利用示踪试验研究巨木地下河成库条件

王 伟，宋婉虹

(1.贵州省地质矿产勘查开发局一一一地质大队，贵州 贵阳 550008;2.贵州地矿工程勘察有限公司，贵州 贵阳 550008)

0 引言

示踪试验是研究地下水径流特征的有效方法(万伟峰，2010)，尤其是应用在岩溶地区的地下河系统，可相对直观地了解地下河管道延伸“轨迹”、含水介质空间结构、发育规模及其类型，确定地下水流向和流速，掌握地下管道间及管道与地表间的水力联系程度，试验结果是分析地下岩溶空间调蓄能力、研究地下水库建设可行性的重要依据。

巨木地下河处于大小井流域中游，具有明暗相间的径流特点，系典型的低位地下河(王伟等，2006)。实现其低成本、低碳、规模化的开发利用，可加强地下河所在区域农业水利基础设施、改善农业生产条件、提高耕地综合产出水平以及抵御自然灾害的能力。以该地下河示踪试验资料为基础并结合水文地质调查成果，对巨木地下河管道的结构及发育规模进行探讨，提出了充分利用地下河管道空间建地下水库的地下河开发思路。

1 巨木地下河系统概况

巨木地下河地处贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，发源于惠水县抵季乡附近，为大小井地下河系的分支地下河，流域面积128.4 km2。

该地下河系统大地构造位置位于轴向呈NW向展布的雅水背斜与克渡向斜的复合部，系统内广布二叠系中统和石炭系上统纯碳酸盐岩类地层，地形起伏大，切割强烈，地貌组合类型以峰丛洼地为主。广义上的巨木地下河系统由抵塘、西混及望窝3条支流构成，因主要排泄口位于巨木村而得名。其中，发源于惠水县抵季乡蛮纳寨一带、由北向南径流的抵塘支流与发源于惠水县抵季乡附近、由西向东径流的望窝支流在水淹坝交集，狭义上称为巨木地下河，流域面积83 km2，排泄口位于巨木村;西混地下河为独立支流，流域面积45.4 km2，排泄于巨木村的大洞脚，2处排泄口相距400 m(图1)。

2 示踪试验

2.1 试验段选择

图1 巨木地下河结构示意图Fig.1 Sketch showing structure of the Jumu underground river

水淹坝是因岩溶及构造作用，于巨木地下河下游形成的一处溶蚀盆地，其南北两侧边缘地带，地下河天窗、竖井、落水洞等岩溶个体形态分布密集，是地下河各条支流的汇集地。丰水期，地下水水位上涨后由溶盆北侧竖井溢出，经盆地内地下河管道延伸方向发育的塌陷河道形成地表明流，通过南侧伏流入口再次潜入地下;枯水期，地下水水位下降，塌陷河道处于干涸状态。由于水淹坝自身的洪涝淹没以及由此而加剧的之上村寨的洪涝灾害，水淹坝即成为巨木地下河管道上的重要节点，出口拦水坝坝顶高程的设计须在考虑水淹坝洪涝淹没因素的基础上，结合地下管道空间结构综合确定。因此，示踪试验段安排在拉扫寨355号地下河天窗—排泄口段。

2.2 试验目的

查明投放点与接收点之间地下河管道的“轨迹”、结构、规模，确定地下水流向、流速及巨木、西混两地下河管道间的水力联系，为地下水库建设提供依据。

2.3 示踪剂选择与试验方法

按照“背景值低，波动小;易溶于水，便于现场操作;对试验区生态环境不造成负面影响;示踪剂在随地下水运移的过程中，不易与周围物质(如岩石、土壤等)发生反应;灵敏度较高，容易被仪器检测;经济合理”的原则(孙恭顺，1988)，示踪试验选择食盐(NaCl)作为示踪剂。

试验时，首先将食盐配制成高体积质量的液体，由投放点集中投放，并记录示踪剂投放量、体积质量及投放时间。之后在接收点定时采样，采用摩尔法检测水中Cl-体积质量的变化情况。采样时间间隔为2h，检测连通后则加密成0.5h，直至Cl-体积质量峰值过后。当Cl-体积质量曲线尾支过拐点趋平稳24h后结束试验。

2.4 投放点与接收点

根据试验目的，示踪剂投放点选择拉扫寨355号天窗，接收点为巨木村和西混出口，预计连通距离4 050 m，投放点和接受点分布如图2所示。

2.5 试验时间

示踪剂投放前，对投放点和各接收点水质中的Cl-体积质量的背景值进行了测定，得到355号天窗及巨木村出口水质中为0.055 38 mg/L，西混为0.027 69 mg/L。2003年10月28日，在355号地下河天窗，一次性投放由1 000 kg食盐配置的高体积质量液体，随即在巨木村和西混地下河出口取样，至11月27日，最后1个Cl-体积质量峰值曲线尾支过拐点趋于平稳，继续观测至12月11日试验全部结束。

图2 示踪试验平面图Fig.2 Planar graph of the tracer test

3 结果与分析

3.1 地下河管道结构分析

试验进行至11月6日，巨木村地下河出口水质中Cl-体积质量出现第一次峰值，为0.068 08 mg/L;11月14日，现第二次峰值，为0.068 25 mg/L;11月18—22日期间连续出现3次峰值，最大值为0.082 41 mg/L，其余2次分别为0.068 76，0.068 50 mg/L;11月25日出现第6个峰值，为0.082 18 mg/L;之后Cl-体积质量回归到背景值直至试验结束(图3、表1)。

图3 巨木村出口Cl－历时曲线Fig.3 Duration curve of Cl-at the outlet of the Jumu river

表1 示踪试验结果Table 1 Results of the tracer test

据图3，第一、第二、第三峰值之间以及第五和第六峰值之间出现背景值平台和第三峰值的“钝峰”形态，表明地下水水力坡度较小，并且地下河管道中发育有规模较大且形态极不规则的地下溶潭，导致携高密度示踪剂的地下水在含水介质中的运移产生了“沉积挤压”现象。先期到达的含示踪剂水流应为裂隙流或规模较小的管流，在溶潭内滞留下沉、被稀释，后续水流的汇入使溶潭内的积水按照“蓄满产流”原则溢出，故第一、二峰值显示微弱，衰减时间较长，与背景值的差值小。第三峰值应为规模相对较大的管流，水流集中，流量大，携带的示踪剂较多，虽为稀释后的“钝峰”，但数值与背景值间的差距明显拉大，管流旁侧的裂隙流所含少量示踪剂则产生了一系列小波峰。最后一个峰值亦为管流所致，其“尖峰”的形态与之前波峰间存在的背景值平台，表明管道上另发育有溶潭，但规模较小。据此，巨木村地下河出口接收的Cl－体积质量变化曲线具有多峰、不连续的特点，表明投放点和接收点之间，地下水赋存于管道、廊道、裂隙、溶潭组合而成的地下空间形成了管道流与溶蚀裂隙流交织的网状地下水系(韩至钧等，1996)，各通道的弯曲度、宽窄、长短以及过水流量的差别，使示踪剂在不同管道中的运移速度产生差异，致使Cl-峰值体积质量到达接收点的时间不一致，显示地下河管道呈多枝状结构。

综合水文地质调查结果，投剂点355号地下河天窗(图4)，洞内地下水水位高程837.2 m，其北西侧出水处为宽大的裂隙，中段投剂处为溶潭，至南东侧演变成廊道，地下水由此进入拉扫谷地，谷地内发育有规模、形态与355号天窗近似的355－1、356及357天窗和竖井，经观测，地下水水位平均高程约830 m，投剂点与之水位高差7.2 m。而水淹坝溶盆地面高程为850～853 m，地下水水位高程为828～830 m，与拉扫寨谷地地下水之间的水力坡度极小，并且因汇集了望窝地下河后水流增大，致使含示踪剂的地下水被稀释。经对溶盆北侧发育天窗、竖井形态及沿地下河主管道延伸方向产生地面塌陷的分析，推测水淹坝隐伏有较大规模且形态极不规则的溶潭。据此，示踪试验结果基本印证了调查结论，求证了巨木地下河系统含水介质的组合特征(韩至钧等，1996;王伟等，2006)。

图4 拉扫地下河天窗纵剖面示意图Fig.4 Schematic section of skylight for the Lasao underground river

3.2 地下河水动力特征分析

地下河水力坡度由下式计算：

式(1)中：I为地下河水力坡度;H1为地下河上游水位高程，m;H2为地下河下游水位高程，m;L为试验段长度或地下河上游至出口段的距离，m。

西混支流：西混谷地的水位高程为845 m，水淹坝溶盆内地下水水位高程为830 m，两地相距2.1 km，水力坡度7.14‰;水淹坝溶盆与西混出口相距1.4 km，出口高程815 m，地下河水力坡度10.7‰。

抵塘支流：355号地下河天窗内的地下水水位标高837.2 m，巨木村出口高程815 m，两者相距4.0 km，水力坡度为5.48‰。

地下河流速由下式计算：

式(2)中：V为地下河流速，m/h;S为地下河示踪试验段投剂点—接收点的距离，m;t为示踪剂峰值抵达时间，h。

示踪试验以355号地下河天窗为投剂点，示踪剂被观测到的第一个峰值出现时间距投放示剂时相隔168h，至最后一个峰值回归背景值的时间相隔648h，计算出地下河流速为6.25～24.11 m/h。

3.3 回收率

示踪试验至最后一个峰值出现共持续648h，体积质量最高峰值为0.082 41 mg/L，扣除背景值后，试验期间Cl-峰值体积质量的平均值为0.017 65 mg/L。据观测，该时段巨木村出口流量平均值为485.3 L/s，则Cl-回收量由下式计算：

式(3)中：M为示踪剂回收量，kg;ΔC为Cl-峰值体积质量与背景值间的差值，mg/L;t为Cl-峰值体积质量持续时间，s;Q为试验期间巨木地下河出口平均流量，L/s。

按(3)式计算，得Cl-回收量为19.98 kg。

NaCl分子量为58.5，Cl-所占比例为0.606 8，投放1 000 kg食盐，Cl-回收量即为606.8 kg。令回收率为100%，则Cl-回收率为：

回收率过低系地下水水力坡度缓以及地下河管道上发育的溶潭所致。流速较缓的地下水进入溶潭，后者会对集中水流产生分散效应致使其滞留，滞留时间与地下河流量大小呈正相关关系，示踪剂因此被稀释导致体积质量大大降低。

此外，根据水文地质调查成果，大洞脚出口在丰水期和平水期排泄的地下水所形成的地表河水流正常，但枯水期却出现河水向地下河出口方向倒流的情形，表明排泄口附近存在渗漏点。丰水期和平水期排泄量远大于渗漏量时，未现河水异常流动现象;枯水期排泄量大幅减少，排泄口附近能见到微弱的水流漩涡，推测此间发育的管道具多层性(陈革平等，2002)。据此推断，巨木地下河系统全部或局部尤其是水淹坝溶盆亦具多层特征，故不排除示踪剂含量高的地下水在流经多层管道发育段时有向下层管道渗漏的可能。

3.4 地下河管道体积估算

示踪试验段地下河管道体积与试验期间巨木村出口排泄水量的体积等同，示踪剂投放时间至Cl-体积质量峰值到达接收点的时间段内地下河排泄量计算式：

式(4)中：V为地下河管道体积，m3;Q为试验期间巨木村出口排泄量，L/s;t1为试验开始时间，s;t0为Cl-体积质量时间，s。

从10月28日投剂开始至11月27日Cl-最后一个峰值体积质量曲线尾支过拐点趋于平稳，与之相对应的巨木村出口地下河排泄量可剖分出8个区块，各区块地下河排泄量总和即可近似代表地下河管道体积，即：

式(5)中：Vi为各区块地下河排泄量。经计算，试验段地下河管道体积为124.2万m3(表2)。

表2 试验段地下河管道体积Table 2 Pipeline volume of underground river in the test section

3.5 巨木与西混地下河的水力联系

示踪试验开展期间为平水期，经检测，巨木村出口水质中Cl-体积质量背景值为0.055 38 mg/L，并接收到6次Cl-体积质量变化信息，而西混出口仅检测到0.027 69 mg/L的Cl-背景值体积质量，表明2条地下河在平水期不具水力联系。

4 结论

(1)试验段Cl-体积质量变化曲线显示，巨木地下河呈多支、网络状，通过计算得到的地下水流速(6.25～24.11 m/h)，水力坡度(5.48‰)，示踪剂回收率(3.3%)3个参数，结合水文地质调查结果分析，系统内含水介质以管道、廊道、裂隙及溶潭的组合为特征。

(2)以地下河排泄量进入衰减的平水期巨木村出口观测流量与示踪试验成果相对应，估算试验段地下岩溶空间为124.2万m3，表明试验段地下河管道空间调蓄地下水的能力较强，具有筑坝成库的条件。

(3)根据示踪试验成果，巨木与西混地下河在平水期系自成体系、相互独立的2条地下河，但不排除丰水期水位上涨后两者间产生水力联系。

(4)巨木村出口高程815 m，为低位地下河，地下水直接利用的受益面窄且不具规模化。因此应充分利用其管道空间，坝顶高程以水淹坝高程为阈值，在出口筑坝提高地下河水位，然后采用“蓄、提、输”的方式扩大供水范围，以实现其规模化利用。

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