重慶市某電解錳渣場(chǎng)地下水示蹤試驗(yàn)研究

畢博爍，吳 琦，趙閃閃

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.河南保源勘探技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

地下水示蹤試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)工作中，是一種常用的勘查手段，它能有效地揭示地下水補(bǔ)給源或污染源，查明地下水流動(dòng)路徑、計(jì)算地下水的流速與流向，也是巖溶區(qū)獲取巖溶管道連通性及特征和相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)的重要途徑[3-8]。

本文將以重慶市某電解錳渣場(chǎng)為研究對(duì)象，結(jié)合研究區(qū)特定的地質(zhì)環(huán)境條件，分別開(kāi)展渣場(chǎng)東側(cè)、西南側(cè)兩組地下水示蹤試驗(yàn)，繪制出不同時(shí)間的示蹤劑濃度變化曲線，查明研究區(qū)地下水系分布情況，為電解錳渣場(chǎng)水害治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)處于巖溶洼地中，四周高中部低，兩側(cè)山脊地形坡度較陡，坡度在30°～45°，局部呈陡坎狀；中部沖溝處地形相對(duì)平緩，坡度在2°～10°；研究區(qū)中部為最低點(diǎn)，高程418.5 m，南側(cè)一翼為最高點(diǎn)，高程561.5 m，相對(duì)高差143 m。

研究區(qū)內(nèi)巖溶較發(fā)育，以小型溶洞居多，垂直方向巖溶較強(qiáng)發(fā)育，主要表現(xiàn)為落水洞，無(wú)大型水平溶洞。

1.2 地層與構(gòu)造

研究區(qū)出露地層主要為奧陶系下統(tǒng)桐梓組(O1t)，出露巖石全部為沉積巖，巖性以白云巖、灰?guī)r分布最廣。通過(guò)地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)基巖層間裂隙較發(fā)育，局部泥鈣質(zhì)充填，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差。研究區(qū)無(wú)斷層通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

1.3 地下水類(lèi)型及補(bǔ)徑排特征

巖石構(gòu)造裂隙、外動(dòng)力作用形成的風(fēng)化裂隙及落水洞、溶洞等成為碳酸鹽巖地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移的通道。因此，研究區(qū)地下水類(lèi)型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水。主要賦存于O1t地層中，屬于強(qiáng)富水巖組。

大氣降水是研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源。研究區(qū)四周高中部低，上部以碳酸鹽巖裂隙水為主的淺循環(huán)接受降雨補(bǔ)給后由四周低山坡面及溝谷匯入渣場(chǎng)，部分降雨沿地表巖溶裂隙、溶洞、落水洞等匯入地下巖溶發(fā)育帶，隨后往西北方向徑流以泉的形式排泄(圖1)。

圖1 示蹤試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)縱剖面圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為進(jìn)一步查明研究區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水補(bǔ)徑排特征而開(kāi)展示蹤試驗(yàn)[9]。試驗(yàn)力求：(1)查明渣場(chǎng)內(nèi)外地下水的水力聯(lián)系；(2)估算渣場(chǎng)地下水運(yùn)移速度、確定地下水徑流方向；(3)估測(cè)渣場(chǎng)滲漏的影響等。

2.2 示蹤劑的選取

試驗(yàn)投放示蹤劑采用熒光素鈉(C20H12Na2O5)和羅丹明B，其優(yōu)勢(shì)在于易溶于水，無(wú)毒，不易被地下水中其他物質(zhì)干擾，化學(xué)性能穩(wěn)定；不改變地下水的運(yùn)移方向；易檢測(cè)，靈敏度高及成本相對(duì)低[10-11]。羅丹明B水溶液呈藍(lán)紅色、熒光素鈉水溶液呈熒光綠色。

2.3 試驗(yàn)方法

綜合分析研究區(qū)概況，確定渣場(chǎng)東側(cè)60 m處的ZK1投放羅丹明B，渣場(chǎng)西南側(cè)250 m處的ZK4投放熒光素鈉；接收點(diǎn)布于渣場(chǎng)四周，分別為ZK18、ZK3、ZK257、ZK255、ZK267、ZK16、JS1、JS2等8處(見(jiàn)圖2)。

圖2 研究區(qū)示蹤試驗(yàn)部署圖

在示蹤劑投放之前，對(duì)所有接收點(diǎn)進(jìn)行取樣和測(cè)試，得到接收點(diǎn)示蹤劑濃度背景值[12]。

試驗(yàn)示蹤劑投放時(shí)間為2021年10月23日上午9時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中將2kg示蹤劑倒入20 L的塑料桶中，經(jīng)過(guò)分批次加水充分?jǐn)嚢?，完全溶解后分別對(duì)應(yīng)投入ZK1、ZK4，并注入清水以保證示蹤劑進(jìn)入含水層。自投放之時(shí)起，對(duì)所有接收點(diǎn)每2 h進(jìn)行一次取樣，檢測(cè)示蹤劑濃度并繪制濃度-時(shí)間關(guān)系曲線，以了解地下水流運(yùn)移方向。試驗(yàn)歷時(shí)約221 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 渣場(chǎng)東側(cè)示蹤試驗(yàn)

渣場(chǎng)東側(cè)示蹤試驗(yàn)自2021年10月23日10時(shí)至10月31日22時(shí)，共計(jì)200 h，取得101組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在8個(gè)接收點(diǎn)中，僅有JS1接收到示蹤劑羅丹明B的濃度峰值。其余接收點(diǎn)未出現(xiàn)峰值，或僅一兩次超出本底值，視為未檢出[13-14]。羅丹明B濃度歷時(shí)曲線如圖3所示。

圖3 羅丹明B濃度-時(shí)間關(guān)系曲線圖 圖4 熒光素鈉濃度-時(shí)間關(guān)系曲線圖

接收點(diǎn)JS1羅丹明B初始濃度為1.53 ppb(1 ppb=1 ug/L)。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，10月27日6時(shí)示蹤劑濃度已經(jīng)達(dá)到峰值59.46 ppb，之后逐漸降低，并出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，其濃度歷時(shí)曲線為典型的單峰型。峰值出現(xiàn)用時(shí)93 h，投放點(diǎn)ZK1到接收點(diǎn)JS1的直線距離為300 m，則地下水平均流速為3.23 m/h。

試驗(yàn)所投示蹤劑在JS1接收到了很好的可辨識(shí)信號(hào)，說(shuō)明ZK1至JS1間含水層中存在巖溶裂隙或破碎帶；從羅丹明B濃度歷時(shí)曲線呈單峰型可以看出，該段巖溶地下水徑流通道比較單一，只存在一條主管道，無(wú)岔道。

3.2 渣場(chǎng)西南側(cè)示蹤試驗(yàn)

渣場(chǎng)西南側(cè)示蹤試驗(yàn)自2021年10月23日10時(shí)至11月1日16時(shí)，共計(jì)接收220 h，取得111組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在8個(gè)接收點(diǎn)中，僅有JS2接收到示蹤劑熒光素鈉的濃度峰值。其余接收點(diǎn)未出現(xiàn)峰值，或僅一兩次超出本底值，視為未檢出。熒光素鈉濃度歷時(shí)曲線如圖4所示。

接收點(diǎn)JS2熒光素鈉初始濃度為2.53 ppb(1 ppb=1 ug/L)。截止11月1日16時(shí)，JS2接收點(diǎn)共計(jì)出現(xiàn)5次峰值，其濃度歷時(shí)曲線為明顯的多峰型，峰值濃度情況見(jiàn)表1。

表1 熒光素鈉峰值濃度表

初次峰值出現(xiàn)用時(shí)25 h，投放點(diǎn)ZK4到接收點(diǎn)JS2的直線距離為110 m，則地下水平均流速為4.40 m/h。

試驗(yàn)所投示蹤劑在JS2接收到了很好的可辨識(shí)信號(hào)，說(shuō)明ZK4至JS2間含水層中存在巖溶裂隙或破碎帶；熒光素鈉濃歷時(shí)曲線呈多峰型表明巖溶地下水具有多管道分岔水流。結(jié)合研究區(qū)降水資料發(fā)現(xiàn)，10月24日至11月1日期間發(fā)生了4次降雨，與熒光素鈉濃度峰值的時(shí)間呈正相關(guān)，表明ZK4至JS2間含水層的裂隙比較發(fā)育。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用示蹤技術(shù)研究地下水流場(chǎng)是一種較為有效的試驗(yàn)手段，在許多工程實(shí)踐中取得了較好的效果[15]。此次示蹤試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)初步揭示了電解錳渣場(chǎng)巖溶地下水流特征。投放點(diǎn)ZK1與接收點(diǎn)JS1存在水力聯(lián)系，說(shuō)明渣場(chǎng)東部地下水徑流主要方向是由東向西南，向渣場(chǎng)匯聚；投放點(diǎn)ZK4與接收點(diǎn)JS2存在水力聯(lián)系，說(shuō)明渣場(chǎng)西南部地下水徑流主要方向是由西南向北，向渣場(chǎng)匯聚。結(jié)合整體地形分析，地下水匯集點(diǎn)應(yīng)在滲濾液收集池附近。

(2)研究區(qū)地下水平均流速在3.23～4.40 m/h，表明地下水流速較慢，屬于慢速流的地下巖溶水?dāng)U散流，且平均流速相差不大，說(shuō)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)。

(3)根據(jù)渣場(chǎng)東側(cè)示蹤試驗(yàn)，渣場(chǎng)外部ZK1投入示蹤劑后，渣場(chǎng)內(nèi)部接收點(diǎn)JS1出現(xiàn)大量羅丹明B與滲濾液的混合水，說(shuō)明渣場(chǎng)底部滲漏，能夠接受來(lái)自地下水的補(bǔ)給，此結(jié)果為電解錳渣場(chǎng)防滲漏研究提供參考。