西南典型地下河含水介質結構特征分析

摘要：本文以鉬酸銨為示蹤劑在寨底地下河塘子厄至東究段進行了示蹤試驗，對示蹤試驗所取得數據進行了詳細的分析，推測出投放點G026至G030之間的含水介質結構，其中G026至G027段以管道介質為主，發育有一條主管道和四條支管道，可能存在三個溶潭，G027至G030段以管道介質和裂隙介質為主，發育有三條管道、大量構造裂隙和若干個溶潭。最后根據試驗數據對各段地下水流速和回收率進行了計算。

關鍵詞：地下河 含水介質結構 示蹤試驗

1． 引言

地下河含水介質結構一般較為復雜，其以地下管道、洞穴為主要介質[1]，通過對地下河含水介質結構分析，可以為地下河水循環機理、水資源評價和水質演變等方面研究提供依據。

對地下河含水介質結構研究目前主要通過物探和示蹤試驗，示蹤試驗成本較低，適合大區域含水介質結構研究，因此示蹤試驗仍是目前主要研究手段之一[2]。而目前示蹤試驗多以分析連通性為主要目的[3-6]，對地下河含水介質結構分析較少，偶有分析也較為簡單[7-10]。因此，本文通過對示蹤曲線的詳細分析，深入探討了西南典型地下河含水介質結構特征，為同類型地下河含水介質結構分析提供參考依據。

2． 寨底地下河概況

寨底地下河流域，位于桂林市東部靈川縣境內，匯水面積約33km2，主要受海洋暖濕季風影響，雨量充沛，年平均降雨量為1，601.1mm，年內分布不均，豐水期約占平均降雨量的68.15%，熱量豐富，年平均氣溫17.5℃。

研究區構造上位于桂林弧形構造海洋—潮田—興坪—福利向斜的北端，主要發育有北東、北西和近東西三組斷裂，地貌形態上為峰叢洼地。

研究區含水組巖是泥盆系塘家灣組（D2t）、桂林組（D3g）、東村組（D3d）、額頭村組（D3e）等，巖性為灰巖、白云質灰巖、白云巖，另外還包含部分泥盆系上統融縣組（D3r）灰巖、石炭系堯云嶺組（C1y）泥質灰巖、英塘組（C1yt）白云巖。由于上述地層灰巖、白云質灰巖或白云巖質純，總體厚度大，其間沒有發現具有相對隔水作用如：砂質泥巖白云巖或灰巖等夾層，也沒有發現具有隔水的砂巖、頁巖等夾層，因此巖溶極為發育，有多條地下河子系統和多個大泉出露。

3． 示蹤試驗

3.1示蹤試驗的目的

查明投放點與各個接收點之間的水力聯系，進而分析塘子厄—琵琶塘—水牛軛—東究這條推測地下河的實際巖溶含水介質結構特征，并計算地下水運移速度和示蹤劑回收率。

3.2示蹤劑選擇與檢測方法

示蹤劑的選擇應該遵循如下幾個原則：

（1）背景值較低，波動較小；

（2）易溶于水，便于現場操作；

（3）對投放地區的生態環境沒有影響；

（4）在隨地下水運移的過程中，不易與周圍物質（如巖石、土壤等）發生反應；

（5）靈敏度較高，容易被儀器檢測。

根據上述原則，結合試驗區水文地質條件以及以往的示蹤試驗經驗，選擇鉬酸銨（Mo6+）作為本次試驗的示蹤劑。

本次示蹤試驗選用JP-2型極譜儀結合標準曲線對比方法對Mo6+進行測定，此法最低檢測量為0.001μɡ。

3.3投放點與接收點

根據試驗目的和野外踏勘情況，選擇塘子厄G026（溶潭）作為投放點，根據地下河的流向以及地下水出露情況，選擇琵琶塘G027（巖溶泉）、水牛軛G030（地下河出口）和東究G070（巖溶泉）作為接收點。接收點概況見表1，投放點和接受點分布圖見圖1。

3.4監測時間

2011年10月18日15時，在塘子厄（G026）投放鉬酸銨24.5kg，由于此次投放鉬酸銨的化學式為：(NH4)6Mo7O24·4H2O，純度為98.0%，因此Mo6+實際投放的離子數量為13.0536kg。

2011年10月18日11時開始，在G027、G030和G070開始進行人工取樣，結束時間分別為11月5日10時、11月22日22時和11月28日22時。在不同時段內，根據實測Mo6+濃度來確定具體的取樣頻率，在取樣前期采取重點監測，取樣密度較大（每2小時一次），在取樣后期取樣密度較小，各接收點取樣頻率的變換時間根據實際情況而定。

在投放示蹤劑前五天，對各接收點的背景值進行了三次測定，得到G027、G030和G070的Mo6+背景值的均值分別為0.00275mg/L、0.0008mg/L和0.0010mg/L。

4． 示蹤試驗結果與討論

4.1 巖溶含水介質結構分析

根據檢測所取水樣中Mo6+的濃度，繪制了G027點Mo6+濃度變化過程曲線（圖2）。從圖2中可以看出，示蹤試驗前期，Mo6+濃度一直在背景值附近變化，到19日16時Mo6+濃度突然增大，于10月20日0時達到主峰值1.842mg/L，隨后Mo6+濃度分別在21日10時、22日12時、23日0時和25日2時四次來到峰值，但峰值濃度則是逐漸降低，分別為0.8565 mg/L、0.4425 mg/L、0.2171 mg/L和0.1780 mg/L。試驗進行到11月2日17時，Mo6+濃度基本回歸到背景值。

通過下面對G027點Mo6+濃度變化的分析，表明G026至G027段以管道介質為主，其中可能發育有一條主管道和四條支管道，并存在三個溶潭。

從曲線中可以看出，出現了五個峰值，其中第一峰值濃度最高，為主管道，出現時間也最早，因此主管道中的水流最先到達G027點，其他四個峰值各代表相應的支管道，其出現時間的前后，代表了各支管道水流到達接收點的順序，產生多個峰值的原因主要是四支條管道的彎曲程度，寬窄和長短各不相同，導致示蹤劑在四條支管道中運移的時間不同，到達G027點的時間也不一致。

圖2中還有三處濃度變化緩慢段。第一處是20日14時-22時，Mo6+濃度為0.9932 mg/L-1.038 mg/L，濃度相對比較平穩，與前后Mo6+濃度相差較大，推測有溶潭發育，根據其出現的時間，溶潭可能在主管道上；第二處是23日2時-24日18時，這期間濃度下降緩慢，相鄰點濃度差平均值為0.006mg/L，出現了“拖尾”現象，推測有溶潭發育，可能在第三條支管道上。第三處是25日2時以后，出現了更長時間“拖尾”現象，經歷了約5天時間回到背景值，推測此處有溶潭發育，可能在第四條支管道上。

對比三處濃度變化緩慢段所經歷的時間可以看出，主管道上的溶潭規模最小，第三支管道上的溶潭規模居中，而第四支管道上的溶潭規模最大。

示蹤試驗進行到28日10時，G030點Mo6+濃度開始出現異常，在11月1日10時達到前鋒值0.142mg/L，隨后Mo6+濃度在11月3日6時至5日14時和6日6時至8日0時這兩個時間段內，開始震蕩式波動，形成了穩定的夷平“峰叢”段，震蕩波動過后，濃度開始緩慢下降，于11月22日22時回到背景值。

前鋒值的出現說明了在夷平“峰叢”段出現之前，有一部分水流從主水流分離出來，經過另一支管道，比主水流率先到達G030點。而隨后出現兩段夷平“峰叢”則反映出另有兩條規模較大的管道從G027通向G030，且管道內部與構造裂隙并聯相接。

形成夷平“峰叢”的原因是G027至G030段地下水水力坡度較小，構造裂隙較為發育，形成了管道流與溶蝕裂隙流交織而成的網狀地下水系，在此類地下水系中，由于在管流運移的過程中，有數量眾多的裂隙流與之并聯相接，加之管流本身所攜示蹤劑較多，而裂隙流短而小所攜示蹤劑較少，故產生了一系列的小波峰，且波峰基座較高，又因為裂隙流中的示蹤劑濃度相對較均勻，故形成了“夷平”峰叢狀示蹤曲線。

曲線中還有一些濃度變化緩慢段，如10月29日12時-30日2時和11月2日6時至14時，濃度變化緩慢，推測存在溶潭。而11月8日4時之后出現了大量的濃度平緩段反映出可能有大量的溶潭串聯在一起。

總體來說G027至G030段以管道介質和裂隙介質為主，其發育有三條管道、大量構造裂隙和若干個溶潭。

由于G070點Mo6+的濃度一直為背景值水平，說明G070與投放點G026、G027和G030均無水力聯系。

4.2 地下水流速和回收率

在示蹤試驗的過程中，地下水平均徑流速度一般用峰值出現時的流速來表示，由于此段地下河含水介質為多管道型，本次只計算各段主管道地下水平均流速。根據峰值歷時時間和到投放點距離，得出投放點G026到G027之間主管道的地下水平均速度為17.31m/h，而G027點到G030點之間主“峰叢”管道的地下水平均速度為4.09 m/h。

回收率也是示蹤試驗分析的內容之一，其計算公式如下：

式中：M回為示蹤劑回收量，M投數量為示蹤劑投放量，t1為示蹤試驗起始時間，t2為示蹤試驗回歸背景值時的時間，Q為瞬時流量，C為當時濃度，η回為示蹤劑回收率。

根據上式，本次示蹤試驗G027點和G030點的回收率分別為52.00%和28.40%。

5． 結論

（1）示蹤試驗表明，塘子厄G026與琵琶塘G027和水牛軛G030存在水力聯系，而與G070則不連通。

（2）從G027點Mo6+質量濃度變化過程曲線可以看出，G026至G027段巖溶含水介質主要由一條主管道和四條支管道構成，其中可能存在三個溶潭。而G030點Mo6+濃度曲線出現了特有的夷平“峰叢”段，表明G027至G030段的含水介質極不均勻，以管道與構造溶蝕裂隙并接相接為主，其間發育有多個溶潭。

（3）根據相關計算公式得出G027點和G020點的回收率以及下水平均流速分別為17.31m/h、52.00%和4.09 m/h、28.40%。這些參數也可以從側面推測各段地下河的含水介質結構。

（4）無論是Mo6+質量濃度變化過程曲線，還是回收率和地下水平均流速，這些只能大體上反映出各段地下河的含水介質結構，如果要詳細的刻畫巖溶含水介質結構，如溶潭發育的位置，管道規模大小等，則需要借助物探、鉆探等方法進一步的確定。

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