人工示蹤在巖溶地區水文地質監測中的應用

貴州省有色金屬和核工業地質勘查局二總隊 蔣向東

一、引言

在巖溶地區水文地質勘察中，通過人工示蹤技術可確定巖溶區地下連通性、泉域范圍以及巖溶管道分布、形態、水力特征等，具有準確性好、可信度高等優勢，逐漸得到了廣泛應用，本文主要圍繞此技術展開詳細分析。

二、人工示蹤技術原理

人工示蹤技術在國內外巖溶地區水文地質勘察中得到了廣泛應用，其主要是通過人工投放示蹤劑的方式，明確地下水流動方向、判斷地下水來源，常見的示蹤劑包括熒光素類、鹽類以及漂浮物。在示蹤試驗中，可溶性的示蹤劑會隨著水流發生對流、彌散，在投放點下游接收到示蹤劑后，對水流顏色、示蹤劑濃度變化進行分析。目前，示蹤試驗主要分為三種情況，分別是定性、半定量和定量，其中，定量分析要求對示蹤劑的濃度、流量等進行測量、分析，繪制穿透曲線，并計算回收率、地下水視流速、溶質運移參數、介質參數等，構建示蹤劑運移模型。

目前，國際上示蹤技術經由長期發展，已經成為巖溶地區水文地質勘察的常規方法，而國內是在1990年后才開始示蹤技術的相關培訓工作。經由多年發展，我國于2007年建立了熒光素類示蹤劑檢測實驗室，并引進了示蹤劑野外監測儀器，提高了示蹤技術應用效率。目前，人工示蹤技術在國內已經實現了推廣應用，如在滇、黔、桂以及川、渝、鄂西、湘西、粵北的西南巖溶區水文地質普查中，人工示蹤試驗就是一項重要工作內容，試驗結果精確、可靠。

三、巖溶地區水文地質勘察中人工示蹤技術應用要點

（一）準備工作

巖溶地區開展人工示蹤試驗前，需基本掌握區域地形地貌、地質條件與水文條件，檢查周圍環境是否存在洞穴、水流通道等。結合上述調查情況，合理選擇示蹤劑類型，并確定投放點、取樣點，優化采樣方案。如，針對巖溶管道，可選擇熒光染料、多數陰離子、陽離子等穩定示蹤劑，針對地下水運移，可選擇曙紅、熒光素鈉等穩定示蹤劑。示蹤劑使用量計算公式如下：

M=1.9×10-5×(L?Q?C)×0.95

式中：L—距離，單位：km；

Q—流量，單位：L/s；

C—預期峰值濃度，單位：μg/L。

（二）示蹤劑投放

巖溶地區人工示蹤技術的應用過程中，合理投放示蹤劑十分關鍵，對此需構建巖溶管道網絡，將洞穴水流作為示蹤劑投放點。當現場勘察時，無法選到合適的示蹤劑投放點，可將示蹤劑投入到溶蝕裂隙、巖溶豎井內，可采取瞬時投放或是持續注入的方法。其中，瞬時投放需在完成示蹤劑用量計算后，將其全部投入水流內，由此繪制示蹤劑穿透曲線，并對水流內污染物對地下水的影響進行預測，也可確定水力特征，持續注入可有效提高采樣點示蹤劑濃度，便于勘察人員調查地下水污染情況。

（三）示蹤劑取樣

在綜合分析示蹤試驗目標、巖溶區域水文環境等因素的基礎上，合理確定取樣位置，以觀測井、洞穴水流、抽水井等為宜，此外確定示蹤劑投放點后，隧道或地下洞穴內滲水、滴水，都可作為包氣帶采樣點。在人工示蹤技術實際使用過程中，可多次取樣分析，掌握背景濃度變化情況。

（四）數據分析

在人工示蹤試驗過程中，示蹤劑的投放、取樣以及數據分析過程中難免產生誤差，對此應加強對取樣點、取樣時間的控制，準確確定背景濃度特征等。通過持續觀測，可繪制濃度——時間穿透曲線，經由分析掌握水流通道，判斷巖溶區域地下水文環境特征。

四、實例探析人工示蹤技術的應用情況

（一）項目背景

本項目為山嶺隧道工程，施工過程中需穿越巖溶地下暗河系統，根據地下暗河下游段水力梯度計算顯示，地下暗河在與隧道交叉點處標高1088m，顯示暗河標高與隧道標高相當或是略高，面臨較大的巖溶突水涌泥風險，對此查明巖溶水文地質情況、預測隧道涌水量具有重要意義。經綜合分析，決定選擇人工示蹤技術進行巖溶地區水文地質勘察工作，查明隧道泄水洞與暗河系統邊界，明確隧道集水面積，并進一步識別暗河系統各個部位含水介質導水性能，從而更為精確地開展隧道涌水量預測工作。

（二）人工示蹤試驗目的與方法

1.試驗目的

本次人工示蹤試驗的目的包括：（1）查明隧道泄水洞排水影響情況，確定泄水洞與地下暗河的系統邊界，確定隧道集水面積，并預測隧道涌水量。（2）繪制示蹤劑濃度歷時曲線，并識別暗河不同部位含水介質特征，確定地下水平均流速等參數。

2.示蹤劑投放

本項目在暗河系統內進行了5次地下水示蹤試驗，具體投放與接收情況如下：（1）2次示蹤試驗在鉆孔QY4、QY5投放示蹤劑，在暗河出口接收，揭示暗河主管道以東隧道圍巖含水介質特征，并分析其與暗河管道的水力聯系程度。（2）3次示蹤試驗在三處伏流入口投放示蹤劑，并在隧道泄水洞、暗河出口位置接收。本項目示蹤試驗中，不同投放點投放不同的示蹤劑，并實施連續監測工作，主要示蹤劑包括熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑，具體使用情況如下表1所示。本次選用GGUN-FL30野外熒光分光光度計開展連續自動監測工作，監測間隔10min，監測精度0.02ppb。

表1 示蹤劑投放與接收位置

（三）人工示蹤試驗結果分析

（1）QY5#鉆孔示蹤試驗。本次示蹤試驗中，5#鉆孔與暗河出口之間的水平距離為1400m，示蹤劑在76h后達到峰值，然后緩慢下降。根據計算可得，5#鉆孔與暗河出口間平均地下水流速為442m/d，判斷5#鉆孔與暗河水力聯系較好，含水介質主要為單一小型巖溶管道。

（2）QY4#鉆孔示蹤試驗。本次示蹤試驗中，4#鉆孔與暗河出口之間的水平距離為2150m，示蹤劑在297h后達到峰值，然后緩慢下降。根據計算可得，4#鉆孔與暗河出口間平均地下水流速為174m/d，判斷4#鉆孔與暗河存在水力聯系，含水介質主要為溶蝕裂隙、小型巖溶管道。

（3）A伏流入口示蹤試驗。本次示蹤試驗中，A伏流入口與暗河出口之間的水平距離為8700m，示蹤劑在234h后達到峰值，然后緩慢下降。根據計算可得，A伏流入口與暗河出口間地下水平均流速892m/d，判斷此段地下暗河管道單一、徑流通暢，無大型水潭串聯。

（4）B伏流入口示蹤試驗。本次示蹤試驗中，B伏流入口與隧道突水點之間的水平距離為1250m，示蹤劑在200h后達到峰值，然后緩慢下降。根據計算可得，B伏流入口與泄水洞地下水平均流速150m/d，判斷此伏流與隧道存在水力聯系，含水介質主要為溶蝕裂隙、小型巖溶管道。

（5）C伏流入口示蹤試驗。本次示蹤試驗中，C伏流入口與隧道突水點之間的水平距離為2500m，示蹤劑在252.5h后達到峰值（出現異常波動），最高為150ppb，高處正常值100多倍，表明泄水洞接收到示蹤劑，經分析主要是夜間暴雨所致，泄水洞出口河道上游雨水間歇性的混入了監測儀器。經計算，C伏流入口與泄水洞地下水平均流速為237m/d，判斷C伏流以南巖溶地下水被隧道泄水洞所襲奪，泄水洞的施工和長期泄水使得原本完整的暗河分化為兩個部分，減小了巖溶水系統匯水范圍，減輕巖溶突水突泥災害。C伏流與隧道存在水力聯系，含水介質主要為溶蝕裂隙、小型巖溶管道（見圖1）。

圖1 C伏流入口示蹤試驗結果

五、結語

綜上所述，近年來人工示蹤技術在巖溶地區水文地質勘察中得到了較多的推廣應用，主要應用領域有巖溶地區水源地保護、地下工程修建、水庫大壩建設與防滲加固等。目前，人工失蹤技術不斷成熟，在工程實踐中需根據實際情況合理選擇示蹤劑，選擇投放點與接收點，準確繪制示蹤劑穿透曲線，并做好相關分析工作，全面了解巖溶地區水文地質情況，為相關建設工作提供可靠參考依據。