屋頂雨水回灌裂隙巖溶含水層連通示蹤試驗

何茂強，王維平，朱 平

(濟南大學資源與環(huán)境學院，山東 濟南250002)

濟南市泉域裂隙巖溶含水層具有地下庫容大、補給區(qū)水力坡度大、補給更新快、水質(zhì)好的特點。直接通過管井，利用屋頂雨水回灌巖溶水，在回灌量方面比孔隙和裂隙含水層從時間和空間上更適合每次降水過程的變化。但是存在地下水防污性能差的特點。利用城市雨洪水回灌裂隙含水層在澳大利亞已有成功的案例[1]。經(jīng)對濟南市區(qū)濟南大學西校區(qū)降水、屋頂雨水和徑流過程水質(zhì)進行監(jiān)測和分析以及不同過濾實驗，表明:濟南大學屋頂雨水屬微污染水，經(jīng)前期雨水棄流和預處理可達到飲用水水質(zhì)標準，并通過現(xiàn)有管井回灌到裂隙巖溶含水層，用于飲用水供水和地下水環(huán)境保護。由于研究區(qū)巖溶含水層空間分布極不均勻，如何確定與回灌井相匹配的觀測井是回灌實驗的關鍵問題之一。通過示蹤試驗掌握含水層特征、地下水水力聯(lián)系[2]等水文地質(zhì)條件，對回灌井和觀測井選擇，回灌效果分析都具有重要意義。

1 濟南大學西校區(qū)周圍的地形地貌及水文地質(zhì)條件

1.1 濟南大學地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境

濟南大學位于濟南市南郊七賢莊以南(如圖1)。山麓北坡(即濟南大學南側)地勢較高。海拔標高約120m左右。南面為馬武寨，東北面為青龍山。為一山前傾斜的夾角地帶，地下水流向由南向北或由東向西依次排泄。鉆孔的位置處在兩向地下水徑流地帶。從水文地質(zhì)條件來看，屬地下水補給徑流區(qū)。該地區(qū)含水層為寒武系鳳山組至奧陶系馬家溝組，地下水儲存于裂隙巖溶中為裂隙巖溶含水層。該地區(qū)第四系主要巖性為黃土狀粉質(zhì)粘土，為透水不含水層，該區(qū)是周圍山體內(nèi)雨水徑流補給區(qū)，僅在山洪時短時有水流。該地區(qū)裂隙巖溶水的補給途徑有:①大氣降水直接補給，②南部山區(qū)地下水徑流補給，③降雨形成地表入滲補給。

1.2 投放孔和觀測孔及周圍地層結構

回灌井和兩眼觀測井鉆孔的地理位置見圖1。

圖1 三口井平面位置圖

地層及主要含水段。該區(qū)地層由于受南部和東部山區(qū)剝蝕沖積洪積作用。地表復有較厚的第四系坡積——洪積物。成分以棕紅色粘土、亞粘土為主。含有少量鈣質(zhì)姜石。第四系與基巖接觸帶在有3m多厚粘土與小卵石、半膠結地層。卵石成分以灰?guī)r為主。磨圓度較好。第四系總厚度25m左右。下部基巖分中下奧陶系兩組三段現(xiàn)分述如下:

水量及水質(zhì)。抽水試驗結果表明1#孔出水量1 940m3/d，水位下降13～40m。2#孔出水量1 940m3/d水位下降31.70m。

水質(zhì)化驗各項指標均達到國家衛(wèi)生部頒發(fā)的飲用水標準。水的類型為HCO3(Ca+Mg)型水。

地下水流向。利用水準儀測量濟南大學井口高程，采用地下水位計測出三口井地下水位。2010年7月份、8月份地下水位(高程)平均值如下:1#井(信息樓井)31.045m，2#井(新西門井)30.733m，3#井(西院井)30.311m。根據(jù)地下水位，畫出等水位線及地下水流向，判斷出地下水大體流向為西西北方向。因此信息樓井(回灌井)作為示蹤試驗投源井，新西門井和西院井作為觀測井。將來在進行雨水回灌試驗時，信息樓井作為雨水回灌井，新西門井和西院井作為回灌效果觀測井。

2 示蹤劑和示蹤方法的選擇

食鹽作為示蹤劑有很多優(yōu)點[3]，(1)示蹤元素在地下水環(huán)境中波動小;(2)氯化鈉在水中有足夠大的溶解度且能在試驗期內(nèi)化學性質(zhì)較穩(wěn)定，基本不與其他環(huán)境物質(zhì)發(fā)生化學反應;(3)電導率檢測方法具有足夠高的靈敏度和精度且能夠現(xiàn)場及時實施;(4)圍巖對食鹽無吸附或吸附作用很小。除上述必要條件外，食鹽示蹤劑對環(huán)境無不良影響或影響期極短、示蹤劑價格及檢測費用低、便于現(xiàn)場操作等。

根據(jù)文獻資料，“在巖溶地區(qū)，用食鹽指示劑試驗時，在10米長的距離內(nèi)，用量一般為10～200 kg，巖層透水性強者，其用量應多，反之則應少”[4]?！巴度肟字劣^測孔的距離每5m需食鹽10～95 kg”[5]。最遠的觀測井西院井距投放井直線距離為0.5 km，則需食鹽0.5～10 t，因此確定食鹽用量為2 t，這樣既不會造成大的浪費和污染地下水，又能達到試驗要求，不會影響觀測結果。

用食鹽作為示蹤劑，采用測電導率的方法來進行監(jiān)測。這主要考慮到食鹽溶液作為一種導電介質(zhì)，它與電導率之間有一定的聯(lián)系[6]，當濃度升高時，電阻率就會下降，相反電導率會隨之升高。當食鹽投放完畢后，間隔一定時間測不同埋深的地下水電導率，觀察電導率變化，繪制電導率隨時間變化曲線，從而判別含水層結構，計算地下水流速等性質(zhì)。

3 試驗儀器及改裝

試驗采用雷磁DDBJ－350型便攜式電導率儀，該電導率儀無需電源，且攜帶方便，測量范圍符合試驗要求，適合進行野外測量?？紤]到測量不同埋深電導率，且其中最深處達200多m，試驗前需對電導率儀進行改裝，電極線用200m雙絞線延長，這樣會產(chǎn)生些誤差但不影響試驗結果。

主要是指非魚粉自然物質(zhì)所產(chǎn)生的味道以外的其他味道，例如有羽毛粉味、豬肉粉味、血粉味及部分化學物質(zhì)味等。

4 示蹤試驗

4.1 第一次示蹤試驗

2010年12月26 號晚9:00，在濟南大學舊信息樓后的回灌井投放食鹽，食鹽重量為2 t。投鹽時采用邊投放便沖水的方法，投放速度不能過快，并且均勻投下。10:30投鹽完畢，共歷時1個半小時。從第二天早晨開始對兩眼觀測井進行實時監(jiān)測，每隔4 h測一次不同埋深電導率，共觀測一周。第一次示蹤試驗主要目的是探明兩口觀測井是否有電導率變化，并初步判斷出地下水流向。

4.1.1 地下水電導率背景值

開始試驗之前，需對三口井做長時間監(jiān)測，測出不同埋深的電導率背景值，1#井(信息樓井)背景值在927 μs/cm，2#井(新西門井)為 800 μs/cm，3#井(西院井)電導率背景值為 886 μs/cm。

4.1.2 投鹽完畢后電導率隨時間的變化

(1)2#井(新西門井)電導率隨時間的變化

由于新西門井井管在100m左右阻塞，測電導率時只能測到前100埋深。觀測期間內(nèi)2#井在埋深50m和100m處電導率雖有略微變化，但大部分數(shù)據(jù)集中在800 μs/cm，這與該地方電導率本底值基本相同，說明投鹽后2#井基本不受影響。且從地下水等水位線也可看出，地下水不往該方向流動。所以將來在進行人工雨水回灌時不能把2#井(新西門井)作為觀測井。

(2)3#井(西院井)電導率隨時間的變化

觀測期間內(nèi)對3#井(西院井)電導率隨時間變化分析發(fā)現(xiàn)50m處電導率值基本沒有大的變化，100m和150m處雖略有波動，但數(shù)據(jù)也都集中在800～900 μs/cm范圍內(nèi)，這與本底值差別也不是很大，不能說明有食鹽流過。但是12月28號8:15時，在埋深180m左右電導率有明顯變化，而且180m到200m處電導率都比本底值高很多，證明180m到200m巖溶發(fā)育比較好，有比較好的巖溶裂隙，說明此觀測井與投源井相連通。我們決定在進行雨水回灌時將3#井(西院井)作為回灌效果觀測井。

5 第二次示蹤試驗

為檢驗第一次試驗的正確性，并精確計算出地下水流速以及判斷出含水層內(nèi)部結構，進行了第二次示蹤試驗。試驗過程必須與第一次保持一致性。

具體試驗過程:2010年4.8號晚8:30－9:30在投鹽孔投放工業(yè)用鹽1 t，并從第二天起進行投放孔和觀測井不同埋深含水層電導率的測定，試驗結果如下:

3#井(西院井)埋深50m、100m、150m 處、180m、200m處電導率隨時間變化曲線

圖2 西院井埋深50m、100m、150m、180 m200m處電導率隨時間變化曲線

從圖中看出:埋深180m處電導率在投鹽后25 h達到峰值，再次證明巖溶發(fā)育在180m處比較好。埋深200m處30 h達到峰值，50m、100m、150m處是在35 h時達到峰值，這些峰值都是由于食鹽的溶解擴散造成，存在明顯的滯后現(xiàn)象。因此可以認為食鹽在25 h后已經(jīng)到達西院井。

5.1 地下水視流速的計算

示蹤劑從投放點到各觀測點的視流速，是指投放點至觀測點的距離除以示蹤劑從投放點到觀測點所耗的時間，根據(jù)在圖上量測的距離除以示蹤劑從投源井到接收點的時間，分初現(xiàn)視速度和峰現(xiàn)視速度。一般認為，示蹤元素出現(xiàn)時的初始流速為地下水最大流速，高峰出現(xiàn)時的流速為平均流速[7－8]。

信息樓井距西院井直線距離為500m，可以計算出其視流速為:v=500m/25 h=20m/h。但是從最后兩圖中會發(fā)現(xiàn)在55 h埋深180m處和200m處電導率也是有明顯變化的，可以認為在此深度處有兩條通道流經(jīng)。那么按同樣方法計算視流速第二個管道的平均視流速為:v=500m/55h=9.09m/h。

6 總結

通過連通示蹤試驗證明了用食鹽作為示蹤劑，用電導率作為檢測方法是可行的，試驗結果驗證了地下水流向是西西北方向，即從信息樓井向西院井流動。等水位線以及電導率觀測結果都說明了這一點。因此回灌井就選在信息樓后的井，觀測井為西院井是可行的。分析電導率隨時間變化結果可知在180m往下含水層發(fā)育良好，有比較好的巖溶裂隙。而且通過峰值分析發(fā)現(xiàn)有兩個發(fā)育比較好的巖溶裂隙通道。即第一條通道的視流速為20m/h，而第二條通道的視流速為9.09m/h。示蹤試驗結果在獲得這些水文地質(zhì)條件后，就可以進行下一步的屋頂雨水的裂隙巖溶含水層回灌。從而充分的利用城市雨水補給地下水并用來城市供水和地下水保護。

[1]王維平，徐玉，何茂強.城市屋頂雨水回灌裂隙巖溶含水層的國內(nèi)外案例介紹——兼對濟南市屋頂雨水回灌裂隙巖溶含水層問題的思考[J].中國巖溶.2010，29(3):327－330.

[2]鄧振平，周小紅，何師意.西南巖溶石山地區(qū)巖溶地下水示蹤試驗與分析[J].中國巖溶.2007，26(2):163－169.

[3]楊劍明，張兆干，王祥，等.貴州普定后寨地下河流域地下含水空間結構特征[J].中國巖溶.1996，15(3):246－252.

[4]勘探工程及水文地質(zhì)實驗.1961.

[5]蘇聯(lián)電站部.測定地下水流向及流速規(guī)程(N27－53).

[6]汪進良，姜光輝，侯滿福.自動化監(jiān)測電導率在鹽示蹤試驗中的應用[J].地球?qū)W報.2005，26(4):371－374.

[7]朱學愚，徐紹輝，司進輝.示蹤試驗在淄博裂隙巖溶水污染治理中的應用[J].中國巖溶.1997，16(2):131－138.

[8]裴建國，謝運球，章程，等.湘中溶蝕丘陵區(qū)示蹤試驗[J].中國巖溶.2000，19(4):366－371.