巖溶地下河定量示蹤研究方法綜述

程亞平，陳余道

(桂林理工大學 a.環境科學與工程學院；b.廣西礦冶與環境科學實驗中心,廣西 桂林　541004)

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巖溶地下河定量示蹤研究方法綜述

程亞平，陳余道

(桂林理工大學 a.環境科學與工程學院；b.廣西礦冶與環境科學實驗中心,廣西 桂林541004)

摘要：示蹤試驗具有實際操作簡單方便、生產成本低且具有較高的評價精度等特點,其在水文地質工程地質工作中對巖溶管道的探究、地下水空間分布、堤壩滲漏和環境污染等方面具有很強的應用性。本文綜述了巖溶地下河的定量示蹤技術,包括示蹤劑的選用、監測以及數據解釋。現有研究表明,熒光素鈉是國際上首選的人工示蹤劑,高精度、高密度和多指標的自動檢測技術是獲得高質量示蹤數據的重要基礎。定量示蹤研究能夠提供可用于分析地下水流場、水文地質結構等的示蹤劑滯留時間、遷移速度、彌散系數等水力參數,可為巖溶地下河生態脆弱性評價和溶質運移研究提供科學依據。

關鍵詞：地下河；巖溶區；定量示蹤；穿透曲線；水力參數；管道結構

我國西南巖溶地區地下河發育普遍,多達2 836條,總長度13 919 km,總枯水流量1 482 m3/s[1],是巖溶區地下水運動與富集的主要空間。中國巖溶地下水資源總量為2 039.67億m3/a,占中國地下水資源總量的1/4以上[2]。由于巖溶含水介質的嚴重不均質性和各向異性,加上地表山地崎嶇,巖溶地下河的水文地質鉆探難度很大。自20世紀80年代，示蹤試驗逐漸成為西南地區巖溶地下河最主要的水文地質調查方法,從最初的連通性調查逐漸向地下河水力參數與管道結構的定量研究發展,同時在示蹤劑類型的選擇、監測手段等方面不斷取得創新。由于示蹤試驗成本低、易于實施并具有良好的效果,因此成為具有推廣前景的調查手段[3-9]。楊平恒等[10]利用在線示蹤試驗技術研究了青木關地下河系統地下水流速及地下水流場結構;魯程鵬等[11]利用示蹤試驗求解了后寨地下河流域地下水流速以及含水層的滲透系數;陳雪彬等[12]等利用定量在線示蹤技術對青木關巖溶地下河流場進行了反演,并估算得到地下河平均流速、摩擦系數、雷諾數、舍伍德數、施密特數等水文地質參數;易連興等[13]利用示蹤試驗及回收強度法分析了魚泉地下河管道結構;王偉等[14]利用示蹤試驗研究了巨木地下河成庫條件。上述地下河定量示蹤研究均側重于地下河管道連通與類型，地下河的水流速、地下水流場、滲透系數等方面的參數，地下河滲漏及成庫條件等方面,研究內容較為單一,而對于地下河定量示蹤技術的綜合應用研究較少。本文著重回顧了20世紀80年代以來巖溶地下河的定量示蹤研究歷程,包括示蹤劑選用、示蹤劑的監測以及示蹤數據處理技術等方面,以期對今后的巖溶地下河調查與研究起到參考和促進作用。

1示蹤方法

1.1示蹤劑選用

示蹤劑是定量示蹤試驗成敗的關鍵因素之一，在選用示蹤劑時要考慮兩個方面因素：首先，使用的示蹤劑必須是安全無毒的，對環境沒有污染，能在自然環境中自然衰減；其次，示蹤劑又要具有足夠的穩定性，受環境影響較小， 可以溶于水，但又不改變流場中各種水文參數。國內采用的示蹤劑包括化學染色、放射性同位素、微生物和無機化學類4種類型。梅正星建議今后的示蹤劑選用應以人工食用微生物類和有染料類為主，從環境保護角度應約束放射性和有污染的示蹤劑的使用[15]。國外常用的示蹤劑有染料類、 鹽類和顆粒類3種類型。 Goldscheider[5]強調示蹤劑的選用應考慮毒性安全、 低檢測限、 與水混溶、 抗吸附、 低成本等因素， 人工染色劑和食鹽在國外早期就常作為示蹤劑用于地下水連通試驗[16-17]。 近年來國外最常使用的示蹤劑有熒光素鈉(Uranine)、 曙紅(Eosin)、 羅丹明(Rhodamine) B和羅丹明MT， 熒光素鈉具有易溶于水、 廉價、 無毒、 吸附性很低、 很低的檢測限(10-3μg/L)和低背景值等優點， 缺點是在太陽光的照射下易分解[18]； 曙紅吸附性較低， 羅丹明B吸附性強， 羅丹明MT吸附性中等，這三者檢測限均為10-2μg/L[19]。目前，我國也普遍采用熒光素鈉和羅丹明B示蹤劑[10,20-22]。

1.2示蹤劑的監測

相對于示蹤劑的投放, 其回收過程極其重要,包括監測方法、 背景監測、 監測頻率、 監測持續時間等。 由監測取得的數據可繪制出示蹤劑的濃度與時間曲線, 即“穿透曲線”(breakthrough curve， BTC), 一般可以根據接收點的穿透曲線特征來推測地下水流的各種運移參數和地下巖溶結構特征。 楊立錚等[23]認為示蹤劑濃度隨時間的變化曲線形狀與地下河管道的結構有密切關系；劉樹林等[24]利用熒光素鈉穿透曲線，結合定量計算方法分析了地下河管道幾何特征。 當然, 不可靠的監測數據,也會導致穿透曲線的失真和錯誤的解釋。

1.2.1監測方法對于不溶于水的示蹤物或染色示蹤劑,可用肉眼觀察描述地下河的水力聯系,然而肉眼觀察不能取得可靠的定量數據。為了提高數據質量,常采用人工取樣監測或現場自動監測技術來監測溶解性示蹤劑濃度隨時間的變化。這兩種方法各具特點：人工取樣監測存在取樣頻率、樣品保存或運輸問題,也難以實時作出判斷,對于可反應的示蹤劑難以保證數據質量；而自動實時監測是通過調整頻率、自動獲得大量數據的實時監測技術,不同儀器其自動獲取數據時間、精度也有所不同,比如型號為GGUN-FL的野外熒光光度計,其獲得數據的最小時間間隔為5 min,可以捕捉到熒光素鈉和羅丹明B的濃度、濁度、電導率和溫度的細微變化。自動監測技術對人工成本要求不高,尤其是監測持續時間很長時,可以節省大量的現場工作成本[5, 10, 20-22]。

1.2.2背景濃度監測通常,示蹤劑背景濃度在實踐中常常被處理成一個平均值,然后在數據處理中被扣除。Field[25]認為，合理而精確的數據處理依賴于背景值的監測,并提出了最大似然估計(maximum likelihood estimate)等方法來處理穿透曲線左邊的異常數據,求得平均背景濃度。

1.2.3監測頻率如果是人工取樣監測,要求提高監測頻率意味著增加成本,但對于自動監測則是容易實現的。由于巖溶地下河中的水流多為紊流,示蹤劑的濃度有時呈現脈沖特征,或受到短時的其他因素影響而出現波動。比如,濁度的提高可能伴隨著可吸附示蹤劑的濃度提高[26];生物降解作用會導致可反應示蹤劑的濃度降低。因此,為獲得可靠的數據,應盡量考慮自動監測技術,監測時間間隔不宜太長,一般10～15 min較為合適,便于捕捉人工取樣不能發現的一些信息。

1.2.4監測持續時間流速快是巖溶地下河最常見的特征之一， 不少示蹤試驗歷時長達十幾天, 短則數天, 由此也造成了“巖溶地下河中的投放物(污染物)很快會被沖走”的認識。 然而在枯水期,由于流速慢以及溶潭的存在,示蹤劑的滯留期可持續到40～50 d[26]。該衰減過程的持續監測對計算回收率、進一步參數計算來說都是必要的。

2數據解釋

示蹤試驗接收點的監測數據,可用來繪制穿透曲線(BTC),并運用時間矩方法進行一些定量解釋。首要的就是示蹤劑的回收質量計算,進一步的分析包括地下河系統類型、水力參數和管道結構參數的計算與評價。

2.1回收質量

通過在巖溶管道入口處投放示蹤劑,在異地接收,來判斷投放點與接收點是否連通,并計算示蹤劑回收質量(mass of recovery)。接收點示蹤劑回收質量通常采用下式計算[3,19]：

(1)

式中， C—示蹤劑濃度; Q—地下水出口流量; t—樣品數據采集時間; M0—示蹤劑回收質量。

式(1)與BTC零階矩是一致的,表明從接收點流出的示蹤劑總量。根據投放點和接收點示蹤劑的回收質量,并結合投放點流量與接收點流量的關系,可以建立5種管道聯接類型[3,19],如圖1所示：第1種是最為簡單的管道類型,投放點與接收點的流量和示蹤劑質量相等,回收率100%;第2種由于示蹤劑被稀釋,會導致示蹤劑濃度降低(若低于檢測限會引起回收率降低);第3種由于示蹤劑流失,會導致示蹤劑回收率降低和總量不守恒;第4種是更復雜的管道類型,接收點流量與投放點流量相比,或大或小或可能相等,但是示蹤劑質量明顯流失,回收率下降;第5種類型表明管道不連通,示蹤劑接收率為0。

2.2水力參數

在示蹤試驗成果中,除了可以確定示蹤劑回收質量外,還可以確定示蹤劑在含水層中的滯留時間、遷移速度、彌散系數等水力參數。

1)平均滯留時間。根據接收點示蹤劑BTC,可以直觀地判斷示蹤劑在接收點的初見時間(即示蹤劑暈體前緣到達時間)和峰值時間(即示蹤劑峰值濃度出現的時間),還可以計算示蹤劑暈體平均滯留時間(mean resident time)。對于平均滯留時間,國內示蹤試驗成果很少計算,它有按50%回收率出現時間和BTC質心到達時間兩種確定方法,其值通常比峰值時間大(圖2)。Vojtechovska等[27]研究表明,用BTC質心到達的時間來表示示蹤劑平均滯留時間更為合理,能夠比初見時間和峰值時間更準確地反映管道體積。對于瞬間或短時間內投注試驗,BTC質心到達的時間可用下式計算：

(2)

圖1　巖溶管道中示蹤劑遷移的5種簡單管網類型(據文獻[3]修改)Fig.1　Five simple karst network types describing tracer migration in karst conduits q—投放點處流量； mi—投注示蹤劑質量； Q—接收點流量； TT—接收到的示蹤劑質量

圖2　示蹤劑穿透曲線中的不同時間定義 (據文獻[27]修改)Fig.2　Definition of various times used for a breakthrough curve

式(2)在形式上與BTC一階標準化矩是一致的, 表示示蹤劑在地下河中滯留的平均時間,或者說是BTC質心到達接收點的時間。

2)平均遷移速度。示蹤劑遷移速度通常有最大遷移速度和平均遷移速度之分,是最常見的水力參數。對前者,常指遷移距離與初見時間之比。但對于后者,國內常用遷移距離與峰值時間之比來估算[20,22, 28-29],而國外通常用遷移距離與平均滯留時間(BTC質心到達時間)之比來估算[3,19, 27]：

(3)

3)縱向彌散系數。 彌散系數是一個很難估計的水力參數,這與復雜多變的管道流態和幾何形態有關。 對于投注持續時間小于平均滯留時間的情況, 可運用時間矩方法并結合一維對流彌散方程, 根據下式計算縱向彌散系數[19, 30-31]

(4)

式中： DL—縱向彌散系數； t0—投注持續時間； σt—BTC二階標準化矩,也是BTC方差,其他符號同前。

2.3管道幾何參數

根據示蹤劑的BTC,還可以估測管道體積、過水斷面面積、過水斷面等效直徑等幾何參數。

1)管道體積。地下河管道體積的計算,是示蹤試驗常見成果之一。不同流量條件下計算的體積是不同的,估測的管道體積也是示蹤劑暈體掃描過的最大體積,可用下式求出

(5)

式中： V—示蹤劑掃描的管道體積, 其他符號同前。

需要說明的是,國內研究者常采用峰值時間作為式(5)的積分上限[15, 28],而國外學者認為采用平均滯留時間計算的結果更合理[27]。

2)過水斷面面積,過水斷面等效內徑和水深。在式(5)基礎上,可進一步估測出管道過水斷面面積和等效內徑,如下式:

A=V/xs；

(6)

(7)

在此基礎上, 可以合理估算出過水斷面的水深, 即

DH=A/DC，

(8)

式中： A—示蹤劑掃描的過水斷面面積； Dc—相應于面積A的等效直徑； DH—水深,其他符號同前。

3結論與展望

巖溶地下河是地下水賦存與運動的最為復雜的地下空間類型,示蹤試驗是相對容易且有效果的勘察技術手段,能夠為水資源調查和溶質運移提供定量的水力參數和管道結構特征。

人工示蹤劑熒光素鈉具備推廣應用的屬性,高密度、高精度的自動監測技術是獲取高質量數據的重要途徑。對示蹤試驗BTC定量分析,可合理獲取回收質量、平均滯留時間、平均遷移速度、彌散系數、管道體積、過水斷面面積及其等效直徑等參數。

目前國內的示蹤試驗成果多側重于地下河管道連通與類型的判別上,研究內容較為單一。隨著高精度在線監測儀器和定量示蹤技術推廣應用,進行示蹤技術創新和引進、消化國外已有先進示蹤方法技術,對進一步提高我國水文地質的研究水平具有重要的意義,在今后巖溶地下河生態脆弱性評價、污染物運移與歸宿研究方面,定量示蹤研究也將具有非常重要的推廣應用前景。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0242-05

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.007

收稿日期：2015-11-25

基金項目：國家自然科學基金項目(41172229);廣西重點實驗室研究基金項目(桂科能1401Z003)；廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室項目

作者簡介：程亞平(1978—),男,博士研究生,講師,研究方向：地下水污染治理與修復，chengyaping@glut.edu.cn。

通訊作者：陳余道,教授,博士,cyd0056@vip.sina.com。

中圖分類號：P641.7;P641.134

文獻標志碼：A

Review of quantitative tracing studies on karst underground river

CHENG Ya-ping,CHEN Yu-dao

(a.College of Environmental Science and Engineering；b.Guangxi Scientific Experiment Center of Mining, Metallurgy and Environment,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

Abstract:Tracer test can be easily manipulated with features of low cost and higher accuracy. It can be widely applied in hydrogeological and engineering geological field for determination of karst conduit, groundwater distribution, leakage of dam and environmental contamination. In this paper, the quantitative trace technology for karst underground stream has been reviewed， including tracer selection，monitoring and data explanation. Present studies indicate that sodium fluorescein is the first candidate and it is the important foundation in automonitoring with high accuracy, high density and multi-index. Quantitative tracer test can provide parameters of groundwater flow field, hydrogeological structure, tracer retaining time, velocity of transport, dispersion coefficient and provide scientific information for estimation of karst underground stream vulnerability and solute transport.

Key words:underground river; karst region;quantitative tracing; breakthrough curve; hydraulic parameter;conduit structure

引文格式：程亞平，陳余道.巖溶地下河定量示蹤研究方法綜述[J].桂林理工大學學報，2016,36(2):242-246.