示踪试验在一把伞水库水文地质勘察中的应用

2023-07-02罗锐恒刘天云胡顺强赵永宾潘晓东

长江科学院院报 2023年6期

罗锐恒,刘天云,胡顺强,赵永宾,潘晓东,彭聪

(1.文山壮族苗族自治州水利电力勘察设计院,云南文山 663000; 2.中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林 541004; 3.联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林 541004)

1 研究背景

我国西南碳酸盐岩出露地区由于受岩溶作用等因素的影响,水资源问题一直是困扰该区域经济发展和居民生产生活的重要因素[1]。岩溶区修建水库不仅可解决区域供水紧张问题,对生态保护也有非常积极的作用[2]。岩溶地下河是中国南方碳酸盐岩地区最重要的岩溶现象之一,其主要特征是由相互连通的岩溶孔隙、岩溶裂隙、岩溶洞穴和岩溶管道多重介质组构而成,具有极强的汇水、蓄水和排水功能的岩溶水地下通道[3]。因排泄点单一,且在补给径流区往往串联较多的岩溶洼地,对地下河管道进行封堵使其成为地表-地下联合水库,这种方式越来越受到青睐,如广西弄岩岩溶地表-地下联合水库[4]、湖南洛塔岩溶水开发利用工程[5]、贵州平塘巨木地下河开发工程[6]等的兴建不仅实现了对岩溶水的高效利用,还促进了当地的经济发展。

岩溶地下河管道结构多样、高渗透性及非均质性等特点造成了调查难度高,调查方式多样。目前,关于岩溶地下河管道的调查方法主要包括水文学法[7]、水化学法[8]、同位素法[9-10]、地球物理法[11]和示踪试验法[12-13]等。其中,示踪试验是岩溶水文地质调查的常用方法,也是确定岩溶地下管道展布及特征最有效的方法[14]。早在20世纪50年代,我国学者就在三峡工程的勘察中运用食盐进行示踪试验,后期逐渐发展并应用到工程、环保等诸多领域[15-16]。示踪技术在国外也被普遍运用在水文地质调查工作中,研究人员不断加强对示踪方法及后期数据处理的研究和软件开发,这大大提高了示踪试验的成功率和效率[17-18]。然而,目前示踪技术基本应用在地下水连通及水文地质参数的简单计算上,而缺乏对管道空间等的研究。

本文拟通过示踪试验查清一把伞水库的地下河管道的发育特征及岩溶地下水系统边界范围,利用Qtracer2软件对各地下河管道进行水文地质参数的计算,并估算地下管道的空间,以期为水库封堵及库容估算提供基本依据。

2 材料与方法

2.1 研究区自然地理条件

一把伞地下河系统位于云南省文山市马关县境内,管道走向近西东,西起坡脚乡大马固村,东至山车乡鱼塘村,总长度约为18.4 km。研究区地势总体南高北低、西高东低,东部受控于盘龙河的侵蚀造成海拔急剧下降。南部为碎屑岩山区,海拔在1 500 m以上,最高处海拔1 790 m,位于老马固村南侧的无名山体;海拔最低点在地下河系统总出口,海拔947 m,海拔差超过800 m。地势起伏较大,地下河系统内部海拔在1 400～1 600 m之间,低海拔主要分布在洼地底部,海拔多低于1 400 m,与周边山体高差>100 m,局部>200 m。气候特征为冬春干旱,夏秋湿润,冬无严寒,夏无酷暑,气候垂直差异大,立体气候明显。根据气象资料统计,多年平均降雨量为1 359.9 mm,多年平均气温16.9 ℃。

地下河主要发育在泥盆系的东岗岭组(D2d)、革当组(D3g)及二叠系的阳新组(P1y)中,均属浅海相沉积。东岗岭组(D2d)岩性以灰色中至厚层状生物碎屑粉晶灰岩、砂屑粉晶灰岩夹薄至中层状粉晶灰岩为主,少量泥灰岩,层间普遍夹红色泥质灰岩。革当组(D3g)岩性上部为浅灰色厚层至块状粉晶灰岩夹粉晶砂屑砾屑灰岩,下部为灰红色、灰白色厚层白云质鲕粒灰岩粉晶白云岩。二叠系的阳新组(P1y)岩性以深灰-肉红色厚层至块状灰岩、粉晶白云岩为主。系统北部边界为地下分水岭,南部边界为泥盆系坡松冲组(D1ps)的碎屑岩,地下水自西向东径流,并从鱼塘暗河出口流出。地下水主要受大气降雨及附近碎屑岩侧向补给,在地下河裂隙、管道中径流,并最终以地下河出口形式排泄。

2.2 试验设计及分析方法

2.2.1 试验目的

拟建的一把伞水库位于大马固村以东、一把伞以西的鱼塘地下河主管道上,水库由地下水库和地表水库组成,属地表-地下联合调蓄型水库。地下水库主要由位于库区内的地下河管道、溶洞以及裂隙等组成,地表水库则是由这一带数十个天然的季节性岩溶湖泊组成,包括大马固湖泊、小坡脚湖泊、石丫口湖泊、旧寨系列湖泊以及一把伞湖泊等,水库的建成对当地农业灌溉、工业供水、石漠化生态修复、旅游开发、电站建设等意义重大。

在一把伞地下河系统中,地下水主要补给来源为大马固水库,该水库东侧分布有3个地下河入口,分别为YBS01、YBS02和YBS03(图1),其中YBS01和YBS02两个入口常年有水流入,而YBS03则在水库水位升高到一定位置后才有水流入。经调查,一把伞地下河管道有三支,分别为北支管道、主管道和南支管道。分析推测北支管道与主管道于一把伞汇合后直接通往鱼塘总出口,南支管道则由大马固水库南支开始,受一条东北向断层F3的阻挡,未经过一把伞直接通往鱼塘总出口。因坝址位置在一把伞水库,若主管道与南支管道在上游段存在水力联系,那上游水库的水将会顺南支管道排走,使得水库失去蓄水意义。因此,确定南支管道与主管道是否存在水力联系及大马固水库北部两个地下河入口水流向是本次示踪试验的重点。此外,由于库区管道分支较多,且均与各溶洼水库相连,因此通过示踪试验估算地下管道空间也是后期计算水库库容的关键。

图1 一把伞地下河系统水文地质Fig.1 Hydrogeological sketch of Yibasan groundwater system

2.2.2 仪器、参数与示踪剂

本次示踪试验选用荧光素钠(C20H10Na2O5)和罗丹明(C28H31ClN2O3)作为显色示踪剂,该化学物质适用于在碱性岩溶水中应用。示踪接收仪器为瑞士Albillia公司生产的GGUN-FL30型野外自动化荧光仪,利用示踪剂对不同波长的光具有选择性吸收的特点,仪器首先发出特定的激发光光束,经含示踪剂溶液的过滤作用,仪器接收到不同波长和强度的接收光,而接收光的光强度和示踪剂浓度成反比,从而根据二者之间的关系函数能计算得到示踪剂浓度。该型号野外荧光仪灵敏度极高,对荧光素钠和罗丹明的检测精度达到0.02 μg/L。根据野外对示踪剂投放点和接收点的实际情况,采用式(1)计算示踪剂投放量[18],即

M=1.9×10-5(LQC)0.95。

(1)

式中:M为示踪剂的投放量(g);L为距离(km);Q为流量(L/s);C为预期浓度(μg/L)。

2.2.3 示踪试验

(1)示踪试验投放点。本次示踪试验的投放点有3处,分别为YBS01、YBS02和YBS03,这3个投放点分别为各管道的起点。因地下河入口YBS01和YBS02常年有水流入,而YBS03仅为丰水期有水流入,故示踪试验分为两次进行。首先考察YBS01和YBS02两个地下河入口流经管道的分布情况,YBS01出露地层为D3g组较纯灰岩中,受到地表河流的长期冲蚀,于洼地的东北侧形成地下河入口,入口方向角75°。该点流量变化较大,枯水期进水流量可保持200 L/s,丰水期流量可达1 m3/s。YBS02位于YBS01西南方向约520 m处,该地下河入口与YBS01出露地层和形成条件也一样。该地下河入口的进水流量较小,枯水期进水流量可保持50 L/s,丰水期进水流量可达0.5 m3/s,入口方向角155°。YBS03则位于大马固水库南部,枯水期无水流入,丰水期流量可达0.5 m3/s。根据示踪试验的目的,2019年6月2日(平水期),分别在YBS01和YBS02投放荧光素钠和罗丹明,根据式(1),计算得出投放荧光素钠15 kg,投放罗丹明6 kg,投放方式均为瞬时投放。在2020年8月15日(丰水期),在YBS03投放荧光素钠20 kg,投放方式也为瞬时投放。

(2)示踪试验接收点。通过水文地质条件分析,并结合现场情况,本次示踪试验共设计了两处接收点。一处接收点位于旧寨的天窗YBS04,该天窗距地表约40 m,底部水流方向角为92°,枯水期流量约80 L/s。另一接收点为瓦厂坡隧洞YBS05,该点位于一把伞水库的东南方向,为一把伞地下河系统的下游露头。该点为人工开挖后出现的露头,水流量约300 L/s。分别在这两个示踪接收点安放自动监测仪进行实时监测,监测时间间隔为15 min/次。

2.2.4 试验数据分析方法

通过示踪试验监测结果,利用Qtracer2软件对示踪剂监测数据进行定量分析计算,获取示踪剂的流速、回收率和相应的岩溶管道的几何形态特征、水力参数等指标。根据前人研究成果可知[19-20],Qtracer2软件可对岩溶地下水系统的水动力学特性和溶质运移特性进行合理评价,被广泛用于分析野外示踪实验数据。其中试验示踪剂回收量、回收率按式(2)计算。

(2)

式中:MO为示踪剂回收质量(g);tc为采样间隔时间(min);Qi为时段i内泉水流量(m3/s);ci为时段i内示踪剂浓度(μg/L);cb为示踪剂背景浓度(μg/L);n为采样次数。

3 结果与讨论

3.1 管道连通性分析

不同管道示踪路径示踪剂浓度变化曲线如图2所示。

图2 不同管道示踪路径示踪剂浓度变化曲线Fig.2 Curves of tracer concentration in different channels

YBS01与YBS04相距约2.75 km,示踪剂从投放到出现在接收点,历时29.19 h,出现峰值时间为33.37 h,峰值为46.35 μg/L。经检测,YBS04的荧光素钠背景值为0.02 μg/L,峰值为背景值的4 635倍,地下水流速约为0.033 m/s,见图2(a)。经公式计算得该段荧光素钠的回收率为21.5%。综合结果表明,YBS01与YBS04存在连通性。YBS02与YBS04相距约3.22 km,示踪剂在YBS04出现时间为39.27 h,较YBS01晚10.08 h,峰值出现时间为43.31 h,峰值为2.92 μg/L,地下水平均流速为0.031 m/s。经公式计算得该段罗丹明的回收率为22.3%。该段示踪结果表明,大马固北部的YBS01和YBS02地下河入口的水均汇入主管道。

YBS01距YBS05约12.81 km,示踪剂初现时间为57.5 h,出现峰值时间为68 h,峰值为39.32 μg/L,平均流速为0.019 m/s,计算得出的回收率为10.79%,见图2(b)。YBS03距YBS05约13.5 km,示踪剂初现时间为35 h,出现峰值时间为43.25 h,峰值为21.3 μg/L,平均流速为0.102 m/s,计算得出的回收率为13.4%,见图2(c)。YBS01—YBS05和YBS03—YBS05两根管道长度相差较小,但是在YBS03—YBS05管道中示踪剂较YBS01—YBS05管道早出现22 h,这表明YBS03—YBS05管道空间大,且更为通畅。此外,为进一步验证南支管道与主管道无水力联系,在进行YBS03—YBS05管道示踪试验的同时,分别在YBS04和YBS06安装了示踪监测仪,最终在这两处均未检出示踪剂。综合结果表明,YBS01—YBS05和YBS03—YBS05属于2个相互独立的管道,二者无水力联系。

3.2 地下河管道水力参数分析

水文地质参数是反映含水层或透水层水文地质性能的指标,是进行水文地质计算和地下水资源评价的重要数据,也是建立水文模型与岩溶动力学模型不可缺少的参数[21-23]。岩溶地下河常以管道的形式存在,其特殊的形态及地下水流场特征决定了其特有的水文地质参数。示踪试验可以得到地下水流速、示踪剂运移时间等参数,结合地下河管道参数和水体部分特征参数可以估算出管道的摩擦系数、雷诺数、舍伍德数等。

从示踪数据来看,4条示踪管道虽然均为连通状态,但是每条管道地下水溶液中示踪剂到达接收点的时间及回收量均存在差异。这不仅与示踪路径和示踪剂投放量有关,还受到各管道的水文地质参数的影响(表1)。通过对比分析各管道的水文地质参数发现,4条示踪管道中的雷洛兹数均>4 000,表明各管道中的地下水均为紊流。YBS01—YBS04和YBS02—YBS04两条管道因长度相似,且管道途径的岩层一致,其水文地质参数较为一致。虽然YBS01—YBS05和YBS03—YBS05走向和途径的岩层也较为相似,但是受到东北向隔水断层的影响,两条管道无水力联系,因此表现为水文地质参数相差较大。此外,因YBS01—YBS05管道示踪试验在平水期进行,而YBS03—YBS05管道示踪试验在临近丰水期进行,计算得出的地下水流速相差较大,这也导致了两管道中水文地质参数的差异。

表1 各示踪路径参数特征值Table 1 Characteristic values of tracer path parameters

根据示踪试验监测数据,利用Qtracer2软件对各示踪路径的管道规模参数进行估算,估算结果(表2)显示,管道截面积规模较为相似,管道储水体积大,在两支短管道YBS01—YBS04和YBS02—YBS04的储水体积分别为11 658 m3和12 415 m3,主管道YBS01—YBS05和南支管道YBS03—YBS05储水更为丰富,分别为79 060 m3和72 546 m3,该估算结果可为后期进行地下水库库容计算提供参考。

表2 各示踪路径管道规模参数估算Table 2 Estimation of channel size parameters for each tracer path

3.3 示踪试验水文地质意义

通过前期水文地质调查和本次示踪试验可知,库区分布有3条地下河管道,分别为地下河北支管道、地下河主管道和地下河南支管道。各管道均有各自的补径排范围,看似相似独立但又具有联系,见图3。其中地下河北支管道受断层F2阻隔,在补给区其余主管道相互独立,但在一把伞洼地,北支管道又汇入主管道,与其建立了水力联系。而地下河南支管道与主管道受到F3压扭性断层的控制,其二者的无水力联系,在示踪试验结果中也有验证。因本次地表-地下联合水库的工程目的是在一把伞洼地进行堵洞成库,而南支管道则发育在主管道南部且直接绕过封堵区,因此封堵区除设在一把伞洼地外,在地下河南支管道的补给区也需要进行封堵。