湖北宜都磷石膏集中庫區巖溶水文地質條件研究

王宵亮， 王孔偉， 滕明明

(三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室， 宜昌 443002)

磷石膏是生產磷酸過程中產生的廢棄物，目前對其最有效的處理方法就是建立磷石膏集中庫，采取集中堆填處理[1]。據不完全統計，目前中國的磷石膏堆存量已達到6億t[2]，若磷石膏集中庫發生泄露會嚴重破壞生態環境和污染地下水資源，故建立集中庫需要良好的巖溶水文地質條件。段先前等[3]通過野外水文地質調查、巖溶滲漏分析研究了磷石膏集中庫滲漏污染方式與途徑；王萍等[4]通過對某磷石膏堆填場進行實地調查與采樣分析了堆填場周邊耕地土壤重金屬含量的變化、成因及污染風險。目前，對磷石膏集中庫的研究主要側重于堆存過程中產生的環境問題，缺乏有關磷石膏集中庫建設地水文地質條件的研究，如對場地地下水徑流特征以及斷層導水性等研究。

研究集中庫區的地質結構和巖溶地下水的流動特征等水文地質條件，對將來庫區的穩定運行乃至當地生態地質環境的保護都有著十分重要的意義。鐘政等[5]運用了現場地質調查、鉆孔取樣和測量地下水流速等方法，分析了金沙江某滑坡工程地質與水文地質特征，但巖溶地區水文地質條件復雜，巖溶水具有非均質性、隱蔽性、敏感性等特點，普通水文地質勘察方法效果并不顯著，水文地質特征認識不清已成為研究中最大的障礙，而示蹤技術則能彌補普通水文地質勘察方法在精度上的不足。在巖溶水文地質調查中，地下水示蹤試驗是一種非常簡單有效的方法。早期的示蹤試驗，以目測為主，示蹤劑主要是谷殼和鋸末，為定性研究[6]。定量示蹤試驗始于1877年，Knop在試驗中將熒光素鈉、鹽、和頁巖油注入德國Swabian Alb巖溶地區Danube河的伏流，2 d后在距離12 km處的Aach泉監測到示蹤劑[7]。中國的示蹤試驗始于20世紀70年代末。楊立錚等[8]分析了示蹤劑濃度隨時間的變化曲線其形狀與地下河管道的結構有密切關系，為定量示蹤試驗的研究打下了基礎。20世紀90年代，實現了定量研究。朱學愚等[9]進行了示蹤試驗在巖溶水污染治理中的應用研究，為治理地下水污染的水力截獲帶的布置提供了依據。隨著科技進步，示蹤技術也得到了發展。曾莘茹等[10]利用高精度在線監測技術分析了桂林甑皮巖洞穴遺址地下水污染來源；張亮等[11]通過示蹤試驗及同位素測試等手段，查明了某巖溶泉的成因；張浪等[12]對西南某巖溶地區地下水系統進行示蹤試驗，估算出巖溶管道結構特征和水文地質參數。

基于此，現以宜都市枝城鎮六里沖村磷石膏集中庫項目為例，利用野外地質調查、地球物理勘探高精度示蹤技術和Qtacer2軟件，研究其水文地質條件，獲取水文地質參數，了解斷裂構造水理性及分析巖溶地下水之間的水力聯系，預測地下水流向，推測地下水巖溶含水介質結構特征，以期為庫區的工程安全建設及周邊巖溶地區地下水保護提供保障。

1 研究區概況

1.1 自然地理與地形地貌

宜都市位于鄂西南長江中游南岸，地處江漢平原向鄂西南山地過渡地帶，東隔長江與宜昌市猇亭區、枝江市相望，東南鄰松滋市，西南、正西與五峰土家族自治縣、長陽土家族自治縣交界，北與宜昌市點軍區接壤。研究區氣候屬亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫16.7 ℃，年平均降雨量1 235.4 mm。研究區隸屬武陵山余脈和川東巫山余脈的臨界區域，地勢南高，北低，以長江為軸線向南呈梯級上升，形成以丘陵為主，低山、平原兼有的地貌結構，整體上屬于碳酸鹽侵蝕臺地。

1.2 區域地質構造

宜都市位于仙女山斷裂與天陽坪斷裂夾持的三角形區域內，如圖1所示，隸屬于黃陵背斜周邊構造復合帶[13]，區內受梁山-肖家隘背斜、淹水淌斷裂以及F3、F6斷裂所控制，構成了研究區整體地質背景條件。區域地層以長陽-張家河背斜為界，南、北兩側地層遭受剝蝕情況存在較大差異，南側僅出露上三疊系以下的地層，北側侏羅系、白堊系均有分布[14]。研究區內寒武系大面積出露，寒武系與下伏地層呈平行不整合或整合接觸，局部分布第四系沖洪積層。在研究區的東部沿淹水淌斷裂局部出露有下寒武統天河板組(1t)和下寒武統石龍洞組(1sh)研究區南都(背斜南翼)和北部(背斜北翼)存在三游洞組(3sn1-2)，研究區內部主要為覃家廟組(2qn)。

1.3 區域水文地質

研究區屬長江水系，地形起伏不大，地表水不發育，有季節性積水及流水。坡面凹溝為匯水、排水通道。場區地下水主要有基巖中的裂隙水及巖溶水，主要靠大氣降水補給，沖溝等低洼部位以地下徑流形式排泄，斜坡部位以沿裂隙滲流形式或受地形切割排出地表；巖溶水主要賦存于白云巖、灰巖溶洞及溶蝕裂隙中，白云巖、灰巖巖溶發育，具一定連通性，以低洼段沖溝為基準排泄面。區內巖溶發育較為充分，溶槽、溶洞、落水洞等分布廣泛。

圖1 研究區大地構造分區圖Fig.1 Tectonic zoning map of the study area

2 巖溶發育的主要控制因素

為了解庫區內斷裂構造的分布與巖溶發育的情況，依據野外露頭點的觀察，庫區內發育斷裂有北部的淹水淌斷裂(F2)，南部的F3和F6斷裂，如圖2所示。一般斷裂構造研是巖溶發育程度、規模和方向的主控因素，斷裂帶穿過地段常分布有泉水、落水洞、溶洞、暗河等，這是由于受斷層影響，基巖面起伏較大，巖體破碎，為巖溶水的運移提供了前提條件，經長期的地下水溶蝕作用，裂隙不斷擴大，沿斷裂破碎帶發育大小不同的溶洞和溶隙[15]。

圖2 庫區水文地質簡圖Fig.2 Hydrogeological sketch of reservoir area

淹水淌斷裂(F2)為一具有走滑性質的逆斷層構造，主斷裂面產狀180°～190°∠76°～87°，斷裂帶寬度400～500 m，斷面上存在水平擦痕，垂直擦痕，局部地區還存在斜向擦痕，斷裂帶內部構造巖具有碎裂結構特征，以碎裂巖為主，顏色比正常巖石偏黑，內部方解石脈異常發育，縱橫交織，局部地方存在擠壓片理化帶，表明該斷層整體具有壓、扭性及多期活動的特點，如圖3所示。該斷層形成時間與天陽坪斷裂同期，與東西向褶皺構造帶的形成具有密切相關性，初期以壓性活動為主；后期的活動歷史與仙女山斷裂存在一定的關系，表現為壓扭性活動[16-17]。受斷層影響，基巖面起伏較大，巖體破碎，為地下水提供良好的通道，為巖溶發育提供了良好的條件。

通過大量野外工作發現，該斷裂橫穿工區場地，是對工區場地影響最大的一條斷層，向西該斷裂一直延伸到南坡水庫附近消失，沿該斷裂地貌上存在串珠狀分布的落水洞和泉水出露點，落水洞和泉水往往伴隨，這說明淹水淌斷裂控制著庫區巖溶的發育。

為驗證上述對F2斷裂的勘察結果并推測庫區流徑通道區域，在試驗區開展了地球物理勘探；高密度電法是利用地下水流徑通道或含水層與圍巖導電性的差異，通過觀測與研究在地下人工建立的穩定電流的分布規律的一種電法勘探方法：物探布置圖。由物探剖面圖(圖4)可知，沿側線方向，東西部電阻率值整體偏高，中間低電阻率異常分帶明顯，呈帶狀向深部延伸，測線A-B與C-D的電阻陡變帶位置高度一致，與淹水淌斷裂位置對應較好，說明淹水淌斷裂控制著地下水主流徑通道區域。

紅色圓圈、黃色線條、紅色箭頭分別表示斷裂帶局部特征的位置、水平擦痕、斷層上下盤移動方向圖3 淹水淌斷裂帶基本特征Fig.3 Basic characteristics of Yanshuitang fault zone

圖4 物探剖面解釋成果Fig.4 Interpretation results of geophysical profile

3 巖溶含水介質結構特征

巖溶含水介質一般指巖溶地下水的賦存空間。巖溶含水介質的類型包括成巖孔隙、構造裂隙、溶蝕管道及溶洞等，這些含水介質具有強烈的儲水能力和導水作用，其分布、規模、均勻性、連通性及發育程度等，制約著巖溶地下水流的運動和分布。為此，采用巖溶地下水示蹤技術，選擇庫區內部露頭的落水洞、下降泉、巖溶溝槽(圖5)作為示蹤劑的接收、投放點，由東向西依次進行三次試驗，旨在分析推斷庫區內地下巖溶含水介質結構特征。

圖5 試驗點野外照片Fig.5 Field photos of the test site

3.1 示蹤試驗方法及過程

根據研究區水文地質調查結果和以往工作經驗，本次試驗選擇熒光素鈉作為示蹤劑，其在地下水中背景濃度極低，檢出限低(0.005 μg/L)，且對人類和環境無害。

示蹤試驗投放量計算公式為[18]

M=LKB

(1)

式(1)中：M為示蹤劑投放量，g；L為示蹤劑投放點到監測點之間的距離，m；K為示蹤劑系數；B為水文地質條件影響因子。

第一次示蹤試驗的開始時間為2020年8月4日。溶槽(D19)為示蹤劑投放點，泉水出水口(D3)為接收點，兩者僅相距114 m；在投放示蹤劑之前，分別測得兩點熒光素鈉本底濃度均為0.5 μg/L。計算稱取熒光素鈉102.6 g，將其充分溶解，瞬時投入溶洞中。

第二次示蹤試驗的開始時間為2020年8月12日。在落水洞(D7)處，瞬時投入120.6 g已充分溶解的熒光素鈉。投放后，利用水罐車向落水洞內注水，增加示蹤劑擴散速度。在溶槽(D19)處使用示蹤儀實施在線監測，兩點相距134 m。

第三次示蹤試驗首先在涌水處(D12)處開挖出一個直徑2～3 m，深5 m的試驗坑，稱取895.5 g熒光素鈉，于2020年8月16日溶解后投入試驗坑內，利用生活用水水源向洞內持續注水，接收點為泉水出水口(D3)，本次試驗路徑總長度為995 m。

每次試驗自投放示蹤劑起，即刻開始在線監測，設置監測間隔為30 s。

3.2 示蹤結果及解釋

根據各個接受點的示蹤劑濃度，繪制示蹤劑濃度歷時曲線，主要分為單峰型和多峰型曲線[19]。

第一次示蹤試驗濃度歷時曲線[圖6(a)]為單一鈍峰型曲線，泉水出水口(D3)示蹤劑初現時間約為11 h，在28 h示蹤劑濃度達到峰值，隨后開始下降，如圖6所示，30～40 h這段時間內，示蹤劑濃度維持在約23 μg/L，顯示“平臺”型曲線，說明溶槽(D19)到泉水出水口(D3)之間徑流通道存在溶潭；40 h后示蹤劑濃度又開始下降，但速度明顯變緩，即“拖尾”現象，引起這種現象的原因依舊是受到了溶潭稀釋作用的影響。

其次，該曲線的特殊性在于上升階段呈鋸齒狀，有小幅度的起伏，而下降過程則比較平滑。曲線呈鋸齒狀說明溶槽(D19)到泉水出水口(D3)之間并不是非常暢通，應為小型管道與脈管狀的細小巖溶裂隙組成。實際上，示蹤劑的運移可分為兩種方式：平流與擴散，平流是指物質隨流體按平均線性速度運移，是宏觀上的，而當示蹤劑存在濃度梯度時，示蹤劑會從高濃度向低濃度運移，稱之為分子擴散，是微觀上的；地下河是由錯綜復雜的管道系統組成的，任何含水層的水流通道和流速發生改變時，均會在時空上產生示蹤劑的擴散云，這種現象成為機械彌散，因此本次試驗示蹤劑的運移可分為3個過程：①平流。相應曲線特征為示蹤劑濃度上升速度快，起伏小；②機械彌散。示蹤劑隨著水流的運移，溶隙、溶孔也隨之增多，水流通道和流速發生了變化，相應曲線特征為劇烈鋸齒狀；③分子擴散。一般來說，水流方向上的示蹤劑運移應以平流與機械彌散為主，分子擴散可以忽略，但本次試驗選擇的監測點處于一小型水潭中，隨著平流、機械彌散效應逐漸降低，水潭中分子擴散效應成為主要因素，相應曲線特征為平滑的曲線。

通常情況下，示蹤劑初現時間對應最大流速；峰值時間對應優勢流速；本次試驗最大流速為10.4 m/s，優勢流速4.5 m/s。

圖6 示蹤試驗熒光素鈉歷時曲線Fig.6 Diachronic curve of uranine in tracer test

第二次示蹤試驗濃度歷時曲線為單峰對稱型，如圖6(b)所示，24 h開始檢測到示蹤劑，30 h達到峰值，且峰值持續時間較短，并有鋸齒狀的波動，且幅度較大，說明落水洞(D7)與溶槽(D19)之間存在水力聯系，但通道并不十分通暢，應主要由巖溶裂隙組成，且通道單一，不存在分支，巖溶發育較均勻；計算得出，兩點的最大流速5.6 m/s，優勢流速為4.1 m/s。

第三次示蹤試驗濃度歷時曲線為多峰值型，如圖6(c)所示，主峰后存在多個間斷的小峰，并有鋸齒狀波動。該點是離監測點最遠的試驗點，且水力坡度低。初步判斷，并不是多通道造成的多峰值，而是間斷的向涌水處(D12)注水才是造成3次小峰值的主要原因；由于受到用水條件的限制，不能確保持續的注水，導致接收到的示蹤劑也是間斷的，在本次試驗的穿透曲線中出現間斷的濃度值。將圖6(b)中濃度峰值用虛線連接，加以修整，可將其視為持續水流下的濃度曲線，該曲線類型為單峰值伴隨雙平臺曲線。不難看出，該曲線與第一次示蹤試驗的曲線較相似，不同在于多出一個“平臺”，說明不僅溶槽(D19)與出水口(D3)之間存在溶潭，溶槽(D19)與涌水處(D12)之間也存在一溶潭，且前者尺寸小于后者，分別對應平臺a與平臺b，這是因為溶潭越大，稀釋能力越強。

本次試驗實測曲線證明了涌水點(D12)與泉水出水口(D3)之間存在水力聯系，但地下水流速緩慢慢，原因可能是水力坡度偏低或管道不暢通，應為脈管狀細小巖溶裂隙組成；修整曲線證明了溶槽(D19)與涌水處(D12)之間徑流通道也存在一較大溶潭，同時平臺b對應第一次試驗曲線中的平臺期。

計算得出該試驗的最大流速、優勢流速分別為25 m/s、22.1 m/s。

3.3 示蹤試驗揭示的水文地質問題

示蹤試驗各種結果能夠揭示試驗區某些水文地質問題[8]。

3.3.1 巖溶地下水運移特征

從試驗結果來看，確定了以涌水點(D12)、溶槽(D19)、泉水出水口(D3)為基礎的地下水主流徑通道；由落水洞(D7)與溶槽(D19)組成的次流徑通道，地下水整體運移方向為NE70°。

為研究主通道與次通道內示蹤劑的運移特征，需對試驗期間的水力坡度和最大流速進行對比分析，如表1所示，次通道水力坡度最大，但對應的最大流速和優勢流速都是最小的，表明在次通道方向上示蹤劑運移具有明顯的滯緩性；同時說明水力坡度的大小與示蹤劑運移速度無相關關系，試驗區巖溶介質具有非均質各向異性特征。

表1 示蹤試驗期間水力坡度和流速對比Table 1 Comparison of hydraulic slope and velocity during the tracer test

3.3.2 巖溶發育類型的多重性

根據示蹤試驗繪制的熒光素鈉歷時曲線(圖6)，3次示蹤試驗熒光素鈉濃度歷時曲線類型可分為單峰對稱曲線、單峰不對稱曲線和多峰曲線。對稱曲線表明上下游之間的巖溶通道單一，若產生拖尾，則說明通道之間可能存在溶潭；形成多峰曲線有兩種原因：一是示蹤劑投放點與接收點之間存在多條通道，路徑距離不同，導致不同的峰值；二是水流無可持續性造成的多峰曲線。由3次試驗的示蹤劑濃度歷時曲線來看，庫區巖溶發育程度不均一，在涌水處(D12)-溶槽(D19)段巖溶發育以裂隙與溶孔為主，而溶槽(D19)-出水口(D3)段巖溶發育以小型管道為主，如圖7所示。

③、⑦、、為水文地質點編號圖7 場區巖溶水排泄管道結構特征示意圖Fig.7 Schematic diagram of karst water drainage pipeline in field area

綜上，庫區地下水主要沿具有裂隙-管道雙重含水介質的巖溶含水層流動。

3.3.3 巖溶管道水力參數

根據示蹤試驗的數據，利用美國國家環境保護局研發的Qtracer2軟件對巖溶管道的水力參數進行估算[11]。研究區的巖溶含水介質空間特征和流場決定了水力參數：彌散系數、縱向彌散度、摩擦系數、雷洛茲數、舍伍德數和施密特數，而含水層水力參數是確定地下水運移規律，建立地下水水文模型以及巖溶水動力模擬必不可少的參數，如表2所示。

表2 由示蹤試驗估算的水力參數Table 2 Hydraulic parameters estimated from tracer test

4 結論

(1)該磷石膏集中庫區內發育的淹水淌斷裂是巖溶發育的主控因素。且示蹤劑沿淹水淌斷裂方向流速較快，斷裂對下地水運移有促進作用。

(2)示蹤試驗表明磷石膏集中區地下水流速緩慢，水力坡度較低，地下水主要沿著裂隙-小型管道巖溶含水層流動，存在著NE70°方向的主徑流帶。示蹤劑濃度變化與水力坡度、溫度、速度、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)利用Qtacer2軟件估算出水文地質參數：彌散系數0.806 m2/s、縱向彌散度1 837.6 m、摩擦系數0.133、雷諾茲數76 763、舍伍德數2 401.4、施密特數1 140。

(4)磷石膏集中庫選址適宜。在工程建設過程中，在主徑流通道方向上，需采取進一步的防滲處理措施，其他巖溶裂隙、溶洞，可以實施灌漿處理措施。