高分辨率熒光儀在巖溶地下河示蹤試驗中的應(yīng)用

王　松

（廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東廣州510510）

高分辨率熒光儀在巖溶地下河示蹤試驗中的應(yīng)用

王松*

（廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東廣州510510）

在巖溶水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用高分辨率野外自動化熒光儀和人工取樣的方法，對英德市巖口地下河系統(tǒng)投放的示蹤劑接收情況進行檢測。結(jié)果表明：（1）官坪落水洞與巖口地下河存在水力聯(lián)系，中洞落水洞與鬼子巖地下河出口存在水力聯(lián)系，與巖口地下河出口不存在水力聯(lián)系；（2）官坪的示蹤劑在巖口地下河出口的回收量為79.23%，初現(xiàn)時間為24.8h，地下水最大視流速為282.26m/h，平均視速度為113.70m/h，說明本試驗段內(nèi)地下徑流為典型的紊流流態(tài)，巖溶含水介質(zhì)不均勻，可能有規(guī)模較大且無岔道的巖溶管道存在。

高分辨率熒光儀；示蹤試驗；巖口地下河系統(tǒng)

人工示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用已有相當(dāng)長的歷史。在巖溶水文地質(zhì)研究中，野外示蹤試驗是水資源管理、地下水脆弱性編圖和獲取水文模型物理參數(shù)的一個重要工具，是劃分巖溶地下分水嶺、研究巖溶水庫滲漏、分析地下管道網(wǎng)絡(luò)分布和地下水溶質(zhì)運移特征的一種重要手段［1-5］。但由于目前我國地下水示蹤試驗自動化程度不高，大部分采取人工取樣、室內(nèi)分析的方法，試驗成本高，勞動強度大，樣品擱置時間久和取樣時易引起污染等等，進而影響到示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)中的進一步推廣與應(yīng)用［6］。本文擬采用瑞士Neuchatel大學(xué)水文地質(zhì)研究所生產(chǎn)的野外自動化熒光儀［7］（flow-through field flourometer，GGUN-FL30，下文簡稱野外熒光儀）并輔以人工取樣來監(jiān)測、驗證大巖地下河系統(tǒng)官坪落水洞和中洞落水洞至大巖出口段，以及與鬼子巖地下河出口示蹤劑的濃度和運移情況。該儀器具有高靈敏性、取樣時間密度小和不易受污染等特點，其運用為我國巖溶地下水示蹤技術(shù)研究提供參考。

1　研究區(qū)背景

大巖地下河位于廣東省英德市望埠鎮(zhèn)大巖村。該地下河系統(tǒng)發(fā)育于上泥盆統(tǒng)天子嶺與融縣組地層、北東向的官坪大斷裂帶和其東側(cè)巖溶洼地地形分布區(qū)。前人資料顯示，巖口地下河主要支流有中洞支流和上官坪支流，形如半邊的樹枝狀，匯水面積約38.44km2。該地下河出口（Y94571）北西約500m有亞婆髻巖地下河出口（Y9457），南西約2500m有鬼子巖地下河出口（Y9256）。

2　示蹤試驗

2.1試驗的目的

主要是利用高分辨率熒光儀驗證英德市大巖地下河系統(tǒng)發(fā)育情況。驗證大巖地下河出口與中洞落水洞、官坪落水洞是否存在水力聯(lián)系，2個落水洞與亞婆髻巖地下河出口、鬼子巖地下河出口是否存在水力聯(lián)系。計算示蹤劑從投放點到接收點的運移速度和回收量并分析推斷巖溶含水介質(zhì)均一程度。研究區(qū)水文地質(zhì)見圖1。

2.2投放點和接收點的選擇

示蹤劑投放點最好選擇有天然水流存在的地方，官坪落水洞和中洞落水洞均常年有地表水流進入，因而選其作為投放點；前人資料顯示大巖地下河發(fā)源于官坪和中洞，因驗證其正確性，試驗在大巖地下河出口、亞婆髻巖出口、鬼子巖地下河出口均設(shè)有接收點。因儀器數(shù)量有限，第一次試驗僅在大巖設(shè)示蹤儀，另外2處人工取樣，人工取樣顯示異常后再重新做試驗。

2.3示蹤劑的選擇

示蹤劑選擇原則上要滿足以下要求：

（1）極易溶于水，在地下水中背景值含量極低；

（2）無毒、無臭、無味，不破壞地下水生態(tài)系統(tǒng)；

（3）不易被土壤和圍巖吸附，不易沉淀，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與其它環(huán)境物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，不易被生物降解，不揮發(fā)；

（4）不易被地下水中其它物質(zhì)干擾，易被儀器檢測，靈敏度高，且成本相對較低［6］。

針對這些要求，同時考慮與儀器匹配使用，以及地下河發(fā)育有2個分支的特點，選用熒光素鈉和酸性玫瑰紅作為示蹤劑。在試驗前，我們對野外投放點和各個接收點進行背景值測試，水中的熒光素鈉含量均為0.01ppb，水中的酸性玫瑰紅含量為0.04ppb。

2.4示蹤劑的投放方法

在室內(nèi)稱取熒光素鈉粉末狀固體500g，酸性玫瑰紅粉末狀固體500g，用樣品袋封裝。在野外現(xiàn)場將熒光素鈉粉末和酸性玫瑰紅粉末分別放進不同塑料桶中，加水充分攪拌溶解。于官坪投放點投入熒光素鈉，投放時間為2010年8月11日9：53：00；于中洞投放點投入酸性玫瑰紅，投放時間2010年8月11日11：40：00。

2.5監(jiān)測與取樣

由于儀器數(shù)量的限制，2010年8月11日14：37野外熒光儀放置于巖口地下河出口。同時在鬼子巖出口和亞婆髻巖出口進行人工取樣，取樣密度為每日2個。采用棕色專用塑料瓶裝樣密封，并用黑色塑料袋包裝冷藏運回室內(nèi)，當(dāng)日完成檢測。考慮到試驗的嚴謹性，在示蹤劑出現(xiàn)并恢復(fù)到背景值后，野外熒光儀繼續(xù)工作2d，以判定是否有第二次峰值產(chǎn)生。為了便于示蹤劑回收量的計算，在巖口出口每日測量流量。

3　試驗結(jié)果與討論

3.1試驗結(jié)果

3.1.1示蹤劑量接收情況

筆記本電腦讀取野外熒光儀的數(shù)據(jù)顯示，巖口地下河出口于8月12日10：41時，水中熒光素鈉濃度出現(xiàn)異常，8月12日18：26達到峰值，酸性玫瑰紅濃度未出現(xiàn)峰值，該結(jié)果說明，官坪落水洞與巖口出口存在水力聯(lián)系，中洞與巖口不存在水力聯(lián)系。見圖2。

圖2　巖口地下河出口示蹤劑歷時曲線圖

對取自亞婆髻巖出口水樣進行分析，各個水樣中的熒光素鈉濃度都為0.01ppb，酸性玫瑰紅的濃度均在背景值0.4ppb附近，說明該點未接收到任何示蹤劑，即官坪和中洞落水洞與亞婆髻巖出口均無水力聯(lián)系。

鬼子巖出口熒光素鈉濃度均值為0.01ppb，而酸性玫瑰紅濃度變化較大，且有回落趨勢，該結(jié)果表明，鬼子巖出口與中洞落水洞很可能存在水力聯(lián)系。為進一步確認人工取樣的結(jié)果，2010年8月18日再次于中洞投入酸性玫瑰紅進行試驗，結(jié)果再次證明了鬼子巖與中洞落水洞的水力聯(lián)系。見圖3。

圖3　鬼子巖地下河出口示蹤劑濃度對比圖

根據(jù)示蹤劑濃度歷時變化曲線圖和流量數(shù)據(jù)，從而計算出巖口地下河出口示蹤劑的回收量。其計算公式如下：

式中：M——回收量，g；

Q——實時流量，m3/L；

C——歷時濃度，ppb；

t1——示蹤劑開始出現(xiàn)的時間，s；

t2——示蹤劑恢復(fù)到背景濃度的時間，s。

根據(jù)上式，本試驗示蹤劑的回收量為396.6g，即在巖口檢測到的熒光素鈉回收量高達79.32%。

3.1.2巖溶地下水流速

地下巖溶徑流介質(zhì)形態(tài)多樣，地下水在運移過程中，流態(tài)變化也復(fù)雜多樣。一般認為，示蹤劑初現(xiàn)時的流速為地下水的最大流速，峰值出現(xiàn)時的流速為平均流速，示蹤劑質(zhì)量回收一半時的流速為眾數(shù)視流速［7］。8月12日10：41時，水中熒光素鈉濃度出現(xiàn)異常，8月12日18：26達到峰值，即官坪投放試劑后24h48min，示蹤劑濃度出現(xiàn)異常，56h34min后達到峰值。官坪至巖口的平均視速度為2728.8m/d，彌散系數(shù)0.95529m2/s，縱向分散性30.247m，示蹤劑最大視速度282.26m/h。

3.1.3巖溶地下水流場結(jié)構(gòu)分析

示蹤劑濃度歷時曲線的主要影響因素是地下河的結(jié)構(gòu)特征。從圖2可以看出，示蹤劑濃度歷時曲線均為單峰型，并且對稱性較好，說明巖溶含水介質(zhì)極不均勻，通道相對單一，無岔道和較大的溶潭發(fā)育。從地下水運移特點來看，地下水流速較大，最大視流速與平均視流速之比為2.48，平均流速遠大于1000m/d，表明巖口落水洞至地下河出口地下巖溶發(fā)育，地下水運移路徑通暢，為典型的紊流流態(tài)。

3.2討論

第二次投放示蹤劑驗證鬼子巖人工取樣結(jié)果時仍然采用的是酸性玫瑰紅示蹤劑，因前期試驗使得地下水酸性玫瑰紅的背景值較高，故難以準確計算回收率、示蹤劑視速度等相關(guān)參數(shù)。驗證時若采用熒光素鈉則背景值不會受上次試驗影響，且含水層介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)計算也會較準確。

4　結(jié)論

（1）中洞與巖口地下河不存在水力聯(lián)系，與鬼子巖出口存在水力聯(lián)系。

（2）官坪與巖口出口存在水力聯(lián)系，與鬼子巖不存在水力聯(lián)系。

（3）官坪至巖口的平均視速度為2728.8m/d，彌散系數(shù)0.95529m2/s，縱向分散性30.247m，示蹤劑最大視速度282.26m/h。

［1］李敬蘭，李益民.廣西龍排布泥庫地下水多元示蹤試驗研究［J］.安全與環(huán)境工程，2004，11（1）：59-62.

［2］章程，蔣勇軍，Lettingue M.，等.巖溶地下水脆弱性評價“二元法”及其在重慶金佛山的應(yīng)用［J］.中國巖溶，2007，26（4）：334-340.

［3］裴建國，謝運球，章程，等.湘中溶蝕丘陵區(qū)示蹤試驗——以湖南新化為例［J］.中國巖溶，2000，19（4）：366-371.

［4］米德才，張新興.浩坤水電站水庫巖溶滲漏研究［J］.地球與環(huán)境，2005，33.

［5］李曉，胡耀飛，賈疏源.錦屏普斯洛溝壩右岸地下水連通試驗［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2002，13（4）：51-55.

［6］楊平恒，羅鑒銀，彭穩(wěn)，夏凱生，林玉石.在線技術(shù)在巖溶地下水示蹤試驗中的應(yīng)用——以青木關(guān)地下河系統(tǒng)巖口落水洞至姜家泉段為例［J］.中國巖溶，2008（3）：215-220.

［7］Schnegg，P.A.&Costa，R.Tracer Tests Made Easier with Field Fluorometers［J］.Bulletin d'Hydrogéologie，2003（20）：89-91.

TH83

A

1004-5716（2016）04-0147-04

2015-04-15

2015-04-16

王松（1983-），女（漢族），湖北黃岡人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)，巖溶水文地質(zhì)工作。