利用示蹤試驗研究巨木地下河成庫條件

王 偉，宋婉虹

(1.貴州省地質礦產勘查開發局一一一地質大隊，貴州 貴陽 550008;2.貴州地礦工程勘察有限公司，貴州 貴陽 550008)

0 引言

示蹤試驗是研究地下水徑流特征的有效方法(萬偉峰，2010)，尤其是應用在巖溶地區的地下河系統，可相對直觀地了解地下河管道延伸“軌跡”、含水介質空間結構、發育規模及其類型，確定地下水流向和流速，掌握地下管道間及管道與地表間的水力聯系程度，試驗結果是分析地下巖溶空間調蓄能力、研究地下水庫建設可行性的重要依據。

巨木地下河處于大小井流域中游，具有明暗相間的徑流特點，系典型的低位地下河(王偉等，2006)。實現其低成本、低碳、規模化的開發利用，可加強地下河所在區域農業水利基礎設施、改善農業生產條件、提高耕地綜合產出水平以及抵御自然災害的能力。以該地下河示蹤試驗資料為基礎并結合水文地質調查成果，對巨木地下河管道的結構及發育規模進行探討，提出了充分利用地下河管道空間建地下水庫的地下河開發思路。

1 巨木地下河系統概況

巨木地下河地處貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，發源于惠水縣抵季鄉附近，為大小井地下河系的分支地下河，流域面積128.4 km2。

該地下河系統大地構造位置位于軸向呈NW向展布的雅水背斜與克渡向斜的復合部，系統內廣布二疊系中統和石炭系上統純碳酸鹽巖類地層，地形起伏大，切割強烈，地貌組合類型以峰叢洼地為主。廣義上的巨木地下河系統由抵塘、西混及望窩3條支流構成，因主要排泄口位于巨木村而得名。其中，發源于惠水縣抵季鄉蠻納寨一帶、由北向南徑流的抵塘支流與發源于惠水縣抵季鄉附近、由西向東徑流的望窩支流在水淹壩交集，狹義上稱為巨木地下河，流域面積83 km2，排泄口位于巨木村;西混地下河為獨立支流，流域面積45.4 km2，排泄于巨木村的大洞腳，2處排泄口相距400 m(圖1)。

2 示蹤試驗

2.1 試驗段選擇

圖1 巨木地下河結構示意圖Fig.1 Sketch showing structure of the Jumu underground river

水淹壩是因巖溶及構造作用，于巨木地下河下游形成的一處溶蝕盆地，其南北兩側邊緣地帶，地下河天窗、豎井、落水洞等巖溶個體形態分布密集，是地下河各條支流的匯集地。豐水期，地下水水位上漲后由溶盆北側豎井溢出，經盆地內地下河管道延伸方向發育的塌陷河道形成地表明流，通過南側伏流入口再次潛入地下;枯水期，地下水水位下降，塌陷河道處于干涸狀態。由于水淹壩自身的洪澇淹沒以及由此而加劇的之上村寨的洪澇災害，水淹壩即成為巨木地下河管道上的重要節點，出口攔水壩壩頂高程的設計須在考慮水淹壩洪澇淹沒因素的基礎上，結合地下管道空間結構綜合確定。因此，示蹤試驗段安排在拉掃寨355號地下河天窗—排泄口段。

2.2 試驗目的

查明投放點與接收點之間地下河管道的“軌跡”、結構、規模，確定地下水流向、流速及巨木、西混兩地下河管道間的水力聯系，為地下水庫建設提供依據。

2.3 示蹤劑選擇與試驗方法

按照“背景值低，波動小;易溶于水，便于現場操作;對試驗區生態環境不造成負面影響;示蹤劑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;靈敏度較高，容易被儀器檢測;經濟合理”的原則(孫恭順，1988)，示蹤試驗選擇食鹽(NaCl)作為示蹤劑。

試驗時，首先將食鹽配制成高體積質量的液體，由投放點集中投放，并記錄示蹤劑投放量、體積質量及投放時間。之后在接收點定時采樣，采用摩爾法檢測水中Cl-體積質量的變化情況。采樣時間間隔為2h，檢測連通后則加密成0.5h，直至Cl-體積質量峰值過后。當Cl-體積質量曲線尾支過拐點趨平穩24h后結束試驗。

2.4 投放點與接收點

根據試驗目的，示蹤劑投放點選擇拉掃寨355號天窗，接收點為巨木村和西混出口，預計連通距離4 050 m，投放點和接受點分布如圖2所示。

2.5 試驗時間

示蹤劑投放前，對投放點和各接收點水質中的Cl-體積質量的背景值進行了測定，得到355號天窗及巨木村出口水質中為0.055 38 mg/L，西混為0.027 69 mg/L。2003年10月28日，在355號地下河天窗，一次性投放由1 000 kg食鹽配置的高體積質量液體，隨即在巨木村和西混地下河出口取樣，至11月27日，最后1個Cl-體積質量峰值曲線尾支過拐點趨于平穩，繼續觀測至12月11日試驗全部結束。

圖2 示蹤試驗平面圖Fig.2 Planar graph of the tracer test

3 結果與分析

3.1 地下河管道結構分析

試驗進行至11月6日，巨木村地下河出口水質中Cl-體積質量出現第一次峰值，為0.068 08 mg/L;11月14日，現第二次峰值，為0.068 25 mg/L;11月18—22日期間連續出現3次峰值，最大值為0.082 41 mg/L，其余2次分別為0.068 76，0.068 50 mg/L;11月25日出現第6個峰值，為0.082 18 mg/L;之后Cl-體積質量回歸到背景值直至試驗結束(圖3、表1)。

圖3 巨木村出口Cl－歷時曲線Fig.3 Duration curve of Cl-at the outlet of the Jumu river

表1 示蹤試驗結果Table 1 Results of the tracer test

據圖3，第一、第二、第三峰值之間以及第五和第六峰值之間出現背景值平臺和第三峰值的“鈍峰”形態，表明地下水水力坡度較小，并且地下河管道中發育有規模較大且形態極不規則的地下溶潭，導致攜高密度示蹤劑的地下水在含水介質中的運移產生了“沉積擠壓”現象。先期到達的含示蹤劑水流應為裂隙流或規模較小的管流，在溶潭內滯留下沉、被稀釋，后續水流的匯入使溶潭內的積水按照“蓄滿產流”原則溢出，故第一、二峰值顯示微弱，衰減時間較長，與背景值的差值小。第三峰值應為規模相對較大的管流，水流集中，流量大，攜帶的示蹤劑較多，雖為稀釋后的“鈍峰”，但數值與背景值間的差距明顯拉大，管流旁側的裂隙流所含少量示蹤劑則產生了一系列小波峰。最后一個峰值亦為管流所致，其“尖峰”的形態與之前波峰間存在的背景值平臺，表明管道上另發育有溶潭，但規模較小。據此，巨木村地下河出口接收的Cl－體積質量變化曲線具有多峰、不連續的特點，表明投放點和接收點之間，地下水賦存于管道、廊道、裂隙、溶潭組合而成的地下空間形成了管道流與溶蝕裂隙流交織的網狀地下水系(韓至鈞等，1996)，各通道的彎曲度、寬窄、長短以及過水流量的差別，使示蹤劑在不同管道中的運移速度產生差異，致使Cl-峰值體積質量到達接收點的時間不一致，顯示地下河管道呈多枝狀結構。

綜合水文地質調查結果，投劑點355號地下河天窗(圖4)，洞內地下水水位高程837.2 m，其北西側出水處為寬大的裂隙，中段投劑處為溶潭，至南東側演變成廊道，地下水由此進入拉掃谷地，谷地內發育有規模、形態與355號天窗近似的355－1、356及357天窗和豎井，經觀測，地下水水位平均高程約830 m，投劑點與之水位高差7.2 m。而水淹壩溶盆地面高程為850～853 m，地下水水位高程為828～830 m，與拉掃寨谷地地下水之間的水力坡度極小，并且因匯集了望窩地下河后水流增大，致使含示蹤劑的地下水被稀釋。經對溶盆北側發育天窗、豎井形態及沿地下河主管道延伸方向產生地面塌陷的分析，推測水淹壩隱伏有較大規模且形態極不規則的溶潭。據此，示蹤試驗結果基本印證了調查結論，求證了巨木地下河系統含水介質的組合特征(韓至鈞等，1996;王偉等，2006)。

圖4 拉掃地下河天窗縱剖面示意圖Fig.4 Schematic section of skylight for the Lasao underground river

3.2 地下河水動力特征分析

地下河水力坡度由下式計算：

式(1)中：I為地下河水力坡度;H1為地下河上游水位高程，m;H2為地下河下游水位高程，m;L為試驗段長度或地下河上游至出口段的距離，m。

西混支流：西混谷地的水位高程為845 m，水淹壩溶盆內地下水水位高程為830 m，兩地相距2.1 km，水力坡度7.14‰;水淹壩溶盆與西混出口相距1.4 km，出口高程815 m，地下河水力坡度10.7‰。

抵塘支流：355號地下河天窗內的地下水水位標高837.2 m，巨木村出口高程815 m，兩者相距4.0 km，水力坡度為5.48‰。

地下河流速由下式計算：

式(2)中：V為地下河流速，m/h;S為地下河示蹤試驗段投劑點—接收點的距離，m;t為示蹤劑峰值抵達時間，h。

示蹤試驗以355號地下河天窗為投劑點，示蹤劑被觀測到的第一個峰值出現時間距投放示劑時相隔168h，至最后一個峰值回歸背景值的時間相隔648h，計算出地下河流速為6.25～24.11 m/h。

3.3 回收率

示蹤試驗至最后一個峰值出現共持續648h，體積質量最高峰值為0.082 41 mg/L，扣除背景值后，試驗期間Cl-峰值體積質量的平均值為0.017 65 mg/L。據觀測，該時段巨木村出口流量平均值為485.3 L/s，則Cl-回收量由下式計算：

式(3)中：M為示蹤劑回收量，kg;ΔC為Cl-峰值體積質量與背景值間的差值，mg/L;t為Cl-峰值體積質量持續時間，s;Q為試驗期間巨木地下河出口平均流量，L/s。

按(3)式計算，得Cl-回收量為19.98 kg。

NaCl分子量為58.5，Cl-所占比例為0.606 8，投放1 000 kg食鹽，Cl-回收量即為606.8 kg。令回收率為100%，則Cl-回收率為：

回收率過低系地下水水力坡度緩以及地下河管道上發育的溶潭所致。流速較緩的地下水進入溶潭，后者會對集中水流產生分散效應致使其滯留，滯留時間與地下河流量大小呈正相關關系，示蹤劑因此被稀釋導致體積質量大大降低。

此外，根據水文地質調查成果，大洞腳出口在豐水期和平水期排泄的地下水所形成的地表河水流正常，但枯水期卻出現河水向地下河出口方向倒流的情形，表明排泄口附近存在滲漏點。豐水期和平水期排泄量遠大于滲漏量時，未現河水異常流動現象;枯水期排泄量大幅減少，排泄口附近能見到微弱的水流漩渦，推測此間發育的管道具多層性(陳革平等，2002)。據此推斷，巨木地下河系統全部或局部尤其是水淹壩溶盆亦具多層特征，故不排除示蹤劑含量高的地下水在流經多層管道發育段時有向下層管道滲漏的可能。

3.4 地下河管道體積估算

示蹤試驗段地下河管道體積與試驗期間巨木村出口排泄水量的體積等同，示蹤劑投放時間至Cl-體積質量峰值到達接收點的時間段內地下河排泄量計算式：

式(4)中：V為地下河管道體積，m3;Q為試驗期間巨木村出口排泄量，L/s;t1為試驗開始時間，s;t0為Cl-體積質量時間，s。

從10月28日投劑開始至11月27日Cl-最后一個峰值體積質量曲線尾支過拐點趨于平穩，與之相對應的巨木村出口地下河排泄量可剖分出8個區塊，各區塊地下河排泄量總和即可近似代表地下河管道體積，即：

式(5)中：Vi為各區塊地下河排泄量。經計算，試驗段地下河管道體積為124.2萬m3(表2)。

表2 試驗段地下河管道體積Table 2 Pipeline volume of underground river in the test section

3.5 巨木與西混地下河的水力聯系

示蹤試驗開展期間為平水期，經檢測，巨木村出口水質中Cl-體積質量背景值為0.055 38 mg/L，并接收到6次Cl-體積質量變化信息，而西混出口僅檢測到0.027 69 mg/L的Cl-背景值體積質量，表明2條地下河在平水期不具水力聯系。

4 結論

(1)試驗段Cl-體積質量變化曲線顯示，巨木地下河呈多支、網絡狀，通過計算得到的地下水流速(6.25～24.11 m/h)，水力坡度(5.48‰)，示蹤劑回收率(3.3%)3個參數，結合水文地質調查結果分析，系統內含水介質以管道、廊道、裂隙及溶潭的組合為特征。

(2)以地下河排泄量進入衰減的平水期巨木村出口觀測流量與示蹤試驗成果相對應，估算試驗段地下巖溶空間為124.2萬m3，表明試驗段地下河管道空間調蓄地下水的能力較強，具有筑壩成庫的條件。

(3)根據示蹤試驗成果，巨木與西混地下河在平水期系自成體系、相互獨立的2條地下河，但不排除豐水期水位上漲后兩者間產生水力聯系。

(4)巨木村出口高程815 m，為低位地下河，地下水直接利用的受益面窄且不具規模化。因此應充分利用其管道空間，壩頂高程以水淹壩高程為閾值，在出口筑壩提高地下河水位，然后采用“蓄、提、輸”的方式擴大供水范圍，以實現其規模化利用。

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