岩溶地下河浊度来源及对示踪试验影响的定量分析

赵良杰,夏日元,易连兴,杨 杨,王 喆,卢海平

1)中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;2)国土资源部岩溶动力学重点实验室,广西桂林 541004



岩溶地下河浊度来源及对示踪试验影响的定量分析

赵良杰1,2),夏日元1),易连兴1),杨 杨1,2),王 喆1,2),卢海平1,2)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;2)国土资源部岩溶动力学重点实验室,广西桂林 541004

摘 要:定量示踪技术是分析岩溶含水层水力特征和岩溶水系统结构的重要手段,地下河浊度是制约定量示踪试验精确性的关键因素。针对西南典型岩溶地下河,以三次不同水动力条件下示踪试验为研究对象,通过对比分析浊度、流量及示踪剂浓度变化探讨浊度来源及其对示踪剂和管道参数的影响。试验过程中,确定存在上、下临界流量使水流从层流过渡为紊流状态,浊度主要来源从管道内部再悬浮颗粒过渡为外源悬浮物,计算上、下临界流量分别为0.7 m3/s和0.4 m3/s。通过浊度与示踪剂的相关关系研究浊度对示踪剂的影响,结果表明当浊度大于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。最后通过对比确定,第一次示踪试验浊度影响较小,并估算了岩溶管道参数,为进一步水资源评价提供基础。

关键词:定量示踪试验;地下河浊度;示踪剂;岩溶管道

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本文由国土资源部公益性行业专项(编号:201411100)和中国地质调查局地质调查项目(编号:1212011220959)联合资助。

岩溶含水介质由高渗透性管道和低渗透性基岩裂隙构成,导致物质能量交换多集中于岩溶管道内(Morales et al.,2010)。传统的数值模拟技术和地下水流方程不能精确刻画管道中的非达西流(Ghasemizadeh et al.,2012),而定量示踪技术能够提供管道内溶质运移和含水层水文地质参数信息,是进行岩溶区水资源评价的重要途径和方法(Perrin et al.,2008;陈余道等,2013;Lauber et al.,2014)。Field(2002)开发QTRACER2程序用于分析岩溶含水层示踪试验穿透曲线,Goldscheider(2005)利用多元示踪试验推断非均质地质结构对岩溶排泄和补给过程的影响,Ruffino(2015)通过数值模型拟合示踪剂穿透曲线描述了水流的动力特征。鲁程鹏等人(2009)基于示踪技术估算了岩溶含水层渗透系数和天然径流量。然而,在应用示踪技术过程中,地下河浊度的大小制约了对含水层结构特征和岩溶水文地质参数推求的准确性(Nebbache et al.,2001;汪进良等,2005;Fournier et al.,2007)。通常在线示踪技术选取荧光素钠和罗丹明B为示踪剂(杨平恒等,2008),浊度是影响两种示踪剂浓度的关键因素,尤其在单次降雨过程后,地下河浊度变化较大,浊度相对示踪剂浓度影响较大。本次研究选取不同浊度条件下多组示踪试验为研究对象,通过对比浊度、流量和示踪剂浓度定量分析地下河浊度来源及其对示踪剂浓度的影响,并结合QTRACER2程序计算研究区水文地质参数,为该区水资源评价和建立数值模型提供科学基础。

寨底地下河流域位于桂林市东部灵川县境内,坐标为110°31′25.71″—110°37′30″E和25°13′26.08″—25°18′58.04″N之间,是西南典型岩溶流域之一。流域面积约31.05 km2,多年平均降水量为1601.1 mm,年平均气温为17.5℃。地表溪沟和地下管道非常发育,大部分区域属于峰丛洼地,地形高程260～820 m。根据含水介质特征,寨底地下河系统包括孔隙水、裂隙水和岩溶水。系统内岩溶区面积32.5 km2,其中碎屑岩区面积3.53 km2。汇水区域所包围的东村组(D3d)、桂林组(D3g)、塘家湾组(D2t)等岩溶区岩性为灰岩、白云质灰岩或白云岩,其间未发现有一定厚度的隔水岩层或相对隔水层,构成一个岩溶含水系统,寨底地下河出口G047为唯一总排泄口(图1)(易连兴等,2012)。

图1　示踪试验区示意图Fig.1 Schematic diagram of tracer test area

1 试验方法

本次示踪试验点选取流域内南部区域,投放点位于响水岩(G037)天窗,接收点位于寨底(G047)地下河出口,该地下河段为长度约2 km的岩溶管道。本次试验选取荧光素钠和罗丹明B做为示踪剂,其中荧光素钠(C20H10Na2O5)分子量为376.27,水溶液呈绿色,带极强的黄绿荧光,20℃水溶解性500 g/L,含量不少于90%;罗丹明B(C28H31ClN2O3)分子量为479.01,水溶液呈蓝红色,稀释后有强烈荧光,纯度规格为分析纯。试验过程中将示踪剂溶解于20 L的塑料桶中,充分搅拌后一次性投入响水岩天窗内,示踪剂使用量通过充分考虑出口流量大小、径流距离和估计所需时间等因素,同时考虑对水体污染和人畜用水安全等最终确定。试验采用GGUN-FL24野外荧光计在寨底地下河出口自动监测溶液浓度和浊度变化,每15分钟记录一次数据;使用Mini-diver地下水位自动监测仪监测响水岩和寨底的水位、水温变化情况,每1小时记录一次数据。在寨底地下河出口处设立矩形薄壁型,通过水位变化计算流量过程曲线。为阐明浊度对示踪剂的影响,本次研究选取三次示踪试验进行定量分析。表1为三次示踪试验基本信息。浊度变化情况和地下河出口浓度回收曲线见图2。

2 结果分析讨论

2.1 地下河浊度来源分析

探讨岩溶地下河浊度与流量的关系是分析岩溶水动力特征和溶质运移特性的重要手段。通常在一次降雨过程后,岩溶区地下河浊度主要来源于两种悬浮颗粒物,即外源和內源。外源是指地表的土壤、大气粉尘等随地表径流进入地下河而直接运移至出口的外源悬浮物(包括微生物),內源是指沉积于岩溶管道内部,随本次降雨重新进入地下河而形成的再悬浮颗粒物(Peterson et al.,2003;杨平恒等,2012)。当地下河出口流量较小时,管道内水流呈层流状态,浊度主要来源于管道内部的再悬浮颗粒物;反之流量较大时,管道内水流呈紊流状态,浊度主要来源于外源悬浮物(Valdes et al.,2006)。因此通过分析地下河浊度与流量的相关关系推断临界流量使水流从层流过渡为紊流状态,可判断浊度的来源。图3表示三次完整降雨过程后浊度与流量曲线变化。图3a表示一次强降雨过后,流量较大时浊度变化情况,图3b表示一次弱降雨过后,流量较小时浊度变化情况,图3c表示多次连续降雨过后,流量波动较大时浊度变化情况。从图中可以看出,当流量较大时,地下河浊度与流量相关度较高,相反,流量较小时相关度较差。因此存在上临界流量Qmax,满足Q＞Qmax时水流属于紊流状态,浊度与流量相关性较高,主要来源于外源悬浮物;存在下临界流量Qmin,满足Q＜Qmin时水流属于层流状态,浊度与流量相关性较低,主要来源于内部再悬浮物。通过不断调整Qmax、Qmin,比较浊度与流量相关度,确定临界流量状态。图4表示不同临界流量状态下浊度与流量相关系数曲线变化。

表1　响水岩—寨底示踪试验Table 1 Tracer tests of Xiangshuiyan–Zhaidi area

图2　示踪剂浓度及浊度变化Fig.2 The change curve of tracers and turbidity

图3　浊度及流量变化曲线Fig.3 The change curve of flow and turbidity

从图4a中可以看出上、下临界流量曲线拐点都出现在0.4m3/s处,因此确定Qmax=Qmin=0.4 m3/s;图4b中显示上临界流量曲线拐点出现在0.6 m3/s处,下临界流量曲线拐点出现在0.4 m3/s处,因此确定Qmax=0.6 m3/s,Qmin=0.4 m3/s;图4c中显示相关系数曲线在0.4 m3/s和0.7 m3/s处有突变,中间较为平缓。通过以上分析推测当流量小于0.4 m3/s时,水流属于层流运动,浊度主要来源于管道内部再悬浮颗粒;当流量大于0.7 m3/s时,水流属于紊流运动,浊度主要来源于外源悬浮物。因此从图2、图3可以看出第一次示踪试验示踪剂回收时间自2014年8 月16日至19日流量较小,浊度主要来源于内部再悬浮颗粒;第二次2015年1月12日至13日及第三次2015年2月7日至19日流量较大,浊度主要来源于外源悬浮物。但因不同地下河系统管道大小和结构差异,可能导致临界流量的不同,有待进一步论证。

2.2 浊度对示踪剂影响的定量分析

示踪剂是由含有荧光物质的分子吸收激发光而具有荧光特性,而地下河浊度对激发光具有散射作用从而降低荧光强度(李晋生等,1987)。图2表示地下河浊度和示踪剂浓度曲线,图2a、c中可以看出浊度突变增大处,示踪剂浓度急剧下降,当浊度较平稳时,示踪剂浓度呈现连续变化。图2b由于浊度较大,荧光素钠回收浓度较低,且罗丹明B接收浓度为0。为明确浊度对示踪剂的影响,将图2a、c中突变处列于表2。计算相关系数可知,第一次示踪试验浊度和荧光素钠相关系数为–0.89,第三次示踪试验浊度和荧光素钠相关系数为–0.91,当浊度从16.58增至71.32,罗丹明B从5.16×10-9降至0,可见浊度与示踪剂呈负相关关系,其中详细变化见图5,6。

图4　不同临界流量状态下浊度与流量相关系数曲线变化Fig.4 The change curve of correlation coefficients for flow and turbidity under the condition of different critical discharges

表2　示踪试验浊度突变处示踪剂变化表Table 2 The change curve of tracer in the mutations of turbidity

表3　QTRACER2程序参数估算表Table 3 The parameter estimation by QTRACER2 program

第二次示踪试验由于示踪剂浓度回收时浊度都大于60(图2b),因此荧光素钠回收浓度较小,且罗丹明B未接收到。由于第一次示踪试验浊度较小,对荧光素钠回收浓度影响较小,对比第一次和第二次荧光素钠回收率(式1),从而明确浊度对荧光素钠的影响(何师意等,2009;Mudarra et al.,2014)。

其中m表示回收量(g);i表示回收次数;ci表示第i次回收浓度(×10-6);qi表示第i次流量(L3/s);t表示间隔时间(s)。利用式(1)计算三次荧光素钠回收率分别为64.6%、20.6%、37.1%,第二次、第三次罗丹明B回收浓度分别为0、28.5%,可见第二次试验浊度对示踪剂影响较大,回收率较低,第三次次之,第一次试验影响最小。从第三次荧光素钠和罗丹明B回收率对比可知罗丹明B对浊度更为敏感。推测可能原因是由于罗丹明B分子量(479.01)比荧光素钠高(376.27),浊度影响更多罗丹明B分子吸收激发光而降低了荧光强度。从图2及表2中分析认为当浊度小于25时,对示踪剂基本无影响;当浊度大于65时,由于浊度影响较大,此时示踪试验结果不能用于分析岩溶管道参数。

利用QTRACE2可分析第一次示踪试验结果,计算管道参数见表3。

图5　第一次试验突变处浊度与示踪剂变化Fig.5 The change curve of tracer and turbidity in the mutations of turbidity for the first test

图6　第三次试验突变处浊度与示踪剂变化Fig.6 The change curve of tracer and turbidity in the mutations of turbidity for the third test

3 结论

本次研究以不同水动力条件下三次示踪试验为研究对象,通过高精度监测手段定量分析了浊度来源及对示踪试验的影响。通过地下河浊度和流量曲线分析了地下河出口浊度来源,计算出上、下临界流量分别为0.7 m3/s、0.4 m3/s;当流量大于上临界流量时,水流属于紊流状态,浊度主要来源于外源悬浮物;当流量小于下临界流量时,水流属于层流状态,浊度主要来源于管道内部再悬浮颗粒。然后对比分析了浊度与示踪剂浓度曲线,认为当浊度小于25时,浊度对示踪剂基本无影响;当浊度大于65时,浊度与示踪剂呈负相关关系,且浊度对罗丹明B影响更大。最后估算了岩溶管道体积、弥散系数及平均流速等参数,为进一步水资源评价提供科学基础。试验结果较好地反映了西南典型岩溶地下河动态特征,对于分析岩溶管道结构及推求水文地质参数有很好的推广应用价值。

Acknowledgements:

This study was supported by Special Scientific Research Fund of Public Welfare Profession of Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China(No.201411100),and China Geological Survey(No.1212011220959).

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Quantitative Analysis of the Source and the Effect of Turbidity in Karst River on Tracer Test

ZHAO Liang-jie1,2),XIA Ri-yuan1),YI Lian-xing1),YANG Yang1,2),WANG Zhe1,2),LU Hai-ping1,2)
1)Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi 541004;
2)Karst Dynamics Laboratory of Ministry of Land Resources,Guilin,Guangxi 541004

Abstract:The quantitative tracer technique is an important method for analysis of geometrical and hydraulic characteristics of karst aquifer.Turbidity is the key factor for accuracy of tracer test although its source and relationship to tracers remain unclear.Three tracer tests under different hydrodynamic conditions were conducted for typical southwest karst underground rivers.Actual measurement data on turbidity,discharge and tracer concentration were analyzed to discuss the source and the effect of turbidity on tracers.During the test,the upper and lower critical discharge was proved to be existent,which caused the gradual transition from the laminar to turbulence and the transition of the main source of turbidity from resuspended origin to allochthonous origin.The values of upper and lower critical discharge were inferred to be 0.7 and 0.4 m3/s,respectively.The result shows that there is a negative correlation between turbidity and tracer concentration when the value of turbidity is greater than 25.With the increasing turbidity,the impact on the tracer concentration becomes greater.Finally,the karst conduit parameters were estimated by the first test which was relatively insignificantly influenced by the turbidity.The results achieved by the authors provide the basis for further water resource evaluation.

Key words:quantitative tracer test;underground river turbidity;tracer;karst conduit

作者简介:第一赵良杰,男,1986年生。研究实习员。主要从事岩溶地下水资源评价研究。

通讯地址:541004,广西桂林七星路50号。E-mail:zhaoliangjie@karst.ac.cn。

收稿日期:2015-05-05;改回日期:2015-10-21。责任编辑:闫立娟。

中图分类号:P641.134;P641.74

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.12