浅谈示踪试验背景下的岩溶管道及水力参数定量

廖柳芬

（广西地质调查院 广西南宁 530007）

浅谈示踪试验背景下的岩溶管道及水力参数定量

廖柳芬

（广西地质调查院 广西南宁 530007）

目前，在水文地质试验中，示踪试验已成为一种重要的探测试验，该试验不仅可以探测地下水流速与探明地下水的水力联系的同时，还可以根据岩溶地区地下水流速的特点，制定出对流稀释作用的相关数学模型。通过溶质浓度、溶质浓度等正相关的联系，可正确的计算出示踪试验投源井的天然径流量的同时，计算出地下水中示踪剂的浓度背景。本文主要对示踪剂穿透曲线（BTC）与Qtrac-er2计算模型相结合并进行定量分析，从而得出岩溶管道及水力参数定量，根据试验表明，九子海洼地一带存在着一定的水力联系，并且还有存在着其他岩溶通道，由此可见，该区域的地下水呈缓速紊流状态。

示踪试验；背景下；岩溶管道；水力参数；定量

在岩溶区域，决定岩溶水文地质系统功能的基本要素主要是岩溶含水介质，而示踪试验着是一种水文地质试验探测技术和方法，对岩溶水资源勘探中具有非常重要的意义。近年来，探测人员常常将示踪试验应用到地下水的流速、流向、补给源以及排泄源等判定中，但在岩溶含水介质结构特征、参数等方面的探测，与国外相比，仍然存在着一定的差异。本文主要以九子海洼地区域示踪试验为例，对岩溶管道结构与水力学等参数进行探究，从而计算出岩溶管道结构参数与水力学参数，建立岩溶水动力学模型，这对地下水资源开发具有良好的借鉴意义。

1 试验区域概况

试验区位于四川盆地的东北部位置，距离县城21km，最高点是东侧的巴忙牛山峰，海拔为3678.5m，属于普子向斜轴部，斜贯穿在整个试验区域中（如图1所示）。该区域主要分为三叠系地层的高平原，以碳酸盐岩为主，厚度在1087～1689m之间；试验区域的地形主要为南西高与北东低的形势，其中九子海主要为断块复向斜经溶蚀形成的盆地，集水面积大约在80km2，海洼地宽2.8km，长6.7km，海拔在2900m左右，以落水洞与发育漏斗为主，天使该区域还是非常重要的岩溶水补给区。同时，试验区域分布在三迭系碳酸盐岩，其中含水层的周围包围着弱含水岩层，南侧与西侧是湖积物、第四系冲积、钙质砾岩以及第三系丽江组砂岩；而东侧与北侧主要是二迭系玄武岩。试验区域的水文地质图如图1所示。

图1 试验区域的水文地质示意图

2 试验设计

为了更好的证明九子海洼地和南部泉点这两者之间有没有存在水力联系，主要采用示踪试验来分析岩溶地下水流的特点，从而对岩溶通道位置与结构等进行推测，2014年7月开始对九子海洼地区域进行地下水示踪试验[1]。其试验结果为开发利用岩溶地下水资源与工程建设等提供有效的水文地质参考依据。由于考虑到对地下水的污染与试验区示踪元素的环境背景值、化学性质的稳定性等原因，主要选择碘化钾来作为示踪剂，将碘化钾400kg和水混溶后，将其倒入九子海岩溶洼地内的L1落水洞中，在投样后，继续向落水洞L1内注水12h左右，从而有效的驱动示踪剂更好的进入地下水体。随后将下游甘泽泉选择为示踪剂的接收点Q1。在试剂投放之后，要定时对监测点进行取样并分析，同时利用碘-淀粉光度法对样品中的碘离子含量进行检测，试验时间为460h，总共获得了监测数据87组，在甘泽泉流量稳定之后，采用量水堰测流法对流量进行检测，通过检测得出流量为32L/s。

3 试验结果与讨论

3.1 试验结果

根据以上试验表明，接收点水样检测的结果如图2所示，根据图2显示，在投放试剂的224h后，初次在收点水样处检测到示踪剂，在276h时示踪剂的浓度到达最高峰，峰值的浓度高达140μg/L。在投放试剂的290h后，示踪剂浓度又下降到本底值，随后的时间内，示踪剂浓度一直保持在本底值水平，其中持续时间在83h左右。同时，根据接收点泉流量的相关数据显示，计算出的示踪剂回收量为214.26g与回收率为0.54%。

图2 接收点碘化钾穿透曲线（BTC）

3.2 结果分析

主要采用美国环境保护局开发的Qtracer2进行计算，该方法主要应用在岩溶管道示踪实验的定量计算的一种模型[2]。根据在示踪试验中获得的浓度BTC曲线，从而对岩溶管道几何参数与水力参数进行定量计算，得出的结果可用于溶质运移模型、风险评估等研究中，其中参数的定量分析如下所述：

示踪剂回收质量计算公式：

在（1）式中，M0主要代表示踪剂回收质量；而示踪剂浓度主要以C（t）表示；监测点流量则用Q（t）表示；监测时间用t表示。

3.3 地下水流场与地下河管道的特点分析

3.3.1 地下水流场

试验区的地下水流场的示踪剂穿透曲线BTC，属于单峰型，没有拖尾情况，峰值为陡升、陡降，这就表明九子海洼地和甘泽泉两者之间存在着一定的水力联系，并没有地下溶潭发育等情况。其中示踪剂回收率比较低，这就表明尚且存在着其他的岩溶通道分走了部分水流，或者示踪剂的运移路径比较长，而含水质中的泥土、胶体、浮游生物等对示踪剂具有吸附作用，从而使得示踪剂滞留在含水介质中，因此回收率较低。

初见示踪剂的时间为224h、峰值时间为276h，由于考虑到修正后的迁移距离为20.2km，通过初步计算，地下水的最大流速为90.53m/h，平均流速为76.83m/h。

3.3.2 地下河管道

地下河管道的规模是决定含水层的排泄能力与储水量的关键，在岩溶水资源管理中，管道几何参数起着非常重要的作用。由于地下河水的流态为紊流，在水体中示踪剂的纵向弥散时间是比较短的，所以可以认为在含水层的相同横截面中，示踪剂的运移质量的浓度均是一致的，顾采用以下公式计算岩溶管道的储水体积：

式中：（2）式与（1）式中的意义相一致，为更好的计算出其储水直径，可以依照岩溶管道型地下河的特点，把岩溶管道概括为一个圆柱形状，依照储水体积对岩溶管道的过湿横截面积进行计算：

式中：（3）式中湿横截面积为A；地下河的实际长度为Xs。

3.4 地下水过水通道结构与水力参数

示踪剂BTC曲线不仅可以对地下水连通性与溶质运移规律进行验证，还可以反映出地下水流与地下水过水通道结构的特点。随后通过Qtracer2模型对得到的结果采用定量分析，从而获取相关的地下水过水通道结构参数、水力参数等。其中九子海洼地的一带岩溶过水管道体积为3.66万m3，平均直径为1.83m，表面积为3.66×104m2，而示踪剂滞留时间为276h，修正后的迁移距离为20.2km。其中含水层水文地质参数是建立水质预测模型与确定地下水运移规律等重要要素。利用示踪剂BTC曲线进行定量分析后，可以获得岩溶地下水的水力参数，经计算，九子海洼地一带的地下水纵向弥散系数与纵向弥散度分别为0.32m2/s、12.35m，而雷诺数和弗劳德数分别为26132、0.0068，由此可见，九子海洼地的一带的地下水处于缓速紊流状态。

4 结束语

综上所述，该试验有效的证明了九子海洼地一带具有水力连通的联系，通过示踪剂穿透曲线可以看出，地下水径流通道中没有比较大的溶潭发育，示踪剂的回收率比较低，表明地下水径流中具有其他其他径流分走了部分水流。随后利用示踪剂BTC曲线进行定量分析，从而获得了九子海洼地一带岩溶过水管道体积为3.66万m3，平均直径为1.83m，表面积为3.66×104m2，地下水纵向弥散系数与纵向弥散度分别为0.32m2/s、12.35m，而雷诺数和弗劳德数分别为26132、0.0068。且九子海洼地一带的地下水处于缓速紊流状态。

[1]杨平恒，袁道先，蓝家程，陈雪彬，张笑微.基于在线高分辨率监测和定量计算的岩溶地下水示踪试验[J].西南大学学报（自然科学版），2013，02：103～108.

[2]刘树林，范泽英，杨平恒，卢丙清，黄山松，张 宇，陈雪彬.基于在线高分辨率示踪试验的岩溶地下河管道特征分析——以重庆市彭水县岩窝坨至纸厂泉段地下河为例[J].西南大学学报（自然科学版），2015，10：125～130.

P641.134

A

1004-7344（2016）04-0203-02

2016-1-15

廖柳芬（1985-），女，助理工程师，本科，主要从事岩溶区水文地质调查工作。