岩溶地下河定量示踪研究方法综述

程亚平，陈余道

(桂林理工大学 a.环境科学与工程学院；b.广西矿冶与环境科学实验中心,广西 桂林　541004)



岩溶地下河定量示踪研究方法综述

程亚平，陈余道

(桂林理工大学 a.环境科学与工程学院；b.广西矿冶与环境科学实验中心,广西 桂林541004)

摘要：示踪试验具有实际操作简单方便、生产成本低且具有较高的评价精度等特点,其在水文地质工程地质工作中对岩溶管道的探究、地下水空间分布、堤坝渗漏和环境污染等方面具有很强的应用性。本文综述了岩溶地下河的定量示踪技术,包括示踪剂的选用、监测以及数据解释。现有研究表明,荧光素钠是国际上首选的人工示踪剂,高精度、高密度和多指标的自动检测技术是获得高质量示踪数据的重要基础。定量示踪研究能够提供可用于分析地下水流场、水文地质结构等的示踪剂滞留时间、迁移速度、弥散系数等水力参数,可为岩溶地下河生态脆弱性评价和溶质运移研究提供科学依据。

关键词：地下河；岩溶区；定量示踪；穿透曲线；水力参数；管道结构

我国西南岩溶地区地下河发育普遍,多达2 836条,总长度13 919 km,总枯水流量1 482 m3/s[1],是岩溶区地下水运动与富集的主要空间。中国岩溶地下水资源总量为2 039.67亿m3/a,占中国地下水资源总量的1/4以上[2]。由于岩溶含水介质的严重不均质性和各向异性,加上地表山地崎岖,岩溶地下河的水文地质钻探难度很大。自20世纪80年代，示踪试验逐渐成为西南地区岩溶地下河最主要的水文地质调查方法,从最初的连通性调查逐渐向地下河水力参数与管道结构的定量研究发展,同时在示踪剂类型的选择、监测手段等方面不断取得创新。由于示踪试验成本低、易于实施并具有良好的效果,因此成为具有推广前景的调查手段[3-9]。杨平恒等[10]利用在线示踪试验技术研究了青木关地下河系统地下水流速及地下水流场结构;鲁程鹏等[11]利用示踪试验求解了后寨地下河流域地下水流速以及含水层的渗透系数;陈雪彬等[12]等利用定量在线示踪技术对青木关岩溶地下河流场进行了反演,并估算得到地下河平均流速、摩擦系数、雷诺数、舍伍德数、施密特数等水文地质参数;易连兴等[13]利用示踪试验及回收强度法分析了鱼泉地下河管道结构;王伟等[14]利用示踪试验研究了巨木地下河成库条件。上述地下河定量示踪研究均侧重于地下河管道连通与类型，地下河的水流速、地下水流场、渗透系数等方面的参数，地下河渗漏及成库条件等方面,研究内容较为单一,而对于地下河定量示踪技术的综合应用研究较少。本文着重回顾了20世纪80年代以来岩溶地下河的定量示踪研究历程,包括示踪剂选用、示踪剂的监测以及示踪数据处理技术等方面,以期对今后的岩溶地下河调查与研究起到参考和促进作用。

1示踪方法

1.1示踪剂选用

示踪剂是定量示踪试验成败的关键因素之一，在选用示踪剂时要考虑两个方面因素：首先，使用的示踪剂必须是安全无毒的，对环境没有污染，能在自然环境中自然衰减；其次，示踪剂又要具有足够的稳定性，受环境影响较小， 可以溶于水，但又不改变流场中各种水文参数。国内采用的示踪剂包括化学染色、放射性同位素、微生物和无机化学类4种类型。梅正星建议今后的示踪剂选用应以人工食用微生物类和有染料类为主，从环境保护角度应约束放射性和有污染的示踪剂的使用[15]。国外常用的示踪剂有染料类、 盐类和颗粒类3种类型。 Goldscheider[5]强调示踪剂的选用应考虑毒性安全、 低检测限、 与水混溶、 抗吸附、 低成本等因素， 人工染色剂和食盐在国外早期就常作为示踪剂用于地下水连通试验[16-17]。 近年来国外最常使用的示踪剂有荧光素钠(Uranine)、 曙红(Eosin)、 罗丹明(Rhodamine) B和罗丹明MT， 荧光素钠具有易溶于水、 廉价、 无毒、 吸附性很低、 很低的检测限(10-3μg/L)和低背景值等优点， 缺点是在太阳光的照射下易分解[18]； 曙红吸附性较低， 罗丹明B吸附性强， 罗丹明MT吸附性中等，这三者检测限均为10-2μg/L[19]。目前，我国也普遍采用荧光素钠和罗丹明B示踪剂[10,20-22]。

1.2示踪剂的监测

相对于示踪剂的投放, 其回收过程极其重要,包括监测方法、 背景监测、 监测频率、 监测持续时间等。 由监测取得的数据可绘制出示踪剂的浓度与时间曲线, 即“穿透曲线”(breakthrough curve， BTC), 一般可以根据接收点的穿透曲线特征来推测地下水流的各种运移参数和地下岩溶结构特征。 杨立铮等[23]认为示踪剂浓度随时间的变化曲线形状与地下河管道的结构有密切关系；刘树林等[24]利用荧光素钠穿透曲线，结合定量计算方法分析了地下河管道几何特征。 当然, 不可靠的监测数据,也会导致穿透曲线的失真和错误的解释。

1.2.1监测方法对于不溶于水的示踪物或染色示踪剂,可用肉眼观察描述地下河的水力联系,然而肉眼观察不能取得可靠的定量数据。为了提高数据质量,常采用人工取样监测或现场自动监测技术来监测溶解性示踪剂浓度随时间的变化。这两种方法各具特点：人工取样监测存在取样频率、样品保存或运输问题,也难以实时作出判断,对于可反应的示踪剂难以保证数据质量；而自动实时监测是通过调整频率、自动获得大量数据的实时监测技术,不同仪器其自动获取数据时间、精度也有所不同,比如型号为GGUN-FL的野外荧光光度计,其获得数据的最小时间间隔为5 min,可以捕捉到荧光素钠和罗丹明B的浓度、浊度、电导率和温度的细微变化。自动监测技术对人工成本要求不高,尤其是监测持续时间很长时,可以节省大量的现场工作成本[5, 10, 20-22]。

1.2.2背景浓度监测通常,示踪剂背景浓度在实践中常常被处理成一个平均值,然后在数据处理中被扣除。Field[25]认为，合理而精确的数据处理依赖于背景值的监测,并提出了最大似然估计(maximum likelihood estimate)等方法来处理穿透曲线左边的异常数据,求得平均背景浓度。

1.2.3监测频率如果是人工取样监测,要求提高监测频率意味着增加成本,但对于自动监测则是容易实现的。由于岩溶地下河中的水流多为紊流,示踪剂的浓度有时呈现脉冲特征,或受到短时的其他因素影响而出现波动。比如,浊度的提高可能伴随着可吸附示踪剂的浓度提高[26];生物降解作用会导致可反应示踪剂的浓度降低。因此,为获得可靠的数据,应尽量考虑自动监测技术,监测时间间隔不宜太长,一般10～15 min较为合适,便于捕捉人工取样不能发现的一些信息。

1.2.4监测持续时间流速快是岩溶地下河最常见的特征之一， 不少示踪试验历时长达十几天, 短则数天, 由此也造成了“岩溶地下河中的投放物(污染物)很快会被冲走”的认识。 然而在枯水期,由于流速慢以及溶潭的存在,示踪剂的滞留期可持续到40～50 d[26]。该衰减过程的持续监测对计算回收率、进一步参数计算来说都是必要的。

2数据解释

示踪试验接收点的监测数据,可用来绘制穿透曲线(BTC),并运用时间矩方法进行一些定量解释。首要的就是示踪剂的回收质量计算,进一步的分析包括地下河系统类型、水力参数和管道结构参数的计算与评价。

2.1回收质量

通过在岩溶管道入口处投放示踪剂,在异地接收,来判断投放点与接收点是否连通,并计算示踪剂回收质量(mass of recovery)。接收点示踪剂回收质量通常采用下式计算[3,19]：

(1)

式中， C—示踪剂浓度; Q—地下水出口流量; t—样品数据采集时间; M0—示踪剂回收质量。

式(1)与BTC零阶矩是一致的,表明从接收点流出的示踪剂总量。根据投放点和接收点示踪剂的回收质量,并结合投放点流量与接收点流量的关系,可以建立5种管道联接类型[3,19],如图1所示：第1种是最为简单的管道类型,投放点与接收点的流量和示踪剂质量相等,回收率100%;第2种由于示踪剂被稀释,会导致示踪剂浓度降低(若低于检测限会引起回收率降低);第3种由于示踪剂流失,会导致示踪剂回收率降低和总量不守恒;第4种是更复杂的管道类型,接收点流量与投放点流量相比,或大或小或可能相等,但是示踪剂质量明显流失,回收率下降;第5种类型表明管道不连通,示踪剂接收率为0。

2.2水力参数

在示踪试验成果中,除了可以确定示踪剂回收质量外,还可以确定示踪剂在含水层中的滞留时间、迁移速度、弥散系数等水力参数。

1)平均滞留时间。根据接收点示踪剂BTC,可以直观地判断示踪剂在接收点的初见时间(即示踪剂晕体前缘到达时间)和峰值时间(即示踪剂峰值浓度出现的时间),还可以计算示踪剂晕体平均滞留时间(mean resident time)。对于平均滞留时间,国内示踪试验成果很少计算,它有按50%回收率出现时间和BTC质心到达时间两种确定方法,其值通常比峰值时间大(图2)。Vojtechovska等[27]研究表明,用BTC质心到达的时间来表示示踪剂平均滞留时间更为合理,能够比初见时间和峰值时间更准确地反映管道体积。对于瞬间或短时间内投注试验,BTC质心到达的时间可用下式计算：

(2)

图1　岩溶管道中示踪剂迁移的5种简单管网类型(据文献[3]修改)Fig.1　Five simple karst network types describing tracer migration in karst conduits q—投放点处流量； mi—投注示踪剂质量； Q—接收点流量； TT—接收到的示踪剂质量

图2　示踪剂穿透曲线中的不同时间定义 (据文献[27]修改)Fig.2　Definition of various times used for a breakthrough curve

式(2)在形式上与BTC一阶标准化矩是一致的, 表示示踪剂在地下河中滞留的平均时间,或者说是BTC质心到达接收点的时间。

2)平均迁移速度。示踪剂迁移速度通常有最大迁移速度和平均迁移速度之分,是最常见的水力参数。对前者,常指迁移距离与初见时间之比。但对于后者,国内常用迁移距离与峰值时间之比来估算[20,22, 28-29],而国外通常用迁移距离与平均滞留时间(BTC质心到达时间)之比来估算[3,19, 27]：

(3)

3)纵向弥散系数。 弥散系数是一个很难估计的水力参数,这与复杂多变的管道流态和几何形态有关。 对于投注持续时间小于平均滞留时间的情况, 可运用时间矩方法并结合一维对流弥散方程, 根据下式计算纵向弥散系数[19, 30-31]

(4)

式中： DL—纵向弥散系数； t0—投注持续时间； σt—BTC二阶标准化矩,也是BTC方差,其他符号同前。

2.3管道几何参数

根据示踪剂的BTC,还可以估测管道体积、过水断面面积、过水断面等效直径等几何参数。

1)管道体积。地下河管道体积的计算,是示踪试验常见成果之一。不同流量条件下计算的体积是不同的,估测的管道体积也是示踪剂晕体扫描过的最大体积,可用下式求出

(5)

式中： V—示踪剂扫描的管道体积, 其他符号同前。

需要说明的是,国内研究者常采用峰值时间作为式(5)的积分上限[15, 28],而国外学者认为采用平均滞留时间计算的结果更合理[27]。

2)过水断面面积,过水断面等效内径和水深。在式(5)基础上,可进一步估测出管道过水断面面积和等效内径,如下式:

A=V/xs；

(6)

(7)

在此基础上, 可以合理估算出过水断面的水深, 即

DH=A/DC，

(8)

式中： A—示踪剂扫描的过水断面面积； Dc—相应于面积A的等效直径； DH—水深,其他符号同前。

3结论与展望

岩溶地下河是地下水赋存与运动的最为复杂的地下空间类型,示踪试验是相对容易且有效果的勘察技术手段,能够为水资源调查和溶质运移提供定量的水力参数和管道结构特征。

人工示踪剂荧光素钠具备推广应用的属性,高密度、高精度的自动监测技术是获取高质量数据的重要途径。对示踪试验BTC定量分析,可合理获取回收质量、平均滞留时间、平均迁移速度、弥散系数、管道体积、过水断面面积及其等效直径等参数。

目前国内的示踪试验成果多侧重于地下河管道连通与类型的判别上,研究内容较为单一。随着高精度在线监测仪器和定量示踪技术推广应用,进行示踪技术创新和引进、消化国外已有先进示踪方法技术,对进一步提高我国水文地质的研究水平具有重要的意义,在今后岩溶地下河生态脆弱性评价、污染物运移与归宿研究方面,定量示踪研究也将具有非常重要的推广应用前景。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0242-05

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.007

收稿日期：2015-11-25

基金项目：国家自然科学基金项目(41172229);广西重点实验室研究基金项目(桂科能1401Z003)；广西环境污染控制理论与技术重点实验室项目

作者简介：程亚平(1978—),男,博士研究生,讲师,研究方向：地下水污染治理与修复，chengyaping@glut.edu.cn。

通讯作者：陈余道,教授,博士,cyd0056@vip.sina.com。

中图分类号：P641.7;P641.134

文献标志码：A

Review of quantitative tracing studies on karst underground river

CHENG Ya-ping,CHEN Yu-dao

(a.College of Environmental Science and Engineering；b.Guangxi Scientific Experiment Center of Mining, Metallurgy and Environment,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

Abstract:Tracer test can be easily manipulated with features of low cost and higher accuracy. It can be widely applied in hydrogeological and engineering geological field for determination of karst conduit, groundwater distribution, leakage of dam and environmental contamination. In this paper, the quantitative trace technology for karst underground stream has been reviewed， including tracer selection，monitoring and data explanation. Present studies indicate that sodium fluorescein is the first candidate and it is the important foundation in automonitoring with high accuracy, high density and multi-index. Quantitative tracer test can provide parameters of groundwater flow field, hydrogeological structure, tracer retaining time, velocity of transport, dispersion coefficient and provide scientific information for estimation of karst underground stream vulnerability and solute transport.

Key words:underground river; karst region;quantitative tracing; breakthrough curve; hydraulic parameter;conduit structure

引文格式：程亚平，陈余道.岩溶地下河定量示踪研究方法综述[J].桂林理工大学学报，2016,36(2):242-246.