巖溶地下河濁度來源及對示蹤試驗(yàn)影響的定量分析

趙良杰,夏日元,易連興,楊 楊,王 喆,盧海平

1)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;2)國土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004

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巖溶地下河濁度來源及對示蹤試驗(yàn)影響的定量分析

趙良杰1,2),夏日元1),易連興1),楊 楊1,2),王 喆1,2),盧海平1,2)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西桂林 541004;2)國土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004

摘 要:定量示蹤技術(shù)是分析巖溶含水層水力特征和巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要手段,地下河濁度是制約定量示蹤試驗(yàn)精確性的關(guān)鍵因素。針對西南典型巖溶地下河,以三次不同水動(dòng)力條件下示蹤試驗(yàn)為研究對象,通過對比分析濁度、流量及示蹤劑濃度變化探討濁度來源及其對示蹤劑和管道參數(shù)的影響。試驗(yàn)過程中,確定存在上、下臨界流量使水流從層流過渡為紊流狀態(tài),濁度主要來源從管道內(nèi)部再懸浮顆粒過渡為外源懸浮物,計(jì)算上、下臨界流量分別為0.7 m3/s和0.4 m3/s。通過濁度與示蹤劑的相關(guān)關(guān)系研究濁度對示蹤劑的影響,結(jié)果表明當(dāng)濁度大于25時(shí),濁度與示蹤劑濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且濁度越大,對示蹤劑的影響越大。最后通過對比確定,第一次示蹤試驗(yàn)濁度影響較小,并估算了巖溶管道參數(shù),為進(jìn)一步水資源評價(jià)提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:定量示蹤試驗(yàn);地下河濁度;示蹤劑;巖溶管道

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本文由國土資源部公益性行業(yè)專項(xiàng)(編號:201411100)和中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號:1212011220959)聯(lián)合資助。

巖溶含水介質(zhì)由高滲透性管道和低滲透性基巖裂隙構(gòu)成,導(dǎo)致物質(zhì)能量交換多集中于巖溶管道內(nèi)(Morales et al.,2010)。傳統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)和地下水流方程不能精確刻畫管道中的非達(dá)西流(Ghasemizadeh et al.,2012),而定量示蹤技術(shù)能夠提供管道內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移和含水層水文地質(zhì)參數(shù)信息,是進(jìn)行巖溶區(qū)水資源評價(jià)的重要途徑和方法(Perrin et al.,2008;陳余道等,2013;Lauber et al.,2014)。Field(2002)開發(fā)QTRACER2程序用于分析巖溶含水層示蹤試驗(yàn)穿透曲線,Goldscheider(2005)利用多元示蹤試驗(yàn)推斷非均質(zhì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)對巖溶排泄和補(bǔ)給過程的影響,Ruffino(2015)通過數(shù)值模型擬合示蹤劑穿透曲線描述了水流的動(dòng)力特征。魯程鵬等人(2009)基于示蹤技術(shù)估算了巖溶含水層滲透系數(shù)和天然徑流量。然而,在應(yīng)用示蹤技術(shù)過程中,地下河濁度的大小制約了對含水層結(jié)構(gòu)特征和巖溶水文地質(zhì)參數(shù)推求的準(zhǔn)確性(Nebbache et al.,2001;汪進(jìn)良等,2005;Fournier et al.,2007)。通常在線示蹤技術(shù)選取熒光素鈉和羅丹明B為示蹤劑(楊平恒等,2008),濁度是影響兩種示蹤劑濃度的關(guān)鍵因素,尤其在單次降雨過程后,地下河濁度變化較大,濁度相對示蹤劑濃度影響較大。本次研究選取不同濁度條件下多組示蹤試驗(yàn)為研究對象,通過對比濁度、流量和示蹤劑濃度定量分析地下河濁度來源及其對示蹤劑濃度的影響,并結(jié)合QTRACER2程序計(jì)算研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù),為該區(qū)水資源評價(jià)和建立數(shù)值模型提供科學(xué)基礎(chǔ)。

寨底地下河流域位于桂林市東部靈川縣境內(nèi),坐標(biāo)為110°31′25.71″—110°37′30″E和25°13′26.08″—25°18′58.04″N之間,是西南典型巖溶流域之一。流域面積約31.05 km2,多年平均降水量為1601.1 mm,年平均氣溫為17.5℃。地表溪溝和地下管道非常發(fā)育,大部分區(qū)域?qū)儆诜鍏餐莸?地形高程260～820 m。根據(jù)含水介質(zhì)特征,寨底地下河系統(tǒng)包括孔隙水、裂隙水和巖溶水。系統(tǒng)內(nèi)巖溶區(qū)面積32.5 km2,其中碎屑巖區(qū)面積3.53 km2。匯水區(qū)域所包圍的東村組(D3d)、桂林組(D3g)、塘家灣組(D2t)等巖溶區(qū)巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r或白云巖,其間未發(fā)現(xiàn)有一定厚度的隔水巖層或相對隔水層,構(gòu)成一個(gè)巖溶含水系統(tǒng),寨底地下河出口G047為唯一總排泄口(圖1)(易連興等,2012)。

圖1　示蹤試驗(yàn)區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tracer test area

1 試驗(yàn)方法

本次示蹤試驗(yàn)點(diǎn)選取流域內(nèi)南部區(qū)域,投放點(diǎn)位于響水巖(G037)天窗,接收點(diǎn)位于寨底(G047)地下河出口,該地下河段為長度約2 km的巖溶管道。本次試驗(yàn)選取熒光素鈉和羅丹明B做為示蹤劑,其中熒光素鈉(C20H10Na2O5)分子量為376.27,水溶液呈綠色,帶極強(qiáng)的黃綠熒光,20℃水溶解性500 g/L,含量不少于90%;羅丹明B(C28H31ClN2O3)分子量為479.01,水溶液呈藍(lán)紅色,稀釋后有強(qiáng)烈熒光,純度規(guī)格為分析純。試驗(yàn)過程中將示蹤劑溶解于20 L的塑料桶中,充分?jǐn)嚢韬笠淮涡酝度腠懰畮r天窗內(nèi),示蹤劑使用量通過充分考慮出口流量大小、徑流距離和估計(jì)所需時(shí)間等因素,同時(shí)考慮對水體污染和人畜用水安全等最終確定。試驗(yàn)采用GGUN-FL24野外熒光計(jì)在寨底地下河出口自動(dòng)監(jiān)測溶液濃度和濁度變化,每15分鐘記錄一次數(shù)據(jù);使用Mini-diver地下水位自動(dòng)監(jiān)測儀監(jiān)測響水巖和寨底的水位、水溫變化情況,每1小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。在寨底地下河出口處設(shè)立矩形薄壁型,通過水位變化計(jì)算流量過程曲線。為闡明濁度對示蹤劑的影響,本次研究選取三次示蹤試驗(yàn)進(jìn)行定量分析。表1為三次示蹤試驗(yàn)基本信息。濁度變化情況和地下河出口濃度回收曲線見圖2。

2 結(jié)果分析討論

2.1 地下河濁度來源分析

探討巖溶地下河濁度與流量的關(guān)系是分析巖溶水動(dòng)力特征和溶質(zhì)運(yùn)移特性的重要手段。通常在一次降雨過程后,巖溶區(qū)地下河濁度主要來源于兩種懸浮顆粒物,即外源和內(nèi)源。外源是指地表的土壤、大氣粉塵等隨地表徑流進(jìn)入地下河而直接運(yùn)移至出口的外源懸浮物(包括微生物),內(nèi)源是指沉積于巖溶管道內(nèi)部,隨本次降雨重新進(jìn)入地下河而形成的再懸浮顆粒物(Peterson et al.,2003;楊平恒等,2012)。當(dāng)?shù)叵潞映隹诹髁枯^小時(shí),管道內(nèi)水流呈層流狀態(tài),濁度主要來源于管道內(nèi)部的再懸浮顆粒物;反之流量較大時(shí),管道內(nèi)水流呈紊流狀態(tài),濁度主要來源于外源懸浮物(Valdes et al.,2006)。因此通過分析地下河濁度與流量的相關(guān)關(guān)系推斷臨界流量使水流從層流過渡為紊流狀態(tài),可判斷濁度的來源。圖3表示三次完整降雨過程后濁度與流量曲線變化。圖3a表示一次強(qiáng)降雨過后,流量較大時(shí)濁度變化情況,圖3b表示一次弱降雨過后,流量較小時(shí)濁度變化情況,圖3c表示多次連續(xù)降雨過后,流量波動(dòng)較大時(shí)濁度變化情況。從圖中可以看出,當(dāng)流量較大時(shí),地下河濁度與流量相關(guān)度較高,相反,流量較小時(shí)相關(guān)度較差。因此存在上臨界流量Qmax,滿足Q＞Qmax時(shí)水流屬于紊流狀態(tài),濁度與流量相關(guān)性較高,主要來源于外源懸浮物;存在下臨界流量Qmin,滿足Q＜Qmin時(shí)水流屬于層流狀態(tài),濁度與流量相關(guān)性較低,主要來源于內(nèi)部再懸浮物。通過不斷調(diào)整Qmax、Qmin,比較濁度與流量相關(guān)度,確定臨界流量狀態(tài)。圖4表示不同臨界流量狀態(tài)下濁度與流量相關(guān)系數(shù)曲線變化。

表1　響水巖—寨底示蹤試驗(yàn)Table 1 Tracer tests of Xiangshuiyan–Zhaidi area

圖2　示蹤劑濃度及濁度變化Fig.2 The change curve of tracers and turbidity

圖3　濁度及流量變化曲線Fig.3 The change curve of flow and turbidity

從圖4a中可以看出上、下臨界流量曲線拐點(diǎn)都出現(xiàn)在0.4m3/s處,因此確定Qmax=Qmin=0.4 m3/s;圖4b中顯示上臨界流量曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在0.6 m3/s處,下臨界流量曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在0.4 m3/s處,因此確定Qmax=0.6 m3/s,Qmin=0.4 m3/s;圖4c中顯示相關(guān)系數(shù)曲線在0.4 m3/s和0.7 m3/s處有突變,中間較為平緩。通過以上分析推測當(dāng)流量小于0.4 m3/s時(shí),水流屬于層流運(yùn)動(dòng),濁度主要來源于管道內(nèi)部再懸浮顆粒;當(dāng)流量大于0.7 m3/s時(shí),水流屬于紊流運(yùn)動(dòng),濁度主要來源于外源懸浮物。因此從圖2、圖3可以看出第一次示蹤試驗(yàn)示蹤劑回收時(shí)間自2014年8 月16日至19日流量較小,濁度主要來源于內(nèi)部再懸浮顆粒;第二次2015年1月12日至13日及第三次2015年2月7日至19日流量較大,濁度主要來源于外源懸浮物。但因不同地下河系統(tǒng)管道大小和結(jié)構(gòu)差異,可能導(dǎo)致臨界流量的不同,有待進(jìn)一步論證。

2.2 濁度對示蹤劑影響的定量分析

示蹤劑是由含有熒光物質(zhì)的分子吸收激發(fā)光而具有熒光特性,而地下河濁度對激發(fā)光具有散射作用從而降低熒光強(qiáng)度(李晉生等,1987)。圖2表示地下河濁度和示蹤劑濃度曲線,圖2a、c中可以看出濁度突變增大處,示蹤劑濃度急劇下降,當(dāng)濁度較平穩(wěn)時(shí),示蹤劑濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化。圖2b由于濁度較大,熒光素鈉回收濃度較低,且羅丹明B接收濃度為0。為明確濁度對示蹤劑的影響,將圖2a、c中突變處列于表2。計(jì)算相關(guān)系數(shù)可知,第一次示蹤試驗(yàn)濁度和熒光素鈉相關(guān)系數(shù)為–0.89,第三次示蹤試驗(yàn)濁度和熒光素鈉相關(guān)系數(shù)為–0.91,當(dāng)濁度從16.58增至71.32,羅丹明B從5.16×10-9降至0,可見濁度與示蹤劑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中詳細(xì)變化見圖5,6。

圖4　不同臨界流量狀態(tài)下濁度與流量相關(guān)系數(shù)曲線變化Fig.4 The change curve of correlation coefficients for flow and turbidity under the condition of different critical discharges

表2　示蹤試驗(yàn)濁度突變處示蹤劑變化表Table 2 The change curve of tracer in the mutations of turbidity

表3　QTRACER2程序參數(shù)估算表Table 3 The parameter estimation by QTRACER2 program

第二次示蹤試驗(yàn)由于示蹤劑濃度回收時(shí)濁度都大于60(圖2b),因此熒光素鈉回收濃度較小,且羅丹明B未接收到。由于第一次示蹤試驗(yàn)濁度較小,對熒光素鈉回收濃度影響較小,對比第一次和第二次熒光素鈉回收率(式1),從而明確濁度對熒光素鈉的影響(何師意等,2009;Mudarra et al.,2014)。

其中m表示回收量(g);i表示回收次數(shù);ci表示第i次回收濃度(×10-6);qi表示第i次流量(L3/s);t表示間隔時(shí)間(s)。利用式(1)計(jì)算三次熒光素鈉回收率分別為64.6%、20.6%、37.1%,第二次、第三次羅丹明B回收濃度分別為0、28.5%,可見第二次試驗(yàn)濁度對示蹤劑影響較大,回收率較低,第三次次之,第一次試驗(yàn)影響最小。從第三次熒光素鈉和羅丹明B回收率對比可知羅丹明B對濁度更為敏感。推測可能原因是由于羅丹明B分子量(479.01)比熒光素鈉高(376.27),濁度影響更多羅丹明B分子吸收激發(fā)光而降低了熒光強(qiáng)度。從圖2及表2中分析認(rèn)為當(dāng)濁度小于25時(shí),對示蹤劑基本無影響;當(dāng)濁度大于65時(shí),由于濁度影響較大,此時(shí)示蹤試驗(yàn)結(jié)果不能用于分析巖溶管道參數(shù)。

利用QTRACE2可分析第一次示蹤試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算管道參數(shù)見表3。

圖5　第一次試驗(yàn)突變處濁度與示蹤劑變化Fig.5 The change curve of tracer and turbidity in the mutations of turbidity for the first test

圖6　第三次試驗(yàn)突變處濁度與示蹤劑變化Fig.6 The change curve of tracer and turbidity in the mutations of turbidity for the third test

3 結(jié)論

本次研究以不同水動(dòng)力條件下三次示蹤試驗(yàn)為研究對象,通過高精度監(jiān)測手段定量分析了濁度來源及對示蹤試驗(yàn)的影響。通過地下河濁度和流量曲線分析了地下河出口濁度來源,計(jì)算出上、下臨界流量分別為0.7 m3/s、0.4 m3/s;當(dāng)流量大于上臨界流量時(shí),水流屬于紊流狀態(tài),濁度主要來源于外源懸浮物;當(dāng)流量小于下臨界流量時(shí),水流屬于層流狀態(tài),濁度主要來源于管道內(nèi)部再懸浮顆粒。然后對比分析了濁度與示蹤劑濃度曲線,認(rèn)為當(dāng)濁度小于25時(shí),濁度對示蹤劑基本無影響;當(dāng)濁度大于65時(shí),濁度與示蹤劑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且濁度對羅丹明B影響更大。最后估算了巖溶管道體積、彌散系數(shù)及平均流速等參數(shù),為進(jìn)一步水資源評價(jià)提供科學(xué)基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果較好地反映了西南典型巖溶地下河動(dòng)態(tài)特征,對于分析巖溶管道結(jié)構(gòu)及推求水文地質(zhì)參數(shù)有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

Acknowledgements:

This study was supported by Special Scientific Research Fund of Public Welfare Profession of Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China(No.201411100),and China Geological Survey(No.1212011220959).

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Quantitative Analysis of the Source and the Effect of Turbidity in Karst River on Tracer Test

ZHAO Liang-jie1,2),XIA Ri-yuan1),YI Lian-xing1),YANG Yang1,2),WANG Zhe1,2),LU Hai-ping1,2)
1)Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi 541004;
2)Karst Dynamics Laboratory of Ministry of Land Resources,Guilin,Guangxi 541004

Abstract:The quantitative tracer technique is an important method for analysis of geometrical and hydraulic characteristics of karst aquifer.Turbidity is the key factor for accuracy of tracer test although its source and relationship to tracers remain unclear.Three tracer tests under different hydrodynamic conditions were conducted for typical southwest karst underground rivers.Actual measurement data on turbidity,discharge and tracer concentration were analyzed to discuss the source and the effect of turbidity on tracers.During the test,the upper and lower critical discharge was proved to be existent,which caused the gradual transition from the laminar to turbulence and the transition of the main source of turbidity from resuspended origin to allochthonous origin.The values of upper and lower critical discharge were inferred to be 0.7 and 0.4 m3/s,respectively.The result shows that there is a negative correlation between turbidity and tracer concentration when the value of turbidity is greater than 25.With the increasing turbidity,the impact on the tracer concentration becomes greater.Finally,the karst conduit parameters were estimated by the first test which was relatively insignificantly influenced by the turbidity.The results achieved by the authors provide the basis for further water resource evaluation.

Key words:quantitative tracer test;underground river turbidity;tracer;karst conduit

作者簡介:第一趙良杰,男,1986年生。研究實(shí)習(xí)員。主要從事巖溶地下水資源評價(jià)研究。

通訊地址:541004,廣西桂林七星路50號。E-mail:zhaoliangjie@karst.ac.cn。

收稿日期:2015-05-05;改回日期:2015-10-21。責(zé)任編輯:閆立娟。

中圖分類號:P641.134;P641.74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.12