地下水示蹤試驗(yàn)在巖溶塌陷成因判別中應(yīng)用分析——以安慶市懷寧縣黃嶺區(qū)為例

潘國林，洪天求

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230001;2.安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心，安徽合肥 230001)

0 引言

巖溶塌陷是可溶鹽巖地區(qū)特有的一種地質(zhì)災(zāi)害，塌陷形成的基本條件是:巖溶洞隙的存在、一定厚度的松散蓋層和水動(dòng)力條件。前兩者是形成塌陷的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者是外因，是形成塌陷的作用力，往往是產(chǎn)生巖溶塌陷最積極或主導(dǎo)的因素。長期以來，很多學(xué)者對巖溶發(fā)育與地下水動(dòng)力之間關(guān)系進(jìn)行了研究并取得很多成果［1-6］。大量研究和工程實(shí)踐表明，正確探測和確定巖溶發(fā)育區(qū)地下水流場特征是防治巖溶塌陷災(zāi)害的關(guān)鍵和前提，地下水示蹤試驗(yàn)則是其應(yīng)用的主要途徑和有效手段［7-10］。本文通過一工程實(shí)例，利用地下水示蹤技術(shù)對巖溶區(qū)地下水流動(dòng)情況進(jìn)行了分析研究，取得了滿意效果。

黃嶺巖溶區(qū)位于安慶市懷寧縣月山鎮(zhèn)東部，距市區(qū)約20km。至1987年5月首次發(fā)生巖溶塌陷以來，到2012年5月止，累計(jì)產(chǎn)生塌陷坑89處，塌陷坑密度達(dá)297個(gè)/km2，巖溶塌陷發(fā)育強(qiáng)度強(qiáng)烈，給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全埋下極大隱患。區(qū)內(nèi)人口稠密，工礦企事業(yè)單位較多，附近某銅礦礦坑排水和區(qū)內(nèi)部分企事業(yè)單位抽采地下巖溶水活動(dòng)造成地下水在基巖面附近長時(shí)間強(qiáng)烈的水位波動(dòng)是導(dǎo)致巖溶地面塌陷產(chǎn)生的根本原因，但二者誰是主導(dǎo)因素或是聯(lián)合作用影響仍不清楚，給該區(qū)巖溶塌陷災(zāi)害防治和責(zé)任認(rèn)定帶來困難。本文在巖溶水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用示蹤試驗(yàn)手段探究黃嶺巖溶區(qū)地下水匯流情況及分布特征，以期為政府決策和災(zāi)害防治提供依據(jù)。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件及巖溶發(fā)育特征

1.1 氣候、水文概況

本區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，氣候溫和，雨熱同季，年平均氣溫16℃，7～9月為高溫季節(jié)，最高溫度40.6℃，最低溫度-12.5℃。每年3～8月為雨季，年平均降雨量1420mm，最大年降雨量2294.2mm，年降水日數(shù)130～140天。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，較大的水系有月山河和石門湖。月山河位于研究區(qū)的中南部，自西向東流入石門湖，最后進(jìn)入長江。月山河的支流主要有馬鞍山河，該河自某銅礦經(jīng)馬山口由北向南流入月山河內(nèi)。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于丘陵河谷平原，地面標(biāo)高12.4～179.7m，總體上北部和南部高，中部低。主要有低丘、坡洪積扇和河漫灘三種微地貌形態(tài)，其地層巖性分別為低丘地貌區(qū)主要由三疊系的灰?guī)r、大理巖、砂巖及燕山期閃長巖組成;坡洪積扇地貌區(qū)階面較平坦，地面標(biāo)高為16.8～45.5m，由第四系上更新統(tǒng)沖積物()組成;河漫灘廣泛分布，灘面平坦、開闊，地面標(biāo)高12.4～28.3m，由第四系全新統(tǒng)()粉質(zhì)粘土、中粗砂、砂礫卵石組成。

研究區(qū)位于月山河谷水文地質(zhì)單元。北部月形山和東西部馬鞍山丘陵地區(qū)，分布富水性弱—極弱的碎屑巖、巖漿巖裂隙含水巖組和富水性中等—強(qiáng)碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組;中部的月山河谷地區(qū)，分布富水性弱—中等的第四系松散巖類孔隙含水巖組和富水性中等的碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。南部的百子山、扁擔(dān)山丘陵地區(qū)，分布富水性弱至極弱的碎屑巖裂隙含水巖組和富水性中等—強(qiáng)的碳酸鹽巖含水巖組。各含水巖組均表現(xiàn)出一定的水力聯(lián)系，其中松散巖類孔隙含水巖組與下伏各含水巖組之間的水力聯(lián)系一般較為密切，碎屑巖類裂隙含水巖組與裂隙巖溶含水巖組之間的水力聯(lián)系較弱，裂隙巖溶含水巖組之間的水力聯(lián)系視其隔水層厚薄而強(qiáng)、弱不等。

地下水賦存受區(qū)域構(gòu)造帶控制，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，按其展布方位可劃分為南北向、北西向、北東向和東西向四組，對區(qū)內(nèi)構(gòu)造起了一定控制作用。斷層對地下水賦存影響主要表現(xiàn)為:F1、F6斷層及其兩側(cè)的派生羽狀斷裂組成一個(gè)“斷層束”，在“斷層束”帶內(nèi)，巖溶極為發(fā)育，是地表塌陷內(nèi)的重點(diǎn)地段之一。據(jù)礦區(qū)揭露的F1斷層資料顯示，一般無水或微弱(＜50m3/d)，且F1斷層兩側(cè)地下水有明顯水位差，從總體上看，F(xiàn)1具有隔水性，但據(jù)鉆孔抽水、地下水動(dòng)態(tài)等綜合研究，在馬山口一帶由于受北西向F6、F7、F8截切，F(xiàn)1隔水性遭受破壞，以致斷裂兩側(cè)相連通。如圖1所示，ZK119抽水時(shí)，F(xiàn)1斷層兩側(cè)的觀測孔水位降深相近(8.06m，9.1m)，ZK117孔抽水，其降落漏斗長軸穿過該斷層，呈東、西向展布;F6、F7、F8等北西向斷裂組，巖溶發(fā)育，觀測孔水位沿此帶普遍加深，屬含水構(gòu)造帶。

圖1 ZK117孔抽水降落漏斗示意圖Fig.1 The map of Pumping drawdown funnel

1.3 巖溶塌陷的發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷始發(fā)于1987年，1988～1992年為塌陷盛發(fā)期，塌陷坑個(gè)數(shù)39個(gè)，占總數(shù)的43.8%，特別是1992年，塌陷坑個(gè)數(shù)24個(gè)，占總數(shù)的27%。1992年以后巖溶塌陷發(fā)生的次數(shù)明顯減少，主要表現(xiàn)為塌陷零星發(fā)生或少數(shù)復(fù)活，年均塌陷個(gè)數(shù)2.6個(gè)。巖溶塌陷地面表現(xiàn)以塌坑為主，個(gè)別表現(xiàn)為地面沉陷。塌坑平面上呈圓形、橢圓形，少數(shù)呈長方形;剖面上豎井狀為主，部分為壇狀、鍋底狀，地面沉陷呈長方形、長條形。單個(gè)塌陷坑一般均較小，直徑一般1～3m，少量繼續(xù)發(fā)展至20～30m;深度1～3m，少量5～8m，個(gè)別大于10m;塌坑面積一般小于10m2，體積小者2～5m3，一般幾十至100 m3，個(gè)別塌坑由于多次垮落規(guī)模較大，達(dá)2000 m3。地面沉陷最長約30m，深度為0.2～0.5m。單個(gè)塌陷坑，從地裂到垮落一般不超過3天時(shí)間。

2 塌陷區(qū)巖溶水動(dòng)態(tài)變化特征

2.1 天然狀態(tài)下地下水動(dòng)態(tài)

天然狀態(tài)下本區(qū)地下水主要是大氣降水補(bǔ)給，局部受深切基巖的地表溪流補(bǔ)給。地下水徑流方向與地表水一致，分別由南北兩側(cè)流向中部的月山河，匯合后經(jīng)石門湖流出本區(qū)，地下水徑流流速緩慢。區(qū)內(nèi)淺層地下水排泄主要為當(dāng)?shù)睾恿?，部分以下降泉的形式排泄。深層地下水由于徑流流程深而遠(yuǎn)，其排泄區(qū)(點(diǎn))情況復(fù)雜，一般以承壓上升泉形式排泄。

2.2 礦山排水和月山鎮(zhèn)供水狀態(tài)下地下水動(dòng)態(tài)

礦山排水和月山鎮(zhèn)供水狀態(tài)下地下水補(bǔ)給仍以大氣降水主，局部地段增加地表水(河水)及巖溶塌陷坑的倒灌。礦山排水和月山鎮(zhèn)供水狀態(tài)下地下水徑流局部改變?yōu)榱飨虻V坑或開采井，地下水的徑流速度加大，如該銅礦開采后由于礦山排水作用加快地下水循環(huán)，使得原SO4·HCO3-Ca或Ca·Mg型水，經(jīng)過一段時(shí)間后，變?yōu)镠CO3—Ca型水。

隨著礦山持續(xù)開采，礦井排水總體呈逐年增加的趨勢，目前已形成以礦坑為中心的降落漏斗(中心水位標(biāo)高-340m以下)，并向東南方向、正南方向和西南方向擴(kuò)展的相對穩(wěn)定的降落漏斗。此外，月山地區(qū)的開采井也呈穩(wěn)定的遞增趨勢。這些開采井分散分布，單井開采量小，各自形成了以開采井為中心的小范圍的降落漏斗，供水井降落漏斗隨每天開采和停采而擴(kuò)展和收縮，供水井之間在同時(shí)開采時(shí)，其降落漏斗互相迭加，停采時(shí)，開采井降落漏斗收縮至互不干擾。礦山排水和月山鎮(zhèn)供水狀態(tài)下，地下水排泄以礦坑排水和開采井抽水為主。

3 地下水示蹤試驗(yàn)研究

示蹤試驗(yàn)是指采用穩(wěn)定的易溶性鹽類離子作為示蹤劑，通過地面鉆孔等將溶解后的示蹤劑投放至目標(biāo)含水層，在含水層不同位置的井下放水孔等排出的地下水中定時(shí)取樣接收，根據(jù)示蹤劑濃度大小來監(jiān)測和分析研究放水條件下地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而反向分析巖溶含水介質(zhì)中巖溶發(fā)育特征［11-12］。

圖2 黃嶺區(qū)示蹤試驗(yàn)平面布置圖Fig.2 Planar distribution map of the tracing test in Huangling1—投鹽孔及編號(hào);2—水質(zhì)監(jiān)測孔及編號(hào);3—地表水分水嶺;4—地下水分水嶺;5—地下水流向;6—長觀孔及編號(hào)

3.1 投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的選擇與分布

根據(jù)本次工作施工的鉆孔和區(qū)內(nèi)長觀孔水文觀測資料，選擇潘家老屋地區(qū)地下水位最高的ZK8孔作為本次示蹤試驗(yàn)投鹽孔，圍繞投鹽孔四周布置Ⅰ-4、Ⅰ-4A、Ⅰ-4E、ZK9、ZK11、JJ1、JJ7、JJ11 等8 個(gè)孔作為接收點(diǎn)，布設(shè)方位大致為:ZK9、Ⅰ-4、Ⅰ-4A位于投鹽孔(ZK8)北東向，與投鹽孔距離分別為284m、352m和488m;JJ11孔位于投鹽孔(ZK8)北西向，與投鹽孔距離為261m;Ⅰ -4E、ZK11、JJ1、JJ7位于投鹽孔南、西南方向，與投鹽孔距離分別為159m、307m、386m、557m(圖2)。

3.2 示蹤劑的投放及背景值采取

為防止示蹤試劑對地下水的污染，本次選用食用鹽為示蹤劑，分兩次投放，第一次投放時(shí)間為2008年12月9日13至14時(shí)，投放食鹽水(鹽量為50kg)，第二次投放時(shí)間為2008年12月10日8至9時(shí)，投放食鹽水(鹽量為50kg)。投鹽后連續(xù)采樣檢測三天，其中JJ1、JJ7、JJ11每天檢測一次，其余接受點(diǎn)第一天每小時(shí)檢測一次，第二天二小時(shí)檢測一次，第三天三小時(shí)檢測一次。

在投放示蹤劑前幾天，對投鹽點(diǎn)和所有接受點(diǎn)均采集水樣，對水體中Na+、Cl-進(jìn)行了檢測，檢測值作為示蹤試驗(yàn)背景值。

3.3 示蹤試驗(yàn)結(jié)果分析

由于投鹽孔在施工期間采用了Na+含量較高的濃泥漿鉆探，對試驗(yàn)有較大影響，因此試驗(yàn)采用Cl-含量變化進(jìn)行分析。

3.3.1 投鹽孔北西向接收孔的Cl-含量變化情況

2008年12月9日13至14時(shí)第一次投鹽后，10日14時(shí)JJ11孔Cl-含量由7.09mg/L(背景值)上升為56.72mg/L，出現(xiàn)第一個(gè)峰值，此后在11日和12日的14時(shí)依次降低為36.08mg/L和14.18mg/L，說明地下水從投鹽點(diǎn)向JJ11孔方向流動(dòng)(圖3)。

圖3 JJ11孔Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig 3.Tracing curves for JJ11

3.3.2 投鹽孔北東向接收孔的Cl-含量變化情況

如圖4～6所示，ZK9和Ⅰ-4孔的Cl-含量第一個(gè)峰值出現(xiàn)在投鹽9～11小時(shí)后，由背景值10.64mg/L分別上升到24.12mg/L和14.56mg/L。I-4A孔Cl-含量第一個(gè)峰值出現(xiàn)在投鹽18小時(shí)后，由背景值10.64mg/L上升到11.23mg/L。峰值出現(xiàn)時(shí)間與據(jù)投鹽點(diǎn)距離遠(yuǎn)近相關(guān)，表明地下水流向可能由投鹽點(diǎn)向北東向流動(dòng)。

圖4 ZK9孔Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.4 Tracing curves for ZK9

圖5 I－4孔Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.5 Tracing curves for I－4

圖6 I－4A孔Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.6 Tracing curves for I－4A

3.3.3 投鹽孔南、西南方向接收孔的Cl-含量變化情況

如圖7～10所示，I-4E孔Cl-含量第一個(gè)峰值出現(xiàn)在投鹽4小時(shí)后，由背景值27.51 mg/L上升到33.10mg/L，ZK11孔Cl-含量第一個(gè)峰值出現(xiàn)在投鹽9小時(shí)后，由背景值35.45mg/L上升到42.54mg/L，JJ7、JJ1兩孔Cl-含量第一個(gè)峰值出現(xiàn)在投鹽20小時(shí)后，由背景值28.36mg/L、17.73mg/L分別上升到34.81mg/L和28.36mg/L。

從各個(gè)接受點(diǎn)檢測的Cl-含量變化曲線圖可以看出，第一次投鹽后接受點(diǎn)反映較好，所有接受孔均有反映，第二次投鹽后部分接收點(diǎn)反應(yīng)不明顯。各接收點(diǎn)在投鹽孔投鹽后的一定時(shí)間里Cl-含量均高于其背景值，離投鹽孔距離較近的，Cl-含量峰值到達(dá)的時(shí)間基本也短。由此說明試驗(yàn)區(qū)投鹽點(diǎn)處地下水位最高，為一個(gè)地下水位分水嶺，根據(jù)其地下水徑流方向判斷分水嶺走向呈近東西向分布。各接收點(diǎn)Cl-含量第一次峰值濃度相差較大，特別是北東方向的Ⅰ-4、Ⅰ-4A、ZK9濃度較小，反映出這個(gè)方向可能受礦區(qū)礦井排水影響地下水流速較大，即北東方向地下水水力坡度較大，向南、西南方向流速較慢，水力坡度相對較小。

圖7 Ⅰ-4E孔Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.7 Tracing curves for I－4E

圖8 ZK11孔Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.8 Tracing curves for ZK11

圖9 JJ7井Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.9 Tracing curves for JJ7

圖10 JJ1井Cl－離子含量歷時(shí)曲線圖Fig.10 Tracing curves for JJ1

4 結(jié)果與討論

為驗(yàn)證示蹤試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，后期工作中對區(qū)內(nèi)開采井、銅礦區(qū)長觀孔、本次勘查鉆孔的水位等資料進(jìn)行了綜合分析，如Ⅰ-4C長觀孔地下水位為14.68m，ZK10地下水位為15.08m，在兩孔之南的M005長觀孔地下水位為13.57m，在兩孔之北的Ⅰ-4A長觀孔地下水位為9.97m，說明在Ⅰ-4A、M005兩長觀孔之間則有一個(gè)地下水分水嶺;JJ1開采井地下水位為17.30m，在其南側(cè)的2#-3長觀孔地下水位為15.16m，在其北側(cè)的2#-2長觀孔地下水位為8.19m，說明2#-3、2#-2兩長觀孔之間存在地下水分水嶺，分水嶺位于JJ1孔北側(cè)。根據(jù)地下水位資料推斷結(jié)果均與示蹤試驗(yàn)結(jié)果相一致，確認(rèn)在JJ1孔北側(cè)-宣家屋南-潘家老屋南-洞山一帶有一個(gè)地下水分水嶺，分水嶺之北為安慶銅礦疏干排水降落漏斗的范圍，分水嶺之南為天然流場和開采井漏斗分布范圍。因此，分水嶺以南的巖溶塌陷應(yīng)為區(qū)內(nèi)開采井抽水引發(fā)的，分水嶺以北的巖溶塌陷應(yīng)是銅礦區(qū)疏干排水引發(fā)。

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