淺談示蹤試驗(yàn)背景下的巖溶管道及水力參數(shù)定量

廖柳芬

（廣西地質(zhì)調(diào)查院 廣西南寧 530007）

淺談示蹤試驗(yàn)背景下的巖溶管道及水力參數(shù)定量

廖柳芬

（廣西地質(zhì)調(diào)查院 廣西南寧 530007）

目前，在水文地質(zhì)試驗(yàn)中，示蹤試驗(yàn)已成為一種重要的探測(cè)試驗(yàn)，該試驗(yàn)不僅可以探測(cè)地下水流速與探明地下水的水力聯(lián)系的同時(shí)，還可以根據(jù)巖溶地區(qū)地下水流速的特點(diǎn)，制定出對(duì)流稀釋作用的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)溶質(zhì)濃度、溶質(zhì)濃度等正相關(guān)的聯(lián)系，可正確的計(jì)算出示蹤試驗(yàn)投源井的天然徑流量的同時(shí)，計(jì)算出地下水中示蹤劑的濃度背景。本文主要對(duì)示蹤劑穿透曲線（BTC）與Qtrac-er2計(jì)算模型相結(jié)合并進(jìn)行定量分析，從而得出巖溶管道及水力參數(shù)定量，根據(jù)試驗(yàn)表明，九子海洼地一帶存在著一定的水力聯(lián)系，并且還有存在著其他巖溶通道，由此可見(jiàn)，該區(qū)域的地下水呈緩速紊流狀態(tài)。

示蹤試驗(yàn)；背景下；巖溶管道；水力參數(shù)；定量

在巖溶區(qū)域，決定巖溶水文地質(zhì)系統(tǒng)功能的基本要素主要是巖溶含水介質(zhì)，而示蹤試驗(yàn)著是一種水文地質(zhì)試驗(yàn)探測(cè)技術(shù)和方法，對(duì)巖溶水資源勘探中具有非常重要的意義。近年來(lái)，探測(cè)人員常常將示蹤試驗(yàn)應(yīng)用到地下水的流速、流向、補(bǔ)給源以及排泄源等判定中，但在巖溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、參數(shù)等方面的探測(cè)，與國(guó)外相比，仍然存在著一定的差異。本文主要以九子海洼地區(qū)域示蹤試驗(yàn)為例，對(duì)巖溶管道結(jié)構(gòu)與水力學(xué)等參數(shù)進(jìn)行探究，從而計(jì)算出巖溶管道結(jié)構(gòu)參數(shù)與水力學(xué)參數(shù)，建立巖溶水動(dòng)力學(xué)模型，這對(duì)地下水資源開(kāi)發(fā)具有良好的借鑒意義。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于四川盆地的東北部位置，距離縣城21km，最高點(diǎn)是東側(cè)的巴忙牛山峰，海拔為3678.5m，屬于普子向斜軸部，斜貫穿在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域中（如圖1所示）。該區(qū)域主要分為三疊系地層的高平原，以碳酸鹽巖為主，厚度在1087～1689m之間；試驗(yàn)區(qū)域的地形主要為南西高與北東低的形勢(shì)，其中九子海主要為斷塊復(fù)向斜經(jīng)溶蝕形成的盆地，集水面積大約在80km2，海洼地寬2.8km，長(zhǎng)6.7km，海拔在2900m左右，以落水洞與發(fā)育漏斗為主，天使該區(qū)域還是非常重要的巖溶水補(bǔ)給區(qū)。同時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域分布在三迭系碳酸鹽巖，其中含水層的周圍包圍著弱含水巖層，南側(cè)與西側(cè)是湖積物、第四系沖積、鈣質(zhì)礫巖以及第三系麗江組砂巖；而東側(cè)與北側(cè)主要是二迭系玄武巖。試驗(yàn)區(qū)域的水文地質(zhì)圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域的水文地質(zhì)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更好的證明九子海洼地和南部泉點(diǎn)這兩者之間有沒(méi)有存在水力聯(lián)系，主要采用示蹤試驗(yàn)來(lái)分析巖溶地下水流的特點(diǎn)，從而對(duì)巖溶通道位置與結(jié)構(gòu)等進(jìn)行推測(cè)，2014年7月開(kāi)始對(duì)九子海洼地區(qū)域進(jìn)行地下水示蹤試驗(yàn)[1]。其試驗(yàn)結(jié)果為開(kāi)發(fā)利用巖溶地下水資源與工程建設(shè)等提供有效的水文地質(zhì)參考依據(jù)。由于考慮到對(duì)地下水的污染與試驗(yàn)區(qū)示蹤元素的環(huán)境背景值、化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性等原因，主要選擇碘化鉀來(lái)作為示蹤劑，將碘化鉀400kg和水混溶后，將其倒入九子海巖溶洼地內(nèi)的L1落水洞中，在投樣后，繼續(xù)向落水洞L1內(nèi)注水12h左右，從而有效的驅(qū)動(dòng)示蹤劑更好的進(jìn)入地下水體。隨后將下游甘澤泉選擇為示蹤劑的接收點(diǎn)Q1。在試劑投放之后，要定時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取樣并分析，同時(shí)利用碘-淀粉光度法對(duì)樣品中的碘離子含量進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)時(shí)間為460h，總共獲得了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)87組，在甘澤泉流量穩(wěn)定之后，采用量水堰測(cè)流法對(duì)流量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)得出流量為32L/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)表明，接收點(diǎn)水樣檢測(cè)的結(jié)果如圖2所示，根據(jù)圖2顯示，在投放試劑的224h后，初次在收點(diǎn)水樣處檢測(cè)到示蹤劑，在276h時(shí)示蹤劑的濃度到達(dá)最高峰，峰值的濃度高達(dá)140μg/L。在投放試劑的290h后，示蹤劑濃度又下降到本底值，隨后的時(shí)間內(nèi)，示蹤劑濃度一直保持在本底值水平，其中持續(xù)時(shí)間在83h左右。同時(shí)，根據(jù)接收點(diǎn)泉流量的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，計(jì)算出的示蹤劑回收量為214.26g與回收率為0.54%。

圖2 接收點(diǎn)碘化鉀穿透曲線（BTC）

3.2 結(jié)果分析

主要采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)局開(kāi)發(fā)的Qtracer2進(jìn)行計(jì)算，該方法主要應(yīng)用在巖溶管道示蹤實(shí)驗(yàn)的定量計(jì)算的一種模型[2]。根據(jù)在示蹤試驗(yàn)中獲得的濃度BTC曲線，從而對(duì)巖溶管道幾何參數(shù)與水力參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，得出的結(jié)果可用于溶質(zhì)運(yùn)移模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等研究中，其中參數(shù)的定量分析如下所述：

示蹤劑回收質(zhì)量計(jì)算公式：

在（1）式中，M0主要代表示蹤劑回收質(zhì)量；而示蹤劑濃度主要以C（t）表示；監(jiān)測(cè)點(diǎn)流量則用Q（t）表示；監(jiān)測(cè)時(shí)間用t表示。

3.3 地下水流場(chǎng)與地下河管道的特點(diǎn)分析

3.3.1 地下水流場(chǎng)

試驗(yàn)區(qū)的地下水流場(chǎng)的示蹤劑穿透曲線BTC，屬于單峰型，沒(méi)有拖尾情況，峰值為陡升、陡降，這就表明九子海洼地和甘澤泉兩者之間存在著一定的水力聯(lián)系，并沒(méi)有地下溶潭發(fā)育等情況。其中示蹤劑回收率比較低，這就表明尚且存在著其他的巖溶通道分走了部分水流，或者示蹤劑的運(yùn)移路徑比較長(zhǎng)，而含水質(zhì)中的泥土、膠體、浮游生物等對(duì)示蹤劑具有吸附作用，從而使得示蹤劑滯留在含水介質(zhì)中，因此回收率較低。

初見(jiàn)示蹤劑的時(shí)間為224h、峰值時(shí)間為276h，由于考慮到修正后的遷移距離為20.2km，通過(guò)初步計(jì)算，地下水的最大流速為90.53m/h，平均流速為76.83m/h。

3.3.2 地下河管道

地下河管道的規(guī)模是決定含水層的排泄能力與儲(chǔ)水量的關(guān)鍵，在巖溶水資源管理中，管道幾何參數(shù)起著非常重要的作用。由于地下河水的流態(tài)為紊流，在水體中示蹤劑的縱向彌散時(shí)間是比較短的，所以可以認(rèn)為在含水層的相同橫截面中，示蹤劑的運(yùn)移質(zhì)量的濃度均是一致的，顧采用以下公式計(jì)算巖溶管道的儲(chǔ)水體積：

式中：（2）式與（1）式中的意義相一致，為更好的計(jì)算出其儲(chǔ)水直徑，可以依照巖溶管道型地下河的特點(diǎn)，把巖溶管道概括為一個(gè)圓柱形狀，依照儲(chǔ)水體積對(duì)巖溶管道的過(guò)濕橫截面積進(jìn)行計(jì)算：

式中：（3）式中濕橫截面積為A；地下河的實(shí)際長(zhǎng)度為Xs。

3.4 地下水過(guò)水通道結(jié)構(gòu)與水力參數(shù)

示蹤劑BTC曲線不僅可以對(duì)地下水連通性與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，還可以反映出地下水流與地下水過(guò)水通道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。隨后通過(guò)Qtracer2模型對(duì)得到的結(jié)果采用定量分析，從而獲取相關(guān)的地下水過(guò)水通道結(jié)構(gòu)參數(shù)、水力參數(shù)等。其中九子海洼地的一帶巖溶過(guò)水管道體積為3.66萬(wàn)m3，平均直徑為1.83m，表面積為3.66×104m2，而示蹤劑滯留時(shí)間為276h，修正后的遷移距離為20.2km。其中含水層水文地質(zhì)參數(shù)是建立水質(zhì)預(yù)測(cè)模型與確定地下水運(yùn)移規(guī)律等重要要素。利用示蹤劑BTC曲線進(jìn)行定量分析后，可以獲得巖溶地下水的水力參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，九子海洼地一帶的地下水縱向彌散系數(shù)與縱向彌散度分別為0.32m2/s、12.35m，而雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)分別為26132、0.0068，由此可見(jiàn)，九子海洼地的一帶的地下水處于緩速紊流狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該試驗(yàn)有效的證明了九子海洼地一帶具有水力連通的聯(lián)系，通過(guò)示蹤劑穿透曲線可以看出，地下水徑流通道中沒(méi)有比較大的溶潭發(fā)育，示蹤劑的回收率比較低，表明地下水徑流中具有其他其他徑流分走了部分水流。隨后利用示蹤劑BTC曲線進(jìn)行定量分析，從而獲得了九子海洼地一帶巖溶過(guò)水管道體積為3.66萬(wàn)m3，平均直徑為1.83m，表面積為3.66×104m2，地下水縱向彌散系數(shù)與縱向彌散度分別為0.32m2/s、12.35m，而雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)分別為26132、0.0068。且九子海洼地一帶的地下水處于緩速紊流狀態(tài)。

[1]楊平恒，袁道先，藍(lán)家程，陳雪彬，張笑微.基于在線高分辨率監(jiān)測(cè)和定量計(jì)算的巖溶地下水示蹤試驗(yàn)[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，02：103～108.

[2]劉樹(shù)林，范澤英，楊平恒，盧丙清，黃山松，張 宇，陳雪彬.基于在線高分辨率示蹤試驗(yàn)的巖溶地下河管道特征分析——以重慶市彭水縣巖窩坨至紙廠泉段地下河為例[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，10：125～130.

P641.134

A

1004-7344（2016）04-0203-02

2016-1-15

廖柳芬（1985-），女，助理工程師，本科，主要從事巖溶區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查工作。