基于示蹤試驗(yàn)的空腔連通性及管道水力參數(shù)測(cè)定

范時(shí)杰，楊艷娜，許 模，范全忠，余 磊，甘小泉

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059; 2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072； 3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310000)

1 研究背景

示蹤試驗(yàn)是通過投放示蹤劑，探究地下水補(bǔ)給、徑流、排泄途徑的方法，可分為定性、半定量和定量三類[1]。目前試蹤試驗(yàn)研究巖溶區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排特征及溶質(zhì)運(yùn)移特征的手段之一，具有所需資料少、數(shù)據(jù)獲取容易、操作簡(jiǎn)單方便、評(píng)價(jià)精度較高等特點(diǎn)[2-5]。

試驗(yàn)場(chǎng)位于云南省巧家縣白鶴灘北門4號(hào)地塊，屬于金沙江右岸沖洪積扇，基巖主要為二疊系陽(yáng)新組灰?guī)r，地下水補(bǔ)給條件好，地下水位較高，巖溶較為發(fā)育。以往工作集中于大范圍水文地質(zhì)條件研究，調(diào)查數(shù)據(jù)不足以滿足對(duì)該地塊滲流場(chǎng)描述，且對(duì)該地塊空腔集中發(fā)育區(qū)的地下水主要滲流通道水力條件研究較少，為此在該地塊內(nèi)設(shè)置了一組以熒光素鈉為示蹤劑的半定量示蹤試驗(yàn)，基于試驗(yàn)成果，及溶質(zhì)運(yùn)移理論，利用Qtracer2軟件對(duì)場(chǎng)地區(qū)地下空腔連通性、地下水主要滲流通道結(jié)構(gòu)特征、水力參數(shù)特征進(jìn)行闡述。

2 示蹤試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早期巖溶示蹤試驗(yàn)以目測(cè)、定性研究為主[6]，20世紀(jì)70年代末至80年代初，初步實(shí)現(xiàn)了半定量示蹤試驗(yàn)的研究。20世紀(jì)90年代以后，逐步實(shí)現(xiàn)了定量研究并開始解決實(shí)際問題：2009年魯程鵬等[4]利用示蹤試驗(yàn)研究了巖溶含水層水文地質(zhì)參數(shù)；2015年張志強(qiáng)等[7]以碘化鉀為示蹤劑，利用示蹤試驗(yàn)證明了云南省麗江九子海洼地至甘澤泉一帶的水力聯(lián)系，并采用Qtracer2軟件計(jì)算了通道水力參數(shù)；2017年主恒祥等[8]利用鉬酸銨為示蹤劑確定了濟(jì)南泉群優(yōu)勢(shì)補(bǔ)給徑流通道；2019年劉治政等[9]以鉬酸銨為示蹤劑，對(duì)王寨盆地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及巖溶通道特征進(jìn)行了研究。

3 區(qū)域水文地質(zhì)條件概述

研究區(qū)位于云南省巧家縣白鶴灘鎮(zhèn)，地勢(shì)總體呈東高西低，屬?zèng)_洪積扇區(qū)域，基巖主要有上巧家組(O2q)砂泥巖，志留系大路寨組(S2d)泥巖、灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖，二疊系陽(yáng)新組(P1y)灰?guī)r、白云巖及峨眉山組(P2β)玄武巖。研究區(qū)內(nèi)5—10月份降雨量大，區(qū)內(nèi)年平均降雨量818 mm，占全年降水的80%。研究區(qū)內(nèi)地下水由大氣降雨補(bǔ)給，經(jīng)巖溶裂隙、落水洞等進(jìn)入二疊系陽(yáng)新灰?guī)r巖溶含水層中，在金沙江河谷旁地勢(shì)低洼處，主要以下降泉的形式排泄，如圖1所示。場(chǎng)地區(qū)位于研究區(qū)西側(cè)，靠近金沙江河谷地帶，為金沙江沖、洪積臺(tái)地，經(jīng)場(chǎng)地鉆孔分析，沖、洪積物以分選差、磨圓差的青灰色砂、卵礫石和粉土等組成，富水性較強(qiáng)，經(jīng)鉆孔揭露的地下水位數(shù)據(jù)顯示場(chǎng)地區(qū)地下水位較高，剖面如圖2所示。

4 示蹤試驗(yàn)結(jié)果及分析

示蹤試驗(yàn)的目的在于研究場(chǎng)地區(qū)地下水的運(yùn)動(dòng)特征，分析受地下空腔控制的滲流主通道位置、水力參數(shù)特征。詳細(xì)步驟包括：選取示蹤劑、場(chǎng)地區(qū)地下水位測(cè)量、地下水取樣點(diǎn)布置、示蹤劑背景值分析、示蹤劑投放量計(jì)算、示蹤劑投放、取樣、檢測(cè)分析等幾個(gè)過程。

4.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榈叵滤幢Ｗo(hù)區(qū)，對(duì)示蹤劑要求嚴(yán)格。巖溶地下水中熒光素鈉含量很低，物化性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、靈敏度高，實(shí)際操作簡(jiǎn)單可行。熒光素納在0～1.6 mg/L的濃度范圍內(nèi)，利用熒光分光光度法測(cè)定熒光素鈉含量與熒光值呈良好的線性關(guān)系，熒光分光光度法對(duì)水中示蹤劑熒光素鈉的檢測(cè)具有良好的準(zhǔn)確度和精密度[10]。因此，本次試蹤試驗(yàn)采用熒光素納為示蹤劑，以V1600型可見分光光度計(jì)，在波長(zhǎng)為495 nm時(shí)測(cè)試水樣中熒光素鈉吸光度。

為便于布置投樣點(diǎn)與取樣點(diǎn)，對(duì)場(chǎng)地區(qū)203個(gè)鉆孔水位進(jìn)行統(tǒng)測(cè)，如圖3，確定場(chǎng)地區(qū)地下水由東向西流動(dòng)，并篩選揭露空腔的鉆孔，統(tǒng)計(jì)空腔發(fā)育高程，空腔發(fā)育高程為780～795 m。選取地下水位位于空腔之上的鉆孔作為投樣點(diǎn)與取樣點(diǎn)，布置見圖4。

圖4 場(chǎng)地區(qū)取樣、投樣點(diǎn)位布置Fig.4 Layout of sampling points in the field area

根據(jù)已知的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，將投樣點(diǎn)設(shè)置在鉆孔BK4163，并以此為源點(diǎn)，向下游設(shè)置了8個(gè)取樣點(diǎn)分別為：BK4108、BK4114、BK4224、BK443、BK486、BK4120、BK4219、BK4270。

熒光素鈉濃度背景值采用V1600型分光光度計(jì)測(cè)試吸光度后，利用R2=0.945 1的熒光素鈉濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線換算。測(cè)試結(jié)果如表1所示。投放量的計(jì)算依賴于許多因素，如地下水流量、過水通道的發(fā)育特征、運(yùn)移距離、儀器的檢測(cè)精度等，最重要的是要根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)保證安全。本次根據(jù)體積法計(jì)算地下水靜儲(chǔ)量，并保證檢出濃度在儀器測(cè)試范圍之內(nèi)，熒光素鈉總投放量1.5 kg。投放之后立即開始對(duì)9個(gè)鉆孔開始取樣，并根據(jù)推測(cè)時(shí)間間隔分批次取樣，并及時(shí)換算熒光素鈉濃度，及時(shí)調(diào)整取樣間隔及取樣頻率，在接近推測(cè)的峰值時(shí)間段加快取樣頻率，防止錯(cuò)過峰值。

表1 投放前各取樣點(diǎn)熒光素鈉濃度背景值Table 1 Background values of luciferin sodium concentration at each sampling point before placing tracer

試驗(yàn)總歷時(shí)2 d，樣品共計(jì)326組。為做好監(jiān)測(cè)點(diǎn)取樣范圍和取樣頻率的統(tǒng)籌工作，使示蹤試驗(yàn)更準(zhǔn)確、更高效，在示蹤試驗(yàn)期間同步進(jìn)行對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位測(cè)量工作。

4.2 結(jié)果分析

在8個(gè)取樣點(diǎn)中，熒光素鈉濃度出現(xiàn)峰值的取樣點(diǎn)有3個(gè)，分別是BK4114、BK486、BK4224，且均為長(zhǎng)尾單峰亞型或鈍單峰亞型[11]，如圖5。示蹤劑擴(kuò)散方向?yàn)橥稑狱c(diǎn)的北西、南東方向，初步判定投樣點(diǎn)—BK4114—BK486方向，投樣點(diǎn)—BK4224方向存在單一的滲流主通道。

圖5 各取樣點(diǎn)熒光素鈉濃度時(shí)間序列曲線Fig.5 Time-series curves of luciferin sodium concentration at each sampling point

基于熒光素鈉濃度-時(shí)間曲線，利用Qtracer2軟件[11]定量計(jì)算兩條滲流主通道幾何參數(shù)及各項(xiàng)水力參數(shù)，用于評(píng)價(jià)地下空腔連通性強(qiáng)弱。參數(shù)定量分析原理如下：

示蹤劑回收質(zhì)量M0為

(1)

式中：C(t)為熒光素鈉質(zhì)量濃度(μg/L)；t為水樣取樣時(shí)間間隔(min)；Q(t)為取樣點(diǎn)流量(m3/s)。

(2)

示蹤劑回收率R為

(3)

式中m為投入熒光素鈉質(zhì)量(g)。

地下水最快流速Ve為

(4)

式中：xs為修正距離(修正系數(shù)為1.3)；Te為初現(xiàn)時(shí)間(h)。

(5)

式中T0為峰值時(shí)間(h)。

地下過水通道的體積V為

(6)

地下過水通道橫截面面積A為

(7)

地下水過水通道平均直徑Dc為

(8)

縱向彌散系數(shù)DL為

(9)

式中：σt為平均滯留時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差；v為地下水縱向滲流速度。

雷諾數(shù)(Re)為

(10)

式中：ρ為水的密度;μ為水的動(dòng)力黏度。

弗勞德數(shù)為

(11)

式中：Dh為水力坡度；g為重力加速度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，熒光素鈉回收量1.35 kg，回收率90%，說(shuō)明檢測(cè)點(diǎn)布置合理，場(chǎng)地區(qū)存在2條主要滲流通道：①投樣點(diǎn)—BK4114—BK486方向；②投樣點(diǎn)—BK4224方向。場(chǎng)地區(qū)鉆孔顯示，投樣點(diǎn)—BK4114—BK486方向、投樣點(diǎn)—BK4224方向空腔集中發(fā)育，證明這2條主通道方向空腔連通性好。

同時(shí)計(jì)算得到2條主通道結(jié)構(gòu)參數(shù)及水力參數(shù)。投樣點(diǎn)—BK4114—BK486方向過水管道體積21.6 m3，通道平均直徑1.02 m，地下水過水通道橫截面積為0.83 m2，熒光素鈉平均滯留時(shí)間約323 min，縱向彌散系數(shù)0.003 5 m2/s，雷諾數(shù)226 440，弗勞德數(shù)0.007，由此可判斷地下水在該通道內(nèi)處于紊流狀態(tài)。投樣點(diǎn)—BK4224方向過水管道體積14.4 m3，過水通道平均直徑0.374 m，地下水過水通道橫截面積為0.11 m2，熒光素鈉平均滯留時(shí)間約343 min，縱向彌散系數(shù)0.017 m2/s，雷諾數(shù)37 400，弗勞德數(shù)0.003 2，由此可判斷地下水在該通道內(nèi)處于紊流狀態(tài)。

5 結(jié) 論

(1)本次熒光素鈉示蹤試驗(yàn)查明了場(chǎng)地區(qū)兩條地下水滲流主通道：投樣點(diǎn)—BK4114—BK486方向；投樣點(diǎn)—BK4224方向。單峰型濃度時(shí)間曲線表明地下水徑流通道單一，且示蹤劑回收率高達(dá)90%，證明場(chǎng)地區(qū)不存在其他地下水徑流主通道。

(2)結(jié)合場(chǎng)地區(qū)空腔發(fā)育部位、高程及示蹤試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地區(qū)2條地下水滲流主通道均為空腔集中發(fā)育區(qū)，推斷沿兩條滲流主通道方向，場(chǎng)地區(qū)空腔連通性好。

(3)通過Qtracer2軟件對(duì)熒光素鈉濃度時(shí)間曲線的定量計(jì)算，投樣點(diǎn)—BK4114—BK486方向，過水管道體積21.6 m3，過水通道平均直徑1.02 m；縱向彌散系數(shù)0.003 5 m2/s，雷諾數(shù)226 440，弗勞德數(shù)0.007；投樣點(diǎn)—BK4224方向，過水管道體積14.4 m3，過水通道平均直徑0.374 m，縱向彌散系數(shù)0.017 m2/s，雷諾數(shù)37 400，弗勞德數(shù)0.003 2。