淺談示蹤試驗背景下的巖溶管道及水力參數定量

廖柳芬

（廣西地質調查院 廣西南寧 530007）

淺談示蹤試驗背景下的巖溶管道及水力參數定量

廖柳芬

（廣西地質調查院 廣西南寧 530007）

目前，在水文地質試驗中，示蹤試驗已成為一種重要的探測試驗，該試驗不僅可以探測地下水流速與探明地下水的水力聯系的同時，還可以根據巖溶地區地下水流速的特點，制定出對流稀釋作用的相關數學模型。通過溶質濃度、溶質濃度等正相關的聯系，可正確的計算出示蹤試驗投源井的天然徑流量的同時，計算出地下水中示蹤劑的濃度背景。本文主要對示蹤劑穿透曲線（BTC）與Qtrac-er2計算模型相結合并進行定量分析，從而得出巖溶管道及水力參數定量，根據試驗表明，九子海洼地一帶存在著一定的水力聯系，并且還有存在著其他巖溶通道，由此可見，該區域的地下水呈緩速紊流狀態。

示蹤試驗；背景下；巖溶管道；水力參數；定量

在巖溶區域，決定巖溶水文地質系統功能的基本要素主要是巖溶含水介質，而示蹤試驗著是一種水文地質試驗探測技術和方法，對巖溶水資源勘探中具有非常重要的意義。近年來，探測人員常常將示蹤試驗應用到地下水的流速、流向、補給源以及排泄源等判定中，但在巖溶含水介質結構特征、參數等方面的探測，與國外相比，仍然存在著一定的差異。本文主要以九子海洼地區域示蹤試驗為例，對巖溶管道結構與水力學等參數進行探究，從而計算出巖溶管道結構參數與水力學參數，建立巖溶水動力學模型，這對地下水資源開發具有良好的借鑒意義。

1 試驗區域概況

試驗區位于四川盆地的東北部位置，距離縣城21km，最高點是東側的巴忙牛山峰，海拔為3678.5m，屬于普子向斜軸部，斜貫穿在整個試驗區域中（如圖1所示）。該區域主要分為三疊系地層的高平原，以碳酸鹽巖為主，厚度在1087～1689m之間；試驗區域的地形主要為南西高與北東低的形勢，其中九子海主要為斷塊復向斜經溶蝕形成的盆地，集水面積大約在80km2，海洼地寬2.8km，長6.7km，海拔在2900m左右，以落水洞與發育漏斗為主，天使該區域還是非常重要的巖溶水補給區。同時，試驗區域分布在三迭系碳酸鹽巖，其中含水層的周圍包圍著弱含水巖層，南側與西側是湖積物、第四系沖積、鈣質礫巖以及第三系麗江組砂巖；而東側與北側主要是二迭系玄武巖。試驗區域的水文地質圖如圖1所示。

圖1 試驗區域的水文地質示意圖

2 試驗設計

為了更好的證明九子海洼地和南部泉點這兩者之間有沒有存在水力聯系，主要采用示蹤試驗來分析巖溶地下水流的特點，從而對巖溶通道位置與結構等進行推測，2014年7月開始對九子海洼地區域進行地下水示蹤試驗[1]。其試驗結果為開發利用巖溶地下水資源與工程建設等提供有效的水文地質參考依據。由于考慮到對地下水的污染與試驗區示蹤元素的環境背景值、化學性質的穩定性等原因，主要選擇碘化鉀來作為示蹤劑，將碘化鉀400kg和水混溶后，將其倒入九子海巖溶洼地內的L1落水洞中，在投樣后，繼續向落水洞L1內注水12h左右，從而有效的驅動示蹤劑更好的進入地下水體。隨后將下游甘澤泉選擇為示蹤劑的接收點Q1。在試劑投放之后，要定時對監測點進行取樣并分析，同時利用碘-淀粉光度法對樣品中的碘離子含量進行檢測，試驗時間為460h，總共獲得了監測數據87組，在甘澤泉流量穩定之后，采用量水堰測流法對流量進行檢測，通過檢測得出流量為32L/s。

3 試驗結果與討論

3.1 試驗結果

根據以上試驗表明，接收點水樣檢測的結果如圖2所示，根據圖2顯示，在投放試劑的224h后，初次在收點水樣處檢測到示蹤劑，在276h時示蹤劑的濃度到達最高峰，峰值的濃度高達140μg/L。在投放試劑的290h后，示蹤劑濃度又下降到本底值，隨后的時間內，示蹤劑濃度一直保持在本底值水平，其中持續時間在83h左右。同時，根據接收點泉流量的相關數據顯示，計算出的示蹤劑回收量為214.26g與回收率為0.54%。

圖2 接收點碘化鉀穿透曲線（BTC）

3.2 結果分析

主要采用美國環境保護局開發的Qtracer2進行計算，該方法主要應用在巖溶管道示蹤實驗的定量計算的一種模型[2]。根據在示蹤試驗中獲得的濃度BTC曲線，從而對巖溶管道幾何參數與水力參數進行定量計算，得出的結果可用于溶質運移模型、風險評估等研究中，其中參數的定量分析如下所述：

示蹤劑回收質量計算公式：

在（1）式中，M0主要代表示蹤劑回收質量；而示蹤劑濃度主要以C（t）表示；監測點流量則用Q（t）表示；監測時間用t表示。

3.3 地下水流場與地下河管道的特點分析

3.3.1 地下水流場

試驗區的地下水流場的示蹤劑穿透曲線BTC，屬于單峰型，沒有拖尾情況，峰值為陡升、陡降，這就表明九子海洼地和甘澤泉兩者之間存在著一定的水力聯系，并沒有地下溶潭發育等情況。其中示蹤劑回收率比較低，這就表明尚且存在著其他的巖溶通道分走了部分水流，或者示蹤劑的運移路徑比較長，而含水質中的泥土、膠體、浮游生物等對示蹤劑具有吸附作用，從而使得示蹤劑滯留在含水介質中，因此回收率較低。

初見示蹤劑的時間為224h、峰值時間為276h，由于考慮到修正后的遷移距離為20.2km，通過初步計算，地下水的最大流速為90.53m/h，平均流速為76.83m/h。

3.3.2 地下河管道

地下河管道的規模是決定含水層的排泄能力與儲水量的關鍵，在巖溶水資源管理中，管道幾何參數起著非常重要的作用。由于地下河水的流態為紊流，在水體中示蹤劑的縱向彌散時間是比較短的，所以可以認為在含水層的相同橫截面中，示蹤劑的運移質量的濃度均是一致的，顧采用以下公式計算巖溶管道的儲水體積：

式中：（2）式與（1）式中的意義相一致，為更好的計算出其儲水直徑，可以依照巖溶管道型地下河的特點，把巖溶管道概括為一個圓柱形狀，依照儲水體積對巖溶管道的過濕橫截面積進行計算：

式中：（3）式中濕橫截面積為A；地下河的實際長度為Xs。

3.4 地下水過水通道結構與水力參數

示蹤劑BTC曲線不僅可以對地下水連通性與溶質運移規律進行驗證，還可以反映出地下水流與地下水過水通道結構的特點。隨后通過Qtracer2模型對得到的結果采用定量分析，從而獲取相關的地下水過水通道結構參數、水力參數等。其中九子海洼地的一帶巖溶過水管道體積為3.66萬m3，平均直徑為1.83m，表面積為3.66×104m2，而示蹤劑滯留時間為276h，修正后的遷移距離為20.2km。其中含水層水文地質參數是建立水質預測模型與確定地下水運移規律等重要要素。利用示蹤劑BTC曲線進行定量分析后，可以獲得巖溶地下水的水力參數，經計算，九子海洼地一帶的地下水縱向彌散系數與縱向彌散度分別為0.32m2/s、12.35m，而雷諾數和弗勞德數分別為26132、0.0068，由此可見，九子海洼地的一帶的地下水處于緩速紊流狀態。

4 結束語

綜上所述，該試驗有效的證明了九子海洼地一帶具有水力連通的聯系，通過示蹤劑穿透曲線可以看出，地下水徑流通道中沒有比較大的溶潭發育，示蹤劑的回收率比較低，表明地下水徑流中具有其他其他徑流分走了部分水流。隨后利用示蹤劑BTC曲線進行定量分析，從而獲得了九子海洼地一帶巖溶過水管道體積為3.66萬m3，平均直徑為1.83m，表面積為3.66×104m2，地下水縱向彌散系數與縱向彌散度分別為0.32m2/s、12.35m，而雷諾數和弗勞德數分別為26132、0.0068。且九子海洼地一帶的地下水處于緩速紊流狀態。

[1]楊平恒，袁道先，藍家程，陳雪彬，張笑微.基于在線高分辨率監測和定量計算的巖溶地下水示蹤試驗[J].西南大學學報（自然科學版），2013，02：103～108.

[2]劉樹林，范澤英，楊平恒，盧丙清，黃山松，張 宇，陳雪彬.基于在線高分辨率示蹤試驗的巖溶地下河管道特征分析——以重慶市彭水縣巖窩坨至紙廠泉段地下河為例[J].西南大學學報（自然科學版），2015，10：125～130.

P641.134

A

1004-7344（2016）04-0203-02

2016-1-15

廖柳芬（1985-），女，助理工程師，本科，主要從事巖溶區水文地質調查工作。