人工示蹤在巖溶地區(qū)水文地質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì) 蔣向東

一、引言

在巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察中，通過人工示蹤技術(shù)可確定巖溶區(qū)地下連通性、泉域范圍以及巖溶管道分布、形態(tài)、水力特征等，具有準(zhǔn)確性好、可信度高等優(yōu)勢，逐漸得到了廣泛應(yīng)用，本文主要圍繞此技術(shù)展開詳細(xì)分析。

二、人工示蹤技術(shù)原理

人工示蹤技術(shù)在國內(nèi)外巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察中得到了廣泛應(yīng)用，其主要是通過人工投放示蹤劑的方式，明確地下水流動(dòng)方向、判斷地下水來源，常見的示蹤劑包括熒光素類、鹽類以及漂浮物。在示蹤試驗(yàn)中，可溶性的示蹤劑會(huì)隨著水流發(fā)生對流、彌散，在投放點(diǎn)下游接收到示蹤劑后，對水流顏色、示蹤劑濃度變化進(jìn)行分析。目前，示蹤試驗(yàn)主要分為三種情況，分別是定性、半定量和定量，其中，定量分析要求對示蹤劑的濃度、流量等進(jìn)行測量、分析，繪制穿透曲線，并計(jì)算回收率、地下水視流速、溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)、介質(zhì)參數(shù)等，構(gòu)建示蹤劑運(yùn)移模型。

目前，國際上示蹤技術(shù)經(jīng)由長期發(fā)展，已經(jīng)成為巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察的常規(guī)方法，而國內(nèi)是在1990年后才開始示蹤技術(shù)的相關(guān)培訓(xùn)工作。經(jīng)由多年發(fā)展，我國于2007年建立了熒光素類示蹤劑檢測實(shí)驗(yàn)室，并引進(jìn)了示蹤劑野外監(jiān)測儀器，提高了示蹤技術(shù)應(yīng)用效率。目前，人工示蹤技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了推廣應(yīng)用，如在滇、黔、桂以及川、渝、鄂西、湘西、粵北的西南巖溶區(qū)水文地質(zhì)普查中，人工示蹤試驗(yàn)就是一項(xiàng)重要工作內(nèi)容，試驗(yàn)結(jié)果精確、可靠。

三、巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察中人工示蹤技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

（一）準(zhǔn)備工作

巖溶地區(qū)開展人工示蹤試驗(yàn)前，需基本掌握區(qū)域地形地貌、地質(zhì)條件與水文條件，檢查周圍環(huán)境是否存在洞穴、水流通道等。結(jié)合上述調(diào)查情況，合理選擇示蹤劑類型，并確定投放點(diǎn)、取樣點(diǎn)，優(yōu)化采樣方案。如，針對巖溶管道，可選擇熒光染料、多數(shù)陰離子、陽離子等穩(wěn)定示蹤劑，針對地下水運(yùn)移，可選擇曙紅、熒光素鈉等穩(wěn)定示蹤劑。示蹤劑使用量計(jì)算公式如下：

M=1.9×10-5×(L?Q?C)×0.95

式中：L—距離，單位：km；

Q—流量，單位：L/s；

C—預(yù)期峰值濃度，單位：μg/L。

（二）示蹤劑投放

巖溶地區(qū)人工示蹤技術(shù)的應(yīng)用過程中，合理投放示蹤劑十分關(guān)鍵，對此需構(gòu)建巖溶管道網(wǎng)絡(luò)，將洞穴水流作為示蹤劑投放點(diǎn)。當(dāng)現(xiàn)場勘察時(shí)，無法選到合適的示蹤劑投放點(diǎn)，可將示蹤劑投入到溶蝕裂隙、巖溶豎井內(nèi)，可采取瞬時(shí)投放或是持續(xù)注入的方法。其中，瞬時(shí)投放需在完成示蹤劑用量計(jì)算后，將其全部投入水流內(nèi)，由此繪制示蹤劑穿透曲線，并對水流內(nèi)污染物對地下水的影響進(jìn)行預(yù)測，也可確定水力特征，持續(xù)注入可有效提高采樣點(diǎn)示蹤劑濃度，便于勘察人員調(diào)查地下水污染情況。

（三）示蹤劑取樣

在綜合分析示蹤試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、巖溶區(qū)域水文環(huán)境等因素的基礎(chǔ)上，合理確定取樣位置，以觀測井、洞穴水流、抽水井等為宜，此外確定示蹤劑投放點(diǎn)后，隧道或地下洞穴內(nèi)滲水、滴水，都可作為包氣帶采樣點(diǎn)。在人工示蹤技術(shù)實(shí)際使用過程中，可多次取樣分析，掌握背景濃度變化情況。

（四）數(shù)據(jù)分析

在人工示蹤試驗(yàn)過程中，示蹤劑的投放、取樣以及數(shù)據(jù)分析過程中難免產(chǎn)生誤差，對此應(yīng)加強(qiáng)對取樣點(diǎn)、取樣時(shí)間的控制，準(zhǔn)確確定背景濃度特征等。通過持續(xù)觀測，可繪制濃度——時(shí)間穿透曲線，經(jīng)由分析掌握水流通道，判斷巖溶區(qū)域地下水文環(huán)境特征。

四、實(shí)例探析人工示蹤技術(shù)的應(yīng)用情況

（一）項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目為山嶺隧道工程，施工過程中需穿越巖溶地下暗河系統(tǒng)，根據(jù)地下暗河下游段水力梯度計(jì)算顯示，地下暗河在與隧道交叉點(diǎn)處標(biāo)高1088m，顯示暗河標(biāo)高與隧道標(biāo)高相當(dāng)或是略高，面臨較大的巖溶突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)，對此查明巖溶水文地質(zhì)情況、預(yù)測隧道涌水量具有重要意義。經(jīng)綜合分析，決定選擇人工示蹤技術(shù)進(jìn)行巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察工作，查明隧道泄水洞與暗河系統(tǒng)邊界，明確隧道集水面積，并進(jìn)一步識(shí)別暗河系統(tǒng)各個(gè)部位含水介質(zhì)導(dǎo)水性能，從而更為精確地開展隧道涌水量預(yù)測工作。

（二）人工示蹤試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

1.試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次人工示蹤試驗(yàn)的目的包括：（1）查明隧道泄水洞排水影響情況，確定泄水洞與地下暗河的系統(tǒng)邊界，確定隧道集水面積，并預(yù)測隧道涌水量。（2）繪制示蹤劑濃度歷時(shí)曲線，并識(shí)別暗河不同部位含水介質(zhì)特征，確定地下水平均流速等參數(shù)。

2.示蹤劑投放

本項(xiàng)目在暗河系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了5次地下水示蹤試驗(yàn)，具體投放與接收情況如下：（1）2次示蹤試驗(yàn)在鉆孔QY4、QY5投放示蹤劑，在暗河出口接收，揭示暗河主管道以東隧道圍巖含水介質(zhì)特征，并分析其與暗河管道的水力聯(lián)系程度。（2）3次示蹤試驗(yàn)在三處伏流入口投放示蹤劑，并在隧道泄水洞、暗河出口位置接收。本項(xiàng)目示蹤試驗(yàn)中，不同投放點(diǎn)投放不同的示蹤劑，并實(shí)施連續(xù)監(jiān)測工作，主要示蹤劑包括熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑，具體使用情況如下表1所示。本次選用GGUN-FL30野外熒光分光光度計(jì)開展連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測工作，監(jiān)測間隔10min，監(jiān)測精度0.02ppb。

表1 示蹤劑投放與接收位置

（三）人工示蹤試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）QY5#鉆孔示蹤試驗(yàn)。本次示蹤試驗(yàn)中，5#鉆孔與暗河出口之間的水平距離為1400m，示蹤劑在76h后達(dá)到峰值，然后緩慢下降。根據(jù)計(jì)算可得，5#鉆孔與暗河出口間平均地下水流速為442m/d，判斷5#鉆孔與暗河水力聯(lián)系較好，含水介質(zhì)主要為單一小型巖溶管道。

（2）QY4#鉆孔示蹤試驗(yàn)。本次示蹤試驗(yàn)中，4#鉆孔與暗河出口之間的水平距離為2150m，示蹤劑在297h后達(dá)到峰值，然后緩慢下降。根據(jù)計(jì)算可得，4#鉆孔與暗河出口間平均地下水流速為174m/d，判斷4#鉆孔與暗河存在水力聯(lián)系，含水介質(zhì)主要為溶蝕裂隙、小型巖溶管道。

（3）A伏流入口示蹤試驗(yàn)。本次示蹤試驗(yàn)中，A伏流入口與暗河出口之間的水平距離為8700m，示蹤劑在234h后達(dá)到峰值，然后緩慢下降。根據(jù)計(jì)算可得，A伏流入口與暗河出口間地下水平均流速892m/d，判斷此段地下暗河管道單一、徑流通暢，無大型水潭串聯(lián)。

（4）B伏流入口示蹤試驗(yàn)。本次示蹤試驗(yàn)中，B伏流入口與隧道突水點(diǎn)之間的水平距離為1250m，示蹤劑在200h后達(dá)到峰值，然后緩慢下降。根據(jù)計(jì)算可得，B伏流入口與泄水洞地下水平均流速150m/d，判斷此伏流與隧道存在水力聯(lián)系，含水介質(zhì)主要為溶蝕裂隙、小型巖溶管道。

（5）C伏流入口示蹤試驗(yàn)。本次示蹤試驗(yàn)中，C伏流入口與隧道突水點(diǎn)之間的水平距離為2500m，示蹤劑在252.5h后達(dá)到峰值（出現(xiàn)異常波動(dòng)），最高為150ppb，高處正常值100多倍，表明泄水洞接收到示蹤劑，經(jīng)分析主要是夜間暴雨所致，泄水洞出口河道上游雨水間歇性的混入了監(jiān)測儀器。經(jīng)計(jì)算，C伏流入口與泄水洞地下水平均流速為237m/d，判斷C伏流以南巖溶地下水被隧道泄水洞所襲奪，泄水洞的施工和長期泄水使得原本完整的暗河分化為兩個(gè)部分，減小了巖溶水系統(tǒng)匯水范圍，減輕巖溶突水突泥災(zāi)害。C伏流與隧道存在水力聯(lián)系，含水介質(zhì)主要為溶蝕裂隙、小型巖溶管道（見圖1）。

圖1 C伏流入口示蹤試驗(yàn)結(jié)果

五、結(jié)語

綜上所述，近年來人工示蹤技術(shù)在巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察中得到了較多的推廣應(yīng)用，主要應(yīng)用領(lǐng)域有巖溶地區(qū)水源地保護(hù)、地下工程修建、水庫大壩建設(shè)與防滲加固等。目前，人工失蹤技術(shù)不斷成熟，在工程實(shí)踐中需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇示蹤劑，選擇投放點(diǎn)與接收點(diǎn)，準(zhǔn)確繪制示蹤劑穿透曲線，并做好相關(guān)分析工作，全面了解巖溶地區(qū)水文地質(zhì)情況，為相關(guān)建設(shè)工作提供可靠參考依據(jù)。