基于示蹤試驗的地下巖溶管道發(fā)育特征分析

摘要：我國西南地區(qū)巖溶發(fā)育，巖溶管道錯綜復雜，給巖溶區(qū)水資源勘探及地下工程建設(shè)帶來諸多難題，致使工程建設(shè)難度極大、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，甚至造成巨大人員及財產(chǎn)損失。因此，巖溶管道結(jié)構(gòu)特征的探究就顯得尤為重要。本文利用示蹤試驗，分析西南地區(qū)某巖溶發(fā)育區(qū)巖溶管道結(jié)構(gòu)特征。研究表明，濃度-時間曲線波峰個數(shù)對應(yīng)巖溶管道條數(shù)；根據(jù)峰的形態(tài)，可以確定管道中有無地下湖，并確定地下湖位置。研究結(jié)果可為地下水資源保護提供參考，提高地下工程安全性。

關(guān)鍵詞：巖溶；結(jié)構(gòu)特征；示蹤試驗

中圖分類號：P642.25 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）04-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.04.009

Analysis on the Development Characteristics of Underground Karst Pipelines Based on Tracer Experiment

AO Qianyong， CHANG Yating

（104 Geological Brigade， Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province， Duyun 558000， China）

Abstract： The development of karst in Southwestern China and the complexity of karst pipelines have brought many difficulties to the exploration of water resources and underground engineering construction in karst areas， resulting in great difficulty in engineering construction， frequent geological disasters， and even huge losses of personnel and property. Therefore， it is particularly important to explore the structural characteristics of karst pipelines. This paper uses tracer experiments to analyze the structural characteristics of karst pipelines in a certain karst development area in Southwestern China. Research has shown that the number of peaks in the concentration-time curve corresponds to the number of karst pipelines; according to the shape of the peaks， it can be determined whether there is a underground lake in the pipeline， and determined the location of the underground lake. The research results can provide reference for the protection of groundwater resources and improve the safety of underground engineering.

Keywords： karst; structural characteristics; tracer experiment

我國西南地區(qū)巖溶地貌分布廣泛，常見的有溶洞、地下暗河、落水洞等。地下暗河是地表以下的河流，地下暗河發(fā)育的地區(qū)一般儲存豐富的地下水資源[1]。巖溶地貌的發(fā)育帶來豐富地下水資源，同時引發(fā)不少地質(zhì)災(zāi)害，給人類帶來巨大損失。常見的巖溶管道結(jié)構(gòu)特征研究方法有3種，即地球物理探測、數(shù)值模擬以及示蹤試驗[2-4]。示蹤試驗通過濃度-時間曲線的變化強度及變化趨勢，可以較為清楚地反映巖溶管道的結(jié)構(gòu)特征，它通過研究接收點水樣濃度與時間的關(guān)系曲線，分析投放點與接收點的連通性及巖溶管道的結(jié)構(gòu)特征[5]。本文以西南地區(qū)某巖溶發(fā)育區(qū)為例，利用示蹤試驗研究該區(qū)域巖溶管道結(jié)構(gòu)特征，從而推進地下水資源保護，提高地下工程安全性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)。研究區(qū)位于山江背斜西北翼，中心距離背斜核部約1.8 km。區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條近垂直的正斷層，走向近南北向、東西向。研究區(qū)出露地層主要為石炭系灰?guī)r，碳酸鹽巖廣泛分布，溶洞、落水洞、溶潭等現(xiàn)象發(fā)育。

2 示蹤試驗

2.1 基本原理

示蹤試驗主要是為了獲取濃度-時間曲線，它除了說明投放點與接收點是連通的以外，還能根據(jù)曲線波峰波谷變化來確定地下水通道的展布特征。地下水運移與地下水流速有關(guān)，地下水流速高，溶質(zhì)以對流為主，流速低則以分子擴散為主[6]。研究區(qū)地下水運移以巖溶管道流為主，徑流方式屬于基巖裂隙+巖溶管道，設(shè)地下水是穩(wěn)定的一維流，溶質(zhì)沿著X軸正方向運移，示蹤劑運移的基本微分方程為

（1）

式中：C為示蹤劑濃度，mg/L；t為運移時間，s；x為示蹤劑運移距離，m；D為彌散系數(shù)，m2/d；V為水流平均速度，m/d；n為孔隙度（無量綱）；g為示蹤劑質(zhì)量，kg。

式（1）右邊有三項，第一項表示由彌散效應(yīng)引起的溶質(zhì)運動，第二項表示由液體的對流或者總的水流引起的運動，第三項表示由于化學作用而產(chǎn)生的溶質(zhì)消失和增加。本次示蹤劑選取食鹽，不存在因化學作用產(chǎn)生的溶質(zhì)消失和增加，因此第三項可以忽略，得到式（2）。

（2）

由式（2）可知，地下水溶質(zhì)濃度隨時間的變化與彌散系數(shù)和水流平均速度有關(guān)。理想狀態(tài)下，溶質(zhì)在地下水中呈一順水流方向拉長的橢圓形，在中心位置濃度最高，往兩邊逐漸降低。因此，觀測點的濃度變化曲線理論上為兩翼略對稱的單峰曲線（地下水為單一通道）。

2.2 示蹤劑與試驗場地選取

含水層中投放的示蹤劑要求無毒無害，不會破壞地下水系統(tǒng)，且溶解率高；化學性質(zhì)穩(wěn)定，不被其他物質(zhì)干擾；在地下水中背景值低，廉價。本次試驗選取的試劑為食鹽（氯化鈉，2 t），試劑投放點選取相對位置較高的T01（上游），接收點選取相對位置較低的JC01、JC02、JC03，3個接收點位于下游。

2.3 試驗方法及曲線特征分析

首先把食鹽以最大濃度溶于水中，制成高濃度溶液，再將溶液持續(xù)投入T01投放點，接收人員分別在接收點（JC01、JC02、JC03）同一時間開始接收，取樣時間間隔10 min。將所取水樣送往具有檢測資質(zhì)的檢測機構(gòu)進行檢測。各接收點取樣檢測結(jié)果如圖1所示。

示蹤試驗結(jié)果顯示，3個接收點均為雙峰曲線，但雙峰形態(tài)不一。一般認為投放點與接收點有2條通道。峰的尖鈍和前后關(guān)系可說明其間有無地下湖。JC01接收點為兩尖峰曲線，高峰在前，低峰在后，說明主流的峰值濃度在前，支流的峰值濃度滯后，遭主流稀釋，為低峰，其間無地下湖。前高峰表示主流連通，后低峰表示支流連通，如圖2（a）所示；JC02接收點為先鈍后尖，說明主流上有地下湖，峰值在前，因受地下湖稀釋，成為一鈍峰，而支流水量小，濃度高，在與主流會合后，濃度為兩者的平均值，呈現(xiàn)滯后的高峰，如圖2（b）所示；JC03接收點為先尖后鈍，說明支流上存在地下湖，主流濃度高，高尖峰在前，遇見支流地下湖稀釋后，呈滯后鈍峰，如圖2（c）所示。

3 結(jié)論

根據(jù)濃度-時間曲線可知，投放點、接收點貫通，根據(jù)峰值個數(shù)判斷，研究區(qū)每個接收點通道有2條巖溶管道。此外，根據(jù)峰值尖鈍特征和出現(xiàn)時間先后，可判斷出地下湖是位于主流還是支流。根據(jù)示蹤試驗判斷出研究區(qū)內(nèi)地下湖發(fā)育位置，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料，可為工程建設(shè)及水資源開發(fā)提供支持。根據(jù)濃度-時間曲線分析巖溶管道發(fā)育特征，為區(qū)域補徑排過程研究、地下水系統(tǒng)圈劃和地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學

依據(jù)。

參考文獻

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