湖北宜都磷石膏集中庫區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件研究

王宵亮， 王孔偉， 滕明明

(三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室， 宜昌 443002)

磷石膏是生產(chǎn)磷酸過程中產(chǎn)生的廢棄物，目前對其最有效的處理方法就是建立磷石膏集中庫，采取集中堆填處理[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國的磷石膏堆存量已達到6億t[2]，若磷石膏集中庫發(fā)生泄露會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境和污染地下水資源，故建立集中庫需要良好的巖溶水文地質(zhì)條件。段先前等[3]通過野外水文地質(zhì)調(diào)查、巖溶滲漏分析研究了磷石膏集中庫滲漏污染方式與途徑；王萍等[4]通過對某磷石膏堆填場進行實地調(diào)查與采樣分析了堆填場周邊耕地土壤重金屬含量的變化、成因及污染風險。目前，對磷石膏集中庫的研究主要側(cè)重于堆存過程中產(chǎn)生的環(huán)境問題，缺乏有關(guān)磷石膏集中庫建設(shè)地水文地質(zhì)條件的研究，如對場地地下水徑流特征以及斷層導水性等研究。

研究集中庫區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖溶地下水的流動特征等水文地質(zhì)條件，對將來庫區(qū)的穩(wěn)定運行乃至當?shù)厣鷳B(tài)地質(zhì)環(huán)境的保護都有著十分重要的意義。鐘政等[5]運用了現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆孔取樣和測量地下水流速等方法，分析了金沙江某滑坡工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，但巖溶地區(qū)水文地質(zhì)條件復雜，巖溶水具有非均質(zhì)性、隱蔽性、敏感性等特點，普通水文地質(zhì)勘察方法效果并不顯著，水文地質(zhì)特征認識不清已成為研究中最大的障礙，而示蹤技術(shù)則能彌補普通水文地質(zhì)勘察方法在精度上的不足。在巖溶水文地質(zhì)調(diào)查中，地下水示蹤試驗是一種非常簡單有效的方法。早期的示蹤試驗，以目測為主，示蹤劑主要是谷殼和鋸末，為定性研究[6]。定量示蹤試驗始于1877年，Knop在試驗中將熒光素鈉、鹽、和頁巖油注入德國Swabian Alb巖溶地區(qū)Danube河的伏流，2 d后在距離12 km處的Aach泉監(jiān)測到示蹤劑[7]。中國的示蹤試驗始于20世紀70年代末。楊立錚等[8]分析了示蹤劑濃度隨時間的變化曲線其形狀與地下河管道的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，為定量示蹤試驗的研究打下了基礎(chǔ)。20世紀90年代，實現(xiàn)了定量研究。朱學愚等[9]進行了示蹤試驗在巖溶水污染治理中的應用研究，為治理地下水污染的水力截獲帶的布置提供了依據(jù)。隨著科技進步，示蹤技術(shù)也得到了發(fā)展。曾莘茹等[10]利用高精度在線監(jiān)測技術(shù)分析了桂林甑皮巖洞穴遺址地下水污染來源；張亮等[11]通過示蹤試驗及同位素測試等手段，查明了某巖溶泉的成因；張浪等[12]對西南某巖溶地區(qū)地下水系統(tǒng)進行示蹤試驗，估算出巖溶管道結(jié)構(gòu)特征和水文地質(zhì)參數(shù)。

基于此，現(xiàn)以宜都市枝城鎮(zhèn)六里沖村磷石膏集中庫項目為例，利用野外地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探高精度示蹤技術(shù)和Qtacer2軟件，研究其水文地質(zhì)條件，獲取水文地質(zhì)參數(shù)，了解斷裂構(gòu)造水理性及分析巖溶地下水之間的水力聯(lián)系，預測地下水流向，推測地下水巖溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，以期為庫區(qū)的工程安全建設(shè)及周邊巖溶地區(qū)地下水保護提供保障。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理與地形地貌

宜都市位于鄂西南長江中游南岸，地處江漢平原向鄂西南山地過渡地帶，東隔長江與宜昌市猇亭區(qū)、枝江市相望，東南鄰松滋市，西南、正西與五峰土家族自治縣、長陽土家族自治縣交界，北與宜昌市點軍區(qū)接壤。研究區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫16.7 ℃，年平均降雨量1 235.4 mm。研究區(qū)隸屬武陵山余脈和川東巫山余脈的臨界區(qū)域，地勢南高，北低，以長江為軸線向南呈梯級上升，形成以丘陵為主，低山、平原兼有的地貌結(jié)構(gòu)，整體上屬于碳酸鹽侵蝕臺地。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

宜都市位于仙女山斷裂與天陽坪斷裂夾持的三角形區(qū)域內(nèi)，如圖1所示，隸屬于黃陵背斜周邊構(gòu)造復合帶[13]，區(qū)內(nèi)受梁山-肖家隘背斜、淹水淌斷裂以及F3、F6斷裂所控制，構(gòu)成了研究區(qū)整體地質(zhì)背景條件。區(qū)域地層以長陽-張家河背斜為界，南、北兩側(cè)地層遭受剝蝕情況存在較大差異，南側(cè)僅出露上三疊系以下的地層，北側(cè)侏羅系、白堊系均有分布[14]。研究區(qū)內(nèi)寒武系大面積出露，寒武系與下伏地層呈平行不整合或整合接觸，局部分布第四系沖洪積層。在研究區(qū)的東部沿淹水淌斷裂局部出露有下寒武統(tǒng)天河板組(1t)和下寒武統(tǒng)石龍洞組(1sh)研究區(qū)南都(背斜南翼)和北部(背斜北翼)存在三游洞組(3sn1-2)，研究區(qū)內(nèi)部主要為覃家廟組(2qn)。

1.3 區(qū)域水文地質(zhì)

研究區(qū)屬長江水系，地形起伏不大，地表水不發(fā)育，有季節(jié)性積水及流水。坡面凹溝為匯水、排水通道。場區(qū)地下水主要有基巖中的裂隙水及巖溶水，主要靠大氣降水補給，沖溝等低洼部位以地下徑流形式排泄，斜坡部位以沿裂隙滲流形式或受地形切割排出地表；巖溶水主要賦存于白云巖、灰?guī)r溶洞及溶蝕裂隙中，白云巖、灰?guī)r巖溶發(fā)育，具一定連通性，以低洼段沖溝為基準排泄面。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育較為充分，溶槽、溶洞、落水洞等分布廣泛。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Tectonic zoning map of the study area

2 巖溶發(fā)育的主要控制因素

為了解庫區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的分布與巖溶發(fā)育的情況，依據(jù)野外露頭點的觀察，庫區(qū)內(nèi)發(fā)育斷裂有北部的淹水淌斷裂(F2)，南部的F3和F6斷裂，如圖2所示。一般斷裂構(gòu)造研是巖溶發(fā)育程度、規(guī)模和方向的主控因素，斷裂帶穿過地段常分布有泉水、落水洞、溶洞、暗河等，這是由于受斷層影響，基巖面起伏較大，巖體破碎，為巖溶水的運移提供了前提條件，經(jīng)長期的地下水溶蝕作用，裂隙不斷擴大，沿斷裂破碎帶發(fā)育大小不同的溶洞和溶隙[15]。

圖2 庫區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.2 Hydrogeological sketch of reservoir area

淹水淌斷裂(F2)為一具有走滑性質(zhì)的逆斷層構(gòu)造，主斷裂面產(chǎn)狀180°～190°∠76°～87°，斷裂帶寬度400～500 m，斷面上存在水平擦痕，垂直擦痕，局部地區(qū)還存在斜向擦痕，斷裂帶內(nèi)部構(gòu)造巖具有碎裂結(jié)構(gòu)特征，以碎裂巖為主，顏色比正常巖石偏黑，內(nèi)部方解石脈異常發(fā)育，縱橫交織，局部地方存在擠壓片理化帶，表明該斷層整體具有壓、扭性及多期活動的特點，如圖3所示。該斷層形成時間與天陽坪斷裂同期，與東西向褶皺構(gòu)造帶的形成具有密切相關(guān)性，初期以壓性活動為主；后期的活動歷史與仙女山斷裂存在一定的關(guān)系，表現(xiàn)為壓扭性活動[16-17]。受斷層影響，基巖面起伏較大，巖體破碎，為地下水提供良好的通道，為巖溶發(fā)育提供了良好的條件。

通過大量野外工作發(fā)現(xiàn)，該斷裂橫穿工區(qū)場地，是對工區(qū)場地影響最大的一條斷層，向西該斷裂一直延伸到南坡水庫附近消失，沿該斷裂地貌上存在串珠狀分布的落水洞和泉水出露點，落水洞和泉水往往伴隨，這說明淹水淌斷裂控制著庫區(qū)巖溶的發(fā)育。

為驗證上述對F2斷裂的勘察結(jié)果并推測庫區(qū)流徑通道區(qū)域，在試驗區(qū)開展了地球物理勘探；高密度電法是利用地下水流徑通道或含水層與圍巖導電性的差異，通過觀測與研究在地下人工建立的穩(wěn)定電流的分布規(guī)律的一種電法勘探方法：物探布置圖。由物探剖面圖(圖4)可知，沿側(cè)線方向，東西部電阻率值整體偏高，中間低電阻率異常分帶明顯，呈帶狀向深部延伸，測線A-B與C-D的電阻陡變帶位置高度一致，與淹水淌斷裂位置對應較好，說明淹水淌斷裂控制著地下水主流徑通道區(qū)域。

紅色圓圈、黃色線條、紅色箭頭分別表示斷裂帶局部特征的位置、水平擦痕、斷層上下盤移動方向圖3 淹水淌斷裂帶基本特征Fig.3 Basic characteristics of Yanshuitang fault zone

圖4 物探剖面解釋成果Fig.4 Interpretation results of geophysical profile

3 巖溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

巖溶含水介質(zhì)一般指巖溶地下水的賦存空間。巖溶含水介質(zhì)的類型包括成巖孔隙、構(gòu)造裂隙、溶蝕管道及溶洞等，這些含水介質(zhì)具有強烈的儲水能力和導水作用，其分布、規(guī)模、均勻性、連通性及發(fā)育程度等，制約著巖溶地下水流的運動和分布。為此，采用巖溶地下水示蹤技術(shù)，選擇庫區(qū)內(nèi)部露頭的落水洞、下降泉、巖溶溝槽(圖5)作為示蹤劑的接收、投放點，由東向西依次進行三次試驗，旨在分析推斷庫區(qū)內(nèi)地下巖溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

圖5 試驗點野外照片F(xiàn)ig.5 Field photos of the test site

3.1 示蹤試驗方法及過程

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和以往工作經(jīng)驗，本次試驗選擇熒光素鈉作為示蹤劑，其在地下水中背景濃度極低，檢出限低(0.005 μg/L)，且對人類和環(huán)境無害。

示蹤試驗投放量計算公式為[18]

M=LKB

(1)

式(1)中：M為示蹤劑投放量，g；L為示蹤劑投放點到監(jiān)測點之間的距離，m；K為示蹤劑系數(shù)；B為水文地質(zhì)條件影響因子。

第一次示蹤試驗的開始時間為2020年8月4日。溶槽(D19)為示蹤劑投放點，泉水出水口(D3)為接收點，兩者僅相距114 m；在投放示蹤劑之前，分別測得兩點熒光素鈉本底濃度均為0.5 μg/L。計算稱取熒光素鈉102.6 g，將其充分溶解，瞬時投入溶洞中。

第二次示蹤試驗的開始時間為2020年8月12日。在落水洞(D7)處，瞬時投入120.6 g已充分溶解的熒光素鈉。投放后，利用水罐車向落水洞內(nèi)注水，增加示蹤劑擴散速度。在溶槽(D19)處使用示蹤儀實施在線監(jiān)測，兩點相距134 m。

第三次示蹤試驗首先在涌水處(D12)處開挖出一個直徑2～3 m，深5 m的試驗坑，稱取895.5 g熒光素鈉，于2020年8月16日溶解后投入試驗坑內(nèi)，利用生活用水水源向洞內(nèi)持續(xù)注水，接收點為泉水出水口(D3)，本次試驗路徑總長度為995 m。

每次試驗自投放示蹤劑起，即刻開始在線監(jiān)測，設(shè)置監(jiān)測間隔為30 s。

3.2 示蹤結(jié)果及解釋

根據(jù)各個接受點的示蹤劑濃度，繪制示蹤劑濃度歷時曲線，主要分為單峰型和多峰型曲線[19]。

第一次示蹤試驗濃度歷時曲線[圖6(a)]為單一鈍峰型曲線，泉水出水口(D3)示蹤劑初現(xiàn)時間約為11 h，在28 h示蹤劑濃度達到峰值，隨后開始下降，如圖6所示，30～40 h這段時間內(nèi)，示蹤劑濃度維持在約23 μg/L，顯示“平臺”型曲線，說明溶槽(D19)到泉水出水口(D3)之間徑流通道存在溶潭；40 h后示蹤劑濃度又開始下降，但速度明顯變緩，即“拖尾”現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的原因依舊是受到了溶潭稀釋作用的影響。

其次，該曲線的特殊性在于上升階段呈鋸齒狀，有小幅度的起伏，而下降過程則比較平滑。曲線呈鋸齒狀說明溶槽(D19)到泉水出水口(D3)之間并不是非常暢通，應為小型管道與脈管狀的細小巖溶裂隙組成。實際上，示蹤劑的運移可分為兩種方式：平流與擴散，平流是指物質(zhì)隨流體按平均線性速度運移，是宏觀上的，而當示蹤劑存在濃度梯度時，示蹤劑會從高濃度向低濃度運移，稱之為分子擴散，是微觀上的；地下河是由錯綜復雜的管道系統(tǒng)組成的，任何含水層的水流通道和流速發(fā)生改變時，均會在時空上產(chǎn)生示蹤劑的擴散云，這種現(xiàn)象成為機械彌散，因此本次試驗示蹤劑的運移可分為3個過程：①平流。相應曲線特征為示蹤劑濃度上升速度快，起伏??；②機械彌散。示蹤劑隨著水流的運移，溶隙、溶孔也隨之增多，水流通道和流速發(fā)生了變化，相應曲線特征為劇烈鋸齒狀；③分子擴散。一般來說，水流方向上的示蹤劑運移應以平流與機械彌散為主，分子擴散可以忽略，但本次試驗選擇的監(jiān)測點處于一小型水潭中，隨著平流、機械彌散效應逐漸降低，水潭中分子擴散效應成為主要因素，相應曲線特征為平滑的曲線。

通常情況下，示蹤劑初現(xiàn)時間對應最大流速；峰值時間對應優(yōu)勢流速；本次試驗最大流速為10.4 m/s，優(yōu)勢流速4.5 m/s。

圖6 示蹤試驗熒光素鈉歷時曲線Fig.6 Diachronic curve of uranine in tracer test

第二次示蹤試驗濃度歷時曲線為單峰對稱型，如圖6(b)所示，24 h開始檢測到示蹤劑，30 h達到峰值，且峰值持續(xù)時間較短，并有鋸齒狀的波動，且幅度較大，說明落水洞(D7)與溶槽(D19)之間存在水力聯(lián)系，但通道并不十分通暢，應主要由巖溶裂隙組成，且通道單一，不存在分支，巖溶發(fā)育較均勻；計算得出，兩點的最大流速5.6 m/s，優(yōu)勢流速為4.1 m/s。

第三次示蹤試驗濃度歷時曲線為多峰值型，如圖6(c)所示，主峰后存在多個間斷的小峰，并有鋸齒狀波動。該點是離監(jiān)測點最遠的試驗點，且水力坡度低。初步判斷，并不是多通道造成的多峰值，而是間斷的向涌水處(D12)注水才是造成3次小峰值的主要原因；由于受到用水條件的限制，不能確保持續(xù)的注水，導致接收到的示蹤劑也是間斷的，在本次試驗的穿透曲線中出現(xiàn)間斷的濃度值。將圖6(b)中濃度峰值用虛線連接，加以修整，可將其視為持續(xù)水流下的濃度曲線，該曲線類型為單峰值伴隨雙平臺曲線。不難看出，該曲線與第一次示蹤試驗的曲線較相似，不同在于多出一個“平臺”，說明不僅溶槽(D19)與出水口(D3)之間存在溶潭，溶槽(D19)與涌水處(D12)之間也存在一溶潭，且前者尺寸小于后者，分別對應平臺a與平臺b，這是因為溶潭越大，稀釋能力越強。

本次試驗實測曲線證明了涌水點(D12)與泉水出水口(D3)之間存在水力聯(lián)系，但地下水流速緩慢慢，原因可能是水力坡度偏低或管道不暢通，應為脈管狀細小巖溶裂隙組成；修整曲線證明了溶槽(D19)與涌水處(D12)之間徑流通道也存在一較大溶潭，同時平臺b對應第一次試驗曲線中的平臺期。

計算得出該試驗的最大流速、優(yōu)勢流速分別為25 m/s、22.1 m/s。

3.3 示蹤試驗揭示的水文地質(zhì)問題

示蹤試驗各種結(jié)果能夠揭示試驗區(qū)某些水文地質(zhì)問題[8]。

3.3.1 巖溶地下水運移特征

從試驗結(jié)果來看，確定了以涌水點(D12)、溶槽(D19)、泉水出水口(D3)為基礎(chǔ)的地下水主流徑通道；由落水洞(D7)與溶槽(D19)組成的次流徑通道，地下水整體運移方向為NE70°。

為研究主通道與次通道內(nèi)示蹤劑的運移特征，需對試驗期間的水力坡度和最大流速進行對比分析，如表1所示，次通道水力坡度最大，但對應的最大流速和優(yōu)勢流速都是最小的，表明在次通道方向上示蹤劑運移具有明顯的滯緩性；同時說明水力坡度的大小與示蹤劑運移速度無相關(guān)關(guān)系，試驗區(qū)巖溶介質(zhì)具有非均質(zhì)各向異性特征。

表1 示蹤試驗期間水力坡度和流速對比Table 1 Comparison of hydraulic slope and velocity during the tracer test

3.3.2 巖溶發(fā)育類型的多重性

根據(jù)示蹤試驗繪制的熒光素鈉歷時曲線(圖6)，3次示蹤試驗熒光素鈉濃度歷時曲線類型可分為單峰對稱曲線、單峰不對稱曲線和多峰曲線。對稱曲線表明上下游之間的巖溶通道單一，若產(chǎn)生拖尾，則說明通道之間可能存在溶潭；形成多峰曲線有兩種原因：一是示蹤劑投放點與接收點之間存在多條通道，路徑距離不同，導致不同的峰值；二是水流無可持續(xù)性造成的多峰曲線。由3次試驗的示蹤劑濃度歷時曲線來看，庫區(qū)巖溶發(fā)育程度不均一，在涌水處(D12)-溶槽(D19)段巖溶發(fā)育以裂隙與溶孔為主，而溶槽(D19)-出水口(D3)段巖溶發(fā)育以小型管道為主，如圖7所示。

③、⑦、、為水文地質(zhì)點編號圖7 場區(qū)巖溶水排泄管道結(jié)構(gòu)特征示意圖Fig.7 Schematic diagram of karst water drainage pipeline in field area

綜上，庫區(qū)地下水主要沿具有裂隙-管道雙重含水介質(zhì)的巖溶含水層流動。

3.3.3 巖溶管道水力參數(shù)

根據(jù)示蹤試驗的數(shù)據(jù)，利用美國國家環(huán)境保護局研發(fā)的Qtracer2軟件對巖溶管道的水力參數(shù)進行估算[11]。研究區(qū)的巖溶含水介質(zhì)空間特征和流場決定了水力參數(shù)：彌散系數(shù)、縱向彌散度、摩擦系數(shù)、雷洛茲數(shù)、舍伍德數(shù)和施密特數(shù)，而含水層水力參數(shù)是確定地下水運移規(guī)律，建立地下水水文模型以及巖溶水動力模擬必不可少的參數(shù)，如表2所示。

表2 由示蹤試驗估算的水力參數(shù)Table 2 Hydraulic parameters estimated from tracer test

4 結(jié)論

(1)該磷石膏集中庫區(qū)內(nèi)發(fā)育的淹水淌斷裂是巖溶發(fā)育的主控因素。且示蹤劑沿淹水淌斷裂方向流速較快，斷裂對下地水運移有促進作用。

(2)示蹤試驗表明磷石膏集中區(qū)地下水流速緩慢，水力坡度較低，地下水主要沿著裂隙-小型管道巖溶含水層流動，存在著NE70°方向的主徑流帶。示蹤劑濃度變化與水力坡度、溫度、速度、無明顯相關(guān)關(guān)系，試驗區(qū)巖溶介質(zhì)具有非均質(zhì)各向異性特征。

(3)利用Qtacer2軟件估算出水文地質(zhì)參數(shù)：彌散系數(shù)0.806 m2/s、縱向彌散度1 837.6 m、摩擦系數(shù)0.133、雷諾茲數(shù)76 763、舍伍德數(shù)2 401.4、施密特數(shù)1 140。

(4)磷石膏集中庫選址適宜。在工程建設(shè)過程中，在主徑流通道方向上，需采取進一步的防滲處理措施，其他巖溶裂隙、溶洞，可以實施灌漿處理措施。