浊度对地下水示踪试验的影响

项立磊， 万军伟， 黄 琨， 程 烯， 任亚楠， 范玉龙

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070; 2.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074)

地下水示踪试验是岩溶地区水文地质调查的一种常用且有效的野外试验方法[1-2]。随着示踪试验监测技术及数据信息提取和分析方法的发展，示踪试验的应用不再局限于传统连通试验仅用于证实示踪剂投放点和接收点之间的连通性，而是被广泛应用于分析岩溶泉域范围、地下分水岭位置、岩溶含水介质特征以及确定地下水流速和弥散系数等水文地质参数[3-4]，成为研究岩溶水文循环过程、提取水文信息以及分析地下水运动和溶质运移特征的重要技术手段[5-6]。

可用于开展地下水示踪试验的示踪剂种类很多，包括颗粒示踪剂(如谷壳)、化学示踪剂(如钼酸铵)、人工放射性示踪剂(如碘131)和荧光示踪剂等。其中荧光示踪剂具有投放量小、灵敏度高、易于监测且对环境影响小等优点，是目前野外地下水示踪试验最常用的示踪剂[7]。荧光示踪剂包括荧光素钠、罗丹明、荧光增白剂三种，其中荧光素钠、罗丹明溶液具有显色性，当两者在水中浓度较高时，荧光素钠溶液呈绿色，罗丹明溶液呈红色。为了避免因试验投放的示踪剂过量导致水体变色引发民众恐慌，在设计试验示踪剂投放量时要保证接收点处地下水中示踪剂的浓度低于显色浓度且能被仪器所检测，因此，示踪剂浓度的监测精度是决定试验的准确性及成功率的重要因素。

然而，已有研究发现：水的浊度会对示踪剂浓度的监测精度产生较大影响[8]。即使地下水中的示踪剂的实际浓度不发生变化，当浊度发生变化时，仪器检测到的示踪剂浓度也会发生改变。赵良杰等[9]提出当浊度>25时，浊度与示踪剂浓度呈负相关关系，且浊度越大，对示踪剂的影响越大；胡丽[10]则认为罗丹明的背景值曲线表现出随浊度正相关的规律。笔者在野外多个场地开展的示踪试验也发现类似的问题：试验过程中发生强降雨后，地下水的浊度随之骤增，之后随着流量的衰减而逐渐减低，同时仪器检测到的示踪剂浓度表现出类似的响应规律，其中罗丹明浓度受浊度的影响最为显著。为此，本文利用多组野外地下水示踪试验的监测结果，对比分析试验过程中三种荧光示踪剂浓度与水的浊度随着时间变化的规律，揭示浊度对示踪剂浓度的影响规律，为消除浊度对示踪试验的干扰、修正示踪剂浓度以及提高试验精度提供科学依据。

1 示踪试验概况

本次研究选取湖北省宜昌市清江—渔洋河河间地块的千渔洞暗河、洞湾暗河以及湖南省湘西州永顺县芙蓉河流域的兰花洞暗河系统为研究对象，为查明各地下暗河系统的空间分布关系及含水介质结构特征，共设计开展了3组野外地下水示踪试验。选取的示踪剂包括罗丹明、荧光增白剂以及荧光素钠，监测仪器采用GGUN-FL30野外荧光示踪仪。该示踪仪可以同时监测水体中的3种示踪剂浓度、浊度及温度的变化情况，示踪剂浓度的监测精度为0.02×10-9。本次将野外荧光示踪仪布置在地下暗河的出口，对3种示踪剂的浓度及水的浊度进行连续自动监测，每15 min记录一次数据。具体部署情况见表1及图1、图2。

表1 示踪试验开展情况一览表Table 1 List of tracer test progress

图1 清渔河间地块示踪试验部署图Fig.1 Deployment map of tracer test in Qingyu River Block

图2 兰花洞流域示踪试验部署图Fig.2 Deployment map of tracer test in Lanhuadong basin

2 试验结果与讨论

2.1 示踪剂浓度—浊度历时曲线对比分析

清渔河间地块洞湾岩溶水系统地区投放了荧光素钠及罗丹明2种示踪剂，洞湾暗河出口地下水中的3种示踪剂的浓度—浊度历时曲线如图3所示。此次示踪试验并未投放荧光增白剂，由于荧光增白剂广泛存在于生活废水中，不同地区的天然背景值受人类活动影响差异较大，其他2种试剂的天然背景值受人类活动影响较小。试验前，对洞湾暗河出口地下水中的荧光素钠、荧光增白剂及罗丹明的天然背景值进行了多次监测，其天然背景值分别为0.33×10-9、3.2×10-9及3.5×10-9。

图3 洞湾岩溶水系统各示踪剂浓度—浊度历时曲线图Fig.3 Diachronic curve of concentration-turbidity of tracer in Dongwan karst water system

由图3可知,浊度的总体变化趋势受降雨影响较大，基本随降雨后流量的起伏而波动。试验期内共有三次降雨，其中强降雨发生在2017年9月18日，浊度随流量迅速增大而升高，在6 h之内增大至2倍，随后逐渐缓慢下降。荧光素钠的浓度于2017年9月12日因接收到上游所投放的示踪剂后开始上升，2 d后达到峰值，随后呈持续下降趋势，对9月18日强降雨过程并无反应。荧光增白剂试验点位于居民生活区岩溶洼地处的落水洞，故其初测浓度值较高，随后逐渐恢复至天然背景值。试验显示，其对各种类型的次降雨过程并无显著的反应。作为同组对照试验，罗丹明浓度历时曲线对浊度变化十分敏感，三次不同降雨条件下浓度均有响应，与浊度变化呈明显的正相关关系，并在浊度突变时尤为明显。例如，在2017年9月18日强降雨条件下，暗河出口浊度增大了1.37倍，与此同时罗丹明的浓度也发生突变，增大了0.8倍。

清渔河间地块千渔洞岩溶水系统地区也投放了荧光素钠及罗丹明2种示踪剂。试验前，对千渔洞暗河出口地下水中的荧光素钠、荧光增白剂及罗丹明的天然背景值进行了多次监测，其天然背景值分别为0.25×10-9、0.05×10-9及4.23×10-9。示踪试验结果如图4所示。总体来看，千渔洞暗河流量动态变化较大，其浊度变化亦十分显著。2017年8月24日—9月28日期间，千渔洞岩溶水系统经历了多场次降雨过程，浊度基本随次降雨过程呈多次涨落变化。其中，荧光素钠于8月24日投放之后，其浓度经历了从初测浓度值至天然背景值逐渐衰减的一个时间段，示踪剂于8月31日到达接收点，10天后达到浓度峰值，随后持续衰减至天然背景值，在此过程中荧光素钠并未对9月7日、9月18日两次强降雨过程有较为明显的动态响应。本次示踪试验亦未投放荧光增白剂，荧光增白剂浓度整体在一个较小的范围内波动，但监测期间对两次较为显著的强降雨过程有微小的波动响应。罗丹明浓度历时曲线总体受浊度波动影响较大，在8月25日、8月28日、9月7日和9月18日等多个地下水浊度突变的时间节点，罗丹明浓度均发生了明显的变化。

图4 千渔洞岩溶水系统各示踪剂浓度—浊度历时曲线图Fig.4 Diachronic curve of concentration-turbidity of tracer in Qianyudong karst water system

芙蓉河流域兰花洞岩溶水系统地区试验期间在两个投放点分三次分别投放了荧光素钠、罗丹明及荧光增白剂3种示踪剂。试验前，对兰花洞暗河出口地下水中的荧光素钠、荧光增白剂及罗丹明的天然背景值进行了多次监测，其天然背景值分别为0.20×10-9、2.55×10-9及17.2×10-9。示踪试验结果见图5。试验期间共有两次典型降雨，分别为2016年10月29日—31日的大雨以及2016年11月6日—7日的中雨。期间兰花洞暗河出口地下水的浊度与暗河流量的变化密切相关，其总体趋势为：监测初期地下水的浊度处于持续上升阶段，之后随着流量的衰减呈阶梯状下降，在11月6日开始的中型降雨后，地下水浊度又随着暗河流量的增加而升高，之后迅速减小恢复至天然背景值。

图5 兰花洞岩溶水系统各示踪剂浓度—浊度历时曲线图Fig.5 Diachronic curve of fluorescent brightener concentration-turbidity curve of Lanhuadong karst water system

由图5可知，监测点正常接收到荧光素钠，其浓度历时曲线为对称的单峰曲线，并没有随着浊度的变化而发生改变，说明荧光素钠的监测浓度基本不受浊度的影响；荧光增白剂浓度历时曲线出现两个峰值：第一个峰值表明少部分荧光增白剂到达监测点，曲线形态整体缓增缓降，是单管道与地下溶潭串联的结果；第二个单峰表明因在11月6日的中雨影响下前期积滞在地下溶潭内的荧光增白剂被降雨迅速带出，形成一近乎对称的单峰曲线，总体来看荧光增白剂仅在几个浊度突变处有轻微波动；罗丹明浓度历时曲线与浊度历时曲线十分吻合，不仅整体变化趋势相同，在浊度突变的多个时间节点(11月9日、10日、12日、13日和20日)，罗丹明的浓度均发生了较大幅度的变化。

总体分析可知：3种示踪剂的浓度历时曲线对浊度表现出不同的响应特点,其中荧光素钠浓度对浊度的变化基本无响应；荧光增白剂总体对浊度的变化无响应仅在浓度突变处表现出微小的波动；而罗丹明浓度对浊度的变化十分敏感。

2.2 浊度对示踪剂浓度影响的定量分析

由上述多组地下水示踪试验结果得知，荧光增白剂及荧光素钠浓度受到浊度的影响相对较小，而罗丹明浓度对地下水浊度变化十分敏感，基本随浊度波动而变化，尤其在浊度突变处罗丹明浓度的波动剧烈。为明确浊度突变的幅度对罗丹明浓度产生的影响，选取上述多组示踪试验中浊度突变处的数据，计算相应时间节点处浊度及浓度的突变率C，进行对比分析，突变率C按式(1)计算，具体计算结果见表2。

(1)

表2 地下水浊度及罗丹明浓度突变率对比表Table 2 Comparison table of groundwater turbidity and rhodamine concentration mutation rate

在图5中，罗丹明的第一个突变峰值，主要是受两方面的影响而产生的叠加效果：一是罗丹明到达接收点，其浓度随之升高；二是浊度的突变带来罗丹明浓度的波动。去除异常值，得图6。

由表2、图6分析可知：罗丹明浓度对浊度变化响应十分敏感，地下水浊度突变率与罗丹明浓度突变率近似呈二次函数关系，线性拟合R2值为0.929 5，笔者认为变量(地下水浊度的突变率)对被解释变量(罗丹明浓度的突变率)有显著影响，通过显著性检验。

图6 地下水浊度及罗丹明浓度突变率关系图Fig.6 Relationship between groundwater turbidity and rhodamine concentration mutation rate

根据本文中多组地下水示踪试验的多个浊度突变点罗丹明浓度的响应规律来看，可得出以下几个结论：①罗丹明浓度的突变率与地下水浊度的突变率近似呈开口向下的二次函数关系；②当地下水浊度突变率<1.7时，罗丹明浓度的突变率随着地下水浊度的突变率增大而增大。

本次野外示踪实验未获得地下水浊度突变率≥1.7时的试验数据，待进一步室内试验后可得出。

2.3 浊度影响示踪剂浓度的原因分析

野外荧光示踪仪主要是利用荧光物质在受到特定波长的光照射时，会激发出比该波长要长、能量较照射光要弱的光(即荧光)，通过光检测器来将荧光的强弱，转换成可以检测记录的电压信号，建立电压信号与荧光强度或物质浓度的线性或非线性关系(即校正，或替代指标)。荧光示踪仪利用不同类型的荧光物质对可见光谱范围内不同波长光的吸收具有选择性这一特点，采用光学滤波装置产生特定波长的光束，通过待测溶液后进入接收器，根据所测得的示踪剂浓度与荧光强度成反比的规律来计算得到示踪剂的浓度。本次试验选用的3种示踪剂分子式分别为：荧光素钠C20H10Na2O5、荧光增白剂C40H40N12Na4O16S4和罗丹明C28H31ClN2O3。

赵良杰等[9]提出岩溶区地下河浊度主要来源于两种悬浮颗粒物,即地表的土壤、大气粉尘等随地表径流进入地下河和沉积于岩溶管道内部的物质；赵阳等[11]通过多组室内试验得出，土壤中具有较高的有机物含量，而土壤有机碳含量及疏水性有机化合物含量能够增加土壤对有机化合物材料的吸附程度；Site et al.[12]研究表明,在影响材料吸附能力强弱的影响因子,如粒径分布、比表面积、阳离子交换量、pH、有机碳含量和矿物学组分中,吸附能力强弱与材料中的有机碳含量紧密相关,与其它影响因子关系不大。此外,Kasnavia et al.[13]研究认为相比荧光增白剂和荧光素钠分子仅有一个带负电的官能团,罗丹明分子却同时具有一个带正电荷和负电荷的官能团,此大幅度增加了悬浮颗粒对罗丹明的吸附能力；当水体中浊度增大时，即水体中悬浮颗粒物增多，罗丹明被吸附的量会增加，从而水体中罗丹明的荧光强度则会降低，所以计算得出的示踪剂浓度则会增大。

3 结论及展望

本次研究通过对岩溶地区多个地下暗河系统的示踪试验数据进行对比分析，得到了以下几点结论：

(1) 荧光素钠浓度对浊度变化基本无响应，荧光增白剂浓度仅在浊度突变处有细微波动，而罗丹明浓度对浊度变化较为敏感。

(2) 通过计算相应时间节点处浊度及浓度的突变率C，对比分析发现：①罗丹明浓度的突变率与浊度的突变率近似呈二次函数关系；②当浊度突变率<1.7时，罗丹明浓度的突变率随着浊度突变率的增大而增大。

本文分析了岩溶地区地下水浊度对示踪剂浓度的影响，且定量分析了地下水浊度对罗丹明浓度的影响规律，为野外地下水示踪试验的结果分析提供了一定参考。

鉴于地下水示踪试验是岩溶地区识别岩溶水系统含水介质结构特征的一种重要技术手段，示踪剂浓度历时曲线对于含水介质结构特征的分析具有极大的参考价值，因此在岩溶地区开展野外地下水示踪试验时，应根据野外实际情况，考虑水体中浊度变化选取最合适的示踪剂。此外，程烯等[14]、王鹏等[15]在荧光示踪剂的室内干扰试验中发现：荧光素钠作为示踪剂时易对罗丹明及荧光增白剂的检测浓度产生干扰，这是因为其发射光谱之间存在重叠，而荧光增白剂与罗丹明之间不会产生相互干扰,为良好的多元示踪剂。基于此研究成果，后续将充分考虑各示踪剂之间的相互干扰情况，进一步进行室内浊度控制实验，以更加准确地定量分析地下水浊度的变化对示踪剂浓度的影响，并在此基础上开展利用示踪剂浓度历时曲线分析研究含水介质结构特征的误差及其校正方法。