、水文地质概况

2.1 地质概况

研究区主要出露前震旦系、下奥陶统阴沟群、下志留统肮脏沟组、上三迭统延长群、下侏罗统赤金堡组、下白恶统新民堡群、第三系及第四系。岩浆岩分布较广,以喷出岩为主,侵入岩次之。

构造主要为位于走廊南缘与走廊南山北麓交会处的走廊南缘深断裂,向西直到玉门以西,向东可延至毛毛山以东,区内长度约80 km;酒泉中新坳陷基底南低北高,略成不对称的大向斜,南部埋深3500～4 700m,北部600～1200 m,走廊北缘深断裂位于走廊北侧,合黎山南麓,向东向西延长均达数百公里(酒泉幅(J- 47-Ⅲ) 1∶20万区域地质测量报告,玉门市幅(J- 47-Ⅱ) 1∶20万区域地质测量报告)。

2.2 水文地质概况

2.2.1 浅部地下水

酒泉盆地内广泛覆盖着不同厚度的第四系松散堆积物,沿地下水流向含水层颗粒由粗到细,结构从单一砂砾石、砾卵石地层过渡到亚砂土、亚粘土与砂砾石互层地层,水位埋深由深变浅,相应的地下水类型也由单一潜水变成多层承压水。各河流径流出山口后,逐渐潜入地下,至扇缘又呈泉水溢出,汇成泉水河道。盆地向北含水层颗粒渐细,富水性渐弱,潜水位埋深5～10 m。走廊平原地区潜水具有典型山前平原自流斜地特征,地下水由祁连山前到盆地北部,为补给区到排泄区。

2.2.2 深部地下水

深部地下水常为承压水,主要分布于第四系下更新统及以前的地层中,以层状的基岩裂隙水和碎屑岩孔隙-裂隙水的形式存在。深部地下水富水性明显受地貌、岩性及地质构造条件控制,富水程度差异性很大。走廊南部盆地及祁连山北缘含水层TDS从小于1g/L到大于20g/L均有分布,水化学类型复杂。走廊北部盆地为碎屑岩建造的含水层, TDS为3～15g/L,水化学类型以Cl-Na型居多。新近系-第四系下更新统为走廊地区深部地下淡水含水层,岩性为砂砾岩;含水层埋深100～1 800 m,厚度400～800 m,TDS为0.1～1g/L,钻孔揭穿时会有自喷现象,水化学类型为SO4、HCO3型。

3 地下水水文地球化学特征

为系统研究河西走廊(玉门-肃州段)地下水水文地球化学特征,2021年7—8月在研究区采集了天然水样品23组,取样位置如图3所示,测试结果如表1所列。

图3 取样点位置分布示意

表1 研究区天然水化学成分测试结果

注:样品由核工业北京地质研究院测试中心测试(2021)。前6项埋藏类型为地表水与浅部地下水,后11项埋藏类型为深部地下水

3.1 地下水化学成分特征

3.1.1 浅部地下水水化学特征

本次研究将含水层埋深<100m的地下水划分为浅层地下水。由表1可以看出,浅部地下水现场测试的pH一般在7.75～8.67之间,属于中性偏碱性水;Eh值在91.2～189.4mV之间,且大多在120 mV以上,溶解氧在6.53～ 7.86,TDS为117～653 mg/L,表明地下水处于氧化环境,且主要为淡水。

由Piper图(见图4)可以看出,浅部地下水水化学类型主要为SO4·HCO3-Ca·Mg型,地下水中阳离子从Ca2+-Mg2+型水向以Ca2+型水为主过渡;阴离子主要为SO42-和 HCO3-,并有逐渐演化为SO42-型水的趋势。

图4 地下水水化学Piper图

3.1.2 深部地下水水化学特征

由表1可知,深部地下水pH值在7.8左右,属弱碱性地下水;Eh值为107.4～195.3 mV,并随地下水埋深增大而降低;TDS变化比较大,最大者高达3416 mg/L,一般为329～3 416 mg/L,平均1225 mg/L,多为微咸水。

根据水化学Piper图解可以看出,地下水水化学类型较复杂,主要为SO4·Cl-Na·Mg·Ca型;地下水从Mg2+、Ca2+型水逐渐演化为Na+型水;由SO42-、HCO3-型水过渡为以Cl-、SO42-型水为主;沿地下水流向,地下水水化学类型由SO42-、HCO3-型变为SO42-型。走廊南部盆地地下水为HCO3·SO4-Mg·Ca型水(TDS为358 mg/L),盆地凹陷SO4·HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Na·Mg·Ca型和HCO3·SO4-Mg·Ca·Na型水(TDS为365～2 236 mg/L);北部盆地地下水为SO4-Mg·Ca或SO4-Mg·Na型(TDS为329～457 mg/L),表明沿地下水径流方向地下水TDS明显增高,深部地下水以硫酸盐、氯化物为主。由此推测北山重点区深部地下水其水化学类型为Cl·SO4-Na型或SO4·Cl-Na型,应位于河西走廊深部地下水下游。

3.2 同位素水文特征

同位素水文地球化学方法是确定地下水成因的重要手段,根据研究区天然水氢氧同位素组成,确定了研究区大气降水线方程及同位素高程效应方程,并由此对地下水补给来源及补给高程进行了探讨。

3.2.1 大气降水线方程

2021年7—8月,笔者对祁连山北麓1 200～3 800 m高程范围的大气降水样品进行了采集,所有样品均为雨天现场及时采集,能够代表研究区大气降水,测试结果如表2所列。

将大气降水的δ18O和δD数据点绘制在δ18O-δD图上,通过回归拟合,得到走廊地区(玉门-肃州段)大气降水线方程为δD=7.57δ18O+8.4(R=0.98),该方程与全球大气降水线(δD=8.17δ18O+10.56)相近(见图5)。图5显示地表水、浅部和深部地下水δ18O、δD基本位于全球大气降水线方程附近,表明研究区大气降水同位素组成能够反映实际大气降水同位素组成,且浅部和深部地下水均来源于大气降水补给。

图5 研究区地下水δD-δ18O含量分布

由表2中数据可知,浅部地下水δ18O值分别为-8.75‰～-9.23‰、δD值为-54.57‰～-64.42‰;深部地下水δ18O和δD值分别在-6.74‰～-10.76‰和-45.51‰～-78.60‰范围内,表现出深部地下水δ18O和δD值明显负于浅部地下水δ18O、δD值的特征。

表2 研究区氢氧同位素数组成测试结果及补给高程计算结果

3.2.2 地下水补给高程

为探究大气降水氢氧稳定同位素组成随高程变化特征,利用不同高程大气降水同位素组成数据,绘制了大气降水δ18O-高程关系图和δD-高程关系图(见图6),得到氢、氧同位素高程效应方程:δ18O=-0.003 47H+3.04(R=0.92),δD=-0.0.025 85H+28.28(R=0.90)。图6表明大气降水δ18O、δD值随补给高程的增高而降低。

图6 水δ18O-高程关系图和δD-高程关系示意

将地下水δ18O、δD值代入高程效应方程,即得到地下水补给高程(见表2)。根据δ18O、δD值计算得到地下水补给高程分别为2 819～3 976 m和2 854～4 143 m,平均补给高程于2 800～4 000 m之间(平均3 481 m)。其中浅部地下水补给高程平均为3 412 m,深部地下水补给高程为3 516 m,而祁连山为高山(海拔3 000～5 000 m)且4 500 m以上分布有冰川和积雪,进一步推断研究区地下水的补给主要来源可能为祁连山大气降水下形成的冰雪融水。

4 结 论

(1)研究区浅部地下水为偏碱性淡水,处于氧化环境,水化学类型主要为SO4·HCO3-Ca·Mg型。

(2)深部地下水TDS沿地下水流向增高且由淡水逐渐变为微咸水。水化学类型由SO4·HCO3型或 HCO3·SO4-Mg·Ca型逐渐演变为SO4·Cl-Na·Mg·Ca型;推测北山预选区深部地下水水化学类型为 Cl·SO4-Na型或SO4·Cl-Na型,位于河西走廊深部地下水下游。

(3)建立的研究区大气降水线方程δD=7.57δ18O+8.4(R=0.98)与全球大气降水线方程接近,说明浅部与深部地下水起均源于大气降水。

(3)根据研究区确定的氢氧同位素高程效应方程,得到地下水补给高程为2800～4000m,与补给区祁连山高程相近。综合分析,研究区浅部和深部地下水的补给主要来源均为祁连山大气降水下形成的冰雪融水。

---

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

化学与水利水电工程的发展关系,对未来水利水电工程发展的建议