示蹤法定量分析水流連通問(wèn)題

聶艷華，段文剛，樹(shù) 錦

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010；2．南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南京 210016）

示蹤法定量分析水流連通問(wèn)題

聶艷華1，段文剛1，樹(shù) 錦2

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010；2．南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南京 210016）

為定量分析地下水流的水量分配比例，進(jìn)行了連通試驗(yàn)。試驗(yàn)以示蹤劑羅丹明為媒介，利用其受特定波長(zhǎng)光照會(huì)激發(fā)熒光的特性，采用高分析度熒光分光光度計(jì)探測(cè)示蹤劑溶液熒光強(qiáng)度，進(jìn)而建立示蹤劑濃度－熒光強(qiáng)度曲線。試驗(yàn)中在某地域上游溶洞入口投放示蹤劑，并在下游出口回收樣品，探測(cè)其熒光強(qiáng)度，同時(shí)進(jìn)行流量測(cè)量。根據(jù)已建立的示蹤劑濃度－熒光強(qiáng)度曲線分析計(jì)算，得出樣品中示蹤劑的質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒定律和示蹤劑運(yùn)移擴(kuò)散理論推算得到上下游水量分配比例。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：采用本方法能較準(zhǔn)確地探測(cè)出上下游水量的分配比例，試驗(yàn)方法可行，結(jié)果可信，可為解決類(lèi)似問(wèn)題提供參考。

示蹤劑；連通試驗(yàn)；熒光強(qiáng)度；分光光度計(jì)

1 研究背景

地下水連通試驗(yàn)方法運(yùn)用歷史悠久。有記載的最早的地下水連通示蹤試驗(yàn)發(fā)生在大約2 000 a以前——羅馬人（Philip）采用谷糠示蹤泉水通道。1869年，人類(lèi)首次使用化學(xué)示蹤劑來(lái)找出巖溶區(qū)落水洞和泉水之間的水力聯(lián)系。之后，有人通過(guò)類(lèi)似試驗(yàn)來(lái)確定漏水的起源（Schlichter，1902）和檢測(cè)被污染了的水的來(lái)源（Dole，1906），他們使用的示蹤劑是染色劑和食鹽。A．Thiem用普通食鹽作示蹤劑研究確定地下水流速，他取回水樣在實(shí)驗(yàn)室里定量測(cè)定氯的濃度，開(kāi)了定量連通示蹤試驗(yàn)的先河。

近年來(lái)，地下水連通試驗(yàn)方法廣泛運(yùn)用于地下水來(lái)源去向及邊界條件的確定、水工建筑物的滲漏評(píng)價(jià)、城市給水排水設(shè)計(jì)、地下水污染鑒別等方面。C．F．Williams，S．D．Nelson［1］利用Rhodamine-WT作為示蹤劑追蹤生物環(huán)島中的水力特性，以研究污染物處理的問(wèn)題；Shirra Gur-Reznik，Sara P［2］介紹了碘作為示蹤劑的運(yùn)用；梅正星［3］通過(guò)對(duì)地下水連通試驗(yàn)資料的分析，整理出示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的曲線，運(yùn)用該曲線分析地下通道分布規(guī)律，測(cè)算地下河的流量，計(jì)算過(guò)水通道的體積等；鄭克勛，劉建剛［4］介紹了同時(shí)使用氯化鈉、堿性熒光紅8B和鉬酸銨3種不同性質(zhì)的示蹤劑進(jìn)行連通試驗(yàn)的成果，此外張禎武［5］、馬豪［6］等分別運(yùn)用示蹤法研究堆石壩的滲流場(chǎng)及顆粒有機(jī)碳的輸出通量；Gamlin F D［7］等也采用六氟化硫跟蹤地表水；Hall SH［8］采用單井示蹤試驗(yàn)研究含水層特性；Harden H S，Chanton J P［9］等比較了六氟化硫、羅丹明和噬菌體PRD－1等示蹤材料在追蹤地下水流方面的優(yōu)劣。

由此可見(jiàn)，連通試驗(yàn)的方法早已為人熟知并運(yùn)用，且用以作為示蹤劑的材料也有了多種嘗試。本文選取羅丹明B作為示蹤劑，利用其熒光特性進(jìn)行定量分析，在國(guó)內(nèi)外較少運(yùn)用。

2 概 況

2．1 自然地理概況及地質(zhì)構(gòu)造

試驗(yàn)所涉及區(qū)域地形地貌受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制，主要山脈走向與構(gòu)造線方向一致。區(qū)內(nèi)最高山頂高程2 086 m，最低高程170 m，高差約1 900 m。本區(qū)長(zhǎng)期處于間隙性隆起上升階段，溶蝕槽地、夷平面、洼地、漏斗、落水洞等喀斯特地貌發(fā)育，為侵蝕、剝蝕構(gòu)造高山地貌，為大氣降水、地表水滲入、地下水運(yùn)移和貯藏提供了良好的條件。

本區(qū)構(gòu)造形跡以褶皺為主，斷裂不發(fā)育。區(qū)內(nèi)以碳酸鹽巖地層為主，間夾有碎屑巖地層，區(qū)域出露地層由老到新為寒武系中統(tǒng)（∈2）－三迭系、侏羅系（J）地層，區(qū)域?yàn)橐惶诇\－深海相的碳酸鹽巖和志留系、三疊系上統(tǒng)、侏羅系碎屑巖沉積建造，沉積總厚達(dá)6 500 m。區(qū)域巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下暗河管道錯(cuò)綜復(fù)雜，為典型的喀斯特地貌。

2．2 研究?jī)?nèi)容

本次試驗(yàn)的主要研究?jī)?nèi)容有2點(diǎn)：

（1）探測(cè)查明上下游巖洞之間的水力聯(lián)系，定性判斷二者是否存在連通關(guān)系；

（2）定量分析上游巖洞水流補(bǔ)給匯入下游巖洞的水量比例。

3 示蹤原理及計(jì)算分析方法

3．1 示蹤劑的選擇

理想的示蹤劑應(yīng)滿足如下條件：①易溶于水，且能與地下水一起同步運(yùn)動(dòng)，在較小濃度時(shí)不顯著改變地下水體的密度；②性質(zhì)穩(wěn)定，在地下水環(huán)境中不易與其他溶質(zhì)和巖土介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不分解變質(zhì)；③安全無(wú)毒，對(duì)人體、動(dòng)植物無(wú)直接的損害，對(duì)局部生態(tài)系統(tǒng)無(wú)不利影響；④濃度檢測(cè)精度高，配置相應(yīng)設(shè)備即能在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單方便，檢出限值低，靈敏度高；⑤抗吸附能力強(qiáng)，巖土介質(zhì)對(duì)示蹤劑的吸附能力小。

本試驗(yàn)在資料收集、近期研究成果查詢(xún)的基礎(chǔ)上，綜合比選多種示蹤劑的物理化學(xué)性質(zhì)、濃度檢測(cè)方法、抗吸附能力和肉眼可見(jiàn)性等技術(shù)指標(biāo)，并經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)最終確定選用羅丹明B。

羅丹明B是一種具有鮮桃紅色的人工合成的染料，英文名Rhodamine B，分子式C28H31ClN2O3，分子量479．017 5，為亮綠色閃光結(jié)晶粉狀物或紅紫色粉末，易溶于水、乙醇，微溶于丙酮、氯仿、鹽酸和氫氧化鈉溶液。水溶液呈紅色，稀釋后有強(qiáng)烈熒光，醇溶液為紅色熒光，最大吸收波長(zhǎng)552 nm，最大熒光波長(zhǎng)610 nm，激光峰值波長(zhǎng)610 nm，調(diào)諧范圍578～610 nm。性質(zhì)穩(wěn)定，抗吸附能力強(qiáng)，安全無(wú)毒，環(huán)境背景值低，肉眼可見(jiàn)，便于直觀觀測(cè)，濃度可精確定量檢測(cè)且檢測(cè)限值低，即便是濃度1μg／L的羅丹明B水溶液，采用相關(guān)儀器設(shè)備也可定量分析檢測(cè)。選用的試劑純度級(jí)別為分析純。

3．2 連通原理

地下水示蹤連通試驗(yàn)原理簡(jiǎn)述如下（見(jiàn)圖1）。

圖1 地下水示蹤連通試驗(yàn)示意圖Fig．1 Schematic of groundwater connectivity test by tracing method

根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒定律和示蹤劑運(yùn)移擴(kuò)散理論，在某投放點(diǎn)瞬時(shí)投放質(zhì)量為M的示蹤劑，在某監(jiān)測(cè)點(diǎn)（回收點(diǎn)）連續(xù)或高頻度監(jiān)測(cè)流量和示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，計(jì)算分析監(jiān)測(cè)斷面示蹤劑的質(zhì)量（M0）和回收率，則可定性判斷投放點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的連通關(guān)系，以及定量分析投放點(diǎn)水流補(bǔ)給匯入監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流量比，同時(shí)利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑濃度歷時(shí)曲線，初步分析該區(qū)域巖溶水的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和類(lèi)型。由于示蹤劑與地下水體是充分混溶的，投放點(diǎn)水流有多大比例匯入回收斷面，則即可在回收斷面得到相應(yīng)比例的示蹤劑質(zhì)量。

監(jiān)測(cè)斷面示蹤劑回收質(zhì)量和回收率按下式計(jì)算。

式中：P為示蹤劑回收率（%）；M為投放點(diǎn)示蹤劑投放質(zhì)量（kg）；M0為監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑回收質(zhì)量（kg）；Ci，Ci＋1分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)i，i＋1時(shí)刻的示蹤劑濃度（μg／L）；C0為示蹤劑背景濃度值（μg／L）；Qi，Qi＋1分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)i，i＋1時(shí)刻的水流流量（m3／s）；Δt為取樣間隔時(shí)間（h）。

3．3 流量測(cè)量

在下游樣品回收斷面利用聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行流量測(cè)算，測(cè)量時(shí)間與示蹤劑取樣時(shí)間一致。

3．4 熒光強(qiáng)度－濃度曲線

本次試驗(yàn)利用羅丹明B受特定波長(zhǎng)照射容易激發(fā)熒光的特性，采用高精度熒光分光光度計(jì)探測(cè)示蹤劑樣品溶液的熒光強(qiáng)度，建立起熒光強(qiáng)度－溶液濃度對(duì)應(yīng)曲線。利用現(xiàn)場(chǎng)河水進(jìn)行示蹤劑濃度標(biāo)定試驗(yàn)，配置出不同濃度的樣品試劑，分別采用熒光分光光度計(jì)6檔和7檔2種精度檔位來(lái)測(cè)量樣品熒光強(qiáng)度，與濃度進(jìn)行比對(duì)并擬合曲線。

現(xiàn)場(chǎng)示蹤劑濃度標(biāo)定試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。示蹤劑水溶液不同濃度范圍區(qū)間，其濃度－熒光值關(guān)系稍有差異。為提高試驗(yàn)精度，特進(jìn)行分段繪圖和分段擬合曲線方程，以便于不同濃度區(qū)間分別選用。

3．4．1 0～200μg／L濃度區(qū)間

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)定的關(guān)系曲線，可以看出：在試驗(yàn)濃度區(qū)間，示蹤劑濃度與其熒光值線性規(guī)律良好，故用線性公式擬合得到不同檔位示蹤劑濃度－熒光值方程，見(jiàn)圖2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)示蹤劑標(biāo)定試驗(yàn)成果表Table 1 Results of field rating test on the tracer

圖2 0～200μg／L濃度區(qū)間示蹤劑濃度與熒光值關(guān)系曲線Fig．2 Curves of tracer concentration（0～200μg／L）vs．fluorescence intensity

3．4．2 0～600μg／L濃度區(qū)間

線性公式擬合得到不同檔位示蹤劑濃度－熒光值方程，見(jiàn)圖3。

圖3 0～600μg／L濃度區(qū)間示蹤劑濃度與熒光值關(guān)系曲線Fig．3 Curves of tracer concentration（0－600μg／L）vs．fluorescence intensity

3．4．3 0～1 000μg／L濃度區(qū)間

線性公式擬合得到不同檔位示蹤劑濃度－熒光值方程，見(jiàn)圖4。

圖4 0～1 000μg／L濃度區(qū)間示蹤劑濃度與熒光值關(guān)系曲線Fig．4 Curves of tracer concentration（0－1 000μg／L）vs．fluorescence intensity

正式試驗(yàn)中，根據(jù)濃度大小和區(qū)間，選用不同的示蹤劑濃度－熒光值方程?，F(xiàn)場(chǎng)取樣量測(cè)其不同檔位熒光值，由上述公式反推其試樣濃度。

3．5 回收試劑計(jì)算方法

具體計(jì)算方法如下：

（1）將取樣間隔起始和終末時(shí)刻的斷面流量平均，視作區(qū)間的平均流量；

（2）將區(qū)間平均流量乘以區(qū)間時(shí)長(zhǎng)，得出區(qū)間水體容積Vi（l）；

（3）將取樣間隔起始和終末時(shí)刻的斷面濃度平均，視作區(qū)間的平均濃度Ci（μg／L）；

（4）將區(qū)間水體容積Vi乘以區(qū)間水體平均濃度Ci，得到該區(qū)間回收的示蹤劑質(zhì)量Mi（g）；

（5）將試驗(yàn)歷程內(nèi)各區(qū)間示蹤劑質(zhì)量相加求和，即得到該斷面通過(guò)的示蹤劑的全部質(zhì)量M0；

（6）M0／M即為水量分配比例。

4 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，在上游溶洞入口處投放示蹤劑25 kg，為減少示蹤劑回收時(shí)間，全部示蹤劑經(jīng)過(guò)充分溶解后短時(shí)間內(nèi)全部投放。

試驗(yàn)過(guò)程中，在下游一個(gè)斷面同時(shí)進(jìn)行示蹤劑樣品取樣及流量測(cè)驗(yàn)。為提高試驗(yàn)采集精度，采用連續(xù)高頻次取樣。白天取樣間隔0．5～1 h，夜晚取樣間隔1～3 h。

取樣后送由熒光光度計(jì)檢測(cè)分析，采用6檔、7檔2個(gè)精度檔位檢測(cè)其熒光值，依照上節(jié)標(biāo)定的濃度曲線方程，分別推算試樣溶液的濃度，取值平均作為樣品的測(cè)量濃度。示蹤劑回收斷面濃度變化過(guò)程及回收斷面流量變化過(guò)程見(jiàn)圖5。通過(guò)圖中可以看到試劑投放約41 h后，示蹤劑紅色水體通過(guò)下游測(cè)流取樣斷面，直到完全消失總歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)179 h，表明試驗(yàn)條件下，上下游溶洞存在明顯的水流連通關(guān)系，定量分析由濃度與熒光強(qiáng)度的換算得出。

圖5 試驗(yàn)示蹤劑濃度和流量變化過(guò)程曲線Fig．5 Curves of tracer concentration vs．flow

試驗(yàn)開(kāi)始后，按上節(jié)所述計(jì)算方法得到：回收示蹤劑質(zhì)量為M0＝22 265．9 g，示蹤劑投放質(zhì)量M＝25 000 g，則示蹤劑回收率為P＝M0／M＝89%。由連通試驗(yàn)原理可知，自上游溶洞分入下游出口水量占進(jìn)口總水量的89%。

5 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果證明，該區(qū)域上下游溶洞間存在水流連通關(guān)系，且在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)上游溶洞入口水流中有89%的水量匯入到下游溶洞中。由此可見(jiàn)：采用羅丹明B這種人工合成的熒光物質(zhì)作為示蹤材料進(jìn)行地下水連通試驗(yàn)取得了成功，該物質(zhì)穩(wěn)定性好，抗吸附及其受激發(fā)熒光的特性是本試驗(yàn)取得成功的重要因素。此外也能看到，利用熒光強(qiáng)度與示蹤劑濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行定量分析具備可行性，本方法可作為處理此類(lèi)實(shí)際工程問(wèn)題的參考。

［1］ WILLIAMSC F，NELSON SD．Comparison of Rhodamine-WT and Bromide as a Tracer for Elucidating InternalWetland Flow Dynamics［J］．Ecological Engineering，2011，37：1492－1498．

［2］ SHIRRA G R，SARA PA，YANA L，etal．Iodinated Contrast Media Oxidation by Nonthermal Plasma：The Role of Iodine as a Tracer［J］．Water Research，2011，45：5047－5057．

［3］ 梅正星．地下水連通試驗(yàn)資料的整理和分析［J］．水利水電技術(shù)，1988，（1）：10－16．（MEI Zheng-xing．Data Collection and Analysis of The Groundwater Connectivity Test［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，1988，（1）：10－16．（in Chinese））

［4］ 鄭克勛，劉建剛．多元連通示蹤試驗(yàn)研究地下水流場(chǎng)的一個(gè)工程實(shí)例［J］．貴州水力發(fā)電，2004，23（4）：63－65．（ZHENG Ke-xun，LIU Jian-gang．The Diverse Connectivity Tracer Test Study of Groundwater Flow Field Engineering Examples［J］．Guizhou Hydroelectric，2004，23（4）：63－65．（in Chinese））

［5］ 張禎武．堆石壩滲漏流場(chǎng)示蹤探測(cè)研究［J］．工程勘察，2000，（4）：29－32．（ZHANG Zhen-wu．Rockfill Dam Seepage Flow Field Tracer Detection［J］．Geotechnical Investigation＆Surveying，2000，（4）：29－32．（in Chinese））

［6］ 馬 豪，曾 志，尹明端，等．示蹤法估算楚科奇海的顆粒有機(jī)碳輸出通量［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，50（3）：438－441．（MA Hao，ZENG Zhi，YIN Mingduan．Tracer Method to Estimate Particulate Organic Carbon Export Flux In the Chukchi Sea［J］．Journal of Tsinghua University（Natural Science），2010，50（3）：438－441．（in Chinese））

［7］ GAMLIN FD，CLARK JF，WOODSIDEG，etal．Largescale Tracing of Ground Water with Sulfur Hexafluoride［J］．Journal of Environmental Engineering，2001，127（2）：171－174．

［8］ HALL SH．SingleWell Tracer Tests in Aquifer Characterization［J］．Ground Water Monitoring and Remediation，1993，13（2）：118－124．

［9］ HARDEN H S，CHANTON JP，ROSE JB，et al．Comparison of Sulfur Hexafluoride，F(xiàn)luoresceinand Rhodamine Dyes and the Bacteriophage PRD-1 in Tracing Subsurface Flow［J］．Journal of Hydrology，2003，277（2）：100－115．

（編輯：劉運(yùn)飛）

Quantitative Analysis of Flow Connectivity by Tracing M ethod

NIE Yan-hua1，DUANWen-gang1，SHU Jin2
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Nanjing Water planning and Designing Institute，Nanjing 210016，China）

Groundwater connectivity testwas conducted to investigate the hydraulic connection between caves in the upstream and the downstream，and to quantitatively determine the ratio of water flow into the downstream caves．Rhodamine，which would be fluorescent illuminated by light of certain wavelengths，was used as tracermedium．Fluorescence spectrophotometer was employed to detect the intensity of fluorescence in the tracer solution，hence obtaining the curve of concentration vs．fluorescence intensity．The tracer was put at the entrance of Karst cave in the upstream，and water samples were collected at the exit in the downstream to detect the fluorescence intensity and measure the flow．According to the obtained curve，the tracer quality in the sample was calculated．Subsequently，the water allocation ratio was derived from the law ofmass conservation and the theory of tracer transport and diffusion．Results showed that during the test period，89%of the water flowed from caves in the upstream into the downstream．The relation between fluorescence intensity and tracer concentration is also believed to be feasible for quantitative analysis．The testmethod could be a reference for similar engineering practices．

tracer；connectivity tests；fluorescence intensity；spectrophotometer

TV131

A

1001－5485（2013）02－0016－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．004

2012－02－09；

2012－04－12

聶艷華（1983－），男，湖北荊門(mén)人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)的研究，（電話）18627897189（電子信箱）yuanauy111＠126．com。