巖溶地下河濁度來源及對示蹤試驗影響的定量分析

趙良杰,夏日元,易連興,楊 楊,王 喆,盧海平

1)中國地質科學院巖溶地質研究所,廣西桂林 541004;2)國土資源部巖溶動力學重點實驗室,廣西桂林 541004

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巖溶地下河濁度來源及對示蹤試驗影響的定量分析

趙良杰1,2),夏日元1),易連興1),楊 楊1,2),王 喆1,2),盧海平1,2)

1)中國地質科學院巖溶地質研究所,廣西桂林 541004;2)國土資源部巖溶動力學重點實驗室,廣西桂林 541004

摘 要:定量示蹤技術是分析巖溶含水層水力特征和巖溶水系統結構的重要手段,地下河濁度是制約定量示蹤試驗精確性的關鍵因素。針對西南典型巖溶地下河,以三次不同水動力條件下示蹤試驗為研究對象,通過對比分析濁度、流量及示蹤劑濃度變化探討濁度來源及其對示蹤劑和管道參數的影響。試驗過程中,確定存在上、下臨界流量使水流從層流過渡為紊流狀態,濁度主要來源從管道內部再懸浮顆粒過渡為外源懸浮物,計算上、下臨界流量分別為0.7 m3/s和0.4 m3/s。通過濁度與示蹤劑的相關關系研究濁度對示蹤劑的影響,結果表明當濁度大于25時,濁度與示蹤劑濃度呈負相關關系,且濁度越大,對示蹤劑的影響越大。最后通過對比確定,第一次示蹤試驗濁度影響較小,并估算了巖溶管道參數,為進一步水資源評價提供基礎。

關鍵詞:定量示蹤試驗;地下河濁度;示蹤劑;巖溶管道

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本文由國土資源部公益性行業專項(編號:201411100)和中國地質調查局地質調查項目(編號:1212011220959)聯合資助。

巖溶含水介質由高滲透性管道和低滲透性基巖裂隙構成,導致物質能量交換多集中于巖溶管道內(Morales et al.,2010)。傳統的數值模擬技術和地下水流方程不能精確刻畫管道中的非達西流(Ghasemizadeh et al.,2012),而定量示蹤技術能夠提供管道內溶質運移和含水層水文地質參數信息,是進行巖溶區水資源評價的重要途徑和方法(Perrin et al.,2008;陳余道等,2013;Lauber et al.,2014)。Field(2002)開發QTRACER2程序用于分析巖溶含水層示蹤試驗穿透曲線,Goldscheider(2005)利用多元示蹤試驗推斷非均質地質結構對巖溶排泄和補給過程的影響,Ruffino(2015)通過數值模型擬合示蹤劑穿透曲線描述了水流的動力特征。魯程鵬等人(2009)基于示蹤技術估算了巖溶含水層滲透系數和天然徑流量。然而,在應用示蹤技術過程中,地下河濁度的大小制約了對含水層結構特征和巖溶水文地質參數推求的準確性(Nebbache et al.,2001;汪進良等,2005;Fournier et al.,2007)。通常在線示蹤技術選取熒光素鈉和羅丹明B為示蹤劑(楊平恒等,2008),濁度是影響兩種示蹤劑濃度的關鍵因素,尤其在單次降雨過程后,地下河濁度變化較大,濁度相對示蹤劑濃度影響較大。本次研究選取不同濁度條件下多組示蹤試驗為研究對象,通過對比濁度、流量和示蹤劑濃度定量分析地下河濁度來源及其對示蹤劑濃度的影響,并結合QTRACER2程序計算研究區水文地質參數,為該區水資源評價和建立數值模型提供科學基礎。

寨底地下河流域位于桂林市東部靈川縣境內,坐標為110°31′25.71″—110°37′30″E和25°13′26.08″—25°18′58.04″N之間,是西南典型巖溶流域之一。流域面積約31.05 km2,多年平均降水量為1601.1 mm,年平均氣溫為17.5℃。地表溪溝和地下管道非常發育,大部分區域屬于峰叢洼地,地形高程260～820 m。根據含水介質特征,寨底地下河系統包括孔隙水、裂隙水和巖溶水。系統內巖溶區面積32.5 km2,其中碎屑巖區面積3.53 km2。匯水區域所包圍的東村組(D3d)、桂林組(D3g)、塘家灣組(D2t)等巖溶區巖性為灰巖、白云質灰巖或白云巖,其間未發現有一定厚度的隔水巖層或相對隔水層,構成一個巖溶含水系統,寨底地下河出口G047為唯一總排泄口(圖1)(易連興等,2012)。

圖1　示蹤試驗區示意圖Fig.1 Schematic diagram of tracer test area

1 試驗方法

本次示蹤試驗點選取流域內南部區域,投放點位于響水巖(G037)天窗,接收點位于寨底(G047)地下河出口,該地下河段為長度約2 km的巖溶管道。本次試驗選取熒光素鈉和羅丹明B做為示蹤劑,其中熒光素鈉(C20H10Na2O5)分子量為376.27,水溶液呈綠色,帶極強的黃綠熒光,20℃水溶解性500 g/L,含量不少于90%;羅丹明B(C28H31ClN2O3)分子量為479.01,水溶液呈藍紅色,稀釋后有強烈熒光,純度規格為分析純。試驗過程中將示蹤劑溶解于20 L的塑料桶中,充分攪拌后一次性投入響水巖天窗內,示蹤劑使用量通過充分考慮出口流量大小、徑流距離和估計所需時間等因素,同時考慮對水體污染和人畜用水安全等最終確定。試驗采用GGUN-FL24野外熒光計在寨底地下河出口自動監測溶液濃度和濁度變化,每15分鐘記錄一次數據;使用Mini-diver地下水位自動監測儀監測響水巖和寨底的水位、水溫變化情況,每1小時記錄一次數據。在寨底地下河出口處設立矩形薄壁型,通過水位變化計算流量過程曲線。為闡明濁度對示蹤劑的影響,本次研究選取三次示蹤試驗進行定量分析。表1為三次示蹤試驗基本信息。濁度變化情況和地下河出口濃度回收曲線見圖2。

2 結果分析討論

2.1 地下河濁度來源分析

探討巖溶地下河濁度與流量的關系是分析巖溶水動力特征和溶質運移特性的重要手段。通常在一次降雨過程后,巖溶區地下河濁度主要來源于兩種懸浮顆粒物,即外源和內源。外源是指地表的土壤、大氣粉塵等隨地表徑流進入地下河而直接運移至出口的外源懸浮物(包括微生物),內源是指沉積于巖溶管道內部,隨本次降雨重新進入地下河而形成的再懸浮顆粒物(Peterson et al.,2003;楊平恒等,2012)。當地下河出口流量較小時,管道內水流呈層流狀態,濁度主要來源于管道內部的再懸浮顆粒物;反之流量較大時,管道內水流呈紊流狀態,濁度主要來源于外源懸浮物(Valdes et al.,2006)。因此通過分析地下河濁度與流量的相關關系推斷臨界流量使水流從層流過渡為紊流狀態,可判斷濁度的來源。圖3表示三次完整降雨過程后濁度與流量曲線變化。圖3a表示一次強降雨過后,流量較大時濁度變化情況,圖3b表示一次弱降雨過后,流量較小時濁度變化情況,圖3c表示多次連續降雨過后,流量波動較大時濁度變化情況。從圖中可以看出,當流量較大時,地下河濁度與流量相關度較高,相反,流量較小時相關度較差。因此存在上臨界流量Qmax,滿足Q＞Qmax時水流屬于紊流狀態,濁度與流量相關性較高,主要來源于外源懸浮物;存在下臨界流量Qmin,滿足Q＜Qmin時水流屬于層流狀態,濁度與流量相關性較低,主要來源于內部再懸浮物。通過不斷調整Qmax、Qmin,比較濁度與流量相關度,確定臨界流量狀態。圖4表示不同臨界流量狀態下濁度與流量相關系數曲線變化。

表1　響水巖—寨底示蹤試驗Table 1 Tracer tests of Xiangshuiyan–Zhaidi area

圖2　示蹤劑濃度及濁度變化Fig.2 The change curve of tracers and turbidity

圖3　濁度及流量變化曲線Fig.3 The change curve of flow and turbidity

從圖4a中可以看出上、下臨界流量曲線拐點都出現在0.4m3/s處,因此確定Qmax=Qmin=0.4 m3/s;圖4b中顯示上臨界流量曲線拐點出現在0.6 m3/s處,下臨界流量曲線拐點出現在0.4 m3/s處,因此確定Qmax=0.6 m3/s,Qmin=0.4 m3/s;圖4c中顯示相關系數曲線在0.4 m3/s和0.7 m3/s處有突變,中間較為平緩。通過以上分析推測當流量小于0.4 m3/s時,水流屬于層流運動,濁度主要來源于管道內部再懸浮顆粒;當流量大于0.7 m3/s時,水流屬于紊流運動,濁度主要來源于外源懸浮物。因此從圖2、圖3可以看出第一次示蹤試驗示蹤劑回收時間自2014年8 月16日至19日流量較小,濁度主要來源于內部再懸浮顆粒;第二次2015年1月12日至13日及第三次2015年2月7日至19日流量較大,濁度主要來源于外源懸浮物。但因不同地下河系統管道大小和結構差異,可能導致臨界流量的不同,有待進一步論證。

2.2 濁度對示蹤劑影響的定量分析

示蹤劑是由含有熒光物質的分子吸收激發光而具有熒光特性,而地下河濁度對激發光具有散射作用從而降低熒光強度(李晉生等,1987)。圖2表示地下河濁度和示蹤劑濃度曲線,圖2a、c中可以看出濁度突變增大處,示蹤劑濃度急劇下降,當濁度較平穩時,示蹤劑濃度呈現連續變化。圖2b由于濁度較大,熒光素鈉回收濃度較低,且羅丹明B接收濃度為0。為明確濁度對示蹤劑的影響,將圖2a、c中突變處列于表2。計算相關系數可知,第一次示蹤試驗濁度和熒光素鈉相關系數為–0.89,第三次示蹤試驗濁度和熒光素鈉相關系數為–0.91,當濁度從16.58增至71.32,羅丹明B從5.16×10-9降至0,可見濁度與示蹤劑呈負相關關系,其中詳細變化見圖5,6。

圖4　不同臨界流量狀態下濁度與流量相關系數曲線變化Fig.4 The change curve of correlation coefficients for flow and turbidity under the condition of different critical discharges

表2　示蹤試驗濁度突變處示蹤劑變化表Table 2 The change curve of tracer in the mutations of turbidity

表3　QTRACER2程序參數估算表Table 3 The parameter estimation by QTRACER2 program

第二次示蹤試驗由于示蹤劑濃度回收時濁度都大于60(圖2b),因此熒光素鈉回收濃度較小,且羅丹明B未接收到。由于第一次示蹤試驗濁度較小,對熒光素鈉回收濃度影響較小,對比第一次和第二次熒光素鈉回收率(式1),從而明確濁度對熒光素鈉的影響(何師意等,2009;Mudarra et al.,2014)。

其中m表示回收量(g);i表示回收次數;ci表示第i次回收濃度(×10-6);qi表示第i次流量(L3/s);t表示間隔時間(s)。利用式(1)計算三次熒光素鈉回收率分別為64.6%、20.6%、37.1%,第二次、第三次羅丹明B回收濃度分別為0、28.5%,可見第二次試驗濁度對示蹤劑影響較大,回收率較低,第三次次之,第一次試驗影響最小。從第三次熒光素鈉和羅丹明B回收率對比可知羅丹明B對濁度更為敏感。推測可能原因是由于羅丹明B分子量(479.01)比熒光素鈉高(376.27),濁度影響更多羅丹明B分子吸收激發光而降低了熒光強度。從圖2及表2中分析認為當濁度小于25時,對示蹤劑基本無影響;當濁度大于65時,由于濁度影響較大,此時示蹤試驗結果不能用于分析巖溶管道參數。

利用QTRACE2可分析第一次示蹤試驗結果,計算管道參數見表3。

圖5　第一次試驗突變處濁度與示蹤劑變化Fig.5 The change curve of tracer and turbidity in the mutations of turbidity for the first test

圖6　第三次試驗突變處濁度與示蹤劑變化Fig.6 The change curve of tracer and turbidity in the mutations of turbidity for the third test

3 結論

本次研究以不同水動力條件下三次示蹤試驗為研究對象,通過高精度監測手段定量分析了濁度來源及對示蹤試驗的影響。通過地下河濁度和流量曲線分析了地下河出口濁度來源,計算出上、下臨界流量分別為0.7 m3/s、0.4 m3/s;當流量大于上臨界流量時,水流屬于紊流狀態,濁度主要來源于外源懸浮物;當流量小于下臨界流量時,水流屬于層流狀態,濁度主要來源于管道內部再懸浮顆粒。然后對比分析了濁度與示蹤劑濃度曲線,認為當濁度小于25時,濁度對示蹤劑基本無影響;當濁度大于65時,濁度與示蹤劑呈負相關關系,且濁度對羅丹明B影響更大。最后估算了巖溶管道體積、彌散系數及平均流速等參數,為進一步水資源評價提供科學基礎。試驗結果較好地反映了西南典型巖溶地下河動態特征,對于分析巖溶管道結構及推求水文地質參數有很好的推廣應用價值。

Acknowledgements:

This study was supported by Special Scientific Research Fund of Public Welfare Profession of Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China(No.201411100),and China Geological Survey(No.1212011220959).

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Quantitative Analysis of the Source and the Effect of Turbidity in Karst River on Tracer Test

ZHAO Liang-jie1,2),XIA Ri-yuan1),YI Lian-xing1),YANG Yang1,2),WANG Zhe1,2),LU Hai-ping1,2)
1)Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi 541004;
2)Karst Dynamics Laboratory of Ministry of Land Resources,Guilin,Guangxi 541004

Abstract:The quantitative tracer technique is an important method for analysis of geometrical and hydraulic characteristics of karst aquifer.Turbidity is the key factor for accuracy of tracer test although its source and relationship to tracers remain unclear.Three tracer tests under different hydrodynamic conditions were conducted for typical southwest karst underground rivers.Actual measurement data on turbidity,discharge and tracer concentration were analyzed to discuss the source and the effect of turbidity on tracers.During the test,the upper and lower critical discharge was proved to be existent,which caused the gradual transition from the laminar to turbulence and the transition of the main source of turbidity from resuspended origin to allochthonous origin.The values of upper and lower critical discharge were inferred to be 0.7 and 0.4 m3/s,respectively.The result shows that there is a negative correlation between turbidity and tracer concentration when the value of turbidity is greater than 25.With the increasing turbidity,the impact on the tracer concentration becomes greater.Finally,the karst conduit parameters were estimated by the first test which was relatively insignificantly influenced by the turbidity.The results achieved by the authors provide the basis for further water resource evaluation.

Key words:quantitative tracer test;underground river turbidity;tracer;karst conduit

作者簡介:第一趙良杰,男,1986年生。研究實習員。主要從事巖溶地下水資源評價研究。

通訊地址:541004,廣西桂林七星路50號。E-mail:zhaoliangjie@karst.ac.cn。

收稿日期:2015-05-05;改回日期:2015-10-21。責任編輯:閆立娟。

中圖分類號:P641.134;P641.74

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.12