賀州市合寶地下河系統(tǒng)的定量示蹤試驗與分析

和爍榮, 辛衛(wèi)東, 康志強, 貝為昶

(1.四川省工程地質(zhì)勘察院,成都 610072; 2.陜西省地礦局地質(zhì)三隊,寶雞 721300;3.廣西壯族在自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,南寧 530023)

0 引言

巖溶含水介質(zhì)具有不均勻性，很難確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，長期以來是巖溶學(xué)界的研究熱點。目前，用于確定巖溶含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)特征的方法手段有暴雨后地下水流量衰減方程和地球化學(xué)過程[1-2]、放水脈沖試驗[3-4]、工程鉆孔[5]、物理探測[6-7]和示蹤實驗[8]等。隨著理論方法和技術(shù)的進(jìn)步，示蹤試驗已成為最為重要的手段之一，常被用來探尋巖溶地下河的管道網(wǎng)絡(luò)分布及地下水溶質(zhì)運移特征[9-12]、確定巖溶地下水系統(tǒng)邊界[13]、研究水庫滲漏途徑[14-15]及獲取水文地質(zhì)參數(shù)[16-17]等。在工作方法上，高精度在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，替代了傳統(tǒng)的試驗流程，在實踐中取得了很好的效果[18-20]。

2014年10月，在賀州市合寶地下河系統(tǒng)進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查中，在地下河管道上進(jìn)行示蹤試驗，使用瑞士紐沙泰爾大學(xué)開發(fā)的GGUN-FL30野外熒光分光光度計[21]進(jìn)行高精度在線示蹤監(jiān)測。之后，應(yīng)用Qtracer2軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲取了該地下河的管道結(jié)構(gòu)和水動力學(xué)條件的相關(guān)參數(shù)，為該地下河系統(tǒng)的數(shù)值模型建立提供了科學(xué)依據(jù)，對相似地質(zhì)條件下地下河系統(tǒng)示蹤試驗提供了參考。

1 研究區(qū)概況

合寶地下河系統(tǒng)位于廣西壯族自治區(qū)賀州市黃田鎮(zhèn)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為19.9 ℃，多年平均降雨量為1 550.3 mm。研究區(qū)內(nèi)洼地、消水洞、溶洞、地下河、石林分布，為峰叢洼地谷地地貌，出露泥盆系信都組(D2x)細(xì)砂巖、石英砂巖夾粉砂巖及泥盆系東崗嶺組(D2d)、泥盆系巴漆組(D2-3b)、泥盆系融縣組(D3r)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r或夾白云巖。洼地底部高程120～150 m，山峰頂部高程355～683 m。合寶地下河入口(S1)位于合寶村SE120 °方向700 m處，地層為泥盆系上統(tǒng)融縣組(D3r)，發(fā)育灰?guī)r夾少量白云巖，巖層產(chǎn)狀185°∠40°。匯集了來自北側(cè)和東側(cè)、發(fā)源于姑婆山花崗巖地區(qū)的地表河流(圖1)，經(jīng)此入口進(jìn)入地下后，以管道流的形式向SW210°方向徑流。該地下河入口呈近圓形，巖溶管道洞頂距地表30 m左右。

D2x. 泥盆系信都組； D2d. 泥盆系東崗嶺組； D2-3b. 泥盆系巴漆組； D3r. 泥盆系融縣組； ηγΚ2. 姑婆山巖組

目前，地下河管道上共有3個出口，即S2、S3和S4(S2和S4為地下河出口，S3為溢洪溶洞)，標(biāo)高分別為185 m、159 m和154 m。在洪水時節(jié)，S2和S3才會有水流出，只有S4常年有水出流。據(jù)調(diào)查，地下河管道沿NE向斷裂構(gòu)造發(fā)育。2008年以前，地下河主要從高程相對較高的S2出流。S3為砂錫礦全充填溶洞。2008年，在S3處開采砂錫礦的過程中，將NW向沿斷裂構(gòu)造發(fā)育的溶洞疏通，致使地下河絕大部分地下水從S3出流。后來，為了使S2處修筑的水利設(shè)施重新利用，對新開挖的S3處的洞口進(jìn)行封堵，以期恢復(fù)原有地下河形態(tài)。然而，蓄水過程抬高了地下水位，2008年12月22日，巖溶水擊穿S3出口東南側(cè)約150 m處農(nóng)戶的房屋地板，形成一個直徑0.5 m的洞口S4。湍急的水流將房屋西側(cè)的菜地沖毀，形成寬約3 m的渠道，地下河的水流都從S4流出，形成了如今的地下河管道形態(tài)。

2 研究方法

2.1 示蹤試驗

本次示蹤試驗以地下河入口S1為示蹤劑投放點。由于試驗期間S2處無水流出，因而監(jiān)測儀器安置于S4處，流量監(jiān)測點位于S3和S4水流交匯的地方，可控制2個點的地下水排泄量。試驗過程中地下河流量相對穩(wěn)定，多次實測平均流量為168 L/s。

示蹤試驗選用物化性質(zhì)穩(wěn)定、水溶性好、無毒無臭無色的熒光素鈉作為示蹤劑。示蹤劑監(jiān)測儀采用瑞士紐沙泰爾大學(xué)研制的GGUN-FL30型野外熒光分光光度計[21]，熒光素鈉的檢出分辨率為0.02 μg/L。試驗前測得地下河出口S4處熒光素鈉的背景值為0.33 μg/L。

自2014年10月21日11時始，至10月26日19時，本次試驗共計在線監(jiān)測104 h，試驗監(jiān)測時間間隔為900 s。示蹤劑熒光素鈉用量為500 g，在20 L塑料桶中加水?dāng)嚢?，完全溶解后，瞬時投入水中。在監(jiān)測期間，在儀器監(jiān)測處每天早晚各一次人工取樣。經(jīng)室內(nèi)測試，熒光素鈉濃度值與儀器實時測量數(shù)據(jù)基本吻合，說明整個測試過程中儀器工作正常。

2.2 數(shù)據(jù)估算方法

本文對示蹤試驗獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理所用軟件是美國國家環(huán)境保護(hù)局研發(fā)的Qtracer2[22]。根據(jù)高分辨率的示蹤試驗數(shù)據(jù)，Qtracer2不但能計算出諸如地下水的最快流速、平均流速等常規(guī)的參數(shù)，結(jié)合流量數(shù)據(jù)，還可以從中計算出示蹤劑的回收率、巖溶管道的幾何形態(tài)特征參數(shù)和水力參數(shù)等指標(biāo)(表1)。

表1 參數(shù)計算公式及說明[22]Tab.1 Parameter calculation formula and instructions[22]

3 示蹤試驗結(jié)果與示蹤劑回收

3.1 示蹤試驗結(jié)果

通過對示蹤試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集整理后發(fā)現(xiàn)，投放示蹤劑12.57 h后示蹤劑濃度開始上升，在34.32 h示蹤劑濃度達(dá)到最大，在103.57 h后示蹤劑濃度降到背景值且在后幾天的監(jiān)測中未見有示蹤劑再次出現(xiàn)。監(jiān)測表明散射濁度、溫度和電導(dǎo)率均未出現(xiàn)異常，散射濁度(Nephelometric Turbidity Unit,簡稱NTU)變化范圍為1.03～4.98，溫度變化在21.62～22.71 ℃之間，電導(dǎo)率為189.63～221.14 μS/cm。濁度、溫度和電導(dǎo)率的波動變化幅度小，表明在監(jiān)測期間水流量穩(wěn)定，并無外源水匯入。在剔除背景值后得到示蹤劑熒光素鈉的穿透曲線(圖2)，其與模型匹配的相關(guān)系數(shù)R2=0.98，可信度很高。熒光素鈉在地下水中出現(xiàn)的時間為91.00 h，因而可以判定合寶地下河入口S1與出口S4之間存在水力聯(lián)系； 地下河的最大流速為156.00 m/h，平均流速為48.09 m/h。

圖2 接收點(S4)示蹤劑穿透曲線Fig.2 Tracer breakthrough curves of receiving point S4

3.2 示蹤劑回收情況及其他水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)表1中提到的公式②進(jìn)行計算得到示蹤劑在上塘地下河出口S4處的回收量為315.88 g，即熒光素鈉的回收率為63.18%。

運用公式③～⑨進(jìn)行計算獲得相應(yīng)的水力參數(shù)(表2)。

表2 由熒光素鈉的穿透曲線獲得的水力參數(shù)值Tab.2 Hydraulics parameters obtained by breakthrough curves of fluorescein sodium

4 討論

本次示蹤試驗熒光素鈉的穿透曲線呈現(xiàn)出單峰特征，說明其管道流占主要部分。但其峰值的出現(xiàn)過程中曲線并非穩(wěn)步上升和穩(wěn)步下降，斜率的變化比較明顯，說明該管道出現(xiàn)局部承壓特征，而且在峰值曲線下降之后有一個不明顯的峰值,這說明水流的方向并不單一，存在支流。穿透曲線的拖尾較短，說明其地下巖溶發(fā)育呈單一管道型，不存在較大的溶潭，這是因為若存在一個或多個溶潭，示蹤劑經(jīng)過溶潭時會進(jìn)行彌散和稀釋再運移，其結(jié)果會導(dǎo)致示蹤劑的運動時間拖長[8]。示蹤劑的回收率為63.18%。經(jīng)調(diào)查，地表沒有其他明顯的排泄出口，說明該地下河存在地下潛流，地下水以分散流的形式向地表水體排泄。

合寶地下河管道儲水量為26 714 m3，過水?dāng)嗝婷娣e13.70 m2，管道儲水平均直徑4.18 m，管道平均直徑3.28 m，與實際調(diào)查數(shù)據(jù)相吻合。

濃度穿透曲線陡，表征彌散距離長，緩則表征真實的彌散距離反而短[8]。合寶地下河系統(tǒng)彌散系數(shù)0.505 m2/s，縱向彌散度37.81 m，并且示蹤劑濃度曲線為較陡，說明該地下河系統(tǒng)內(nèi)巖溶發(fā)育不均一性強，示蹤劑彌散距離較長且速率較大。

雷諾數(shù)的大小可用來判明所研究水流的型態(tài)。雷諾數(shù)小表征著流體流動時各質(zhì)點間的黏性力占主導(dǎo)地位，流體的各質(zhì)點沿平行于管路內(nèi)壁進(jìn)行有規(guī)則的流動，呈現(xiàn)層流流動狀態(tài)； 雷諾數(shù)大表征著慣性力占主導(dǎo)地位，流體呈現(xiàn)紊流(亦稱湍流)狀態(tài)。一般而言，管道的雷諾數(shù)NR<2 000為層流狀態(tài)，NR=2 000～4 000為過渡狀態(tài)，NR>4 000為紊流狀態(tài)[23]。計算得到的雷諾數(shù)為48 937，遠(yuǎn)大于4 000，表明合寶地下河系統(tǒng)的地下水為典型的紊流型態(tài)。如此高的雷諾數(shù)也表明地下水流動極不穩(wěn)定，流速的微小變化很容易發(fā)展、增強，形成紊流、不規(guī)則的紊流流場。

摩擦系數(shù)表征地下河管道與水的相互作用，反映含水層介質(zhì)對水流速減弱作用。通過經(jīng)驗公式估算得出摩擦系數(shù)是0.178，表明地下河管道內(nèi)部凸起或凹陷處很多，差異溶蝕明顯，說明合寶地下河管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這在前文調(diào)查訪問資料中也可以得到印證。

5 結(jié)論

通過本次示蹤試驗，輔助野外調(diào)查手段，基本上查明了合寶地下河管道的空間展布狀況及運移于其中的地下水徑流參數(shù)。

(1)合寶地下河入口S1與出口S4之間地下河以管道流為主要特征，結(jié)構(gòu)相對簡單，不存在溶潭等地下儲水體。試驗期間，合寶地下河約有63.18%的水流從出口S4排泄。由于地表調(diào)查未發(fā)現(xiàn)其他集中排泄出口，說明該地下河內(nèi)存在地下潛流，有少部分地下水以分散流的形式向地表水體排泄。

(2)合寶地下河枯季水流的最大流速為156.00 m/h，平均流速為48.09 m/h，巖溶管道儲水量為26 714 m3，管道過水?dāng)嗝婷娣e為13.70 m2，管道平均直徑為4.18 m，彌散系數(shù)為0.505 m2/s，縱彌散度為37.81 m，摩擦系數(shù)為0.178，雷諾數(shù)為48 937，舍伍德數(shù)為1 875.4，施密特數(shù)為1 140。上述數(shù)據(jù)為該地下河系統(tǒng)的數(shù)值模型的建立提供了依據(jù)。

(3)示蹤試驗結(jié)果表明，合寶地下河巖溶極其發(fā)育，含水介質(zhì)具有較大的不均一性。受制于共軛斷裂構(gòu)造，發(fā)育規(guī)模較大的單一管道系統(tǒng)； 地下水流態(tài)呈紊流型，且局部具備承壓特征。