中国抽水蓄能洞室涌水特征与水资源管理的区域分异

《Water》：Zonal Variations in Cavern Inflow Features and Water Management of Pumped Hydro Storage in China

　　

抽水蓄能是一种成熟且可靠的储能形式，近年来建设规模稳步扩大。地下洞室开挖是抽水蓄能建设不可或缺的一部分，而持续的洞室涌水对工程和区域水安全构成潜在威胁。研究人员首先总结了来自中国62个抽水蓄能项目的洞室涌水水化学特征。结合现场调查、水压试验、水化学分析和多方法涌水量预测，研究人员进一步讨论了两种不同气候环境下的典型项目的洞室涌水特征。结果表明，在这62个项目中，涌水中的总溶解固体（TDS）范围为21.0至4270.7 mg/L，pH值为6.7–8.3，且以HCO₃-Ca型为主。从湿润地区向干旱地区移动，TDS持续增加，而pH值无明显变化。在鄯善站址，受蒸发、硅酸盐风化和蒸发岩溶解控制，洞室涌水以高盐度SO₄-Mg型水为主，且SO₄^2-显著富集。地下厂房和输水隧道的预测涌水量分别为1247.96–5542.97 m³/d和105.85–211.69 m³/d。位于湿润地区的宁陕北站址，以碳酸盐溶解控制的低盐度HCO₃-Ca淡水为特征，其输水系统涌水量高达2914.71–3413.91 m³/d。两个站址在补给条件、涌水特征和水质方面存在显著差异，需要针对具体地点进行水资源管理。本研究为不同气候区抽水蓄能项目的涌水灾害控制、地下水水资源管理和生态保护提供了工程参考。

在全球能源转型加速的背景下，抽水蓄能作为大规模、长周期储能技术，在电力系统调峰、调频、黑启动等方面发挥关键作用，中国已连续十年位居全球抽水蓄能装机容量首位。然而，地下洞室开挖过程中持续的涌水问题不仅威胁施工安全与工程稳定，还可能扰动区域地下水均衡，引发水环境风险。目前，针对抽水蓄能洞室涌水的研究多集中于单个项目或局部区域，缺乏在全国尺度上对不同气候带（湿润-干旱）涌水水化学特征的系统对比，且涌水量预测方法在复杂地质条件下的适用性分析不足。为此，研究人员基于中国62个抽水蓄能项目的水化学数据集，选取了位于干旱区的鄯善项目和湿润区的宁陕北项目作为典型对比对象，系统分析洞室涌水的化学特征、补给来源、水岩作用机制及涌水量，旨在为不同气候区抽水蓄能工程的涌水控制、地下水管理及生态保护提供工程参考。该论文发表在《Water》。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：① 从环境影响评价报告和已发表研究中收集62个抽水蓄能项目的洞室涌水水化学数据，并进行离子平衡校验；② 在鄯善（11个水样，含河水、浅层地下水、泉水、隧洞涌水）和宁陕北（18个水样，含河水、钻孔地下水）两个典型项目进行湿季现场采样，分析pH、TDS、主要离子等参数；③ 开展水压试验（压水试验）测定岩体渗透率（Lu值），并换算为水力传导系数（K）；④ 采用降水入渗法、大井法、长水平巷道法及经验公式法等多种方法预测地下厂房和输水系统的涌水量。

**3.1 中国洞室涌水水化学特征**：通过分析62个项目的涌水水化学数据，研究人员发现，涌水总溶解固体（TDS）范围为21.0–4270.7 mg/L，pH为6.7–8.3，共识别出24种水化学类型，其中HCO₃-Ca型占主导（21.43%）。从湿润区向干旱区，TDS持续升高，pH保持稳定。湿润区涌水为低盐度HCO₃-Ca·(Mg/Na)型，半湿润区为HCO₃-Ca型，半干旱区SO₄^2-升高但仍以HCO₃-Ca型为主，干旱区则显著富集SO₄^2-和Mg²⁺，水化学类型转变为SO₄-Mg型。气候湿度是控制TDS和离子组成空间分异的主要因素，区域岩性进一步复杂化水化学特征。

**3.2 鄯善项目洞室涌水水化学**：通过现场水样分析，研究人员发现鄯善项目河水为低盐度HCO₃-Ca型，河床钻孔地下水受水岩作用影响演化为SO₄-Na型，洞室涌水TDS高达4125–4420 mg/L，SO₄^2-和Mg²⁺浓度极高，水化学类型为SO₄-Mg型。Gibbs图和离子比值分析表明，洞室涌水受蒸发作用控制，硅酸盐风化和蒸发岩溶解是主要水化学演化机制，石膏溶解和MgSO₄矿物溶解导致SO₄^2-过度富集。涌水对普通混凝土存在强硫酸盐侵蚀风险，需采用抗硫酸盐水泥。

**3.3 宁陕北项目洞室涌水水化学**：通过现场水样分析，宁陕北项目地表水和地下水水化学性质差异较小，TDS为77.3–262.0 mg/L，总硬度（TH）平均88.7 mg/L，pH为6.9–8.6，水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型或HCO₃-Ca型。Gibbs图和离子比值显示，岩石风化（尤其是碳酸盐溶解）控制水化学演化，方解石溶解是Ca²⁺和HCO₃^-的主要来源，不存在蒸发浓缩效应，涌水无腐蚀性风险。

**3.4 洞室涌水量预测**：研究人员通过水压试验获得岩体渗透率参数。鄯善项目弱风化石灰岩-板岩和安山岩渗透性中等，水力传导系数（K）推荐值0.035–0.04 m/d。采用降水入渗法、大井法和长水平巷道法预测，推荐地下厂房涌水量为1247.96–5542.97 m³/d，输水隧洞涌水量为105.85–211.69 m³/d。宁陕北项目岩体以极微透水为主（92%测试段q<1 Lu），平均K为0.004733 m/d。采用经验公式法预测，厂房区涌水量为987.45–1427.16 m³/d，输水系统涌水量为2914.71–3413.91 m³/d。不同方法预测结果存在差异，K值的不确定性是主导因素。

**3.5 洞室涌水水资源管理**：基于两项目在涌水量、水化学特征及水文地质条件上的显著差异，研究人员提出针对性的管理策略。干旱区鄯善项目应禁止盲目排水，采用物探技术查明裂隙水分布，结合帷幕灌浆控制涌水，对高盐度涌水实行分类处理并配备抗硫酸盐材料和专业水处理设施。湿润区宁陕北项目可将涌水视为可再利用水资源，修建蓄水池储存雨季多余涌水，用于施工和农业用水。建议建立涌水量和水质的实时监测系统，将气候分带涌水预测方法纳入全生命周期管理。

**总结讨论部分**：研究人员指出，两项目在补给条件、涌水特征和水质方面差异显著，根本受控于区域湿润与干旱气候差异。干旱区鄯善项目涌水来源于深部基岩裂隙水，受蒸发和矿物溶解控制，涌水量大且水质差，存在硫酸盐腐蚀风险；湿润区宁陕北项目涌水由降水补给，低盐度无腐蚀性，但涌水持续时间长。研究存在局限性：水样仅采集于湿季，未考虑季节变化对水化学的影响；涌水量预测采用确定性参数，缺乏不确定性分析和敏感性评估。未来需关注季节变化和工程扰动下涌水量和水化学的时序演化。

**研究结论翻译**：洞室涌水一直是抽水蓄能项目的关键研究问题。本研究系统分析了中国62个不同气候区抽水蓄能项目的洞室涌水水化学。涌水总溶解固体（TDS）范围为21.0–4270.7 mg/L，pH为6.70–8.30，以HCO₃-Ca型为主要水化学类型。干旱区鄯善项目以受蒸发、硅酸盐风化和蒸发岩溶解控制的高盐度SO₄-Mg型涌水为特征。相比之下，宁陕北项目的地表水和地下水均为受碳酸盐溶解控制的低盐度HCO₃型淡水。预测结果表明，鄯善项目地下厂房涌水量较高，为1247.96–5542.97 m³/d，而宁陕北项目输水系统涌水量较高，为2914.71–3413.91 m³/d。在鄯善，应严格控制地下水排水并优化降水设计，以避免生态破坏；对涌水进行分类处理，并采用抗硫酸盐材料和专业水处理设施。对于宁陕北，需关注降水补给导致持续涌水的问题。尽管本研究填补了中国不同气候区抽水蓄能项目洞室涌水特征的研究空白，但仍存在局限性：未考虑季节波动和施工阶段对水化学的影响，且涌水量预测采用确定性参数，缺乏不确定性分析。未来研究将聚焦于季节变化和工程扰动下涌水量和水化学的时序演化，以进一步深化对地下抽水蓄能洞室涌水机制的理解。