基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法与流程

1.本发明涉及一种库水渗漏综合判别方法,特别是一种基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法。


背景技术：

2.随着我国特高压输电、水力发电和风电等新兴能源的迅速发展，电力系统发生了很大变化，抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调压、调相、事故备用及黑启动等多种功能，是我国新能源发展的重要组成部分。由于施工技术和管理经验不足、地质条件复杂以及运行工况多等问题，水库在运行一段时间后通常会出现渗漏现象。水库渗漏不仅影响水库的正常运行和经济效益，而且会造成浸没，边坡滑塌等环境地质灾害。因此，研究水库渗漏对保证水库大坝的安全和抽水蓄能电站的有效运行具有重要的现实意义。
3.水库渗漏探测的方法和技术有很多，包括水量平衡法、渗漏系数测定法和各种地球物理学示踪方法。在实际工程中，当地质条件复杂时，很难采用单一的物理渗流检测方法来发现水库的渗漏情况。因此，需要综合使用多种示踪手段才能达到较好的效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法。水化学和氢氧同位素示踪方法在水库渗漏探测中具有独特的作用，对于区域微小渗漏的监测和检测有良好的工程效果，尤其在判断渗漏水的来源方面有不可替代的作用。水化学和氢氧同位素示踪方法不仅可以解决大型水电工程坝基渗漏、坝体渗漏、绕坝渗漏探测问题，还能在抽水蓄能这些中小型水电工程的渗漏探测中发挥重要的作用，对电站的长期安全监测也具有重要的价值。
5.本发明的技术方案：基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法，包括有以下步骤：
6.s1：野外地质调查和采集样品，系统地采集研究区大气降水、库水、钻孔水和泉水；
7.s2：测试数据，测定采集样品的水化学和氢氧同位素数据；
8.样品水化学的检测项目包括cl-和so
42-，氢氧同位素测试结果以基于维也纳平均海水为标准的千分值表示，测量结果表示为：
[0009][0010]
s3：根据样品水化学测试结果，利用样品cl-/so
42-值进行示踪，定性判断各钻孔水的补给来源；
[0011]
s4：根据采集样品氢氧同位素(δ2h、δ
18
o)测试结果，通过分析大气降水、库水、钻孔水和泉水的氢氧同位素组成特征，定性确定各钻孔水的补给来源，并结合端元混合计算和
补给高程计算，定量确定钻孔水中各补给来源的贡献率和补给高程；
[0012]
s5：结合水化学和氢氧同位素示踪方法的研究结果，进行水化学和氢氧同位素cl-/δ
18
o值综合判别，分析库水渗漏的位置与渗漏路径。
[0013]
前述的基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法中，所述s2中，其中cl-和so
42-采用离子色谱法测定，样品分析误差控制在
±
5.0％以内，氢氧同位素用同位素lgr增强型水同位素分析仪测试，δ
18
o的分析误差为
±
0.2
‰
，δ2h的分析误差为
±
1.0
‰
。
[0014]
前述的基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法中，所述s3中，以样品水化学测试结果中so
42-的浓度为x轴，cl-的浓度为y轴，拟合得到两者之间的拟合关系式，并在坐标图中标注出大气降水、库水、各个钻孔水和泉水的位置，通过分析各个钻孔水与库水的cl-/so
42-值与拟合关系式的位置关系，从而分析钻孔水是否为库水的渗漏补给，当钻孔水与库水的cl-/so
42-值接近，则表明该钻孔受到库水渗漏的补给；钻孔水在库水的拟合关系式上，表明钻孔水与库水的cl-与so
42-来自相同的来源；cl-/so
42-值在大气降水、泉水和库水之间则为大气降水、山泉水和库水的混合补给；钻孔水的cl-/so
42-值在大气降水和泉水之间，为降水和山泉水的混合补给。
[0015]
前述的基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法中，所述s4中，基于氢氧同位素组成特征的定性确定各钻孔水的补给来源的方法如下：
[0016]
绘制测试数据δ2h-δ
18
o比值图，以全球大气降水线gmwl和全国大气降水线lmwl为参照，样品氢氧同位素值半数以上位于全国大气降水线右下方，表示水体受到了明显的蒸发分馏作用，库水样品受到蒸发作用影响偏离大气降水线，分布于斜率小于大气降水线的蒸发线上；钻孔水氢氧同位素含量与库水值接近，而与同期其他钻孔水不同，表明该钻孔受到库水渗漏的补给；钻孔水的氢氧同位素值介于库水、大气降水及泉水三者之间，表明它们是库水、大气降水及泉水的混合补给，三个端元发生了混合；钻孔水与降水氢氧同位素值接近，表明钻孔水来自大气降水的直接补给，钻孔水氢氧同位素值贫瘠即δ2h《-80
‰
，δ
18
o《-11
‰
，则来自高程较高的山区降水补给；
[0017]
而基于氢氧同位素的各水体端元混合计算和补给高程计算定量确定钻孔水中各补给来源的贡献率和补给高程：以同位素为示踪剂的端元混合分析方法，三端元混合方法用式2的一致方程来描述：
[0018][0019]
式中，fi为i源的贡献比例，n为端元个数，c
mj
表示m端元所含示踪剂j的浓度；
[0020]
补给高程的计算公式为：
[0021]
h＝h0 (δgw-δp)/k (式3)
[0022]
式中，h为补给高程，h0为采样点高程，δgw为地下水δ
18
o值，δp为采样点附近大气降水δ
18
o值，k为δ
18
o随高程下降的梯度；
[0023]
计算补给高程大于取样位置高程，则该补给来源来自高程较高的山区降水补给；计算补给高程基本等于取样位置高程，该补给来源为取样位置降水补给；计算补给高程小于取样位置高程，该补给来源为低处降水的补给；水体氢氧同位素富集、且无法用三端元混合计算的表明该水体为大气降水的直接补给。
[0024]
前述的基于水化学和氢氧同位素示踪的库水渗漏综合判别方法中，所述s5中，水
化学和氢氧同位素cl-/δ
18
o值综合判别：cl-浓度的变化主要受溶解化学物质来源不同和不同补给海拔的影响，而不受蒸发作用的影响；不同钻孔地下水和库水的δ
18
o值变化表明，同位素组成受到蒸发作用的影响；cl-/δ
18
o值可以综合判别钻孔水的补给来源，钻孔水的cl-/δ
18
o值与库水值接近，表明该钻孔受到库水渗漏的补给；钻孔水的cl-/δ
18
o值介于库水、大气降水及泉水三者之间，表明它们是库水、大气降水及泉水的混合补给，三个端元发生了混合；钻孔水氧同位素富集，cl-接近于大气降水浓度，则来自大气降水的直接补给；钻孔水氧同位素贫瘠，cl-接近于大气降水浓度，则来自高程较高的山区大气降水补给。
[0025]
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案中水化学和氢氧同位素可以示踪大气降水、库水和地下水，利用样品的cl-/so
42-值进行示踪，定性判断渗漏水的补给来源，通过分析大气降水、库水、钻孔水和泉水的氢氧同位素组成特征，定性确定各钻孔水的补给来源，并结合端元混合计算和高程补给计算，定量确定钻孔水中各补给来源的贡献率和补给高程，结合水化学和氢氧同位素示踪方法的研究结果，进行水化学和氢氧同位素cl-/δ
18
o值综合判别，分析库水渗漏的位置与渗漏路径。本方案能够有效的指示库水渗漏的位置和渗漏路径，对示踪水库渗漏诊断有重要的价值，研究结果可为抽水蓄能电站的渗漏监测及防治提供了有益的参考。具体效果体现在以下几个方面：
[0026]
1.水化学和氢氧同位素都可以示踪大气降水、库水和地下水，通过分析大气降水、库水、渗漏水与地下水的水化学成分和氢氧同位素组成，可以确定渗漏水的来源是水库水还是邻近的含水层、或是地下水和库水等混合水体，并确定库水渗漏的位置和渗漏路径。
[0027]
2.水化学和氢氧同位素示踪剂在水库渗漏问题上有显著的优点，因为任何自然的水迹都可用于水文研究，所以能够示踪渗漏水的多种补给来源。
[0028]
3.水化学和氢氧同位素对水的自然标记发生的规模比任何人工示踪剂的水文实验要大的多，因为氢氧同位素的含量在空间和时间上的变化要比非同位素示踪剂的含量大得多，所以氢氧同位素作为示踪剂灵敏度更高。
[0029]
4.水库建坝蓄水后，由于坝址水流流态的变化，即由建坝前的流动态转变为建坝后的相对静止态，由河流型转变为水库湖泊型，库水的水化学组分也相应发生了明显的变化。库水作为渗漏水的主要补给源，其特征对渗漏水的水化学组分会产生一定的影响。因此，库水水化学特征的变化及与地下水水化学的差别为示踪水库的渗漏路径提供了基础。
[0030]
5.氢氧同位素示踪剂最重要的优点是由于载体即“水”的大量存在，无法通过吸附、沉淀或任何其他生物或化学过程去除它们。
[0031]
6.对于渗漏区埋深大、具有隐蔽性以及渗漏空间小的特点，水化学和氢氧同位素示踪方法可以弥补地球物理勘探方法中的不足，从而获得更准确的结果。因此，利用水化学和氢氧同位素示踪方法探测抽水蓄能电站的水库渗漏更为精准。
附图说明
[0032]
图1为本发明的流程图；
[0033]
图2是电站各类水体cl-和so
42-比值变化图；
[0034]
图3是电站各类水体氢氧同位素组成分布特征图；
[0035]
图4是电站各类水体δ
18
o与cl-浓度比值变化图；
[0036]
图5是某水库渗漏位置分布图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0038]
本发明的实施例：对抽水蓄能电站某水库进行野外地质调查和系统地采集大气降水、库水、钻孔水和泉水，通过分析各钻孔水的水化学和氢氧同位素特征，利用水化学和氢氧同位素示踪方法综合判别库水渗漏的位置以及渗漏路径。
[0039]
步骤
①
野外地质调查和采集样品，系统地采集研究区大气降水、库水、钻孔水和泉水。
[0040]
步骤
②
测试数据，测定水化学和氢氧同位素数据。
[0041]
样品水化学的检测项目包括氯离子(cl-)和硫酸根(so
42-)。其中氯离子和硫酸根采用离子色谱法(hj/t84-2001)测定。样品分析误差在
±
5.0％以内。
[0042]
测定水化学和氢氧同位素数据。氢氧同位素用同位素lgr增强型水同位素分析仪测试，测试结果以基于维也纳平均海水(vsmow)为标准的千分值(
‰
)表示。测量结果表示为：
[0043][0044]
δ
18
o的分析误差为
±
0.2
‰
，δ2h的分析误差为
±
1.0
‰
。
[0045]
步骤
③
根据样品水化学测试结果，利用样品cl-/so
42-值进行示踪，定性判断各钻孔水的补给来源。
[0046]
cl-/so
42-比值对水库渗漏的指示意义，地下水中的氯离子具有稳定的性质，被认为是守恒的地球化学示踪剂，并且被广泛应用于地下水的补给研究中。cl-/so
42-值反映阴离子演化过程及组分分配比例变化情况，cl-/so
42-值的差别可以区分出地下水与库水是否密切联系，从而分析地下水是否为库水的渗漏补给。如图2所示，样品数据在cl-‑
so
42-比值图呈显著的正相关关系，拟合线为y＝0.80*x-0.05，zk-3钻孔水与库水的cl-/so
42-值接近，表明该钻孔受到库水渗漏的补给。zk-5、zk-6钻孔水在库水的拟合线上，表明zk-5、zk-6钻孔水与库水的cl-与so
42-来自相同的来源，cl-/so
42-值在大气降水、泉水和库水之间为大气降水、山泉水和库水的混合补给。sw-1、zk-1、zk-2与zk-4钻孔水的cl-/so
42-值在大气降水和泉水之间，为降水和山泉水的混合补给。
[0047]
步骤
④
根据采集样品氢氧同位素(δ2h、δ
18
o)测试结果，通过分析大气降水、库水、钻孔水和泉水的氢氧同位素组成特征，定性确定钻孔水的补给来源，并结合端元混合计算和高程补给计算，定量确定钻孔水中各补给来源的贡献率和补给高程。
[0048]
氢氧同位素组成特征分析方法：绘制测试数据δ2h-δ
18
o比值图，以全球大气降水线gmwll(δ2h＝8δ
18
o 10)和全国大气降水线lmwl(δ2h＝7.8δ
18
o 8.2)为参照。如图3所示，样品氢氧同位素值半数以上位于全国大气降水线右下方，表示水体受到了明显的蒸发分馏作用。库水样品受到蒸发作用影响偏离大气降水线，分布于斜率小于大气降水线的蒸发线上(δ2h＝5.37δ
18
o-16.43)。zk-3钻孔水氢氧同位素含量与库水值接近，而与同期其他钻孔水不同，表明该钻孔受到库水渗漏的补给。zk-4、zk-5、zk-6钻孔水的氢氧同位素值介于库水、
大气降水及泉水三者之间，表明它们是库水、大气降水及泉水的混合补给，三个端元发生了混合。zk-1、zk-2钻孔水与降水氢氧同位素值接近，表明zk-1和zk-2钻孔水来自大气降水的直接补给。sw-1钻孔水氢氧同位素值贫瘠(δ2h《-80
‰
，δ
18
o《-11
‰
)，来自高程较高的山区降水补给。(影响同位素组成的高程效应：大气降水的氢氧同位素组成随高度增加而逐渐降低)
[0049]
基于氢氧同位素的各水体端元混合计算和高程补给计算定量确定钻孔水中各补给来源的贡献率和补给高程：以同位素为示踪剂的端元混合分析方法，三端元混合方法用式2的一致方程来描述：
[0050][0051]
式中，fi为i源的贡献比例，n为端元个数，c
mj
表示m端元所含示踪剂j的浓度。使用软件isosource模型软件计算。
[0052]
补给高程的计算公式为：
[0053]
h＝h0 (δgw-δp)/k (式3)
[0054]
式中，h为补给高程，h0为采样点高程，δgw为地下水δ
18
o值，δp为采样点附近大气降水δ
18
o值(-5.48
‰
)，k为δ
18
o随高程下降的梯度(-3
‰
/100m)。
[0055]
当计算结果中计算补给高程大于取样位置高程，该补给来源来自高程较高的山区降水补给。计算补给高程基本等于取样位置高程，该补给来源为取样位置降水补给。计算补给高程小于取样位置高程，该补给来源为低处降水的补给。水体氢氧同位素富集(未受到蒸发)且无法用三端元混合计算的表明该水体为大气降水的直接补给。
[0056]
对某水库的端元混合计算和高程补给计算结果见表1。sw-1钻孔水泉水的贡献率为76％～99％，其补给高程为563.30～648.01m，计算得到的钻孔水平均补给标高与临近山脊的平均补给标高非常接近，为临近山脊的泉水补给。zk-1钻孔水氢氧同位素值富集，用三端元混合模型无法计算，为来自大气降水的直接补给。zk-2钻孔水是库水(23.0％～60.0％)、大气降水(1.0％～38.0％)及泉水(35.0％～44.0％)的混合。zk-3钻孔水主要由库水渗漏补给(46.0％～83.0％)。zk-4钻孔水与库水和大气降水关系不大，来自较高海拔的泉水渗漏(90.0％～99.0％)，补给高程为506.22～554.50m。zk-5钻孔水由库水(1.0％～38.0％)、大气降水(13.0％～51.0％)和泉水(45.0％～53.0％)三端元混合补给。zk-6钻孔水由库水(3.0％～41.0％)、大气降水(55.0％～63.0％)和泉水(1.0％～38.0％)三端元混合补给。
[0057]
表1不同端元对钻孔水的贡献值及补给高程
[0058]
样品不确定度大气降水库水泉水补给高程/(m)zk-1
‑‑‑‑
299.54～329.28zk-20.11.0％～38.0％23.0％～60.0％35.0％～44.0％406.31～414.46zk-30.11.0％～38.0％46.0％～83.0％13.0％～21.0％375.39～307.92zk-41.51.0％～10.0％1.0％～9.0％90.0％～99.0％506.22～554.50zk-50.11.0％～38.0％13.0％～51.0％45.0％～53.0％423.86～455.57zk-60.11.0％～38.0％3.0％～41.0％55.0％～63.0％424.05～503.08sw-151.0％～8.0％1.0％～24.0％76.0％～99.0％563.30～648.01
[0059]
步骤
⑤
结合水化学和氢氧同位素示踪方法的研究结果，进行水化学和氢氧同位素cl-/δ
18
o值综合判别，分析库水渗漏的位置与渗漏路径。
[0060]
水化学和氢氧同位素cl-/δ
18
o值综合判别：cl-浓度的变化主要受溶解化学物质来源不同和不同补给海拔的影响，而不受蒸发作用的影响；不同钻孔地下水和库水的δ
18
o值变化表明，同位素组成受到蒸发作用的影响；cl-/δ
18
o值可以综合判别钻孔水的补给来源。zk-3钻孔水cl-/δ
18
o值与库水值接近，表明该钻孔受到库水渗漏的补给。zk-2、zk-5、zk-6钻孔水的cl-/δ
18
o值介于库水、大气降水及泉水三者之间，表明它们是库水、大气降水及泉水的混合，三个端元发生了混合。zk-1钻孔水氧同位素富集，cl-接近于大气降水浓度，来自大气降水的直接补给。zk-4、sw-1钻孔水氧同位素贫瘠，cl-接近于大气降水浓度，来自高程较高的山区大气降水补给。综合判别结果与水化学和氢氧同位素示踪结果一致，证明发明的方法具有可行性。
[0061]
综合水化学和氢氧同位素示踪结果和综合判别结果：zk-3钻孔水受到库水渗漏的补给。zk-2、zk-5、zk-6钻孔水为库水、大气降水及泉水的混合。zk-1钻孔水来自大气降水的直接补给。zk-4、sw-1钻孔水来自高程较高的山区泉水补给。本研究给出了库水的入渗通道存在于zk-3钻孔所在的水库进出水口范围内。如图5所示。
[0062]
本发明基于水化学和氢氧同位素示踪方法的库水渗漏综合判别方法能够有效的指示库水渗漏的位置和渗漏路径，对示踪水库渗漏诊断有重要的价值，研究结果可为抽水蓄能电站的渗漏监测及防治提供了有益的参考。