水電站壩址滲流微觀動態(tài)研究綜述

宋漢周霍吉祥王建平朱旭芬

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

水電站壩址滲流微觀動態(tài)研究綜述

宋漢周，霍吉祥，王建平，朱旭芬

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

從水電站壩址地下水水質(zhì)與滲水析出物的形成、演變及其影響因素，以及水-巖相互作用地球化學(xué)模擬等方面對運行工況下水電站壩址滲流微觀動態(tài)的研究進展進行綜述，并對其中存在的問題進行探討。指出需要進一步研究的方向包括：水質(zhì)異常變化所具有的化學(xué)損傷效應(yīng)；滲水析出物中微量元素的地球化學(xué)特性及其指示意義；考慮細觀結(jié)構(gòu)改變的液-固相間多組分反應(yīng)-運移多尺度模型及其應(yīng)用；水-巖（還包括工程材料）間相互作用地球化學(xué)模擬不確定性及其方法論。

壩址水-巖相互作用；地下水水質(zhì)；滲水析出物；形成機制；試驗?zāi)M；數(shù)值模擬；綜述

滲流動態(tài)多指地下水的各要素（水位、水量、水質(zhì)及水溫等）在自然和人為雙重因素的影響下隨時間而呈現(xiàn)的規(guī)律性變化。一般可把地下水水位、水量等要素歸為滲流的宏觀動態(tài)要素，而水質(zhì)（還包括滲水析出物）、水溫等要素則歸為滲流的微觀動態(tài)要素。

已有研究［1-2］表明，定期開展運行工況下水電站壩址滲流微觀動態(tài)的監(jiān)測／檢測工作，其成果有助于：（a）判斷壩址區(qū)滲流系統(tǒng)的補、徑、排條件及其變化；（b）分析水-巖-帷幕間存在的復(fù)雜物理-化學(xué)作用；（c）評價壩基帷幕體的防滲效果及其時效性；（d）診斷壩址區(qū)內(nèi)可能存在的地質(zhì)隱患。滲流的微觀動態(tài)隱含的信息遠豐富于滲流的宏觀動態(tài)，因此越來越引起人們的重視。許多學(xué)者對水電站壩址滲流的微觀動態(tài)及其潛在影響開展了較多研究，目前研究主要集中在地下水水質(zhì)的形成、演變機制及其影響因素，滲水析出物的形成、演變機制及其影響因素，以及水-巖相互作用地球化學(xué)作用模擬等方面。本文對上述3個方面的研究進展進行總結(jié)、歸納和評述，并就有關(guān)問題進行探討。

1 地下水水質(zhì)的形成、演變機制及其影響因素

與補給源（通常為壩前庫水）相比，壩址地下水總體上具有如下水化學(xué)特征［3］：（a）TDS（溶解性固體總量）值顯著增大，為補給源TDS值的1～2倍或以上；（b）帷幕體下游側(cè)（簡稱幕后）地下水普遍呈堿性，局部甚至呈強堿性（pH＞10.0），不同于天然條件下的pH；（c）幕后地下水中可溶性SiO2含量增加，為補給源SiO2含量的1～2倍或以上，一般以Si（OH）4、SiO（OH）、SiO2（OH）這3種形式出現(xiàn)；（d）不同部位間水化學(xué)類型的多樣化，包括OH-Ca型等，也有別于天然條件下的水化學(xué)類型。Mason［4］曾對壩體滲漏水的堿性化及其化學(xué)侵蝕（或腐蝕）性作了探討，但未論及壩基幕后地下水的堿性化問題。

由壩址地下水化學(xué)的基本特征可知，存在著多種水質(zhì)形成作用［5］，如溶解作用、混合作用、氧化還原作用等。當(dāng)壩基地質(zhì)體為多孔介質(zhì)（如深厚覆蓋層）、且具有較大比表面時，發(fā)生于液-固相之間的離子吸附交換作用也成為壩址區(qū)內(nèi)水質(zhì)的重要形成作用之一。其中，發(fā)生于水-巖系列（還包括工程材料）間的溶解-沉淀作用最為廣泛，具有普遍性［6］。目前，在實際工作中多應(yīng)用基于化學(xué)熱力學(xué)理論建立的飽和指數(shù) SI（saturation index，在數(shù)值上為目標(biāo)反應(yīng)礦物于水溶液中相關(guān)組分的活度積與該礦物的溶度積常數(shù)Ksp之比的對數(shù)值）模型來量化解析水溶液與特定礦物（如碳酸鹽類礦物）之間的反應(yīng)狀態(tài)：即SI小于0、SI等于0以及SI大于0分別表示△G＜0、△G=0和△G＞0（△G為反應(yīng)自由能的變化），并分別指示水-巖間處于溶解狀態(tài)、溶解-沉淀平衡狀態(tài)以及沉淀狀態(tài)。已有研究表明，采用飽和指數(shù)模型解析液-固相間的反應(yīng)狀態(tài)存在誤差［7］。究其原因：一方面與模型中涉及的水化學(xué)組成類型及其“有效濃度”的計算存在不確定性有關(guān)；另一方面也與水質(zhì)的實際檢測過程有關(guān)。對于實際檢測過程，目前開展的水質(zhì)化驗分析（包括常規(guī)單項指標(biāo)及pH、電導(dǎo)率等綜合指標(biāo)），多將水樣從現(xiàn)場采集至實驗室再進行化驗。顯然，室內(nèi)待測水樣的環(huán)境特征（如溫度、壓力等）已不同于水體原位的，以致水質(zhì)的部分敏感指標(biāo)（如pH以及暫時硬度HCO-3等）難以避免地發(fā)生了變化。劉再華［8］曾分別采用原位測試及室內(nèi)化驗方法，在巖溶地區(qū)對水質(zhì)敏感指標(biāo)的檢測結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較大差異。因此認(rèn)為，若需要根據(jù)水質(zhì)檢測資料作進一步量化解析時，建議盡可能或至少應(yīng)對水質(zhì)的上述敏感指標(biāo)采用現(xiàn)場測量方法。

影響壩址地下水水質(zhì)演變的多種因素包括巖性因素、水動力因素、微生物因素以及人類活動因素等。有關(guān)巖性因素、水動力因素的研究已多有進展［9-10］，而對于微生物因素、人類活動因素的研究還有待深入。事實上，壩址地下水系統(tǒng)中一些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生多與微生物有關(guān)。如一定環(huán)境下水體中硫酸鹽組分的還原反應(yīng)是在脫硫酸細菌的參與下發(fā)生的，而有機質(zhì)的氧化則是在好氧細菌的參與下進行的［11］。在好氧細菌的參與下，有機質(zhì)氧化過程中還可形成NO等組分，有關(guān)反應(yīng)式［12］為

在上述有機質(zhì)的氧化過程中，溶解氧被不斷消耗，以致發(fā)生反硝化作用即NO被還原為NO，甚至為N2。有關(guān)反應(yīng)分別為

壩址地下水中的微生物可分為2類［13］：一類為化能異養(yǎng)型細菌，其生存需要有機養(yǎng)料；另一類為化能自養(yǎng)型細菌，從氧化無機物過程中獲得能量。壩前庫底水中相對富集的有機物為第一類細菌的繁殖提供了養(yǎng)料，故壩基地下水中一般以第一類細菌為主，由此可產(chǎn)生對大壩混凝土的酸性（pH＜6.50）腐蝕作用。因此建議，當(dāng)經(jīng)無機化驗表明滲流水不具有腐蝕性，而相應(yīng)部位混凝土仍有受到腐蝕的跡象時，就應(yīng)進行微生物化驗，以進一步尋找成因。然而，目前現(xiàn)有規(guī)范還沒有對由生物化學(xué)作用產(chǎn)生的對混凝土大壩的腐蝕問題提出具體的評價指標(biāo)，此有待研究。

人類活動對壩址地下水水質(zhì)的影響可以分為來自系統(tǒng)內(nèi)部、外部2類。系統(tǒng)內(nèi)部影響指壩址滲流場內(nèi)諸如帷幕體類的基礎(chǔ)工程對地下水水質(zhì)產(chǎn)生的直接和間接影響；外部影響指來自環(huán)境，多指庫水水質(zhì)由于人類活動而受到的污染，從而影響到壩址地下水水質(zhì)的形成及演變。人們已經(jīng)注意到了系統(tǒng)內(nèi)部影響；但對于外部因素對壩址流場內(nèi)水質(zhì)的影響還少有研究。自水庫蓄水之后，一方面水庫所在流域內(nèi)諸如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類活動不僅普遍存在，且隨經(jīng)濟的發(fā)展呈現(xiàn)加劇之勢；另一方面，庫水流速比建庫前明顯減小，以致污染物擴散系數(shù)大大降低。這樣，建壩后流域內(nèi)若仍有污染物排入水庫，則極易造成庫水水質(zhì)的惡化。如灌溉時使用的化肥以及沒有經(jīng)過處理而直接排入水庫的污水，均可導(dǎo)致庫水中氮、磷類元素含量的顯著增加［14］。因此建議在加強對庫水水質(zhì)保護的同時，也應(yīng)開展由于庫水水質(zhì)改變而產(chǎn)生的對于壩址地下水水質(zhì)的形成及其演變的潛在影響研究。

2 滲水析出物的形成、演變機制及其影響因素

壩址不同部位伴隨滲水而出現(xiàn)的膠狀物質(zhì)，一般稱為滲水析出物。此現(xiàn)象在已經(jīng)投入運行的水電站壩址區(qū)比較常見，多數(shù)出現(xiàn)在壩踵幕后廊道（包括灌漿廊道和排水廊道）部分排水孔口，少數(shù)則見于巖體裂隙滲水溢出處。此現(xiàn)象的長期存在某種程度上會對相應(yīng)部位巖體的滲透穩(wěn)定性及帷幕體的防滲性能產(chǎn)生不利影響，因而引起了關(guān)注。

根據(jù)化驗結(jié)果，滲水析出物具有復(fù)雜的物質(zhì)組成，但不同顏色者具有不同的主化學(xué)成分。其中，白色者以鈣元素為主化學(xué)成分，棕紅色者以鐵元素為主化學(xué)成分，黑色者以錳元素為主化學(xué)成分，滲水析出物還含有Si、Al、Na、K、P、Mg、Ti、S等元素。已有研究［15-16］表明，滲水析出物化學(xué)方面的形成作用包括溶解-沉淀作用、還原-氧化-絮凝作用、不全等溶解-浸析作用等。Wan等［17］分析了水溶液中的膠體在多孔介質(zhì)中的運移機制，認(rèn)為在滲流系統(tǒng)的排泄區(qū)在一定環(huán)境下此類膠體可形成絮凝而析出。除了上述化學(xué)方面的形成作用，壩基滲水析出物還可能存在物理方面的成因，如局部地質(zhì)薄弱體（軟弱夾層、斷層破碎帶等）部位細小顆粒于滲流作用下的帶出等。目前，人們對于滲水析出物成因及其潛在影響的探討多采用取樣化驗并結(jié)合壩址區(qū)內(nèi)巖性、巖相特征以及滲流宏觀動態(tài)特征來綜合判定［18］，還缺少具體的量化指標(biāo)。

由于壩基天然（地質(zhì)體）及人工（帷幕體）2類固相介質(zhì)中均含有可溶性組分（如鈣質(zhì)），在對析出物潛在影響的評價中對于此類多源組分的溯源區(qū)分是必要的。一般，可采用如下2種方法［18］：折減系數(shù)法、化學(xué)計量法。對于折減系數(shù)法，可用折減系數(shù)（k≤1）來量化對幕后滲水析出物中的目標(biāo)組分具有貢獻的某來源（如壩踵帷幕體）所占的份額。嚴(yán)格而言，折減系數(shù)法仍屬于定性或半定量。對于化學(xué)計量法，由于滲水析出物的物質(zhì)組成與所在部位的水質(zhì)組成有關(guān)，因此可根據(jù)水溶液中與相關(guān)組分有關(guān)的反應(yīng)過程的化學(xué)計量關(guān)系，來量化對滲水析出物中的目標(biāo)組分具有貢獻的某來源所占的份額?；瘜W(xué)計量法僅適合于低礦化的淡水（TDS＜1.0 g／L）。

幕后滲水析出物在單位時間（如1 a）或單位體積（如1m3）水溶液中的析出量變化是反映相應(yīng)部位巖體滲透穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)。彭紅明等［19］應(yīng)用PHREEQC中的Reaction模塊，根據(jù)巖樣、水樣的化驗資料以及排水孔流量觀測資料，對某大壩幕后滲水析出物的年析出量進行了預(yù)測，并對不同壩段間的年析出量變化作了比較。對于已運移至幕后排水孔位的地下水溶液，隱含著豐富的有關(guān)壩址滲流系統(tǒng)沿滲徑發(fā)生的水文地球化學(xué)作用信息，可視為形成滲水析出物的初始液，而溶液中析出物的形成，很大程度上為該部位水環(huán)境（如溫度、壓力等）的顯著變化所致，顯然系統(tǒng)中的固相介質(zhì)不再參與此過程所發(fā)生的反應(yīng)。因此認(rèn)為，該過程所發(fā)生的反應(yīng)屬于“平衡相反應(yīng)”，宜應(yīng)用PHREEQC中的Equilibrium_phase模塊對析出物進行量化解析。

影響滲水析出物演變的因素包括水質(zhì)、巖性、滲流宏觀動態(tài)以及多物理場耦合作用等因素。有關(guān)前3種單一因素對析出物演變的影響已有一定的研究，而有關(guān)后一種綜合因素對析出物演變的影響還鮮有報道。這里所指的多物理場至少包括：地質(zhì)體結(jié)構(gòu)場、水化學(xué)場和滲流場。施斌［20］認(rèn)為，地質(zhì)體結(jié)構(gòu)場作為“基本場”，具有相對穩(wěn)定性；作為“作用場”的水化學(xué)場和滲流場具有非穩(wěn)定性。水化學(xué)場和滲流場之間相互聯(lián)系、相互作用又相互制約，以雙向耦合的形式對地質(zhì)體結(jié)構(gòu)場產(chǎn)生作用，使之在細觀結(jié)構(gòu)（如空隙度）及基本物質(zhì)（如可溶性組分）組成等方面發(fā)生變化。從這個意義而言，在多物理場耦合作用下壩址幕后滲水析出物隨時間而發(fā)生的演變將具有某種不穩(wěn)定性。對于這樣的時變過程及其效應(yīng)，可以應(yīng)用數(shù)值分析方法進行模擬。

3 水-巖相互作用地球化學(xué)模擬

已有研究表明，壩址地下水水質(zhì)的形成及其演變、滲水析出物的形成及其演變是在一定水環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境下水-巖系列（還包括工程材料）間相互作用的產(chǎn)物。水-巖相互作用研究已成為地球科學(xué)多個學(xué)科之間交叉融合的一個熱點。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外很多學(xué)者對不同環(huán)境下的水-巖相互作用從多個方面開展了研究并取得了很大進展，以此作為主題先后召開了14次國際學(xué)術(shù)會議。其中，第12次學(xué)術(shù)會議于2007年7月31日至8月5日在我國昆明召開，作為熱點之一——人類工程活動對區(qū)內(nèi)水化學(xué)場以及其他物理場的擾動及其效應(yīng)的研究引起了新的關(guān)注，認(rèn)為水-巖系列間的物理-化學(xué)作用是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)工程安全隱患的形成并可能進一步發(fā)展的一個主要誘發(fā)因子［21］。

最近10多年來，對于水-巖相互作用地球化學(xué)模擬的研究仍主要是從室內(nèi)試驗?zāi)M和數(shù)值模擬這2個方面展開。

3.1 室內(nèi)試驗?zāi)M

采用室內(nèi)試驗方法，可以再現(xiàn)液-固相（包括天然的地質(zhì)體及工程材料）之間的相互作用過程，揭示其反應(yīng)機制，同時也可為數(shù)值模擬提供相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)（如溶解度、溶度積常數(shù)等）或動力學(xué)參數(shù)（如反應(yīng)速率等）。

根據(jù)研究對象和目的，常用的室內(nèi)試驗方法主要包括吸附試驗、膠結(jié)試驗、淋濾試驗和溶解-運移試驗等。

吸附試驗常被用于研究顆粒細小、具有較大比表面積的多孔介質(zhì)對地下水中的重金屬離子、放射性元素組分在運移過程中發(fā)生的吸附現(xiàn)象。Gabriel等［22］分別進行了靜態(tài)和動態(tài)吸附試驗，研究了水溶液中的放射性鈾（VI）在通過尾礦砂材料過程中發(fā)生的吸附-解吸現(xiàn)象，結(jié)果表明，影響這一過程的不僅與固相介質(zhì)的物理特征有關(guān)，還與水溶液中的相關(guān)組分（如硅酸鹽及碳酸鹽類）及其含量有關(guān)。

膠結(jié)試驗多用于研究工程材料（如水泥基材料）與特定水溶液間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，從而引起孔隙度變小，即“堵塞”的現(xiàn)象。Trotignon等［23］以一定濃度Na2C2O4溶液和水泥基材料作為試驗材料進行膠結(jié)試驗，通過觀測發(fā)現(xiàn)：Na2C2O4與Ca（OH）2反應(yīng)生成的新物質(zhì)CaC2O4充填于固相骨架之間的孔隙之中，從而造成“堵塞”孔隙使其量化指標(biāo)減小。Cochepin等［24］對此作了進一步分析，認(rèn)為上述試驗過程中可能還存在導(dǎo)致孔隙度減小的其他次生礦物。

淋濾試驗（或淋溶試驗）一般用于反映巖體中可溶性組分在水-巖相互作用過程中的完全溶蝕過程。馮志剛等［25］以典型碳酸鹽巖原位風(fēng)化殼的巖-土界面作為研究對象，模擬干熱風(fēng)化條件下利用飽和CO2水對典型剖面巖樣柱開展了系統(tǒng)的淋溶試驗研究（淋溶終點以碳酸鹽完全溶蝕為標(biāo)志）。通過對淋出液中主要造巖元素和淋溶殘余物的動態(tài)取樣分析，初步揭示了碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖-土界面的風(fēng)化作用機制。同時認(rèn)為，存在多個影響水-巖相互作用反應(yīng)強度的因素，如固相介質(zhì)的滲透性、硅酸鹽等酸不溶物組分及其含量等，但未對這些因素的影響程度作進一步探討。

溶解試驗則多用于揭示固相介質(zhì)的可溶蝕性能，不必要求其完全溶蝕。由于溶蝕過程通常是一個相對緩慢的過程，一般采用加速試驗的方法縮短試驗周期，主要有化學(xué)試劑加速法和電化學(xué)加速法2種。劉再華等［26］將碳酸鹽巖試樣制成一定尺寸（直徑3 cm、厚5 mm）的圓盤狀，并在溶解試驗中加入了能催化CO2轉(zhuǎn)換反應(yīng)的生物碳酸酐酶（CA），定時測量溶液的電導(dǎo)率，利用該物理量與溶液的鈣鎂濃度間存在的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)同為開放狀態(tài)下，白云巖的初始溶解速率只有灰?guī)r的1／3～1／60，而且灰?guī)r和白云巖的溶解呈現(xiàn)出不同的速率控制機理，另外灰?guī)r的溶解對水動力條件的變化比白云巖溶解更敏感。此類自然界中廣泛存在的可溶巖體的溶解（或巖溶化）多始于所含的裂隙（發(fā)生滲流的主要通道）發(fā)育部位，隨著溶蝕的持續(xù)、裂隙開度的改變，即使對于同一種巖石、同一部位而言，在不同的溶解階段也可能具有不同的速率控制機理，如由初期的表面反應(yīng)控制轉(zhuǎn)為后期的擴散遷移控制等。Bertron等［27］分別以不同的有機酸（pH=4、pH=6）作為侵蝕介質(zhì)對水泥試件進行溶解試驗，結(jié)果表明前者的侵蝕強度相當(dāng)于后者的9倍。無論是自然界中的天然巖體還是人工合成材料（如混凝土）在來自環(huán)境的不同侵蝕介質(zhì)作用下發(fā)生的溶解（或其他腐蝕）作用，其作用過程將受到多因素的協(xié)同影響，并非僅受到單一因素的影響。

在受到來自環(huán)境的不同侵蝕介質(zhì)作用下，混凝土類材料及其結(jié)構(gòu)的耐久性將受到影響，其腐蝕程度宜采用多手段測試方法加以綜合判定。Planel等［28］采用X射線衍射（XRD）、電鏡掃描（SEM）等測試手段，對受到硫酸鹽侵蝕后的水泥試件的主要礦物相以及可能形成的腐蝕產(chǎn)物進行了識別，把侵蝕部位分為3個主要區(qū)域（鈣釩石為主、鈣釩石與石膏共存、氫氧化鈣為主）。在應(yīng)用上述測試方法的同時，若能結(jié)合應(yīng)用其他方法，如微區(qū)元素測試（EDAX），則有助于新礦物相的準(zhǔn)確判定；而在進行相關(guān)液-相間反應(yīng)機制探討時，若能結(jié)合具體的水質(zhì)化驗結(jié)果，得到的結(jié)論將更具有說服力。

3.2 數(shù)值模擬

依據(jù)試驗?zāi)M成果以及其他有關(guān)滲流動態(tài)的監(jiān)測／檢測等資料，可開展水-巖相互作用地球化學(xué)數(shù)值模擬，其基本理論主要是地下水動力學(xué)和水文地球化學(xué)。其中，地下水動力學(xué)側(cè)重于研究地下水本身的運動以及溶質(zhì)運移規(guī)律；而水文地球化學(xué)的研究重點則是地下水的化學(xué)組成、演變及其機理。

在傳統(tǒng)的地下水溶質(zhì)運移模擬中，通常將由水-巖相互作用引起的流場中溶質(zhì)濃度的變化作為源／匯項來表示，并在數(shù)學(xué)上作了一定的簡化處理。如第1節(jié)述及的多種地下水水質(zhì)的形成作用中，發(fā)生于液-固相間的離子交換吸附作用一般具有非線性，而在數(shù)值模擬中多被簡化為線性吸附的形式［29］。

早期的水文地球化學(xué)模型主要研究平衡狀態(tài)下地下水化學(xué)成分的組成，如單一離子、絡(luò)陰離子及絡(luò)合物等。進行水化學(xué)組成類型及其含量的計算，是進行其他水文地球化學(xué)模型計算不可缺少的部分。近年來仍得到應(yīng)用的有2類水文地球化學(xué)模型［30］：一類是基于自由能變化或基于質(zhì)量平衡的反向模擬（逆問題）；另一類則主要是基于質(zhì)量平衡的反應(yīng)路徑模擬（正問題）。對于逆問題，滲流系統(tǒng)的起點和終點水化學(xué)是已知的，這樣可根據(jù)起點和終點間的水質(zhì)差異并結(jié)合對區(qū)內(nèi)水-巖相互作用系統(tǒng)（多為灰色系統(tǒng)）的認(rèn)知，推斷可能發(fā)生的水文地球化學(xué)反應(yīng)；通過分別對所建模型的求解，可以解析系統(tǒng)內(nèi)液-固相間地球化學(xué)反應(yīng)的方向及其程度、量化不同相間物質(zhì)組分的遷移量。對于正問題，僅已知滲流系統(tǒng)起點的水化學(xué)，據(jù)此并結(jié)合對于區(qū)內(nèi)水-巖相互作用系統(tǒng)的認(rèn)知，推斷可能發(fā)生的水文地球化學(xué)反應(yīng)；所建的模型多由一組非線性方程組成（若考慮動力學(xué)反應(yīng)，則所建的模型還應(yīng)包括微分方程組），可采用Newton-Raphson法對此進行線性化處理后再迭代求解，預(yù)測終點水化學(xué)組成。

需要指出，在對上述水-巖系列間地球化學(xué)作用正向、反向模擬的步驟中，“物質(zhì)交換相”的確定在很大程度上將影響到模擬結(jié)果的可靠性，因而是關(guān)鍵的一步。鄭西來［31］根據(jù)含水介質(zhì)的物質(zhì)來源（基巖及其風(fēng)化產(chǎn)物），分別采用鏡下鑒定方法（對巖樣）和XRD方法（對土樣）識別含水介質(zhì)所含的礦物；據(jù)此并結(jié)合水化學(xué)資料，判定系統(tǒng)內(nèi)水-巖系列間可能發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)。王錦國等［32］依據(jù)待建水電站庫壩區(qū)多孔位巖芯鏡下鑒定資料，并結(jié)合地下水補給、徑流、排泄區(qū)不同取樣點的水化學(xué)資料，判定系統(tǒng)內(nèi)沿滲流方向水-巖系列間可能發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)。采用單一方法確定模型中涉及的“物質(zhì)交換相”，很難避免不確定性。因此認(rèn)為，在實際工作中尤其是需要求解正問題時，對系統(tǒng)中重要的一類“物質(zhì)交換相”的確定應(yīng)采用多種測試手段，以便相互印證。

液-固相間多組分反應(yīng)-運移（multi-component reactive transport，MRT）模型是在上述地下水溶質(zhì)運移模型和水文地球化學(xué)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的［33］。自20世紀(jì)80年代被提出以來，不斷地得到發(fā)展和實際應(yīng)用，顯示了強大的活力。MRT模型的學(xué)術(shù)觀點：由液-固相間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)轉(zhuǎn)移多具有方向性，即不同相間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移是不對稱的，這種方向性不僅使地下水的化學(xué)組成發(fā)生了變化，而且還改變了固相介質(zhì)的細觀結(jié)構(gòu)（如空隙度或裂隙開度）以及水理性質(zhì)（如滲透性），從而導(dǎo)致流場也發(fā)生了變化。與此同時，水化學(xué)場和流場的變化又控制著地下水與固相介質(zhì)之間的反應(yīng)速率。因而，系統(tǒng)內(nèi)液-固相間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與地下水溶質(zhì)運移之間是一個相互影響、相互作用的過程；反映這一多物理場耦合過程的數(shù)學(xué)模型［34］一般包括：滲流模塊、溶質(zhì)運移模塊和固相介質(zhì)細觀結(jié)構(gòu)時變模塊，而在后2個模塊中還分別鑲嵌了“反應(yīng)項”子模塊。Van等［35］將傳統(tǒng)的水文地球化學(xué)模型稱為靜態(tài)的，而將MRT模型稱為動態(tài)的，認(rèn)為MRT模型能夠仿真模擬滲流場與其他物理場之間的耦合作用及其動力學(xué)過程。有關(guān)建立此類模型的基本原理以及求解的方法、步驟等見文獻［36］。

當(dāng)水溶液與多孔介質(zhì)間發(fā)生的反應(yīng)主要為溶解作用時，所建的MRT模型涉及的多物理場之間的耦合，主要是通過以下參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系［37］來實現(xiàn)。

3.2.1 滲透率與孔隙度

根據(jù)Kozeny-Carman定律，滲透率與孔隙度間具有如下函數(shù)關(guān)系：

式中：k0、θ0——初始狀態(tài)下多孔介質(zhì)典型單元體的滲透率和孔隙度；ks、θ——該典型單元體于不同反應(yīng)時刻時的滲透率和孔隙度。

3.2.2 彌散系數(shù)與孔隙度

彌散系數(shù)與孔隙度間的函數(shù)關(guān)系為

式中：D——水動力彌散系數(shù)；α——彌散度；U——滲流速度；Dm——分子擴散系數(shù)。

當(dāng)溶液中含有帶電荷的組分時，必要時還應(yīng)考慮由此產(chǎn)生的電化學(xué)遷移，以便對分子擴散系數(shù)進行修正。

3.2.3 孔隙度與反應(yīng)速率

多孔介質(zhì)孔隙度的變化速率與反應(yīng)速率之間滿足以下方程：

式中：Vm——礦物m的摩爾體積；rm——礦物m的溶解速率。

為更有效地對MRT模型進行求解，F(xiàn)riedly等［38］最早提出了去耦合化方法，并證明該方法是有效的。去耦合化方法的基本思路：對MRT模型進行求解前，先對溶質(zhì)運移模塊中的反應(yīng)項這一非線性方程組進行一定的線性變換，使得待求解變量數(shù)減少；然后，采用現(xiàn)有的計算方法進行求解，一般多采用分裂算子算法。近年來，一些學(xué)者針對不同反應(yīng)體系的MRT模型先后提出了一些新的去耦合化方法，如Simoni等［39］提出了考慮“快速”熱力學(xué)平衡反應(yīng)的MRT模型求解的去耦合化方法；Molins等［40］提出了考慮“慢速”動力學(xué)反應(yīng)的MRT模型求解的去耦合化方法。關(guān)于去耦合化方法對于計算效率的影響，Kr?utle等［41］和Hoffmann等［42］分別證明了此類求解方法的應(yīng)用可以提高計算效率，且不失計算精度。需要指出的是，現(xiàn)有的MRT模型的尺度大多比較小，一般小于場地尺度。

由于采用去耦合化方法求解MRT模型時，通常需根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)建去耦合化矩陣，為得到統(tǒng)一的表達式，目前有關(guān)MRT模型的實際應(yīng)用還多限于均質(zhì)介質(zhì)區(qū)域。Huo等［43］參照了地下水動力學(xué)中對于不同邊界的處理方法，提出了非均質(zhì)區(qū)域MRT模型求解的去耦合化方法，從而拓寬了此類模型的應(yīng)用范圍。自然界中的含水介質(zhì)往往呈非均質(zhì)，因此建立此類介質(zhì)區(qū)域的MRT模型并進行有效的求解，無疑具有較強的實際意義。

4 有待進一步研究的問題

水電站壩址滲流微觀動態(tài)及其變化過程中隱含著極為豐富的有關(guān)水環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境的信息，研究內(nèi)容很廣。在綜述了壩址地下水水質(zhì)和滲水析出物的形成、演變及其影響因素，以及水-巖相互作用地球化學(xué)模擬等方面的研究進展后，筆者認(rèn)為今后仍有待深入研究的方向如下：

a.地下水水質(zhì)的異常變化所具有的化學(xué)損傷效應(yīng)，這里主要指強酸性水（pH＜5.0）和強堿性水（pH＞10.0）。

b.滲水析出物中微量元素的地球化學(xué)特性及其指示意義。

c.考慮細觀結(jié)構(gòu)改變的液-固相間多組分反應(yīng)-運移多尺度模型及其應(yīng)用。

d.水-巖（還包括工程材料）間相互作用地球化學(xué)模擬不確定性及其方法論。

滲流微觀動態(tài)要素中還包括水溫這一要素，限于篇幅，本文未予述及。

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Review of micro-regimes of seepage around dam sites of hydropower stations

SONG Hanzhou，HUO Jixiang，WANG Jianping，ZHU Xufen
（College of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Some progresses in the research of micro-regimes of seepage around the dam site of hydropower stations under operational conditions are reviewed，with a focus on the groundwater quality，the formation and evolution of seepage precipitates as well as the factors influencing them，and geochemical simulation of water-rock interaction.On the basis of discussion of related problems，four topics are presented for further research，including the chemical damage caused by abnormal variation of groundwater quality，geochemical behaviors of some trace elements from seepage precipitates and their denotative meanings，multi-scale models for multicomponent reaction-transport between liquid and solid phases and their application in consideration of chemical reaction-induced variation in mesostructures，and the uncertainty and methodology involved in geochemical simulation of water-rock interaction.

water-rock interaction around dam site；groundwater quality；seepage precipitate；mechanism of formation；experimental modeling；numerical simulation；review

TV223.4

A

1000-1980（2015）05-0472-08

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.05.012

20150309

國家自然科學(xué)基金（41272265）

宋漢周（1954—），男，江蘇啟東人，教授，主要從事環(huán)境水文地質(zhì)研究。E-mail：songhz＠hhu.edu.cn