利用示蹤試驗(yàn)研究巨木地下河成庫(kù)條件

王 偉，宋婉虹

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局一一一地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550008;2.貴州地礦工程勘察有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

0 引言

示蹤試驗(yàn)是研究地下水徑流特征的有效方法(萬(wàn)偉峰，2010)，尤其是應(yīng)用在巖溶地區(qū)的地下河系統(tǒng)，可相對(duì)直觀地了解地下河管道延伸“軌跡”、含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、發(fā)育規(guī)模及其類(lèi)型，確定地下水流向和流速，掌握地下管道間及管道與地表間的水力聯(lián)系程度，試驗(yàn)結(jié)果是分析地下巖溶空間調(diào)蓄能力、研究地下水庫(kù)建設(shè)可行性的重要依據(jù)。

巨木地下河處于大小井流域中游，具有明暗相間的徑流特點(diǎn)，系典型的低位地下河(王偉等，2006)。實(shí)現(xiàn)其低成本、低碳、規(guī)?；拈_(kāi)發(fā)利用，可加強(qiáng)地下河所在區(qū)域農(nóng)業(yè)水利基礎(chǔ)設(shè)施、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、提高耕地綜合產(chǎn)出水平以及抵御自然災(zāi)害的能力。以該地下河示蹤試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)并結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查成果，對(duì)巨木地下河管道的結(jié)構(gòu)及發(fā)育規(guī)模進(jìn)行探討，提出了充分利用地下河管道空間建地下水庫(kù)的地下河開(kāi)發(fā)思路。

1 巨木地下河系統(tǒng)概況

巨木地下河地處貴州高原向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，發(fā)源于惠水縣抵季鄉(xiāng)附近，為大小井地下河系的分支地下河，流域面積128.4 km2。

該地下河系統(tǒng)大地構(gòu)造位置位于軸向呈NW向展布的雅水背斜與克渡向斜的復(fù)合部，系統(tǒng)內(nèi)廣布二疊系中統(tǒng)和石炭系上統(tǒng)純碳酸鹽巖類(lèi)地層，地形起伏大，切割強(qiáng)烈，地貌組合類(lèi)型以峰叢洼地為主。廣義上的巨木地下河系統(tǒng)由抵塘、西混及望窩3條支流構(gòu)成，因主要排泄口位于巨木村而得名。其中，發(fā)源于惠水縣抵季鄉(xiāng)蠻納寨一帶、由北向南徑流的抵塘支流與發(fā)源于惠水縣抵季鄉(xiāng)附近、由西向東徑流的望窩支流在水淹壩交集，狹義上稱(chēng)為巨木地下河，流域面積83 km2，排泄口位于巨木村;西混地下河為獨(dú)立支流，流域面積45.4 km2，排泄于巨木村的大洞腳，2處排泄口相距400 m(圖1)。

2 示蹤試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)段選擇

圖1 巨木地下河結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch showing structure of the Jumu underground river

水淹壩是因巖溶及構(gòu)造作用，于巨木地下河下游形成的一處溶蝕盆地，其南北兩側(cè)邊緣地帶，地下河天窗、豎井、落水洞等巖溶個(gè)體形態(tài)分布密集，是地下河各條支流的匯集地。豐水期，地下水水位上漲后由溶盆北側(cè)豎井溢出，經(jīng)盆地內(nèi)地下河管道延伸方向發(fā)育的塌陷河道形成地表明流，通過(guò)南側(cè)伏流入口再次潛入地下;枯水期，地下水水位下降，塌陷河道處于干涸狀態(tài)。由于水淹壩自身的洪澇淹沒(méi)以及由此而加劇的之上村寨的洪澇災(zāi)害，水淹壩即成為巨木地下河管道上的重要節(jié)點(diǎn)，出口攔水壩壩頂高程的設(shè)計(jì)須在考慮水淹壩洪澇淹沒(méi)因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下管道空間結(jié)構(gòu)綜合確定。因此，示蹤試驗(yàn)段安排在拉掃寨355號(hào)地下河天窗—排泄口段。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

查明投放點(diǎn)與接收點(diǎn)之間地下河管道的“軌跡”、結(jié)構(gòu)、規(guī)模，確定地下水流向、流速及巨木、西混兩地下河管道間的水力聯(lián)系，為地下水庫(kù)建設(shè)提供依據(jù)。

2.3 示蹤劑選擇與試驗(yàn)方法

按照“背景值低，波動(dòng)小;易溶于水，便于現(xiàn)場(chǎng)操作;對(duì)試驗(yàn)區(qū)生態(tài)環(huán)境不造成負(fù)面影響;示蹤劑在隨地下水運(yùn)移的過(guò)程中，不易與周?chē)镔|(zhì)(如巖石、土壤等)發(fā)生反應(yīng);靈敏度較高，容易被儀器檢測(cè);經(jīng)濟(jì)合理”的原則(孫恭順，1988)，示蹤試驗(yàn)選擇食鹽(NaCl)作為示蹤劑。

試驗(yàn)時(shí)，首先將食鹽配制成高體積質(zhì)量的液體，由投放點(diǎn)集中投放，并記錄示蹤劑投放量、體積質(zhì)量及投放時(shí)間。之后在接收點(diǎn)定時(shí)采樣，采用摩爾法檢測(cè)水中Cl-體積質(zhì)量的變化情況。采樣時(shí)間間隔為2h，檢測(cè)連通后則加密成0.5h，直至Cl-體積質(zhì)量峰值過(guò)后。當(dāng)Cl-體積質(zhì)量曲線尾支過(guò)拐點(diǎn)趨平穩(wěn)24h后結(jié)束試驗(yàn)。

2.4 投放點(diǎn)與接收點(diǎn)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模聚檮┩斗劈c(diǎn)選擇拉掃寨355號(hào)天窗，接收點(diǎn)為巨木村和西混出口，預(yù)計(jì)連通距離4 050 m，投放點(diǎn)和接受點(diǎn)分布如圖2所示。

2.5 試驗(yàn)時(shí)間

示蹤劑投放前，對(duì)投放點(diǎn)和各接收點(diǎn)水質(zhì)中的Cl-體積質(zhì)量的背景值進(jìn)行了測(cè)定，得到355號(hào)天窗及巨木村出口水質(zhì)中為0.055 38 mg/L，西混為0.027 69 mg/L。2003年10月28日，在355號(hào)地下河天窗，一次性投放由1 000 kg食鹽配置的高體積質(zhì)量液體，隨即在巨木村和西混地下河出口取樣，至11月27日，最后1個(gè)Cl-體積質(zhì)量峰值曲線尾支過(guò)拐點(diǎn)趨于平穩(wěn)，繼續(xù)觀測(cè)至12月11日試驗(yàn)全部結(jié)束。

圖2 示蹤試驗(yàn)平面圖Fig.2 Planar graph of the tracer test

3 結(jié)果與分析

3.1 地下河管道結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)進(jìn)行至11月6日，巨木村地下河出口水質(zhì)中Cl-體積質(zhì)量出現(xiàn)第一次峰值，為0.068 08 mg/L;11月14日，現(xiàn)第二次峰值，為0.068 25 mg/L;11月18—22日期間連續(xù)出現(xiàn)3次峰值，最大值為0.082 41 mg/L，其余2次分別為0.068 76，0.068 50 mg/L;11月25日出現(xiàn)第6個(gè)峰值，為0.082 18 mg/L;之后Cl-體積質(zhì)量回歸到背景值直至試驗(yàn)結(jié)束(圖3、表1)。

圖3 巨木村出口Cl－歷時(shí)曲線Fig.3 Duration curve of Cl-at the outlet of the Jumu river

表1 示蹤試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the tracer test

據(jù)圖3，第一、第二、第三峰值之間以及第五和第六峰值之間出現(xiàn)背景值平臺(tái)和第三峰值的“鈍峰”形態(tài)，表明地下水水力坡度較小，并且地下河管道中發(fā)育有規(guī)模較大且形態(tài)極不規(guī)則的地下溶潭，導(dǎo)致攜高密度示蹤劑的地下水在含水介質(zhì)中的運(yùn)移產(chǎn)生了“沉積擠壓”現(xiàn)象。先期到達(dá)的含示蹤劑水流應(yīng)為裂隙流或規(guī)模較小的管流，在溶潭內(nèi)滯留下沉、被稀釋?zhuān)罄m(xù)水流的匯入使溶潭內(nèi)的積水按照“蓄滿產(chǎn)流”原則溢出，故第一、二峰值顯示微弱，衰減時(shí)間較長(zhǎng)，與背景值的差值小。第三峰值應(yīng)為規(guī)模相對(duì)較大的管流，水流集中，流量大，攜帶的示蹤劑較多，雖為稀釋后的“鈍峰”，但數(shù)值與背景值間的差距明顯拉大，管流旁側(cè)的裂隙流所含少量示蹤劑則產(chǎn)生了一系列小波峰。最后一個(gè)峰值亦為管流所致，其“尖峰”的形態(tài)與之前波峰間存在的背景值平臺(tái)，表明管道上另發(fā)育有溶潭，但規(guī)模較小。據(jù)此，巨木村地下河出口接收的Cl－體積質(zhì)量變化曲線具有多峰、不連續(xù)的特點(diǎn)，表明投放點(diǎn)和接收點(diǎn)之間，地下水賦存于管道、廊道、裂隙、溶潭組合而成的地下空間形成了管道流與溶蝕裂隙流交織的網(wǎng)狀地下水系(韓至鈞等，1996)，各通道的彎曲度、寬窄、長(zhǎng)短以及過(guò)水流量的差別，使示蹤劑在不同管道中的運(yùn)移速度產(chǎn)生差異，致使Cl-峰值體積質(zhì)量到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間不一致，顯示地下河管道呈多枝狀結(jié)構(gòu)。

綜合水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，投劑點(diǎn)355號(hào)地下河天窗(圖4)，洞內(nèi)地下水水位高程837.2 m，其北西側(cè)出水處為寬大的裂隙，中段投劑處為溶潭，至南東側(cè)演變成廊道，地下水由此進(jìn)入拉掃谷地，谷地內(nèi)發(fā)育有規(guī)模、形態(tài)與355號(hào)天窗近似的355－1、356及357天窗和豎井，經(jīng)觀測(cè)，地下水水位平均高程約830 m，投劑點(diǎn)與之水位高差7.2 m。而水淹壩溶盆地面高程為850～853 m，地下水水位高程為828～830 m，與拉掃寨谷地地下水之間的水力坡度極小，并且因匯集了望窩地下河后水流增大，致使含示蹤劑的地下水被稀釋。經(jīng)對(duì)溶盆北側(cè)發(fā)育天窗、豎井形態(tài)及沿地下河主管道延伸方向產(chǎn)生地面塌陷的分析，推測(cè)水淹壩隱伏有較大規(guī)模且形態(tài)極不規(guī)則的溶潭。據(jù)此，示蹤試驗(yàn)結(jié)果基本印證了調(diào)查結(jié)論，求證了巨木地下河系統(tǒng)含水介質(zhì)的組合特征(韓至鈞等，1996;王偉等，2006)。

圖4 拉掃地下河天窗縱剖面示意圖Fig.4 Schematic section of skylight for the Lasao underground river

3.2 地下河水動(dòng)力特征分析

地下河水力坡度由下式計(jì)算：

式(1)中：I為地下河水力坡度;H1為地下河上游水位高程，m;H2為地下河下游水位高程，m;L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度或地下河上游至出口段的距離，m。

西混支流：西混谷地的水位高程為845 m，水淹壩溶盆內(nèi)地下水水位高程為830 m，兩地相距2.1 km，水力坡度7.14‰;水淹壩溶盆與西混出口相距1.4 km，出口高程815 m，地下河水力坡度10.7‰。

抵塘支流：355號(hào)地下河天窗內(nèi)的地下水水位標(biāo)高837.2 m，巨木村出口高程815 m，兩者相距4.0 km，水力坡度為5.48‰。

地下河流速由下式計(jì)算：

式(2)中：V為地下河流速，m/h;S為地下河示蹤試驗(yàn)段投劑點(diǎn)—接收點(diǎn)的距離，m;t為示蹤劑峰值抵達(dá)時(shí)間，h。

示蹤試驗(yàn)以355號(hào)地下河天窗為投劑點(diǎn)，示蹤劑被觀測(cè)到的第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間距投放示劑時(shí)相隔168h，至最后一個(gè)峰值回歸背景值的時(shí)間相隔648h，計(jì)算出地下河流速為6.25～24.11 m/h。

3.3 回收率

示蹤試驗(yàn)至最后一個(gè)峰值出現(xiàn)共持續(xù)648h，體積質(zhì)量最高峰值為0.082 41 mg/L，扣除背景值后，試驗(yàn)期間Cl-峰值體積質(zhì)量的平均值為0.017 65 mg/L。據(jù)觀測(cè)，該時(shí)段巨木村出口流量平均值為485.3 L/s，則Cl-回收量由下式計(jì)算：

式(3)中：M為示蹤劑回收量，kg;ΔC為Cl-峰值體積質(zhì)量與背景值間的差值，mg/L;t為Cl-峰值體積質(zhì)量持續(xù)時(shí)間，s;Q為試驗(yàn)期間巨木地下河出口平均流量，L/s。

按(3)式計(jì)算，得Cl-回收量為19.98 kg。

NaCl分子量為58.5，Cl-所占比例為0.606 8，投放1 000 kg食鹽，Cl-回收量即為606.8 kg。令回收率為100%，則Cl-回收率為：

回收率過(guò)低系地下水水力坡度緩以及地下河管道上發(fā)育的溶潭所致。流速較緩的地下水進(jìn)入溶潭，后者會(huì)對(duì)集中水流產(chǎn)生分散效應(yīng)致使其滯留，滯留時(shí)間與地下河流量大小呈正相關(guān)關(guān)系，示蹤劑因此被稀釋導(dǎo)致體積質(zhì)量大大降低。

此外，根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查成果，大洞腳出口在豐水期和平水期排泄的地下水所形成的地表河水流正常，但枯水期卻出現(xiàn)河水向地下河出口方向倒流的情形，表明排泄口附近存在滲漏點(diǎn)。豐水期和平水期排泄量遠(yuǎn)大于滲漏量時(shí)，未現(xiàn)河水異常流動(dòng)現(xiàn)象;枯水期排泄量大幅減少，排泄口附近能見(jiàn)到微弱的水流漩渦，推測(cè)此間發(fā)育的管道具多層性(陳革平等，2002)。據(jù)此推斷，巨木地下河系統(tǒng)全部或局部尤其是水淹壩溶盆亦具多層特征，故不排除示蹤劑含量高的地下水在流經(jīng)多層管道發(fā)育段時(shí)有向下層管道滲漏的可能。

3.4 地下河管道體積估算

示蹤試驗(yàn)段地下河管道體積與試驗(yàn)期間巨木村出口排泄水量的體積等同，示蹤劑投放時(shí)間至Cl-體積質(zhì)量峰值到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)地下河排泄量計(jì)算式：

式(4)中：V為地下河管道體積，m3;Q為試驗(yàn)期間巨木村出口排泄量，L/s;t1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間，s;t0為Cl-體積質(zhì)量時(shí)間，s。

從10月28日投劑開(kāi)始至11月27日Cl-最后一個(gè)峰值體積質(zhì)量曲線尾支過(guò)拐點(diǎn)趨于平穩(wěn)，與之相對(duì)應(yīng)的巨木村出口地下河排泄量可剖分出8個(gè)區(qū)塊，各區(qū)塊地下河排泄量總和即可近似代表地下河管道體積，即：

式(5)中：Vi為各區(qū)塊地下河排泄量。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)段地下河管道體積為124.2萬(wàn)m3(表2)。

表2 試驗(yàn)段地下河管道體積Table 2 Pipeline volume of underground river in the test section

3.5 巨木與西混地下河的水力聯(lián)系

示蹤試驗(yàn)開(kāi)展期間為平水期，經(jīng)檢測(cè)，巨木村出口水質(zhì)中Cl-體積質(zhì)量背景值為0.055 38 mg/L，并接收到6次Cl-體積質(zhì)量變化信息，而西混出口僅檢測(cè)到0.027 69 mg/L的Cl-背景值體積質(zhì)量，表明2條地下河在平水期不具水力聯(lián)系。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)段Cl-體積質(zhì)量變化曲線顯示，巨木地下河呈多支、網(wǎng)絡(luò)狀，通過(guò)計(jì)算得到的地下水流速(6.25～24.11 m/h)，水力坡度(5.48‰)，示蹤劑回收率(3.3%)3個(gè)參數(shù)，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析，系統(tǒng)內(nèi)含水介質(zhì)以管道、廊道、裂隙及溶潭的組合為特征。

(2)以地下河排泄量進(jìn)入衰減的平水期巨木村出口觀測(cè)流量與示蹤試驗(yàn)成果相對(duì)應(yīng)，估算試驗(yàn)段地下巖溶空間為124.2萬(wàn)m3，表明試驗(yàn)段地下河管道空間調(diào)蓄地下水的能力較強(qiáng)，具有筑壩成庫(kù)的條件。

(3)根據(jù)示蹤試驗(yàn)成果，巨木與西混地下河在平水期系自成體系、相互獨(dú)立的2條地下河，但不排除豐水期水位上漲后兩者間產(chǎn)生水力聯(lián)系。

(4)巨木村出口高程815 m，為低位地下河，地下水直接利用的受益面窄且不具規(guī)?；?。因此應(yīng)充分利用其管道空間，壩頂高程以水淹壩高程為閾值，在出口筑壩提高地下河水位，然后采用“蓄、提、輸”的方式擴(kuò)大供水范圍，以實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；?。

陳革平，王偉，梅樹(shù)權(quán)，等.2002.貴州巖溶石山地區(qū)地下水資源勘察與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.貴州貴陽(yáng)：貴州地質(zhì)工程勘察院.

鄧誼明，汪繼峰.2007.八子嶺隧道牛鼻子暗河示蹤試驗(yàn)成果分析［J］.鐵道勘查，(3)：11－14.

韓至鈞，金占省.1996.貴州省水文地質(zhì)志［M］.北京：地震出版社.

韓行瑞.1997.巖溶單元流域綜合開(kāi)發(fā)與治理［M］.廣西桂林：廣西師范大學(xué)出版社.

何師意.2009.高精度地下水示蹤技術(shù)及其應(yīng)用［J］.地球?qū)W報(bào)，30(5)：673－678.

劉興云.2006.地下水多元示蹤試驗(yàn)在巖溶地區(qū)的應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，20(2)：67－70.

李慶，楊丹.2010.示蹤試驗(yàn)在暗河調(diào)查中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，32(1)：503－506.

孫恭順.1988.常用地下水聯(lián)通試驗(yàn)方法［M］.貴州貴陽(yáng)：貴州人民出版社.

王偉，巴特爾，楊義林，等.2006.貴州典型地區(qū)巖溶地下水調(diào)查與地質(zhì)環(huán)境整治示范：大小井巖溶流域［R］.貴州貴陽(yáng)：貴州地質(zhì)工程勘察院.

萬(wàn)偉峰.2010.沁河河口村水庫(kù)庫(kù)區(qū)巖溶滲漏示蹤試驗(yàn)研究［J］.資源環(huán)境與工程，24(5)：496 －500.

鄭克勛.2009.多元連通試驗(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，23(4)：63－68.