連通試驗在西南某區(qū)巖溶地下水污染溯源中的應用

吳玉梅　駱振華　羅維　宋晨　張傳良

摘 要：為查明巖溶地下水徑流特征及連通性現(xiàn)狀，驗證西南某潛在污染區(qū)突發(fā)巖溶地下水污染與養(yǎng)殖排廢的關系，開展連通試驗。試驗結(jié)果表明：熒光素鈉在峰值期的平均濃度是穩(wěn)定期的119倍，養(yǎng)殖排廢區(qū)開挖的落水洞與巖溶下降泉之間存在直接水力關系，地下水徑流速度約為3.0×10-3 m·s-1，流速低，總體自東南向西北徑流；徑流通道形態(tài)單一，連通性好。

關鍵詞：地下水防治；連通性；水力關系；徑流

Connectivity test to trace Karst groundwater pollution sources in Southwest China

WU Yumei， LUO Zhenhua， LUO Wei， SONG Chen， ZHANG Chuanliang

（113 Geological Team， Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province，

Liupanshui， 553000， Guizhou， China）

Abstract： In recent years， prevention and control of groundwater pollution has been the focus of attention in the effort to curb the endless occurrence of underground water pollution incidents. However， the prevention and control of Karst groundwater pollution in Southwest China is difficult. In order to find out the runoff characteristics and connectivity status of Karst groundwater， and verify the relationship between burst Karst groundwater pollution and aquaculture discharge in a potentially polluted area in southwest China， connectivity tests have been carried out. The results show that the average concentration of sodium fluorescein in the peak period is 119 times the amount in the stable period. There is a direct hydraulic relationship between the sinkhole excavated in the aquaculture waste disposal area and the Karst descending spring. The groundwater runoff velocity is about 3.0×10-3 m·s-1， the flow velocity is low， and the overall runoff is from southeast to northwest. The runoff channel is of a single form and with good connectivity.

Keywords： groundwater control; connectivity; hydraulic relationship; run off

地下水作為重要的飲用水源，尤其在貧水地區(qū)，其水質(zhì)問題一直受到人們高度關注（Jia et al.，2018）。地下水具有隱蔽性，污染容易，治理難（Xu et al.，2016）。西南巖溶地區(qū)由于特殊的含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)，地下水資源時空分布不均，供需矛盾突出，季節(jié)性農(nóng)業(yè)用水緊張，工業(yè)和生活用水嚴重不足，制約當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展（王宇等，2003）。同時由于巖溶含水巖組的高度開放性，巖溶水極易受到污染，一旦被污染，其修復治理難度大、成本高（王會霞等，2021），對人民群眾財產(chǎn)、飲水安全造成影響。在潛在污染區(qū)開展巖溶地下水連通試驗，可以查明突發(fā)巖溶地下水污染與養(yǎng)殖排廢的關系，解決突發(fā)排廢污染問題。

目前對巖溶地下水連通試驗的研究較為廣泛，如：王建強等（2007）應用連通試驗驗證了水庫區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)補給、徑流、排泄關系，確定了地下分水嶺的位置，為選擇合理的正常蓄水位提供依據(jù)；鄒濟韜等（2017）通過連通試驗確定了隧道滲漏水點與巖溶管道的水力聯(lián)系，為該隧道巖溶水害整治提供依據(jù)；王壽昌等（2019）通過示蹤法連通試驗查明基坑涌水源頭，避免施工作業(yè)污染周圍水域，保證了周圍環(huán)境安全。也有將連通試驗應用于巖溶地下水污染防治方向的研究，如：徐鳳等（2014）通過連通試驗驗證了地下水管道流的連通情況、管道流的地下水流速及徑流流向，為地下水環(huán)境影響評價及污染防治提供了合理依據(jù)；何師意等（2009）在不同巖溶地區(qū)的連通試驗查明了地下水的運動規(guī)律，為隧道巖溶用水水害及水環(huán)境治理等提供了依據(jù)。但運用連通試驗查明污染源的研究尚不多見。基于此，本次在西南地區(qū)巖溶地貌條件下，針對養(yǎng)殖排廢引起的疑似水體污染問題，進行連通試驗研究，以期為類似地下水污染問題及其溯源作為理論參考，同時為研究區(qū)后期科學監(jiān)測及污染防治提供基礎科學指導。

1? 研究區(qū)概況

1.1? 區(qū)域地形地貌

研究區(qū)位于滇東高原向黔中丘原和廣西丘陵的過渡地帶，總體上西南高，東北低，形成廣泛明顯的西南特色山地景象。區(qū)域上山脈走向多追蹤地質(zhì)構(gòu)造，常呈背斜成谷，向斜成山的現(xiàn)象。整體上，海拔1 800～2 000 m，地形起伏相對較大，切割深度100～400 m。境內(nèi)地貌形態(tài)有山地、丘陵、谷地、盆地。地貌形態(tài)與地層巖性相關，區(qū)內(nèi)地貌主要為溶蝕地貌，該地貌主要分布在碳酸鹽巖出露區(qū)，分布范圍廣，為區(qū)內(nèi)主要地貌形態(tài)。根據(jù)區(qū)內(nèi)地形特征，溶蝕地貌可分為峰叢溝谷、峰叢洼地、巖溶盆地，分布研究區(qū)四周。

1.2? 地層及構(gòu)造環(huán)境

研究區(qū)上覆地層為二疊系下統(tǒng)梁山組（P2 l），巖性為粉砂巖、泥巖及砂頁巖，為相對隔水層；下伏地層為石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2 h），巖性為灰色—深灰色、薄—中厚層泥晶灰?guī)r、生物灰?guī)r，為含水巖組。

1-構(gòu)造帶界線，2-構(gòu)造變形區(qū)界線，3-背斜軸，4-向斜軸，5-主干斷層，6-次級斷層，7-逆沖斷層，8-脆—韌性剪切帶，9-走滑斷層，10-研究區(qū)位置；I—貴州侏羅山式褶皺帶，I1—武陵山NNE向褶皺沖斷帶，I2—畢節(jié)及安順NE向變形帶，I3—烏蒙山NW向走滑變形帶，Ⅱ—江南造山型褶皺帶，Ⅲ—右江造山型褶皺帶，Ⅳ—四川盆地邊緣平緩開闊褶皺區(qū)；Fa—施洞口斷裂；Fb—南盤江斷裂；Fc—習水斷裂；F0—望謨-貴陽-遵義斷裂；F1—安順-貴陽-鎮(zhèn)遠斷裂；F2—普安-安順斷裂；F3—水城-紫云-羅甸斷裂。

1-示蹤劑接收點，2-示蹤劑投放點，3-污染點，4-地層結(jié)構(gòu)及代號，5-大型結(jié)構(gòu)裂隙，6-下降泉（S1008為泉點編號，右上為豐水期流量/（L·s-1），括號內(nèi)為枯水期流量/（L·s-1）；右下為泉口標高/m），7-溪流及流向，8-地下水流向，9-三疊系中統(tǒng)關嶺組，10-三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組，11-三疊系下統(tǒng)飛仙關組，12-二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，13-二疊系中統(tǒng)茅口組，14-二疊系中統(tǒng)棲霞組，15-二疊系中上統(tǒng)峨眉山玄武巖組，16-二疊系中統(tǒng)梁山組，17-石炭系上統(tǒng)—二疊系下統(tǒng)馬平組，18-石炭系上統(tǒng)黃龍組。

研究區(qū)在大地構(gòu)造上位于昭通-威寧-水城-紫云-南丹裂陷槽北東界斷裂（F3-Fb）（圖1），向北與四川鮮水河斷裂相接，又稱康定-大關-水城-紫云-南丹斷裂，呈北西向穿越貴州西部，長約400 km（王亮等，2019）。該斷裂已成為上揚子克拉通內(nèi)盆地與克拉通邊緣裂陷盆地的一條重要分界斷裂，是貴州境內(nèi)規(guī)模較大并具有重要影響的區(qū)域性深大斷裂之一，也是貴州沉積構(gòu)造單元及成礦區(qū)塊劃分的重要依據(jù)之一（高軍波等，2015），構(gòu)成貴州西部水城—紫云—南丹地區(qū)晚古生代裂陷槽的北東界斷裂。局部地層發(fā)育較好，無大構(gòu)造發(fā)現(xiàn)，位于研究區(qū)西部可見次級正斷層。

1.3? 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地處一個以東起抵母河、西至通仲河、北從三岔河、南到碳酸鹽巖地下水分水嶺為界的相對獨立的水文地質(zhì)單元內(nèi)。該水文地質(zhì)單元的地下水總體從北向南匯集，向三岔河、抵母河排泄。含水巖組為石炭系上統(tǒng)—二疊系下統(tǒng)馬平組（C2P1m）灰色—深灰色，中厚—厚層灰?guī)r、生物灰?guī)r，地層較陡，產(chǎn)狀65～75°∠72～77°。巖溶發(fā)育程度高，周邊見溶洞、落水洞分布，為一套含水巖組。含水介質(zhì)主要為裂隙、溶洞和溶孔等，受區(qū)內(nèi)排泄基準面小河溝河和地質(zhì)構(gòu)造控制，地下水在小河溝河邊以泉的形式集中排泄至小河溝河。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補給，在無人工疏干排水的情況下，地下水總體上自東南向西北方向徑流，排泄于三岔河流域中游段。

2? 材料與方法

2.1? 示蹤劑選擇及檢測設備

在保證試驗成功的基礎上，既能達到試驗預期效果，又能對環(huán)境無污染，示蹤劑的選擇很重要。示蹤劑應該是安全無毒，既能在自然界衰減消失，在試驗期內(nèi)又有足夠的穩(wěn)定性；對環(huán)境、圍巖及地下水環(huán)境背景值等無不良影響或影響期極短；既廉價易得，又有較高靈敏度。王建強等（2007）對比發(fā)現(xiàn)熒光素作為常用示蹤劑，具有穩(wěn)定性較高，不易被吸附，不受地下水環(huán)境背景值影響，結(jié)果直觀等優(yōu)點；陳余道等（2013）對比試驗發(fā)現(xiàn)熒光素鈉吸附性弱，數(shù)據(jù)可信性強，是比較理想的示蹤劑。因此，本次試驗選取熒光素鈉作為示蹤劑。熒光素鈉（化學式為CHNa2O5），棕色，易溶于水，顏色棕色至淡綠色，試驗投放500 g，采用自動監(jiān)測儀器——GGUN-FL30熒光示蹤儀于泉口接收，監(jiān)測泉水熒光素鈉濃度，檢測頻率每10 min接收并記錄一次數(shù)據(jù)。

2.2? 試驗方法

示蹤劑的投放點、預接受點數(shù)量，根據(jù)研究需求，數(shù)量及組合方式不一，通常可分為：單點投放—單點接收、單點投放—多點接收、多點投放—單點接收、多點投放—多點接收等4種類型（葛信立等，2011）。一般來說，投放點與接收點之間存在一定關系，研究區(qū)開挖落水洞因其地勢高而作為投放點，與接收點巖溶下降泉之間存在壓力差及徑流關系。地下水在自然條件下水力坡度小，流速緩慢。研究區(qū)水力條件一般，進行連通試驗時，實施放水試驗，形成疏降流場，可以促進示蹤劑遷移（劉建章等，2017）。

在連通試驗開始前，為了確保試驗數(shù)據(jù)真實可靠，連續(xù)多次對擬接收點進行電導率背景值測定。根據(jù)任務要求，基于前期工作成果資料并分析，布置示蹤試驗點。投放點，選在研究區(qū)南面的K01處開挖落水洞，落水洞見明顯地下水流；接收點，選擇附近疑似排泄的S01號泉點，投放點與接收點的水平距離為2.98 km，其平面分布及各點基本情況，詳見圖2及表1。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)儀器接收的數(shù)據(jù)信息，本次連通試驗數(shù)據(jù)分析如下：

1）數(shù)據(jù)平穩(wěn)期

2022年3月31日14：20—2022年4月8日3：50，熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為0.60 μg·L-1，泉水無色透明，儀器顯示數(shù)據(jù)持續(xù)時間長，變化小，整體平穩(wěn)。

2）數(shù)據(jù)上升期

2022年4月8日3：50—2022年4月9日21：00，熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為25.71 μg·L-1，泉水有肉眼可辨認的顏色變化，儀器顯示數(shù)據(jù)持續(xù)時間短，數(shù)據(jù)處于上升期。

3）數(shù)據(jù)峰值期

2022年4月9日21：00—2022年4月10日8：30，熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為71.45 μg·L-1，是平穩(wěn)期熒光素鈉檢測平均濃度的119倍，泉水呈明顯翠綠色，數(shù)據(jù)出現(xiàn)最高峰值濃度，熒光素鈉濃度為73.28 μg·L-1，儀器顯示數(shù)據(jù)持續(xù)時間較短，數(shù)據(jù)處于峰值期。

4）數(shù)據(jù)下降期

2022年4月10日8：30—2022年4月16日7：00，熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為13.65 μg·L-1，翠綠色泉水顏色變淺，儀器顯示數(shù)據(jù)持續(xù)時間較長，數(shù)據(jù)處于下降期。

5）數(shù)據(jù)漸穩(wěn)期

2022年4月16日7：30—2022年4月16日12：00，熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為0.86 μg·L-1，泉水顏色褪去，呈無色透明，儀器顯示數(shù)據(jù)逐漸平穩(wěn)降低，與試驗開始最初背景值相近，數(shù)據(jù)處于逐漸穩(wěn)定期。

至此，結(jié)束本次連通試驗。共獲取樣品數(shù)據(jù)2 289條。接收點示蹤劑濃度及歷時變化曲線見圖3。

3.2? 試驗結(jié)果討論

1）泉水示蹤劑濃度歷時曲線特征分析

對于一般的連通示蹤試驗，接受示蹤劑時間一般在10 d左右，本次連通試驗歷時約17 d。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，整個試驗過程泉水示蹤劑濃度波動明顯，示蹤劑濃度歷時曲線較好反映整個試驗過程。平穩(wěn)期熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為0.60 μg·L-1，峰值期熒光素鈉檢測數(shù)據(jù)平均值為71.45 μg·L-1，相比約119倍，數(shù)據(jù)明顯增高，指示作用明顯，本次研究成果與易連興等（2006）進行的紅魚坪溪溝至大神口S25泉連通試驗研究成果一致。同時也有研究表明，不同的水體中背景熒光值范圍隨著地下水中懸浮黏土顆粒或者有機質(zhì)的增加熒光背景值有增大的趨勢，有的會產(chǎn)生相當于數(shù)十倍熒光素溶液濃度的熒光強度，而嚴重影響示蹤劑的接收和檢測（鄭克勛，2007）；本次示蹤劑濃度相對穩(wěn)定，后續(xù)需關注此類環(huán)境現(xiàn)象。

2）地下水流速估算

根據(jù)連通試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，示蹤劑開始投放時間為2022年4月1日上午11點30分，泉口熒光素鈉初見時間為2022年4月8日凌晨3點50分，歷時184小時20分，灌入清水量為1 771.50 m3，開挖溶洞距S01號泉點直線距離約2.98 km。據(jù)此估算本次連通試驗開挖溶洞至朝陽村龍井溝（受污染S01號泉點）地下水平均徑流速度為257.80 m·d-1（3.0×10-3 m·s-1）。驗證了示蹤距離在數(shù)千米時地下水流系統(tǒng)的最大平均視速度應該大于10-3 m·s-1，否則沒有必要進行此試驗（鄭克勛，2007）。

3）含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

通過對本次連通試驗S01號泉水熒光素納濃度歷時曲線形態(tài)特征分析，本次試驗尖峰形態(tài)能較好地反映含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。S01號泉水熒光素納歷時曲線為單一尖峰形態(tài)，基本說明了其徑流通道為單一通道，存在溶潭或其他分流通道情況低，流通性較好，與咸云尚（2006）連通試驗應用結(jié)論相似。

4? 結(jié)論

1）本次連通試驗研究證實了潛在污染區(qū)開挖的落水洞與S01號巖溶下降泉存在著直接的水力關系，為地下水污染防治溯源提供證據(jù)。

2）經(jīng)計算，在持續(xù)灌入清水時，示蹤劑溶液的平均徑流速度為257.80 m·d-1，地下水徑流速度低。地下水總體自東南向西北徑流。

3）本次連通試驗泉水熒光素納歷時曲線為單一尖峰形態(tài)，說明其徑流通道為單一通道，流通性較好。

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收稿日期：2022-05-27；修回日期：2022-07-05

第一作者簡介：吳玉梅（1995- ），女，本科，助理工程師，主要從事水工環(huán)研究工作。E-mail：1808921007@qq.com

通信作者簡介：駱振華（1991- ），男，碩士研究生，工程師，主要從事地球化學、環(huán)境地質(zhì)及農(nóng)業(yè)地質(zhì)研究工作。E-mail：1762593767@qq.com

引用格式：吳玉梅，駱振華，羅維，宋晨，張傳良，2023.連通試驗在西南某區(qū)巖溶地下水污染溯源中的應用［J］.城市地質(zhì)，18（1）：69-74