定量示蹤試驗在地下水污染防治中的應(yīng)用
——以福泉市龍井灣為例

吳志席，陳 立，戴柳珍

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 551400)

示蹤試驗為驗證地下水流動方向和巖溶巖溶管道介質(zhì)的主要方法[1]。能夠直觀有效地反映地下水運動狀態(tài)[2-3]。目前，地下水示蹤試驗在查探巖溶地下水徑流管道、查找地下水補給來源以及污染源等方面得到較為廣泛的應(yīng)用，示蹤距離從數(shù)十米到數(shù)十千不等[4-9]。本次研究區(qū)內(nèi)龍井灣巖溶泉(S1)接收點距離示蹤劑投放點2 457.9 m，大井邊泉水接收點距離投放點455.76 m。以熒光素鈉作為示蹤劑，在巖溶洼地中的落水洞內(nèi)投放實際，驗證其與龍井灣的連通情況及地下水補給情況，以期為龍井灣泉水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔北臺隆遵義斷拱貴陽復(fù)雜變形區(qū)東緣，主要構(gòu)造形跡為近南北褶皺、斷裂及近東西向斷裂[10]。研究區(qū)處于黃絲背斜之東、鳳山向斜之西間，地層產(chǎn)狀40°～120°∠14°～35°，一般60°～100°∠15°～30°，局部受地質(zhì)構(gòu)造影響，產(chǎn)狀變化較大。區(qū)內(nèi)出露地層為下三疊統(tǒng)大冶組及安順組，上覆中三疊統(tǒng)關(guān)嶺組分布于研究區(qū)東部外圍，下伏上二疊統(tǒng)分布于研究區(qū)西部外圍。研究區(qū)北部煙科所溶洞 (W1)是該巖溶管道系統(tǒng)主要的補給來源之一，該巖溶溶洞所在的洼地匯集的大氣降雨入滲補給匯水面積約 1 km2，在茅草鋪組白云巖與三疊系大冶組三段交界面附近的大冶組三段灰?guī)r極強巖溶含水層中由落水洞形式集中灌入式補給下伏巖溶管道系統(tǒng)。龍井灣巖溶管道系統(tǒng)位于研究區(qū)中部，巖溶管道發(fā)育于三疊系大冶組三段灰色中厚灰?guī)r和茅草鋪白云巖中。

2 地下水示蹤試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

為治理龍井灣污染水體，從煙科所溶洞(W1)投放試劑，在龍井灣大泉(S1)和大井邊泉(S2)接收試劑(圖1)，以查清龍井灣的巖溶地下水來源、徑流方向以及地下水流速和巖溶管道介質(zhì)特征為目的。

圖1 示蹤試驗投放點接收點平面圖

2.2 試劑的選擇

本次研究在選擇示蹤劑時主要考慮以下幾個方面的問題：(1)本次調(diào)查區(qū)含水介質(zhì)含水介質(zhì)主要為巖溶管道，地下水量很大，選擇常規(guī)示蹤劑(如工業(yè)鹽)的投放量將很大，因此示蹤劑盡量選擇投放量很小，且易于監(jiān)測的示蹤劑；(2) 易溶于水，可溶性強；(3)對環(huán)境基本沒有污染；(4)不易引起村民恐慌；(5)試劑穩(wěn)定性能較好。綜合考慮選取了熒光增白劑作為本次示蹤試驗的試劑，該試劑檢測靈敏，最低檢測濃度可達1 ug,高濃度其為乳白色，后期肉眼不可見，對環(huán)境無污染。

2.3 地下水背景值

示蹤劑投放之前，首先確定路線區(qū)各地下水中示蹤劑的天然背景值，測量得龍井灣S1泉水熒光增白劑背景值為3.6 ug,大井邊S2泉水熒光增白劑背景值為1.9 ug。

2.4 示蹤劑投放與監(jiān)測

為了查明地下巖溶管道系統(tǒng)的空間分布，4月21日至4月22日，在廠區(qū)北側(cè)煙科所積水溶洞投放熒光增白劑1 400 g，由于溶洞內(nèi)有水潭，潭內(nèi)水流交換極其緩慢，所投放示蹤 劑在水潭積滯近24小時才逐漸消去。進行示蹤試驗時為保證示蹤劑匯入地下，灌入6 L/s 的水流共持續(xù)7天。示蹤劑的檢測儀器采用瑞士 GGUN-FL Fluorometer 野外熒光分光光度計，該儀器可自動連續(xù)觀測，最低觀測間隔為2 min，檢測精度達到1 ug 濃度。試驗將儀器布置在龍井灣巖溶泉(S1)地下暗河出口(進行連續(xù)監(jiān)測，觀測間隔 5 min。),同時人工采集北側(cè)大井邊巖溶泉(S2)水樣，每天一次，黑色塑料袋包裝，至試驗結(jié)束后儀器檢測。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)將監(jiān)測點熒光增白劑的濃度時間曲線繪制如圖2和圖3，依據(jù)監(jiān)測情況統(tǒng)計表見表1。由圖2、圖3和表1可知：試驗期間，龍井灣巖溶泉(S1)、大井邊泉水 (S2)熒光增白劑的濃度均出現(xiàn)異常：

(1)龍井灣巖溶泉(SZ9)的熒光增白劑濃度在示蹤劑投放約 111.2 h 后出現(xiàn)異 常，之后呈上漲趨勢，131 h 后示蹤劑濃度達到峰值，之后示蹤劑濃度逐漸衰減， 241 h后基本恢復(fù)至天然背景值。本次試驗投放點距離接收點直線距離約 2 457.9 m，由此計算地下水最快流速為22.1 m/h，最慢流速為10.2 m/h，主峰平均速度為18.8 m/d。

(2)大井邊泉水(SD012)的熒光增白劑濃度在示蹤劑投放約91 h后出現(xiàn)異常，之后呈上漲趨勢，141 h后示蹤劑濃度達到峰值，之后示蹤劑濃度逐漸衰減，307 h 后基本恢復(fù)至天然背景值。以示蹤劑初現(xiàn)時的流速為地下水的最快流速， 峰值出現(xiàn)時的流速為平均流速，本次試驗投放點距離接收點直線距離 約455.76 m，由此計算得出地下水最快流速為5.0 m/h，最慢流速為1.5 m/h，主峰平 均速度為3.2 m/h。

表1 示蹤試驗接收點各要素統(tǒng)計表

圖2 龍井灣(S1)熒光增白劑濃度歷

圖3 大井邊(S2)熒光增白劑濃度歷時曲線圖

3.2 示蹤分析

(1)廠區(qū)北側(cè)煙科所溶洞內(nèi)(W1)投放的熒光增白劑在龍井灣巖溶泉(S1)和大井邊泉水(S2)都監(jiān)測到濃度異常，表明煙科所溶洞內(nèi)(W1)處的地下水與龍井灣巖溶泉(SZ9)和大井邊泉水(SD012)都存在水力聯(lián)系。

(2)煙科所溶洞內(nèi)(W1)投放的熒光增白劑在龍井灣巖溶泉(S1) 接收后，所呈現(xiàn)濃度時間曲線總體呈單峰型曲線，但下降段曲線出現(xiàn)波動狀下降 特征，下降支明顯拖長，有拖尾現(xiàn)象，使該曲線成為鈍峰，由巖溶地下水管流場類型與示蹤曲線的對應(yīng)關(guān)系分析可能是：煙科所溶洞(W1)與龍井灣巖溶泉(S1)之間的巖溶管道總體為單支巖溶管道，但中間可能串聯(lián)了多個地下溶潭。

(3)龍井灣巖溶泉(S1)接收點距離示蹤劑投放點2 457.9 m，大井邊泉水接收點距離投放點455.76 m，但其示蹤劑濃度峰值時間較為相近，僅相差10 h，是由于煙科所溶洞(W1)內(nèi)地下水位的標高為970.70 m，龍井灣巖溶泉(S1)泉口標947.17 m，大井邊泉水(S2)標高 970.54 m，故煙科所溶洞內(nèi)的地下水位與龍井灣巖溶泉(S1)泉處的地下水位間的水力梯度約為1%，而大井邊泉水處的地下水位與煙科所抽水井溶洞內(nèi)地下水位間的水力梯度在同 條件下僅為0.03%。所以，出現(xiàn)了龍井灣巖溶泉(S1)接收點距離是大井邊泉水(S2)接收點距離的約為6倍的情況下，其濃度峰值時間極其接近的現(xiàn)象。

3.3 回收率的計算

根據(jù)示蹤劑回收率的計算公式：

(1)

其中：t1為開始收到試劑的時間；t2為收到試劑的結(jié)束時間；；Vc為試劑投放量(g)；C為接收點試劑過程曲線方程；Q為接收點的流量(L/s)

利用上述公式(1)計算兩點回收率，計算所得。龍井灣巖溶泉(S1) 接收點回收率為 10%，大井邊接受點回收率為65%。

4 結(jié)語

(1)由于煙科所溶洞內(nèi)的地下水位與大井邊泉水的水位標高基本相同，在天然條件下，洞內(nèi)地下水位與大井邊泉水標高基本保持一致，有少部分水流至大 井邊泉水，且流速十分小，暴雨后煙科所溶洞積水量劇增，水位迅速抬升，因此，煙科所積水溶洞積水主要通過大井邊泉點排泄，少部分流往龍井灣。

(2)大井邊地表溪溝由于切割比較淺，未全部排泄北部巖溶地下水，還有大部分地下水繼續(xù)向南徑流，經(jīng)煙科所巖溶洼地、廠區(qū)，最終在龍井灣排泄。

(3)通過本次地下水示蹤試驗進一步確定了龍井灣地下暗河系統(tǒng)的邊界及匯水范圍，加深了對區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律的認識，綜合來看廠區(qū)內(nèi)巖溶管道由北向南展布，具體由龍昌鎮(zhèn)灣田洼地消水洞向龍井灣巖溶泉(S1)方向發(fā)育，依次穿過大井邊、煙科所洼地、廠區(qū)堆渣場，最后發(fā)育到龍井灣巖溶泉(S1)。煙科所溶洞至龍井灣泉巖溶帶發(fā)育高度和規(guī)模為下一步研究的重點。