巖溶地區水文地質勘察中人工示蹤技術的應用

孫繼平

（大慶油田水務公司水務研究設計院，黑龍江大慶163000）

巖溶介質的結構，跟賦存在其中的地下水在運動上較為復雜，這些也是造成國際水文地質研究中巖溶水文地質研究熱點的重要原因之一。中國的巖溶分布較為廣泛，同時巖溶水也是重要的水源，在溶巖地區很多地質問題都和干旱、水污染、巖溶塌陷這些有關聯。在城市的發展中有些人使用地下落洞進行偷排污水或者在低洼的地方堆積垃圾，這些問題共同造成嚴重的地下水源污染，威脅飲水安全。同時因為溶巖水這個系統十分脆弱以及勘探技術的落后，這些問題都造成溶巖水資源在管理和監管上存在不足。

1 示蹤實驗原理

溶巖地區的這一實驗是使用人工示蹤劑投放，使用這樣的方法來判斷地下水的方向和來源。經常使用的示蹤劑有熒光素、漂浮物以及鹽類。使用可溶性示蹤劑的時候，示蹤劑會隨著水流方向的不同發生彌散，可以在投放點下游接受示蹤劑，也可以通過顏色的變化以及濃度的變化來判斷水流方向和來源的不同。

示蹤測試分為定量、半定量以及達到時間、定性。在這些方法中定量分析是對示蹤劑濃度以及流量這些進行分析，對穿透曲線進行獲取，計算出的回收率對地下水的流速以及溶質的運移參數甚至是介質參數有一定的參考依據，同時也可以建立起示蹤劑的運移模型。在理想狀態下，假設內壁無摩擦影響紊流均勻，同時也不會發生吸附解析，溶巖的運移也是符合空隙介質一維對流彌散方程。但是我們也要認識到很多情況下這種情況是不存在的。

2 示蹤技術在中國的使用

2.1 使用歷程和領域

全世界溶巖的分布在我國分布最為廣泛，在徐霞客的游記中也有很多關于巖溶的景觀跟現象并做出了相關的解釋。除了這些之外，到新中國成立前期這些關于巖溶的探討也只是零星的記載。在建國之后水利建設大規模興起不斷推進巖溶水文的工程研究。1961年在南寧組織的全國首次巖溶大會，在會中提出使用食鹽來計算地下水的流速在巖溶地區測試，這一方法更早的使用也要追溯到三峽工程勘察的過程中。在這些事件之后人工示蹤這樣的技術才算受到廣泛的認識，于此同時國外的這些技術開展的更早，同時技術能力更加成熟。

人工示蹤這一技術在國外的巖溶水文調查中得到廣泛的使用，例如，在美國的科研人員進行猛犸洞這個區域的研究時，為了弄清楚垃圾填埋場有可能對猛犸洞造成的影響，便在300km的范圍中進行了一共有650多次的示蹤調查，通過這樣的方法來確定水流的具體方向。這個檢測在歐洲和美國都有著強烈的代表性。同時德國的科學家在T racing Technique in Geohydrology這本書中對于歐洲的示蹤測試也進行全方位的歷史敘述，以及具體的操作技術和原理、示蹤劑相對的化學性質，同時也包括一些測試中的一些數據加工方式，它可以看作是一部詳細論述示蹤測試的專著。其中一位美國的教授也在這項技術中做出了巨大的貢獻，他的主要貢獻在于編寫關于處理示蹤測試的軟件，同時也提出了新的模擬方法和示蹤測試結果解釋。在國際上示蹤技術通過長足的發展已經成為巖溶地質水文勘探中的常規手法，它在中國的使用有著巨大的潛力，同時我們也要看到在普及上也存在很大的問題。

中國的巖溶地質研究所是在1990年之后有過派遣一些人才到格拉茨學校接受示蹤技術的有關培訓。經過多年的發展學習于2007年通過霍夫曼研究所資助，在中國的西南師范大學建立熒光素類示蹤劑檢測實驗室，同時引進國外先進的自動化程度很高的示蹤劑野外監測儀器，這些儀器使示蹤檢測的效率在很大程度上得到了提高。在使用上是由國外的專家專門對從事巖溶地質調查的人員進行培訓，這些都極大地推動了這項技術在中國的使用范圍和進度。

其中除了和國際的接軌之外，我國國內也在進行示蹤測試，通過兩者的綜合使用解決了很多現實中的問題，同時對于學術上的探討和總結卻較少，依據實驗的目的可以對實驗進行分類（見表1）。

表1 國內人工示蹤技術使用范圍

2.2 巖溶含水層中的示蹤試驗進度

示蹤試驗在效果上通常因為巖溶中的含水系統不同而不同。在巖溶的水賦存較為均勻的時候，通常作為含水層，通常這些都分布在地形平坦的平原以及盆地。在巖溶水通過巖溶管道進行輸送時候也會形成地下河。使用鉆孔涌水量以及抽水降落漏斗這樣的形態來對非均質性以及巖溶水分布進行區分。通常在范圍之內降落漏斗形態根源接近或者鉆孔涌水量差異小的時候可以認為巖溶水在分布上十分均勻，相反則不均勻，在一些極其不均勻的地下河中示蹤試驗效果較好，在均勻含水層中的實驗并不多。在桂林盆地進行示蹤試驗的時候發現導水性跟富水性相對均勻的一些巖溶含水層中，溶質運移卻是較強的非均質性。在含水層進行示蹤試驗的過程中通常要進行幾個月，至少也要一個月，地下水流速也在100m/d這個范圍之內。在濟南的示蹤調查中也有20多個流速結果，平均值跟標準差為188m/d±101m/d。相對均勻的巖溶介質中試驗容易受到稀釋影響，造成效果不理想，同時在小范圍跟短距離中情況也較為明顯，在地下河中較高。

桂林丫吉試驗場中進行試驗也被用來說明對山區地下水進到溶巖盆地時不同的徑流和交匯帶流場情況，在整個實驗中其難點跟重點是解決投放位置的問題（見圖1）。同時山區地下水很多都是經過巖溶排泄，這時也會形成地表水之后匯入盆地水系中，還有一些可以進入盆地巖溶的含水層，要謹慎研究的正是這個部分。在仔細的比對之后發現，枯水季泉水會低于地表，有時流出一定距離之后在某個位置滲出。我們選擇在這個情況下對泉口的溶洞投放示蹤劑，便可以保證流入地下而不是進入河流，同時也不會發生靜止的情況。示蹤劑在接受的時候要盡可能的廣泛一點，在河流溶洞等也可以在3km外。

在經過枯水季的采樣后，接受點的示蹤濃度恢復到低值。結果也可以說明，盆地地下水流向為西南，同時交匯處向西流，這些也可以說明山區中的地下水為平原補給的時候影響到盆地的匯流。

2.3 示蹤試驗對成庫的條件以及滲漏方向上的使用

圖1 丫吉試驗場的地下水流向

巖溶成庫條件的勘探以及水庫滲漏處理勘探是示蹤試驗中的傳統領域。我國的很對水利工程都已經修建完成，現在可以有成庫條件的已經很少了，因此在這個領域之內的使用已經很少了。但是較老的水庫仍然受到滲漏問題的困擾，有的需要重新筑壩，為此還有進行水文調查。跟水庫相關的使用主要應用在水文地質勘探中，示蹤技術主要是在流域的水文地質調查中使用，示蹤技術主要是在確定流域邊界，查找滲漏點和方式上使用較多。例如在壩肩、繞壩等的滲漏等，還在蓄水之后的下游或者相關領域滲漏的可能。在進行示蹤試驗的時候要讓人們盡量地掌握好現有的結論，使用鉆孔投放跟接受。受到任務的影響也可以使用多種方法同時進行。

2.4 在示蹤試驗中關于1∶5萬水文地質普查

在西南巖溶地區進行國土資源調查，在西部開發形式下要確認地下河的來龍去脈，在水資源的利用上以及石漠化、水資源的污染等這些的影響進行總結跟評價。同時地質分析也是重要的調查手段，分析含水層和地質的關系。在新的地質調查中也可以使用示蹤試驗搜集更多的實證，描述地下水跟點之間的關系。現在的示蹤發使用上大多沒有實際發展。限制發展的重要原因是水文調查在規范上沒有新技術和新方法，示蹤試驗沒有形成必須的要求，往往使用地面繪測作為主要方法，這些問題制約了調查的質量。

人工示蹤這一技術在驗證地下河走向上十分準確，在中國的西南十分適合。在這些地方地下河有落水洞和天窗以及伏流相互之間聯通，這些都為示蹤劑的投放提供良好的條件。在具體的操作上也要注意幾個問題，地下河的入口出口或者天窗等都不是唯一的，我們要反復多次的實驗才可能清楚。同時這些工作的公益性較強，沒有社會資金進行投入，這些問題也需要國家地質普查的專項資金完成，這些工作對于巖溶的開發和使用都十分有利。

3 小結

現在在巖溶區的水資源保護上還要有細節處理，巖溶地區進行公路和其他基礎工程也越來越多，在進行大規模的水文勘探中，示蹤試驗也在持續發展。新的技術在發展中對于提高示蹤實驗的效率準確都有很大的幫助，因此總結共識建立操作準則不斷推動示蹤技術的使用。