大武水源地裂隙岩溶区示踪试验研究

朱恒华 杨丽芝 边农方

摘 要：为在淄博大武水源地遭受污染地区合理布置治理工程，在堠皋试验区进行裂隙岩溶水示踪试验，分析试验区地下水流向，了解金岭断裂两侧水力联系。结果表明：示踪剂运移方向主要为12°和104°方向，优势主流方向为104°;示踪剂浓度与水力坡度、速度、观测孔距离无明显相关关系，试验区岩溶介质具有非均质各向异性特征;地下水视流速大多超过100 m/d，说明研究区地下水流动迅速，污染物运移以对流为主;研究区灰岩断裂构造为张性断裂，导水性良好，对地下水流动有促进作用;研究区含水层岩溶发育不均一，溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。

关键词：大武水源地;裂隙岩溶水;示踪试验;钼酸铵

Abstract： Tracer test was done in fracture-karst aquifer of Hougao test site of Dawu water source area in order to make a thorough investigation of hydrogeological condition for remediation. We analyzed groundwater flow field， investigated the hydraulic connection across Jinling fault based on the tracer test.The results show that a） the tracer migration directions are mainly for 12° and 104° and the preferential mainstream direction is 104°; b） there is no correlation between tracer concentration and the potential factors including hydraulic gradients， flow velocities and the distance of observation wells; this indicates that the regional karstified media studied here are heterogeneous and anisotropic; the apparent velocities of groundwater are very fast and the transportation of pollutions are mainly convection; c） the tensional fault zones of limestone are well-developed; this leads to high hydraulic conductivity that can promote groundwater flow and; d） the development of aquifer is heterogeneous as well， where karst zones are featured by the coexistence of dissolving hole， dissolving gap， fissure， conduit， and karst cave.

Key words： Dawu water source area; groundwater-bearing fractured karst; tracer test; ammonium molybdate

大武水源地位于淄博市临淄区，是我国北方罕见的特大型地下水水源地，承担着淄博市张店、临淄两区城市居民生活，齐鲁石化、辛店发电厂等国家骨干企业生产、生活及水源地周围部分乡镇工农业生产供水任务，对淄博市经济的稳定发展起到重要作用[1]。自大武水源地投入使用以来，随着当地工农业生产的迅速发展和居民生活水平的不断提高，用水规模迅速扩大，造成地下水开采量持续增加[2]。水源地周围诸多化工企业废水排放对水源地造成污染，引起水环境状况不断恶化[3]。大武水源地储水岩层主要为裂隙岩溶灰岩，泄漏的石油及其他污染物极易通过包气带进入含水層，对大武水源地地下水安全构成极大威胁[4]。因此，查明大武水源地水文地质条件及水力联系极为重要。裂隙岩溶区地下水的水力联系可采用示踪试验进行探明[5]，如以I同位素为示踪剂研究石油污染区岩溶水文地质条件[1]，以亚硝酸钠为示踪剂查明黄河龙口库区地下岩溶发育和渗漏情况[6]，以纤维毛壳菌、钼酸铵为示踪剂进行岩溶区连通性试验[7]。但是已有研究并没有完全查明大武水源地地下水的水力联系和补径排关系，对地下水优势主流方向和断裂带透水性质的研究依然缺乏。因此，笔者通过大武水源地堠皋试验区示踪试验，查明堠皋试验区附近地下水的运移途径，了解金岭断裂两侧的水力联系，并确定堠皋区域地下水的污染来源、去向及主流方向，以期为大武水源地的保护提供理论依据。

1 地质背景

堠皋试验区位于鲁中山地北缘与华北平原相连的过渡地带，地势南高北低。南部为低山丘陵河谷地形，最高海拔307.5 m，北部接山前倾斜平原，最低海拔52.0 m，其地貌是地层岩性、地质构造、气象水文等因素综合作用的产物，按形态可分为构造剥蚀岩溶低山丘陵、剥蚀堆积山麓坡地、河谷冲积平原和山前冲洪积平原。研究区以断裂为主要地质构造，其中淄河断裂带是最大的隐伏断裂带，为区域性大规模北北东向断裂;次一级断层发育包括近东西向王寨断裂、南北向金岭断裂等。区内分布的主要含水岩组为南部地区的奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组和北部地区第四系松散岩类孔隙含水岩组，地下水流向大致为由南向北。富水段东起曹家庄，西止于西下庄西，北到老济青公路，南至山前大武、窝托、上庄南侧一线，面积约6.25 km2。该富水段处于山前倾斜平原上，上覆第四系松散堆积层，主要含水段为石灰岩、泥灰岩和泥质白云质灰岩[8]。研究区地质条件见图1。

2 研究方法

2.1 示踪剂选择及钼离子背景值测定

根据不同地区水文地质环境的特点，选择较为理想的示踪剂是进行水文地质示踪试验的关键之一[9-11]。参考国内外已有岩溶区示踪试验，结合大武水源地实际水文地质条件[12-16]，试验选择钼酸铵（（NH4）6Mo7O24·4H2O）作为示踪剂，钼离子为示踪离子。为了获得研究区示踪剂投放前钼离子浓度的背景值，采用原子吸收分光光度计-石墨炉法和电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）进行钼离子测试，2017年11月多次采样测定堠皋试验区钼离子浓度背景值，见表1。

2.2 示踪剂投放

堠皋试验区示踪剂投放量为200 kg。将钼酸铵全部溶于0.5 m3水中，用小泵输入投放井内，随后大流量一次性注入10 m3清水。根据前期现场勘察，以及对地下水水位观测资料和同位素资料的综合分析，示踪试验投放井确定为齐旺达西井（SW512）。试验监测网以投放点齐旺达西井为中心，向四周辐射布控，在不同岩溶含水层和不同区段布置25个取样点（包括投源井）。从2017年11月16日开始投源至2018年3月9日示踪试验结束，共采样350组，监测频率为每1～2 d一次，达到峰值后适当降低取样频率，每3～5 d取样一次。钼离子扩散范围见图2。

3 示踪试验揭示的水文地质问题

通过钼离子扩散范围可以看出，示踪剂在齐旺达西井投放后，示踪剂运移方向主要以投源点向12°和104°运移（正北为0°），其中优势主流方向为104°方向。根据示踪剂扩散运移方向确定分析研究剖面线的位置，按照剖面线的展布图对试验区水文地质问题进行分析，见图3。

3.1 岩溶含水系统具有非均质特征

水力坡度是指投源点到检出点的水位差与投源点至检出点直线距离的比值[17]。由于堠皋试验区试验期间是枯水期，大气降水对水位的影响不大，因此各采样点到投源点的水力坡度具有一定稳定性。水力坡度主要影响示踪剂的运移速度，对于某一固定路径，水力坡度越大，示踪剂的运移速度越快。視流速由投源点到检出点的直线距离除以示踪剂初见峰值时间计算得到[18]。根据水力梯度与视流速的关系，可以分析试验区岩溶介质的均质性。

根据试验区地下水等水位线和示踪试验结果，计算检出点与投源点间的水力坡度和地下水视流速，结果见表2。由表2可知，兴亚W1的水力坡度在所有检出点中最大，但是对应的视流速非常小，表明示踪剂从投源井到兴亚W1运移具有滞缓性;齐旺达GW1与兴亚W1类似，地下水流速缓慢，具有滞缓性。金岭五村水力坡度较小，但是受金岭断裂影响视流速最快，在所有检出点中示踪剂运移最为畅通;堠皋1井、灵芝北井、金岭农委2示踪剂运移同样较为畅通。可以看出，水力坡度的大小与示踪剂运移速度无相关关系，说明试验区岩溶介质具有非均质各向异性特征。此外，地下水视流速大多超过100 m/d，说明地下水流动迅速，污染物运移以对流为主。

3.2 断裂构造对地下径流有重要影响

堠皋试验区地下径流主要受金岭断裂影响。在水力梯度作用下，堠皋试验区示踪剂向东穿过金岭断裂后运移至堠皋、齐旺达等地，区域地下水视流速为113～200 m/d，表明金岭断裂具有良好透水性，见图4、图5。

在水力梯度作用下，示踪剂的移动同时受南北向金岭断裂的影响，顺断裂方向向北运移至金岭五村和金岭农委2（见图6），两检出点地下水视流速分别为289.50、197.50 m/d，大于堠皋4井、齐旺达等的地下水视流速，说明金岭断裂方向对地下水流速有影响，沿断裂方向地下水流速较快。

3.3 岩溶发育类型多重性

根据示踪剂浓度测试结果，监测井钼离子浓度曲线可分为单峰、双峰、三峰、多峰曲线（见图7、表3），岩溶水径流通道有单一管道型、单管道有水池型、多管道型和多管道水池型，表明大武水源地岩溶发育特征为溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存，具体分区情况见图8。

（1）试验区内距投源井较近的兴亚W1井，投源井东部堠皋3井、堠皋1井和堠皋4井这一运移途径上钼离子浓度曲线均为单峰型。兴亚W1井、堠皋3井、堠皋1井为略对称型单峰曲线，表明检出点上下游之间的岩溶通道为单通道，且上下游通道大小差别不大，检出点之间的岩溶发育程度相对一致。兴亚W1井地下水视流速为12.27 m/d，流速较慢，表明岩溶发育较差，岩溶通道为溶隙。堠皋1井和堠皋3井地下水视流速分别为200.00、116.00 m/d，堠皋1井地下水流速较快，岩溶通道为裂隙。堠皋4井钼离子浓度曲线为不对称型单峰，说明堠皋4井下游岩溶通道与上游相比较窄;检出点上游的流速和下游的流速明显不同，出现浓度拖尾现象，堠皋4井地下水视流速为102.50 m/d，岩溶通道为裂隙。

（2）示踪剂检出范围内东北部蓝帆2井W4、齐旺达废井和灵芝北井钼离子浓度曲线均为先高后低双峰型。先高后低型双峰曲线表明岩溶发育为双通道，其中第一通道钼离子峰值浓度高于第二通道的，且出现峰值的时间早于第二通道的，说明第一通道为优势通道，水流运移时间较短，第二通道水流运移时间较长，被稀释、吸附的可能性更大，因此第二通道浓度有所降低。

（3）投源井北部金岭五村钼离子浓度曲线为三峰型，金岭农委2钼离子浓度曲线为先低后高双峰型。考虑到北部两井分布于金岭断裂两侧，流速较快，认为北部地下水主要为裂隙水。

4 结 论

（1）受天然状态下地下水流场影响，堠皋试验区地下水流向为北向和东向，示踪剂从投源井向北沿金岭断裂到达金岭村区域;示踪剂从投源井向东北和东南方向运移，经过齐旺达和堠皋区域，最远到达85°方向灵芝北井，地下水视流速为9.09～289.50 m/d，示踪剂扩散范围为1.76 km2。

（2）示踪试验监测数据表明，示踪剂浓度与水力坡度、速度、距离无明显相关关系，试验区岩溶介质具有非均质各向异性特征。

（3）示踪剂沿金岭断裂方向流速较快，断裂对地下水流动有促进作用，说明灰岩区断裂构造导水性良好。

（4）示踪剂随地下水流在奥陶系马家沟组地层中扩散速率快慢不一，表明含水层岩溶发育不均一，区域岩溶发育具有多重性，溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。

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【责任编辑 吕艳梅】