大武水源地裂隙巖溶區示蹤試驗研究

朱恒華 楊麗芝 邊農方

摘 要：為在淄博大武水源地遭受污染地區合理布置治理工程，在堠皋試驗區進行裂隙巖溶水示蹤試驗，分析試驗區地下水流向，了解金嶺斷裂兩側水力聯系。結果表明：示蹤劑運移方向主要為12°和104°方向，優勢主流方向為104°;示蹤劑濃度與水力坡度、速度、觀測孔距離無明顯相關關系，試驗區巖溶介質具有非均質各向異性特征;地下水視流速大多超過100 m/d，說明研究區地下水流動迅速，污染物運移以對流為主;研究區灰巖斷裂構造為張性斷裂，導水性良好，對地下水流動有促進作用;研究區含水層巖溶發育不均一，溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。

關鍵詞：大武水源地;裂隙巖溶水;示蹤試驗;鉬酸銨

Abstract： Tracer test was done in fracture-karst aquifer of Hougao test site of Dawu water source area in order to make a thorough investigation of hydrogeological condition for remediation. We analyzed groundwater flow field， investigated the hydraulic connection across Jinling fault based on the tracer test.The results show that a） the tracer migration directions are mainly for 12° and 104° and the preferential mainstream direction is 104°; b） there is no correlation between tracer concentration and the potential factors including hydraulic gradients， flow velocities and the distance of observation wells; this indicates that the regional karstified media studied here are heterogeneous and anisotropic; the apparent velocities of groundwater are very fast and the transportation of pollutions are mainly convection; c） the tensional fault zones of limestone are well-developed; this leads to high hydraulic conductivity that can promote groundwater flow and; d） the development of aquifer is heterogeneous as well， where karst zones are featured by the coexistence of dissolving hole， dissolving gap， fissure， conduit， and karst cave.

Key words： Dawu water source area; groundwater-bearing fractured karst; tracer test; ammonium molybdate

大武水源地位于淄博市臨淄區，是我國北方罕見的特大型地下水水源地，承擔著淄博市張店、臨淄兩區城市居民生活，齊魯石化、辛店發電廠等國家骨干企業生產、生活及水源地周圍部分鄉鎮工農業生產供水任務，對淄博市經濟的穩定發展起到重要作用[1]。自大武水源地投入使用以來，隨著當地工農業生產的迅速發展和居民生活水平的不斷提高，用水規模迅速擴大，造成地下水開采量持續增加[2]。水源地周圍諸多化工企業廢水排放對水源地造成污染，引起水環境狀況不斷惡化[3]。大武水源地儲水巖層主要為裂隙巖溶灰巖，泄漏的石油及其他污染物極易通過包氣帶進入含水層，對大武水源地地下水安全構成極大威脅[4]。因此，查明大武水源地水文地質條件及水力聯系極為重要。裂隙巖溶區地下水的水力聯系可采用示蹤試驗進行探明[5]，如以I同位素為示蹤劑研究石油污染區巖溶水文地質條件[1]，以亞硝酸鈉為示蹤劑查明黃河龍口庫區地下巖溶發育和滲漏情況[6]，以纖維毛殼菌、鉬酸銨為示蹤劑進行巖溶區連通性試驗[7]。但是已有研究并沒有完全查明大武水源地地下水的水力聯系和補徑排關系，對地下水優勢主流方向和斷裂帶透水性質的研究依然缺乏。因此，筆者通過大武水源地堠皋試驗區示蹤試驗，查明堠皋試驗區附近地下水的運移途徑，了解金嶺斷裂兩側的水力聯系，并確定堠皋區域地下水的污染來源、去向及主流方向，以期為大武水源地的保護提供理論依據。

1 地質背景

堠皋試驗區位于魯中山地北緣與華北平原相連的過渡地帶，地勢南高北低。南部為低山丘陵河谷地形，最高海拔307.5 m，北部接山前傾斜平原，最低海拔52.0 m，其地貌是地層巖性、地質構造、氣象水文等因素綜合作用的產物，按形態可分為構造剝蝕巖溶低山丘陵、剝蝕堆積山麓坡地、河谷沖積平原和山前沖洪積平原。研究區以斷裂為主要地質構造，其中淄河斷裂帶是最大的隱伏斷裂帶，為區域性大規模北北東向斷裂;次一級斷層發育包括近東西向王寨斷裂、南北向金嶺斷裂等。區內分布的主要含水巖組為南部地區的奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組和北部地區第四系松散巖類孔隙含水巖組，地下水流向大致為由南向北。富水段東起曹家莊，西止于西下莊西，北到老濟青公路，南至山前大武、窩托、上莊南側一線，面積約6.25 km2。該富水段處于山前傾斜平原上，上覆第四系松散堆積層，主要含水段為石灰巖、泥灰巖和泥質白云質灰巖[8]。研究區地質條件見圖1。

2 研究方法

2.1 示蹤劑選擇及鉬離子背景值測定

根據不同地區水文地質環境的特點，選擇較為理想的示蹤劑是進行水文地質示蹤試驗的關鍵之一[9-11]。參考國內外已有巖溶區示蹤試驗，結合大武水源地實際水文地質條件[12-16]，試驗選擇鉬酸銨（（NH4）6Mo7O24·4H2O）作為示蹤劑，鉬離子為示蹤離子。為了獲得研究區示蹤劑投放前鉬離子濃度的背景值，采用原子吸收分光光度計-石墨爐法和電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS）進行鉬離子測試，2017年11月多次采樣測定堠皋試驗區鉬離子濃度背景值，見表1。

2.2 示蹤劑投放

堠皋試驗區示蹤劑投放量為200 kg。將鉬酸銨全部溶于0.5 m3水中，用小泵輸入投放井內，隨后大流量一次性注入10 m3清水。根據前期現場勘察，以及對地下水水位觀測資料和同位素資料的綜合分析，示蹤試驗投放井確定為齊旺達西井（SW512）。試驗監測網以投放點齊旺達西井為中心，向四周輻射布控，在不同巖溶含水層和不同區段布置25個取樣點（包括投源井）。從2017年11月16日開始投源至2018年3月9日示蹤試驗結束，共采樣350組，監測頻率為每1～2 d一次，達到峰值后適當降低取樣頻率，每3～5 d取樣一次。鉬離子擴散范圍見圖2。

3 示蹤試驗揭示的水文地質問題

通過鉬離子擴散范圍可以看出，示蹤劑在齊旺達西井投放后，示蹤劑運移方向主要以投源點向12°和104°運移（正北為0°），其中優勢主流方向為104°方向。根據示蹤劑擴散運移方向確定分析研究剖面線的位置，按照剖面線的展布圖對試驗區水文地質問題進行分析，見圖3。

3.1 巖溶含水系統具有非均質特征

水力坡度是指投源點到檢出點的水位差與投源點至檢出點直線距離的比值[17]。由于堠皋試驗區試驗期間是枯水期，大氣降水對水位的影響不大，因此各采樣點到投源點的水力坡度具有一定穩定性。水力坡度主要影響示蹤劑的運移速度，對于某一固定路徑，水力坡度越大，示蹤劑的運移速度越快。視流速由投源點到檢出點的直線距離除以示蹤劑初見峰值時間計算得到[18]。根據水力梯度與視流速的關系，可以分析試驗區巖溶介質的均質性。

根據試驗區地下水等水位線和示蹤試驗結果，計算檢出點與投源點間的水力坡度和地下水視流速，結果見表2。由表2可知，興亞W1的水力坡度在所有檢出點中最大，但是對應的視流速非常小，表明示蹤劑從投源井到興亞W1運移具有滯緩性;齊旺達GW1與興亞W1類似，地下水流速緩慢，具有滯緩性。金嶺五村水力坡度較小，但是受金嶺斷裂影響視流速最快，在所有檢出點中示蹤劑運移最為暢通;堠皋1井、靈芝北井、金嶺農委2示蹤劑運移同樣較為暢通。可以看出，水力坡度的大小與示蹤劑運移速度無相關關系，說明試驗區巖溶介質具有非均質各向異性特征。此外，地下水視流速大多超過100 m/d，說明地下水流動迅速，污染物運移以對流為主。

3.2 斷裂構造對地下徑流有重要影響

堠皋試驗區地下徑流主要受金嶺斷裂影響。在水力梯度作用下，堠皋試驗區示蹤劑向東穿過金嶺斷裂后運移至堠皋、齊旺達等地，區域地下水視流速為113～200 m/d，表明金嶺斷裂具有良好透水性，見圖4、圖5。

在水力梯度作用下，示蹤劑的移動同時受南北向金嶺斷裂的影響，順斷裂方向向北運移至金嶺五村和金嶺農委2（見圖6），兩檢出點地下水視流速分別為289.50、197.50 m/d，大于堠皋4井、齊旺達等的地下水視流速，說明金嶺斷裂方向對地下水流速有影響，沿斷裂方向地下水流速較快。

3.3 巖溶發育類型多重性

根據示蹤劑濃度測試結果，監測井鉬離子濃度曲線可分為單峰、雙峰、三峰、多峰曲線（見圖7、表3），巖溶水徑流通道有單一管道型、單管道有水池型、多管道型和多管道水池型，表明大武水源地巖溶發育特征為溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存，具體分區情況見圖8。

（1）試驗區內距投源井較近的興亞W1井，投源井東部堠皋3井、堠皋1井和堠皋4井這一運移途徑上鉬離子濃度曲線均為單峰型。興亞W1井、堠皋3井、堠皋1井為略對稱型單峰曲線，表明檢出點上下游之間的巖溶通道為單通道，且上下游通道大小差別不大，檢出點之間的巖溶發育程度相對一致。興亞W1井地下水視流速為12.27 m/d，流速較慢，表明巖溶發育較差，巖溶通道為溶隙。堠皋1井和堠皋3井地下水視流速分別為200.00、116.00 m/d，堠皋1井地下水流速較快，巖溶通道為裂隙。堠皋4井鉬離子濃度曲線為不對稱型單峰，說明堠皋4井下游巖溶通道與上游相比較窄;檢出點上游的流速和下游的流速明顯不同，出現濃度拖尾現象，堠皋4井地下水視流速為102.50 m/d，巖溶通道為裂隙。

（2）示蹤劑檢出范圍內東北部藍帆2井W4、齊旺達廢井和靈芝北井鉬離子濃度曲線均為先高后低雙峰型。先高后低型雙峰曲線表明巖溶發育為雙通道，其中第一通道鉬離子峰值濃度高于第二通道的，且出現峰值的時間早于第二通道的，說明第一通道為優勢通道，水流運移時間較短，第二通道水流運移時間較長，被稀釋、吸附的可能性更大，因此第二通道濃度有所降低。

（3）投源井北部金嶺五村鉬離子濃度曲線為三峰型，金嶺農委2鉬離子濃度曲線為先低后高雙峰型。考慮到北部兩井分布于金嶺斷裂兩側，流速較快，認為北部地下水主要為裂隙水。

4 結 論

（1）受天然狀態下地下水流場影響，堠皋試驗區地下水流向為北向和東向，示蹤劑從投源井向北沿金嶺斷裂到達金嶺村區域;示蹤劑從投源井向東北和東南方向運移，經過齊旺達和堠皋區域，最遠到達85°方向靈芝北井，地下水視流速為9.09～289.50 m/d，示蹤劑擴散范圍為1.76 km2。

（2）示蹤試驗監測數據表明，示蹤劑濃度與水力坡度、速度、距離無明顯相關關系，試驗區巖溶介質具有非均質各向異性特征。

（3）示蹤劑沿金嶺斷裂方向流速較快，斷裂對地下水流動有促進作用，說明灰巖區斷裂構造導水性良好。

（4）示蹤劑隨地下水流在奧陶系馬家溝組地層中擴散速率快慢不一，表明含水層巖溶發育不均一，區域巖溶發育具有多重性，溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。

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【責任編輯 呂艷梅】