人工示踪在岩溶地区水文地质监测中的应用

贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队 蒋向东

一、引言

在岩溶地区水文地质勘察中，通过人工示踪技术可确定岩溶区地下连通性、泉域范围以及岩溶管道分布、形态、水力特征等，具有准确性好、可信度高等优势，逐渐得到了广泛应用，本文主要围绕此技术展开详细分析。

二、人工示踪技术原理

人工示踪技术在国内外岩溶地区水文地质勘察中得到了广泛应用，其主要是通过人工投放示踪剂的方式，明确地下水流动方向、判断地下水来源，常见的示踪剂包括荧光素类、盐类以及漂浮物。在示踪试验中，可溶性的示踪剂会随着水流发生对流、弥散，在投放点下游接收到示踪剂后，对水流颜色、示踪剂浓度变化进行分析。目前，示踪试验主要分为三种情况，分别是定性、半定量和定量，其中，定量分析要求对示踪剂的浓度、流量等进行测量、分析，绘制穿透曲线，并计算回收率、地下水视流速、溶质运移参数、介质参数等，构建示踪剂运移模型。

目前，国际上示踪技术经由长期发展，已经成为岩溶地区水文地质勘察的常规方法，而国内是在1990年后才开始示踪技术的相关培训工作。经由多年发展，我国于2007年建立了荧光素类示踪剂检测实验室，并引进了示踪剂野外监测仪器，提高了示踪技术应用效率。目前，人工示踪技术在国内已经实现了推广应用，如在滇、黔、桂以及川、渝、鄂西、湘西、粤北的西南岩溶区水文地质普查中，人工示踪试验就是一项重要工作内容，试验结果精确、可靠。

三、岩溶地区水文地质勘察中人工示踪技术应用要点

（一）准备工作

岩溶地区开展人工示踪试验前，需基本掌握区域地形地貌、地质条件与水文条件，检查周围环境是否存在洞穴、水流通道等。结合上述调查情况，合理选择示踪剂类型，并确定投放点、取样点，优化采样方案。如，针对岩溶管道，可选择荧光染料、多数阴离子、阳离子等稳定示踪剂，针对地下水运移，可选择曙红、荧光素钠等稳定示踪剂。示踪剂使用量计算公式如下：

M=1.9×10-5×(L⋅Q⋅C)×0.95

式中：L—距离，单位：km；

Q—流量，单位：L/s；

C—预期峰值浓度，单位：μg/L。

（二）示踪剂投放

岩溶地区人工示踪技术的应用过程中，合理投放示踪剂十分关键，对此需构建岩溶管道网络，将洞穴水流作为示踪剂投放点。当现场勘察时，无法选到合适的示踪剂投放点，可将示踪剂投入到溶蚀裂隙、岩溶竖井内，可采取瞬时投放或是持续注入的方法。其中，瞬时投放需在完成示踪剂用量计算后，将其全部投入水流内，由此绘制示踪剂穿透曲线，并对水流内污染物对地下水的影响进行预测，也可确定水力特征，持续注入可有效提高采样点示踪剂浓度，便于勘察人员调查地下水污染情况。

（三）示踪剂取样

在综合分析示踪试验目标、岩溶区域水文环境等因素的基础上，合理确定取样位置，以观测井、洞穴水流、抽水井等为宜，此外确定示踪剂投放点后，隧道或地下洞穴内渗水、滴水，都可作为包气带采样点。在人工示踪技术实际使用过程中，可多次取样分析，掌握背景浓度变化情况。

（四）数据分析

在人工示踪试验过程中，示踪剂的投放、取样以及数据分析过程中难免产生误差，对此应加强对取样点、取样时间的控制，准确确定背景浓度特征等。通过持续观测，可绘制浓度——时间穿透曲线，经由分析掌握水流通道，判断岩溶区域地下水文环境特征。

四、实例探析人工示踪技术的应用情况

（一）项目背景

本项目为山岭隧道工程，施工过程中需穿越岩溶地下暗河系统，根据地下暗河下游段水力梯度计算显示，地下暗河在与隧道交叉点处标高1088m，显示暗河标高与隧道标高相当或是略高，面临较大的岩溶突水涌泥风险，对此查明岩溶水文地质情况、预测隧道涌水量具有重要意义。经综合分析，决定选择人工示踪技术进行岩溶地区水文地质勘察工作，查明隧道泄水洞与暗河系统边界，明确隧道集水面积，并进一步识别暗河系统各个部位含水介质导水性能，从而更为精确地开展隧道涌水量预测工作。

（二）人工示踪试验目的与方法

1.试验目的

本次人工示踪试验的目的包括：（1）查明隧道泄水洞排水影响情况，确定泄水洞与地下暗河的系统边界，确定隧道集水面积，并预测隧道涌水量。（2）绘制示踪剂浓度历时曲线，并识别暗河不同部位含水介质特征，确定地下水平均流速等参数。

2.示踪剂投放

本项目在暗河系统内进行了5次地下水示踪试验，具体投放与接收情况如下：（1）2次示踪试验在钻孔QY4、QY5投放示踪剂，在暗河出口接收，揭示暗河主管道以东隧道围岩含水介质特征，并分析其与暗河管道的水力联系程度。（2）3次示踪试验在三处伏流入口投放示踪剂，并在隧道泄水洞、暗河出口位置接收。本项目示踪试验中，不同投放点投放不同的示踪剂，并实施连续监测工作，主要示踪剂包括荧光素钠、罗丹明、荧光增白剂，具体使用情况如下表1所示。本次选用GGUN-FL30野外荧光分光光度计开展连续自动监测工作，监测间隔10min，监测精度0.02ppb。

表1 示踪剂投放与接收位置

（三）人工示踪试验结果分析

（1）QY5#钻孔示踪试验。本次示踪试验中，5#钻孔与暗河出口之间的水平距离为1400m，示踪剂在76h后达到峰值，然后缓慢下降。根据计算可得，5#钻孔与暗河出口间平均地下水流速为442m/d，判断5#钻孔与暗河水力联系较好，含水介质主要为单一小型岩溶管道。

（2）QY4#钻孔示踪试验。本次示踪试验中，4#钻孔与暗河出口之间的水平距离为2150m，示踪剂在297h后达到峰值，然后缓慢下降。根据计算可得，4#钻孔与暗河出口间平均地下水流速为174m/d，判断4#钻孔与暗河存在水力联系，含水介质主要为溶蚀裂隙、小型岩溶管道。

（3）A伏流入口示踪试验。本次示踪试验中，A伏流入口与暗河出口之间的水平距离为8700m，示踪剂在234h后达到峰值，然后缓慢下降。根据计算可得，A伏流入口与暗河出口间地下水平均流速892m/d，判断此段地下暗河管道单一、径流通畅，无大型水潭串联。

（4）B伏流入口示踪试验。本次示踪试验中，B伏流入口与隧道突水点之间的水平距离为1250m，示踪剂在200h后达到峰值，然后缓慢下降。根据计算可得，B伏流入口与泄水洞地下水平均流速150m/d，判断此伏流与隧道存在水力联系，含水介质主要为溶蚀裂隙、小型岩溶管道。

（5）C伏流入口示踪试验。本次示踪试验中，C伏流入口与隧道突水点之间的水平距离为2500m，示踪剂在252.5h后达到峰值（出现异常波动），最高为150ppb，高处正常值100多倍，表明泄水洞接收到示踪剂，经分析主要是夜间暴雨所致，泄水洞出口河道上游雨水间歇性的混入了监测仪器。经计算，C伏流入口与泄水洞地下水平均流速为237m/d，判断C伏流以南岩溶地下水被隧道泄水洞所袭夺，泄水洞的施工和长期泄水使得原本完整的暗河分化为两个部分，减小了岩溶水系统汇水范围，减轻岩溶突水突泥灾害。C伏流与隧道存在水力联系，含水介质主要为溶蚀裂隙、小型岩溶管道（见图1）。

图1 C伏流入口示踪试验结果

五、结语

综上所述，近年来人工示踪技术在岩溶地区水文地质勘察中得到了较多的推广应用，主要应用领域有岩溶地区水源地保护、地下工程修建、水库大坝建设与防渗加固等。目前，人工失踪技术不断成熟，在工程实践中需根据实际情况合理选择示踪剂，选择投放点与接收点，准确绘制示踪剂穿透曲线，并做好相关分析工作，全面了解岩溶地区水文地质情况，为相关建设工作提供可靠参考依据。