福建永安坑邊巖溶區(qū)地下水連通試驗(yàn)應(yīng)用研究

田 然，李 娟，羅朝暉*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.招遠(yuǎn)羅山省級(jí)地質(zhì)公園管理中心，山東 招遠(yuǎn) 265400)

連通試驗(yàn)在地下水及巖溶水文地質(zhì)等方面已經(jīng)有了眾多的研究和應(yīng)用。通過投放示蹤劑，設(shè)置投放點(diǎn)和接收點(diǎn)以及對(duì)接收點(diǎn)的水樣進(jìn)行分析，可以查明地下水的運(yùn)動(dòng)途徑、速度等水文地質(zhì)參數(shù)，了解地下水的補(bǔ)給范圍、徑流特征以及與相鄰地下水流系統(tǒng)的關(guān)系，確定地下分水嶺的位置和地下河系的連通、延展與分布情況，調(diào)查地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系和巖溶水的滲漏通道等，為地下水流系統(tǒng)劃分、資源評(píng)價(jià)與污染防護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)，也為溶質(zhì)運(yùn)移模型的重要識(shí)別提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

連通試驗(yàn)基本上采用的是物理示蹤技術(shù)。在示蹤技術(shù)方法方面，何師意等研究了高精度連通試驗(yàn)技術(shù)，利用不同類型染色示蹤劑對(duì)可見光光譜范圍內(nèi)不同波長光的吸收具有選擇性的特征，可以設(shè)置光學(xué)濾波等裝置對(duì)熒光素鈉等示蹤劑實(shí)施高精度檢測。 董林垚等使用多孔介質(zhì)三維非穩(wěn)定水-熱流運(yùn)移的控制方程，研究了地下水流場與溫度場的耦合過程，屬于利用地溫示蹤地表溫度變化和地下水流動(dòng)。在多示蹤劑研究方面，如在江坪河水電站河間河灣地塊進(jìn)行的一次三元連通試驗(yàn)中，采用銅(Cu)、鉬(Mo)、鉻(Cr)3種化學(xué)元素作為示蹤元素進(jìn)行連通試驗(yàn)，選定的這3種示蹤元素在水中的背景值都在每升微克級(jí)的水平，因此只需要在水體中投放較低濃度的示蹤材料，其就能被有效檢測出；同時(shí)，所選用的這3種示蹤元素對(duì)應(yīng)的化學(xué)材料在水中易溶解，不需要其他助溶劑，因此投放時(shí)操作也較為簡單。此外，示蹤劑的選取、投放與接收點(diǎn)之間的距離設(shè)計(jì)、巖溶發(fā)育程度差異等因素也被證明會(huì)對(duì)連通試驗(yàn)的結(jié)果有著明顯的影響，因此要想使得連通試驗(yàn)取得預(yù)期的效果則需要把握好這幾個(gè)因素。本文將以福建永安坑邊巖溶區(qū)為研究區(qū)，開展福建永安坑邊巖溶區(qū)地下水連通試驗(yàn),并結(jié)合地下水連通試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該巖溶區(qū)內(nèi)巖溶地下水系統(tǒng)的劃分、整體地下水流場的分布特征進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地理位置及地形地貌

永安坑邊巖溶區(qū)位于福建省閩江流域沙溪河左岸，該段河面標(biāo)高為160～180 m，另有沙溪河的支流益溪自西向東橫穿該區(qū)，見圖1。益溪發(fā)源于研究區(qū)北西的大湖鎮(zhèn)李坊村，流經(jīng)大湖鎮(zhèn)及燕北街道，在燕北的益口村匯入沙溪，流域面積為137 km，主河道長為27 km，坡降為15.7‰，該支流的二級(jí)支流大源溪也流經(jīng)該區(qū)，在工作區(qū)外飛橋村附近匯入益溪。

圖1 福建永安坑邊巖溶區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographic location of Kengbian karst area in Yong’an County，F(xiàn)ujian

研究區(qū)整體為巖溶峰叢洼地、谷地地貌區(qū)，最大高程為443 m，相對(duì)高差為280 m。受沙溪河及其支流益溪、大源溪分割，該區(qū)為“三溝夾兩山”的格局。研究區(qū)為裸露型強(qiáng)巖溶化區(qū)，山體表面巖溶發(fā)育，可見多處巖溶洼地、漏斗、落水洞、溶溝、石芽等巖溶現(xiàn)象，巖溶大泉流量可達(dá)

n

×10 L/s。

1.2 地層巖性

研究區(qū)地層以石炭—二疊系、侏羅系地層為主，在河流兩側(cè)存在第四系沖洪積堆積物。主要地層巖性為：石炭系下統(tǒng)林地組(C

l

)為石英礫巖、石英砂巖、石英砂巖夾粉砂巖；石炭系中統(tǒng)黃龍組(C

h

)、二疊系下統(tǒng)船山組(P

c

)、二疊統(tǒng)中統(tǒng)棲霞組(P

q

)均為灰?guī)r；二疊系中統(tǒng)文筆山組(P

w

)為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、頁巖組成；侏羅系為一套陸相中酸性火山噴發(fā)熔巖夾火山碎屑巖和正常碎屑沉積巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

在大地構(gòu)造上，研究區(qū)位于永(安)梅(縣)上古臺(tái)陷的東北端，屬永(安)龍(巖)復(fù)式向斜的一部分，次級(jí)褶皺發(fā)育較好，主要有竹坑-大源背斜和瑤田-蝦蛤背斜，形成相互平行的線狀緊密褶皺帶，組成褶皺的地層主要為二疊系下統(tǒng)船山組灰?guī)r和二疊系中統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，褶皺構(gòu)造多因斷裂而破壞，產(chǎn)狀凌亂，形跡不清。

區(qū)內(nèi)斷裂極為發(fā)育，斷裂構(gòu)造方向主要為北東向、北西向和近于東西向3組，大多為走向斷層，與區(qū)域巖層走向一致，以北西向斷裂為主,壓性及張性斷裂均常見，局部可見硅化、大理石化及礦化現(xiàn)象,從相互切割關(guān)系來看，北東向斷裂先于北西向斷裂，斷層傾角高、斷距大。

1.4 地下水類型與補(bǔ)徑排特征

研究區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。其中，松散巖類孔隙水主要分布于區(qū)內(nèi)大小山間盆地內(nèi)及巖溶洼地內(nèi)，含水層巖性主要為砂礫卵石和黏質(zhì)砂土層，其富水性差異較大，但總體上為貧乏—中等；碳酸鹽巖類裂隙溶洞水的富水性不均一，是區(qū)內(nèi)主要的地下水類型，其水量豐富，總體表現(xiàn)為覆蓋型可溶巖富水性較好，埋藏型可溶巖次之，裸露型可溶巖略遜。

整體上，研究區(qū)地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，經(jīng)過覆蓋的松散堆積物或裸露的巖溶區(qū)進(jìn)入地下，分別向附近沙溪及其支流運(yùn)動(dòng)并最終排泄，其集中排泄點(diǎn)以北東部增田村泉井和南西部霞鶴泉為主要集中排泄點(diǎn)，其流量均大于10 L/s。然而從實(shí)際測量和調(diào)查的結(jié)果來看，并不能很好地劃分研究區(qū)地下水次級(jí)系統(tǒng)邊界，這將對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的合理開發(fā)和利用帶來不利的影響，因此擬通過地下水連通試驗(yàn)以合理刻劃地下水流場、劃分地下水系統(tǒng)邊界，為當(dāng)?shù)厮Y源的合理開發(fā)和利用提供依據(jù)。

2 地下水連通試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本次示蹤試驗(yàn)采用多點(diǎn)多示蹤劑投放、多點(diǎn)接收的方法進(jìn)行，選擇研究區(qū)內(nèi)霞鶴度假村、GCGC42、GCGC26和YR7為示蹤劑投放點(diǎn)，示蹤劑接收點(diǎn)共選擇4處，分別為霞鶴上升泉、鱗隱石林暗河出口、S1101和增田村泉井S2172(見圖2)，以推測地下水的徑流、排泄路徑以及地下水系統(tǒng)邊界。試驗(yàn)過程分兩部分進(jìn)行，共計(jì)8 d。根據(jù)試驗(yàn)投放點(diǎn)與接收點(diǎn)距離較近、碳酸鹽巖裂隙對(duì)示蹤劑的吸附作用較弱的特點(diǎn)，選取熒光素鈉和羅丹明B作為示蹤劑。試驗(yàn)采用部分點(diǎn)位儀器在線監(jiān)測和部分點(diǎn)位人工取樣再檢測的方式進(jìn)行。根據(jù)實(shí)際野外調(diào)查以及投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離設(shè)置各地下水接收點(diǎn)取樣的頻率和時(shí)間長度。

圖2 福建永安坑邊巖溶區(qū)示蹤試驗(yàn)匯水區(qū)劃分示意圖Fig.2 Diagram of catchment areas of the tracer test in Kengbian karst area,Yong’an County,Fujian

于2020年7月12日9點(diǎn)24分、10點(diǎn)10分、10點(diǎn)50分和7月13日12點(diǎn)49分在研究區(qū)內(nèi)霞鶴度假村(TF01)、GCGC42(TF02)、GCGC26(TF03)和YR7(TF04)投放點(diǎn)分別投放了熒光素Na 500 g、熒光素Na 500 g、羅丹明B 300 g、羅丹明B 300 g；在霞鶴上升泉(JS01)、鱗隱石林暗河出口(JS02)、S1101(JS03)和增田村泉井S2172(JS04)接收點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測和采樣工作。投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的具體位置見圖2，各點(diǎn)位信息見表1,研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面圖見圖3。

圖3 研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Typical hydrogeological profile in the study area

表1 示蹤劑投放點(diǎn)與接收點(diǎn)信息Table 1 Releasing and receiving sites of the tracer

在試驗(yàn)開始前，已對(duì)4個(gè)接收點(diǎn)進(jìn)行樣品背景值的檢測。投放示蹤劑時(shí)先將示蹤劑進(jìn)行充分溶解，然后將其混入投放點(diǎn)鉆孔中，并準(zhǔn)確記錄投放時(shí)間。其中，霞鶴渡假村裂隙投放點(diǎn)無明顯水流，投放示蹤劑時(shí)人工注入了大量的水使示蹤劑進(jìn)入地下水中。

接收點(diǎn)方面，霞鶴上升泉和鱗隱石林暗河出口處放置在線監(jiān)測儀進(jìn)行在線監(jiān)測，監(jiān)測頻率按15 min、20 min、30 min逐漸遞增；S1101和增田村泉井S2172接收點(diǎn)處采用現(xiàn)場取樣集中測試的方法進(jìn)行監(jiān)測，采樣時(shí)間間隔按1 h、2 h、4 h逐漸遞增。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 接收點(diǎn)示蹤劑濃度分析

本次示蹤試驗(yàn)共進(jìn)行了兩批次。霞鶴上升泉接收點(diǎn)處自2020年7月12日8∶36至7月18日10∶30，共計(jì)監(jiān)測145.7 h，取得了286組監(jiān)測數(shù)據(jù)；鱗隱石林暗河出口處自2020年7月12日11∶42至7月18日14∶30，共計(jì)監(jiān)測146.8 h，取得了287組監(jiān)測數(shù)據(jù)； S1101接收點(diǎn)處自2020年7月12日11∶49到7月18日11∶00，共計(jì)監(jiān)測144 h，取得了25組監(jiān)測數(shù)據(jù)；增田村泉井S2172接收點(diǎn)處自2020年7月12日11∶30至7月18日15∶00，共計(jì)監(jiān)測147.5 h，取得了24組監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)接收點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、示蹤試驗(yàn)取樣點(diǎn)的本底調(diào)查和樣品分析結(jié)果，繪制示蹤劑濃度與時(shí)間曲線(見圖4～6)；并計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水平均流速，以便確定地下水(各主次通道)的流向。

3.1.1 霞鶴上升泉接收點(diǎn)(JS01)處示蹤劑濃度變化分析

霞鶴上升泉接收點(diǎn)(JS01)處熒光素鈉和羅丹明B兩種示蹤劑的濃度歷時(shí)曲線，見圖4。

圖4 霞鶴上升泉接收點(diǎn)處示蹤劑濃度歷時(shí)曲線Fig.4 Duration curve of tracer concentration at the receiving point in Xiahe rising spring

霞鶴上升泉接收點(diǎn)處地下水中熒光素鈉的背景濃度為24.5 ppb(1 ppb=1×10)，羅丹明B的背景濃度為0 ppb，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到的霞鶴上升泉接收點(diǎn)處地下水中羅丹明B濃度均為負(fù)值，按0處理。

由圖4可見：熒光素鈉示蹤劑在投放開始后的前54.5 h基本維持在背景濃度上下浮動(dòng)，在第55 h至71.5 h之間出現(xiàn)第一個(gè)濃度波峰，峰值為71.28 ppb，出現(xiàn)在第62.1 h；之后又在第81.2 h至95.9 h之間出現(xiàn)第二個(gè)濃度波峰，峰值為44.78 ppb，低于第一個(gè)濃度峰值，出現(xiàn)在第81.2 h?？梢?，示蹤劑濃度曲線類型為先高后低的雙峰型，且兩峰之間間隔較小，由此推測霞鶴度假村投放點(diǎn)與霞鶴上升泉接收點(diǎn)之間為雙通道型的巖溶管道。其中，第①通道為主流通道(管道流)，示蹤劑峰值濃度在前且峰值較高；第②通道為支流通道(裂隙流)，示蹤劑峰值濃度滯后于第①通道，且被稀釋，表現(xiàn)為稍低峰。

霞鶴上升泉接收點(diǎn)處地下水中熒光素鈉濃度歷時(shí)曲線的主峰出現(xiàn)在62.1 h，霞鶴度假村投放點(diǎn)至霞鶴上升泉的直線距離為900 m，可得出管道流的平均流速為14.50 m/h；次高峰出現(xiàn)時(shí)間為81.2 h，裂隙流的平均流速為11.10 m/s?？梢钥闯黾词乖诩信判裹c(diǎn)附近，地下水管道流與裂隙流的流速仍然相差不大，體現(xiàn)了該處可能為較小的管道或者沒有完整順暢的管道系統(tǒng)。

3.1.2 鱗隱石林暗河出口接收點(diǎn)(JS02)處示蹤劑濃度變化分析

鱗隱石林暗河出口接收點(diǎn)(JS02)處示蹤劑濃度歷時(shí)曲線，見圖5。

圖5 鱗隱石林暗河出口接收點(diǎn)處示蹤劑濃度歷時(shí)曲線Fig.5 Duration curve of tracer concentration at the receiving point at the outlet of the underground river of Linyin Stone Forest

由圖5可見：自0 h至150 h左右的時(shí)間，熒光素鈉的濃度都在背景值上下波動(dòng)，其間并未檢測到熒光素鈉；前100 h內(nèi)未檢測出羅丹明B，但在第120.0 h左右監(jiān)測到羅丹明B的第一個(gè)峰值為845.69 ppb。據(jù)投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的位置關(guān)系和示蹤劑接收情況來看，鱗隱石林暗河出口接收點(diǎn)處的羅丹明B來自于GCGC26(TF03)投放點(diǎn)的可能性最大。GCGC26投放點(diǎn)(TF03)距離鱗隱石林暗河出口接收點(diǎn)(JS02)的水平距離為1 075 m，可得到GCGC26處到鱗隱石林暗河出口處的地下水平均流速大約為8.96 m/h。

與霞鶴上升泉接收點(diǎn)處相比，鱗隱石林暗河出口接收點(diǎn)處平均水流速度較慢，但其曲線上表現(xiàn)出平穩(wěn)的高值，表明其濃度比較集中，加上周邊的巖溶發(fā)育程度較高，可以確定其為管道系統(tǒng)地下水，但因其水力梯度相對(duì)較小，因而水流速度較慢。

3.1.3 S1101接收點(diǎn)(JS03)處示蹤劑濃度變化分析

S1101接收點(diǎn)(JS03)處示蹤劑濃度歷時(shí)曲線，見圖6。

圖6 S1101接收點(diǎn)處示蹤劑濃度歷時(shí)曲線Fig.6 Duration curve of tracer concentration at the receiving point S1101

由圖6可見：S1101接收點(diǎn)處在前80 h之內(nèi)檢測到的羅丹明B濃度變化較為平穩(wěn)，基本在背景值上下波動(dòng)，但在79 h時(shí)檢測到羅丹明B的濃度上升并達(dá)到849.04 ppb，之后到145 h左右羅丹明B的濃度保持在較為穩(wěn)定的濃度水平，但在850 ppb上下波動(dòng)；在前80 h內(nèi)熒光素鈉均未被檢出，但第80 h開始至第144.18 h熒光素鈉濃度增加到60.14 ppb并逐步增至88.26 ppb。根據(jù)投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的位置關(guān)系和示蹤劑的接收情況來看，S1101接收點(diǎn)處羅丹明B應(yīng)來自于YR7(TF04)投放點(diǎn)處，按照羅丹明B的濃度峰出現(xiàn)時(shí)間計(jì)算，S1101接收點(diǎn)距離YR7投放點(diǎn)的水平距離約為1 350 m，可得到Y(jié)R7處到S1101處地下水平均流速為16.90 m/h，這個(gè)數(shù)值大于霞鶴上升泉處的管道流平均流速，而該處的水力梯度又小于霞鶴上升泉處，因此推測存在更加完整的地下暗河管道系統(tǒng)。同時(shí)，出現(xiàn)在該處的熒光素鈉濃度小峰也說明該處可能存在比鱗隱石林暗河出口處更低的排泄點(diǎn)，此處檢測到的羅丹明B來自于投放點(diǎn)TF02和TF03處的可能性均有，但來自于投放點(diǎn)TF03處的可能性更高，因?yàn)橥斗劈c(diǎn)TF02處的標(biāo)高(227 m)僅比S1101接收點(diǎn)處(225 m)高2 m。

3.1.4 增田村泉井S2172接收點(diǎn)(JS04)處示蹤劑濃度變化分析

增田村泉井S2172接收點(diǎn)(JS04)處在試驗(yàn)開始后直至第150 h熒光素鈉和羅丹明B濃度均為零，未檢測到兩種示蹤劑中的任意一種。

增田村泉井S2172接收點(diǎn)(JS04)處與YR7投放點(diǎn)(TF04)的距離最近為3 600 m，因此最大的可能性是示蹤劑到達(dá)的時(shí)間會(huì)較長，比如按照TF04—JS03經(jīng)流通道計(jì)算得到的最大平均流速16.90 m/h，也需要213 h才能檢測到示蹤劑。而這與現(xiàn)場勘察和水文地質(zhì)分析的認(rèn)識(shí)較為符合，即現(xiàn)有監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)示蹤劑暫未到達(dá)。

上述示蹤試驗(yàn)分析結(jié)果見表2。

表2 示蹤試驗(yàn)分析結(jié)果Table 2 Analysis results of the tracer test

3.2 地下水系統(tǒng)劃分與流場特征分析

從上述地下水連通試驗(yàn)結(jié)果可知，TF01—JS01、TF03—JS02 、TF04—JS03之間存在明確的水力聯(lián)系，后兩者也證明地形在該地區(qū)并不完全控制地下水系統(tǒng)的劃分，特別體現(xiàn)在鱗隱石林暗河出口附近。因此，地下水次級(jí)系統(tǒng)邊界的劃分需要做相應(yīng)的調(diào)整，如圖2所示。

根據(jù)地下水連通試驗(yàn)結(jié)果，可以將研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為3個(gè)次級(jí)匯水系統(tǒng)(區(qū))：

(1) 匯水區(qū)Ⅰ：該區(qū)域地下水的地層主要為第四系和二疊系中統(tǒng)棲霞組，其中二疊系中統(tǒng)棲霞組含水層巖性以深灰至灰黑色中厚層狀含燧石條帶灰?guī)r為主，頂部常有硅質(zhì)巖或硅質(zhì)巖與灰?guī)r、粉砂巖互層，含豐富的蜓類、珊瑚、腕足類、苔蘚蟲等化石，厚度為70～305 m，屬于富水性較好的含水層；地下水的補(bǔ)、徑、排方式屬于面狀補(bǔ)給、線狀徑流、面狀分散式排泄(小區(qū)域)，有集中排泄點(diǎn)(鱗隱石林暗河，增田村等處的泉水出露點(diǎn))，最終的地下水流為由西向東流動(dòng)。

(2) 匯水區(qū)Ⅱ：該區(qū)域內(nèi)的地層主要為第四系洪沖積物，屬于狹長帶狀地形，總體北西方向高、南東方向低；地下水的補(bǔ)、徑、排方式為泉的線狀補(bǔ)給、線狀徑流、沿河帶狀排泄，最終的地下水流為由北西向南東流動(dòng)。

(3) 匯水區(qū)Ⅲ：該區(qū)域內(nèi)的地層主要為二疊系中統(tǒng)棲霞組和部分第四系，其中二疊系中統(tǒng)棲霞組的含水層巖性為深灰至灰黑色中厚層狀或塊狀不純灰?guī)r,性質(zhì)堅(jiān)硬,具貝殼狀斷口,含扁豆?fàn)罨虮訝铎菔Y(jié)構(gòu)；地下水的補(bǔ)、徑、排方式為面狀補(bǔ)給、線狀徑流、點(diǎn)狀集中式排泄，該區(qū)域存在南北方向斷裂，推測地下水流為由北向南流動(dòng)。

以示蹤劑到達(dá)時(shí)間為基礎(chǔ)計(jì)算得到研究區(qū)地下水流速在8.96～16.90 m/h之間且相差不大，表明研究區(qū)地下水系統(tǒng)為一種相對(duì)均勻且管道系統(tǒng)不太發(fā)育的巖溶地下水系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本次示蹤試驗(yàn)在福建永安坑邊巖溶區(qū)地下水系統(tǒng)邊界劃分和流場分析中得到了有效的應(yīng)用，將該地區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)劃分為3個(gè)次級(jí)匯水區(qū)，并根據(jù)示蹤劑到達(dá)的時(shí)間計(jì)算得到了典型區(qū)域的地下水流動(dòng)速度在8.96～16.90 m/h之間，表明研究區(qū)地下水系統(tǒng)可能為一種相對(duì)均勻且管道系統(tǒng)不太發(fā)育的巖溶地下水系統(tǒng)。

根據(jù)實(shí)際示蹤試驗(yàn)結(jié)果來看，投放點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離會(huì)影響示蹤試驗(yàn)結(jié)果，主要是由于擴(kuò)散與吸附等作用會(huì)影響示蹤劑接收成功的概率以及接收到的示蹤劑濃度。