高分辨率示蹤技術(shù)和定量計(jì)算在巖溶含水介質(zhì)研究中的應(yīng)用

陳峰 楊平恒 詹兆君 任娟

摘 要：為了更好開(kāi)發(fā)和利用地下水資源，以重慶市金佛山為研究對(duì)象，進(jìn)行高分辨率示蹤試驗(yàn)，定量計(jì)算了流域地下水及含水介質(zhì)特征。結(jié)果顯示，熒光素鈉較天來(lái)寶具有更高的回收率，在反映含水介質(zhì)形態(tài)特征方面的適用性更好?？菟竟?jié)的地下水流速較慢。示蹤劑穿透曲線為雙峰型，表明試驗(yàn)段巖溶含水通道單一，存在兩條并聯(lián)通道，但支通道規(guī)模較小。

關(guān)鍵詞：巖溶地下水 示蹤技術(shù) 穿透曲線 巖溶含水介質(zhì) 金佛山

水是生命之源，生產(chǎn)之要。地下水是我國(guó)西南巖溶地區(qū)當(dāng)?shù)鼐用裰匾纳钏?。然而由于巖溶地區(qū)“水在樓下，土在樓上”的水土資源空間配置格局以及巖溶含水介質(zhì)的復(fù)雜性和不均勻性，地下水分布極不均勻，當(dāng)?shù)鼐用駥ふ宜础⒗盟蠢щy。因此，研究巖溶含水介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)成為開(kāi)采和保護(hù)當(dāng)?shù)氐叵滤吹年P(guān)鍵點(diǎn)。本文以重慶市金佛山為研究對(duì)象，利用高分辨率示蹤試驗(yàn)為突破口。示蹤試驗(yàn)常被用來(lái)作為尋找地下水流域邊界、地下水補(bǔ)給源、污染源、獲取巖溶含水介質(zhì)特征和相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)的重要途徑。通過(guò)野外試驗(yàn)，分析示蹤劑穿透曲線特征，研究了金佛山水房泉流域試驗(yàn)段含水介質(zhì)幾何形態(tài)和水文地質(zhì)參數(shù)，以期為地下水資源保護(hù)和利用提供技術(shù)支持。

1.研究區(qū)概況

金佛山位于重慶南川區(qū)，為典型的巖溶地貌、國(guó)家5A級(jí)景區(qū)、世界自然遺產(chǎn)。水房泉位于海拔2050m的金佛山西坡陡崖上，地質(zhì)構(gòu)造上呈傾角很小的寬緩向斜，多年平均流量為4-5 L/s，向西最終匯入地表河。泉水主要受大氣降水補(bǔ)給，主要通過(guò)地表洼地、消水洞，沿著巖層裂隙、層面和管道運(yùn)移，下部龍?zhí)睹合蹈羲畬?，因局部裂隙、?jié)理發(fā)育，部分水流沿層面滲流，流至更深的地下含水層中。流域內(nèi)有一個(gè)NE-SW向分布的大型洼地，洼地底部相對(duì)較為平坦。

2.野外試驗(yàn)

本次試驗(yàn)儀器使用GGUN-FL30型野外自動(dòng)化熒光儀。選用熒光素鈉和天來(lái)寶為示蹤劑。水房泉流域1#落水洞為示蹤劑投放點(diǎn)，水房泉口為接收點(diǎn)。1#落水洞到水房泉之間的直線距離為525m。示蹤儀安裝于水房泉的出口，時(shí)間為2017年1月15日9：00，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔設(shè)置為5min。將溶于水的100.6g熒光素鈉和161.9g天來(lái)寶投入落水洞中，時(shí)間為2017年1月17日14：40。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為2017年2月14日12：45。利用美國(guó)環(huán)保署研發(fā)的Qtracer2軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)定量解譯。相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下：

3.結(jié)果與分析

3.1兩種示蹤劑的對(duì)比

圖2為水房泉所接收到的熒光素鈉和天來(lái)寶穿透曲線。二者皆為雙峰型，形態(tài)大體一致，但仍有差別。熒光素鈉在投放后24.5h出現(xiàn)，42.8h后質(zhì)量濃度到達(dá)峰Ⅰ，此后迅速下降，并在71.3h出現(xiàn)微小回升，形成峰Ⅱ。而后持續(xù)下降直至恢復(fù)到背景值水平。熒光素鈉穿透曲線為對(duì)稱型，曲線平滑，拖尾現(xiàn)象不明顯。

天來(lái)寶初現(xiàn)時(shí)間約為26.1h，峰Ⅰ到達(dá)時(shí)間為47.6h。之后濃度波動(dòng)上升并在72.7h時(shí)形成峰Ⅱ，此后繼續(xù)下降并逐漸恢復(fù)到背景值（圖2）。與熒光素鈉穿透曲線相似，天來(lái)寶穿透曲線也出現(xiàn)兩個(gè)依次降低的峰，峰Ⅰ的濃度值為56.79μg/L，峰Ⅱ的濃度值為36.74μg/L，兩峰時(shí)間相差25.1h。熒光素鈉要先于天來(lái)寶到達(dá)接收點(diǎn)，同時(shí)熒光素鈉的峰Ⅰ和峰Ⅱ到達(dá)時(shí)間也要相應(yīng)早于天來(lái)寶峰Ⅰ和峰Ⅱ。與熒光素鈉質(zhì)量濃度的上升和下降速率相比，天來(lái)寶穿透曲線顯示其質(zhì)量濃度上升和下降速率偏慢，下降翼曲線更平緩，因而其穿透曲線也表現(xiàn)出較明顯的拖尾現(xiàn)象（圖2）。

3.2地下水流速

巖溶地下水含水介質(zhì)形態(tài)多樣，地下水在運(yùn)移過(guò)程中，流態(tài)變化也多樣。一般認(rèn)為示蹤劑初現(xiàn)時(shí)的流速為地下水的最大流速，峰值出現(xiàn)時(shí)的流速為平均流速。結(jié)合熒光素鈉的初現(xiàn)時(shí)間和峰Ⅰ的到達(dá)時(shí)間，利用式（2）和式（3），計(jì)算得到試驗(yàn)期間地下水最大流速和平均流速分別為32.14m/ h和18.4m/h。與吳月霞在2006年9月的示蹤試驗(yàn)結(jié)果相比，此次所得到的地下水流速較慢，反映了枯水季節(jié)的巖溶地下水水文特征。

3.3含水介質(zhì)類(lèi)型分析

示蹤劑穿透曲線形態(tài)主要受含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的影響。雙峰曲線反映了投放點(diǎn)和接收點(diǎn)之間有兩條通道，曲線峰值的大小和時(shí)間順序反映了投放點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的過(guò)水通道在長(zhǎng)度、寬度，以及地下水流量上的差別。圖2可知熒光素鈉和天來(lái)寶的質(zhì)量濃度穿透曲線為一個(gè)大峰疊加小峰，兩峰峰值到達(dá)時(shí)間相差較小，是一個(gè)連續(xù)的雙峰曲線。推測(cè)巖溶含水介質(zhì)為一個(gè)主管道并聯(lián)支管道或裂隙，并聯(lián)支通道的規(guī)模和水流都偏小，其來(lái)水對(duì)主管道示蹤劑濃度的疊加效應(yīng)較小。熒光素鈉穿透曲線左右較對(duì)稱，拖尾現(xiàn)象不明顯，表明試驗(yàn)段無(wú)溶潭發(fā)育（圖3）。

4.結(jié)論

本文利用高分辨率示蹤技術(shù)，定量獲得金佛山巖溶含水介質(zhì)幾何形態(tài)特征和相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，為金佛山景區(qū)巖溶地下水資源的勘探與保護(hù)提供技術(shù)支持。試驗(yàn)表明，選用熒光素鈉為示蹤劑效果更好。1#落水洞到水房泉段地下水最大流速為32.14m/h，平均流速為18.4m/h。雙峰型的示蹤劑穿透曲線表明1#落水洞至水房泉段含水介質(zhì)極不均勻，通道單一，為主管道并聯(lián)支管道模式，無(wú)溶潭發(fā)育。

[基金項(xiàng)目：2014年度重慶市國(guó)土房管科技計(jì)劃項(xiàng)目（CQGT-KJ-2014056）]

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