濁度對(duì)地下水示蹤試驗(yàn)的影響

項(xiàng)立磊， 萬(wàn)軍偉， 黃 琨， 程 烯， 任亞楠， 范玉龍

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

地下水示蹤試驗(yàn)是巖溶地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查的一種常用且有效的野外試驗(yàn)方法[1-2]。隨著示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)信息提取和分析方法的發(fā)展，示蹤試驗(yàn)的應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)連通試驗(yàn)僅用于證實(shí)示蹤劑投放點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的連通性，而是被廣泛應(yīng)用于分析巖溶泉域范圍、地下分水嶺位置、巖溶含水介質(zhì)特征以及確定地下水流速和彌散系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)[3-4]，成為研究巖溶水文循環(huán)過(guò)程、提取水文信息以及分析地下水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移特征的重要技術(shù)手段[5-6]。

可用于開(kāi)展地下水示蹤試驗(yàn)的示蹤劑種類很多，包括顆粒示蹤劑(如谷殼)、化學(xué)示蹤劑(如鉬酸銨)、人工放射性示蹤劑(如碘131)和熒光示蹤劑等。其中熒光示蹤劑具有投放量小、靈敏度高、易于監(jiān)測(cè)且對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是目前野外地下水示蹤試驗(yàn)最常用的示蹤劑[7]。熒光示蹤劑包括熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑三種，其中熒光素鈉、羅丹明溶液具有顯色性，當(dāng)兩者在水中濃度較高時(shí)，熒光素鈉溶液呈綠色，羅丹明溶液呈紅色。為了避免因試驗(yàn)投放的示蹤劑過(guò)量導(dǎo)致水體變色引發(fā)民眾恐慌，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)示蹤劑投放量時(shí)要保證接收點(diǎn)處地下水中示蹤劑的濃度低于顯色濃度且能被儀器所檢測(cè)，因此，示蹤劑濃度的監(jiān)測(cè)精度是決定試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及成功率的重要因素。

然而，已有研究發(fā)現(xiàn)：水的濁度會(huì)對(duì)示蹤劑濃度的監(jiān)測(cè)精度產(chǎn)生較大影響[8]。即使地下水中的示蹤劑的實(shí)際濃度不發(fā)生變化，當(dāng)濁度發(fā)生變化時(shí)，儀器檢測(cè)到的示蹤劑濃度也會(huì)發(fā)生改變。趙良杰等[9]提出當(dāng)濁度>25時(shí)，濁度與示蹤劑濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且濁度越大，對(duì)示蹤劑的影響越大；胡麗[10]則認(rèn)為羅丹明的背景值曲線表現(xiàn)出隨濁度正相關(guān)的規(guī)律。筆者在野外多個(gè)場(chǎng)地開(kāi)展的示蹤試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)類似的問(wèn)題：試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生強(qiáng)降雨后，地下水的濁度隨之驟增，之后隨著流量的衰減而逐漸減低，同時(shí)儀器檢測(cè)到的示蹤劑濃度表現(xiàn)出類似的響應(yīng)規(guī)律，其中羅丹明濃度受濁度的影響最為顯著。為此，本文利用多組野外地下水示蹤試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析試驗(yàn)過(guò)程中三種熒光示蹤劑濃度與水的濁度隨著時(shí)間變化的規(guī)律，揭示濁度對(duì)示蹤劑濃度的影響規(guī)律，為消除濁度對(duì)示蹤試驗(yàn)的干擾、修正示蹤劑濃度以及提高試驗(yàn)精度提供科學(xué)依據(jù)。

1 示蹤試驗(yàn)概況

本次研究選取湖北省宜昌市清江—漁洋河河間地塊的千漁洞暗河、洞灣暗河以及湖南省湘西州永順縣芙蓉河流域的蘭花洞暗河系統(tǒng)為研究對(duì)象，為查明各地下暗河系統(tǒng)的空間分布關(guān)系及含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，共設(shè)計(jì)開(kāi)展了3組野外地下水示蹤試驗(yàn)。選取的示蹤劑包括羅丹明、熒光增白劑以及熒光素鈉，監(jiān)測(cè)儀器采用GGUN-FL30野外熒光示蹤儀。該示蹤儀可以同時(shí)監(jiān)測(cè)水體中的3種示蹤劑濃度、濁度及溫度的變化情況，示蹤劑濃度的監(jiān)測(cè)精度為0.02×10-9。本次將野外熒光示蹤儀布置在地下暗河的出口，對(duì)3種示蹤劑的濃度及水的濁度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)。具體部署情況見(jiàn)表1及圖1、圖2。

表1 示蹤試驗(yàn)開(kāi)展情況一覽表Table 1 List of tracer test progress

圖1 清漁河間地塊示蹤試驗(yàn)部署圖Fig.1 Deployment map of tracer test in Qingyu River Block

圖2 蘭花洞流域示蹤試驗(yàn)部署圖Fig.2 Deployment map of tracer test in Lanhuadong basin

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 示蹤劑濃度—濁度歷時(shí)曲線對(duì)比分析

清漁河間地塊洞灣巖溶水系統(tǒng)地區(qū)投放了熒光素鈉及羅丹明2種示蹤劑，洞灣暗河出口地下水中的3種示蹤劑的濃度—濁度歷時(shí)曲線如圖3所示。此次示蹤試驗(yàn)并未投放熒光增白劑，由于熒光增白劑廣泛存在于生活廢水中，不同地區(qū)的天然背景值受人類活動(dòng)影響差異較大，其他2種試劑的天然背景值受人類活動(dòng)影響較小。試驗(yàn)前，對(duì)洞灣暗河出口地下水中的熒光素鈉、熒光增白劑及羅丹明的天然背景值進(jìn)行了多次監(jiān)測(cè)，其天然背景值分別為0.33×10-9、3.2×10-9及3.5×10-9。

圖3 洞灣巖溶水系統(tǒng)各示蹤劑濃度—濁度歷時(shí)曲線圖Fig.3 Diachronic curve of concentration-turbidity of tracer in Dongwan karst water system

由圖3可知,濁度的總體變化趨勢(shì)受降雨影響較大，基本隨降雨后流量的起伏而波動(dòng)。試驗(yàn)期內(nèi)共有三次降雨，其中強(qiáng)降雨發(fā)生在2017年9月18日，濁度隨流量迅速增大而升高，在6 h之內(nèi)增大至2倍，隨后逐漸緩慢下降。熒光素鈉的濃度于2017年9月12日因接收到上游所投放的示蹤劑后開(kāi)始上升，2 d后達(dá)到峰值，隨后呈持續(xù)下降趨勢(shì)，對(duì)9月18日強(qiáng)降雨過(guò)程并無(wú)反應(yīng)。熒光增白劑試驗(yàn)點(diǎn)位于居民生活區(qū)巖溶洼地處的落水洞，故其初測(cè)濃度值較高，隨后逐漸恢復(fù)至天然背景值。試驗(yàn)顯示，其對(duì)各種類型的次降雨過(guò)程并無(wú)顯著的反應(yīng)。作為同組對(duì)照試驗(yàn)，羅丹明濃度歷時(shí)曲線對(duì)濁度變化十分敏感，三次不同降雨條件下濃度均有響應(yīng)，與濁度變化呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，并在濁度突變時(shí)尤為明顯。例如，在2017年9月18日強(qiáng)降雨條件下，暗河出口濁度增大了1.37倍，與此同時(shí)羅丹明的濃度也發(fā)生突變，增大了0.8倍。

清漁河間地塊千漁洞巖溶水系統(tǒng)地區(qū)也投放了熒光素鈉及羅丹明2種示蹤劑。試驗(yàn)前，對(duì)千漁洞暗河出口地下水中的熒光素鈉、熒光增白劑及羅丹明的天然背景值進(jìn)行了多次監(jiān)測(cè)，其天然背景值分別為0.25×10-9、0.05×10-9及4.23×10-9。示蹤試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。總體來(lái)看，千漁洞暗河流量動(dòng)態(tài)變化較大，其濁度變化亦十分顯著。2017年8月24日—9月28日期間，千漁洞巖溶水系統(tǒng)經(jīng)歷了多場(chǎng)次降雨過(guò)程，濁度基本隨次降雨過(guò)程呈多次漲落變化。其中，熒光素鈉于8月24日投放之后，其濃度經(jīng)歷了從初測(cè)濃度值至天然背景值逐漸衰減的一個(gè)時(shí)間段，示蹤劑于8月31日到達(dá)接收點(diǎn)，10天后達(dá)到濃度峰值，隨后持續(xù)衰減至天然背景值，在此過(guò)程中熒光素鈉并未對(duì)9月7日、9月18日兩次強(qiáng)降雨過(guò)程有較為明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本次示蹤試驗(yàn)亦未投放熒光增白劑，熒光增白劑濃度整體在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，但監(jiān)測(cè)期間對(duì)兩次較為顯著的強(qiáng)降雨過(guò)程有微小的波動(dòng)響應(yīng)。羅丹明濃度歷時(shí)曲線總體受濁度波動(dòng)影響較大，在8月25日、8月28日、9月7日和9月18日等多個(gè)地下水濁度突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，羅丹明濃度均發(fā)生了明顯的變化。

圖4 千漁洞巖溶水系統(tǒng)各示蹤劑濃度—濁度歷時(shí)曲線圖Fig.4 Diachronic curve of concentration-turbidity of tracer in Qianyudong karst water system

芙蓉河流域蘭花洞巖溶水系統(tǒng)地區(qū)試驗(yàn)期間在兩個(gè)投放點(diǎn)分三次分別投放了熒光素鈉、羅丹明及熒光增白劑3種示蹤劑。試驗(yàn)前，對(duì)蘭花洞暗河出口地下水中的熒光素鈉、熒光增白劑及羅丹明的天然背景值進(jìn)行了多次監(jiān)測(cè)，其天然背景值分別為0.20×10-9、2.55×10-9及17.2×10-9。示蹤試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。試驗(yàn)期間共有兩次典型降雨，分別為2016年10月29日—31日的大雨以及2016年11月6日—7日的中雨。期間蘭花洞暗河出口地下水的濁度與暗河流量的變化密切相關(guān)，其總體趨勢(shì)為：監(jiān)測(cè)初期地下水的濁度處于持續(xù)上升階段，之后隨著流量的衰減呈階梯狀下降，在11月6日開(kāi)始的中型降雨后，地下水濁度又隨著暗河流量的增加而升高，之后迅速減小恢復(fù)至天然背景值。

圖5 蘭花洞巖溶水系統(tǒng)各示蹤劑濃度—濁度歷時(shí)曲線圖Fig.5 Diachronic curve of fluorescent brightener concentration-turbidity curve of Lanhuadong karst water system

由圖5可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)正常接收到熒光素鈉，其濃度歷時(shí)曲線為對(duì)稱的單峰曲線，并沒(méi)有隨著濁度的變化而發(fā)生改變，說(shuō)明熒光素鈉的監(jiān)測(cè)濃度基本不受濁度的影響；熒光增白劑濃度歷時(shí)曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值：第一個(gè)峰值表明少部分熒光增白劑到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，曲線形態(tài)整體緩增緩降，是單管道與地下溶潭串聯(lián)的結(jié)果；第二個(gè)單峰表明因在11月6日的中雨影響下前期積滯在地下溶潭內(nèi)的熒光增白劑被降雨迅速帶出，形成一近乎對(duì)稱的單峰曲線，總體來(lái)看熒光增白劑僅在幾個(gè)濁度突變處有輕微波動(dòng)；羅丹明濃度歷時(shí)曲線與濁度歷時(shí)曲線十分吻合，不僅整體變化趨勢(shì)相同，在濁度突變的多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)(11月9日、10日、12日、13日和20日)，羅丹明的濃度均發(fā)生了較大幅度的變化。

總體分析可知：3種示蹤劑的濃度歷時(shí)曲線對(duì)濁度表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特點(diǎn),其中熒光素鈉濃度對(duì)濁度的變化基本無(wú)響應(yīng)；熒光增白劑總體對(duì)濁度的變化無(wú)響應(yīng)僅在濃度突變處表現(xiàn)出微小的波動(dòng)；而羅丹明濃度對(duì)濁度的變化十分敏感。

2.2 濁度對(duì)示蹤劑濃度影響的定量分析

由上述多組地下水示蹤試驗(yàn)結(jié)果得知，熒光增白劑及熒光素鈉濃度受到濁度的影響相對(duì)較小，而羅丹明濃度對(duì)地下水濁度變化十分敏感，基本隨濁度波動(dòng)而變化，尤其在濁度突變處羅丹明濃度的波動(dòng)劇烈。為明確濁度突變的幅度對(duì)羅丹明濃度產(chǎn)生的影響，選取上述多組示蹤試驗(yàn)中濁度突變處的數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處濁度及濃度的突變率C，進(jìn)行對(duì)比分析，突變率C按式(1)計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

(1)

表2 地下水濁度及羅丹明濃度突變率對(duì)比表Table 2 Comparison table of groundwater turbidity and rhodamine concentration mutation rate

在圖5中，羅丹明的第一個(gè)突變峰值，主要是受兩方面的影響而產(chǎn)生的疊加效果：一是羅丹明到達(dá)接收點(diǎn)，其濃度隨之升高；二是濁度的突變帶來(lái)羅丹明濃度的波動(dòng)。去除異常值，得圖6。

由表2、圖6分析可知：羅丹明濃度對(duì)濁度變化響應(yīng)十分敏感，地下水濁度突變率與羅丹明濃度突變率近似呈二次函數(shù)關(guān)系，線性擬合R2值為0.929 5，筆者認(rèn)為變量(地下水濁度的突變率)對(duì)被解釋變量(羅丹明濃度的突變率)有顯著影響，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖6 地下水濁度及羅丹明濃度突變率關(guān)系圖Fig.6 Relationship between groundwater turbidity and rhodamine concentration mutation rate

根據(jù)本文中多組地下水示蹤試驗(yàn)的多個(gè)濁度突變點(diǎn)羅丹明濃度的響應(yīng)規(guī)律來(lái)看，可得出以下幾個(gè)結(jié)論：①羅丹明濃度的突變率與地下水濁度的突變率近似呈開(kāi)口向下的二次函數(shù)關(guān)系；②當(dāng)?shù)叵滤疂岫韧蛔兟?1.7時(shí)，羅丹明濃度的突變率隨著地下水濁度的突變率增大而增大。

本次野外示蹤實(shí)驗(yàn)未獲得地下水濁度突變率≥1.7時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，待進(jìn)一步室內(nèi)試驗(yàn)后可得出。

2.3 濁度影響示蹤劑濃度的原因分析

野外熒光示蹤儀主要是利用熒光物質(zhì)在受到特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，會(huì)激發(fā)出比該波長(zhǎng)要長(zhǎng)、能量較照射光要弱的光(即熒光)，通過(guò)光檢測(cè)器來(lái)將熒光的強(qiáng)弱，轉(zhuǎn)換成可以檢測(cè)記錄的電壓信號(hào)，建立電壓信號(hào)與熒光強(qiáng)度或物質(zhì)濃度的線性或非線性關(guān)系(即校正，或替代指標(biāo))。熒光示蹤儀利用不同類型的熒光物質(zhì)對(duì)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)光的吸收具有選擇性這一特點(diǎn)，采用光學(xué)濾波裝置產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的光束，通過(guò)待測(cè)溶液后進(jìn)入接收器，根據(jù)所測(cè)得的示蹤劑濃度與熒光強(qiáng)度成反比的規(guī)律來(lái)計(jì)算得到示蹤劑的濃度。本次試驗(yàn)選用的3種示蹤劑分子式分別為：熒光素鈉C20H10Na2O5、熒光增白劑C40H40N12Na4O16S4和羅丹明C28H31ClN2O3。

趙良杰等[9]提出巖溶區(qū)地下河濁度主要來(lái)源于兩種懸浮顆粒物,即地表的土壤、大氣粉塵等隨地表徑流進(jìn)入地下河和沉積于巖溶管道內(nèi)部的物質(zhì)；趙陽(yáng)等[11]通過(guò)多組室內(nèi)試驗(yàn)得出，土壤中具有較高的有機(jī)物含量，而土壤有機(jī)碳含量及疏水性有機(jī)化合物含量能夠增加土壤對(duì)有機(jī)化合物材料的吸附程度；Site et al.[12]研究表明,在影響材料吸附能力強(qiáng)弱的影響因子,如粒徑分布、比表面積、陽(yáng)離子交換量、pH、有機(jī)碳含量和礦物學(xué)組分中,吸附能力強(qiáng)弱與材料中的有機(jī)碳含量緊密相關(guān),與其它影響因子關(guān)系不大。此外,Kasnavia et al.[13]研究認(rèn)為相比熒光增白劑和熒光素鈉分子僅有一個(gè)帶負(fù)電的官能團(tuán),羅丹明分子卻同時(shí)具有一個(gè)帶正電荷和負(fù)電荷的官能團(tuán),此大幅度增加了懸浮顆粒對(duì)羅丹明的吸附能力；當(dāng)水體中濁度增大時(shí)，即水體中懸浮顆粒物增多，羅丹明被吸附的量會(huì)增加，從而水體中羅丹明的熒光強(qiáng)度則會(huì)降低，所以計(jì)算得出的示蹤劑濃度則會(huì)增大。

3 結(jié)論及展望

本次研究通過(guò)對(duì)巖溶地區(qū)多個(gè)地下暗河系統(tǒng)的示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 熒光素鈉濃度對(duì)濁度變化基本無(wú)響應(yīng)，熒光增白劑濃度僅在濁度突變處有細(xì)微波動(dòng)，而羅丹明濃度對(duì)濁度變化較為敏感。

(2) 通過(guò)計(jì)算相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處濁度及濃度的突變率C，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：①羅丹明濃度的突變率與濁度的突變率近似呈二次函數(shù)關(guān)系；②當(dāng)濁度突變率<1.7時(shí)，羅丹明濃度的突變率隨著濁度突變率的增大而增大。

本文分析了巖溶地區(qū)地下水濁度對(duì)示蹤劑濃度的影響，且定量分析了地下水濁度對(duì)羅丹明濃度的影響規(guī)律，為野外地下水示蹤試驗(yàn)的結(jié)果分析提供了一定參考。

鑒于地下水示蹤試驗(yàn)是巖溶地區(qū)識(shí)別巖溶水系統(tǒng)含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的一種重要技術(shù)手段，示蹤劑濃度歷時(shí)曲線對(duì)于含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的分析具有極大的參考價(jià)值，因此在巖溶地區(qū)開(kāi)展野外地下水示蹤試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)野外實(shí)際情況，考慮水體中濁度變化選取最合適的示蹤劑。此外，程烯等[14]、王鵬等[15]在熒光示蹤劑的室內(nèi)干擾試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：熒光素鈉作為示蹤劑時(shí)易對(duì)羅丹明及熒光增白劑的檢測(cè)濃度產(chǎn)生干擾，這是因?yàn)槠浒l(fā)射光譜之間存在重疊，而熒光增白劑與羅丹明之間不會(huì)產(chǎn)生相互干擾,為良好的多元示蹤劑。基于此研究成果，后續(xù)將充分考慮各示蹤劑之間的相互干擾情況，進(jìn)一步進(jìn)行室內(nèi)濁度控制實(shí)驗(yàn)，以更加準(zhǔn)確地定量分析地下水濁度的變化對(duì)示蹤劑濃度的影響，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展利用示蹤劑濃度歷時(shí)曲線分析研究含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的誤差及其校正方法。