高分辨率荧光仪在岩溶地下河示踪试验中的应用

王　松

（广东省水文地质大队，广东广州510510）

高分辨率荧光仪在岩溶地下河示踪试验中的应用

王松*

（广东省水文地质大队，广东广州510510）

在岩溶水文地质调查的基础上，采用高分辨率野外自动化荧光仪和人工取样的方法，对英德市岩口地下河系统投放的示踪剂接收情况进行检测。结果表明：（1）官坪落水洞与岩口地下河存在水力联系，中洞落水洞与鬼子岩地下河出口存在水力联系，与岩口地下河出口不存在水力联系；（2）官坪的示踪剂在岩口地下河出口的回收量为79.23%，初现时间为24.8h，地下水最大视流速为282.26m/h，平均视速度为113.70m/h，说明本试验段内地下径流为典型的紊流流态，岩溶含水介质不均匀，可能有规模较大且无岔道的岩溶管道存在。

高分辨率荧光仪；示踪试验；岩口地下河系统

人工示踪技术在水文地质学中的应用已有相当长的历史。在岩溶水文地质研究中，野外示踪试验是水资源管理、地下水脆弱性编图和获取水文模型物理参数的一个重要工具，是划分岩溶地下分水岭、研究岩溶水库渗漏、分析地下管道网络分布和地下水溶质运移特征的一种重要手段［1-5］。但由于目前我国地下水示踪试验自动化程度不高，大部分采取人工取样、室内分析的方法，试验成本高，劳动强度大，样品搁置时间久和取样时易引起污染等等，进而影响到示踪技术在水文地质中的进一步推广与应用［6］。本文拟采用瑞士Neuchatel大学水文地质研究所生产的野外自动化荧光仪［7］（flow-through field flourometer，GGUN-FL30，下文简称野外荧光仪）并辅以人工取样来监测、验证大岩地下河系统官坪落水洞和中洞落水洞至大岩出口段，以及与鬼子岩地下河出口示踪剂的浓度和运移情况。该仪器具有高灵敏性、取样时间密度小和不易受污染等特点，其运用为我国岩溶地下水示踪技术研究提供参考。

1　研究区背景

大岩地下河位于广东省英德市望埠镇大岩村。该地下河系统发育于上泥盆统天子岭与融县组地层、北东向的官坪大断裂带和其东侧岩溶洼地地形分布区。前人资料显示，岩口地下河主要支流有中洞支流和上官坪支流，形如半边的树枝状，汇水面积约38.44km2。该地下河出口（Y94571）北西约500m有亚婆髻岩地下河出口（Y9457），南西约2500m有鬼子岩地下河出口（Y9256）。

2　示踪试验

2.1试验的目的

主要是利用高分辨率荧光仪验证英德市大岩地下河系统发育情况。验证大岩地下河出口与中洞落水洞、官坪落水洞是否存在水力联系，2个落水洞与亚婆髻岩地下河出口、鬼子岩地下河出口是否存在水力联系。计算示踪剂从投放点到接收点的运移速度和回收量并分析推断岩溶含水介质均一程度。研究区水文地质见图1。

2.2投放点和接收点的选择

示踪剂投放点最好选择有天然水流存在的地方，官坪落水洞和中洞落水洞均常年有地表水流进入，因而选其作为投放点；前人资料显示大岩地下河发源于官坪和中洞，因验证其正确性，试验在大岩地下河出口、亚婆髻岩出口、鬼子岩地下河出口均设有接收点。因仪器数量有限，第一次试验仅在大岩设示踪仪，另外2处人工取样，人工取样显示异常后再重新做试验。

2.3示踪剂的选择

示踪剂选择原则上要满足以下要求：

（1）极易溶于水，在地下水中背景值含量极低；

（2）无毒、无臭、无味，不破坏地下水生态系统；

（3）不易被土壤和围岩吸附，不易沉淀，化学性质稳定，不与其它环境物质发生物理和化学反应，不易被生物降解，不挥发；

（4）不易被地下水中其它物质干扰，易被仪器检测，灵敏度高，且成本相对较低［6］。

针对这些要求，同时考虑与仪器匹配使用，以及地下河发育有2个分支的特点，选用荧光素钠和酸性玫瑰红作为示踪剂。在试验前，我们对野外投放点和各个接收点进行背景值测试，水中的荧光素钠含量均为0.01ppb，水中的酸性玫瑰红含量为0.04ppb。

2.4示踪剂的投放方法

在室内称取荧光素钠粉末状固体500g，酸性玫瑰红粉末状固体500g，用样品袋封装。在野外现场将荧光素钠粉末和酸性玫瑰红粉末分别放进不同塑料桶中，加水充分搅拌溶解。于官坪投放点投入荧光素钠，投放时间为2010年8月11日9：53：00；于中洞投放点投入酸性玫瑰红，投放时间2010年8月11日11：40：00。

2.5监测与取样

由于仪器数量的限制，2010年8月11日14：37野外荧光仪放置于岩口地下河出口。同时在鬼子岩出口和亚婆髻岩出口进行人工取样，取样密度为每日2个。采用棕色专用塑料瓶装样密封，并用黑色塑料袋包装冷藏运回室内，当日完成检测。考虑到试验的严谨性，在示踪剂出现并恢复到背景值后，野外荧光仪继续工作2d，以判定是否有第二次峰值产生。为了便于示踪剂回收量的计算，在岩口出口每日测量流量。

3　试验结果与讨论

3.1试验结果

3.1.1示踪剂量接收情况

笔记本电脑读取野外荧光仪的数据显示，岩口地下河出口于8月12日10：41时，水中荧光素钠浓度出现异常，8月12日18：26达到峰值，酸性玫瑰红浓度未出现峰值，该结果说明，官坪落水洞与岩口出口存在水力联系，中洞与岩口不存在水力联系。见图2。

图2　岩口地下河出口示踪剂历时曲线图

对取自亚婆髻岩出口水样进行分析，各个水样中的荧光素钠浓度都为0.01ppb，酸性玫瑰红的浓度均在背景值0.4ppb附近，说明该点未接收到任何示踪剂，即官坪和中洞落水洞与亚婆髻岩出口均无水力联系。

鬼子岩出口荧光素钠浓度均值为0.01ppb，而酸性玫瑰红浓度变化较大，且有回落趋势，该结果表明，鬼子岩出口与中洞落水洞很可能存在水力联系。为进一步确认人工取样的结果，2010年8月18日再次于中洞投入酸性玫瑰红进行试验，结果再次证明了鬼子岩与中洞落水洞的水力联系。见图3。

图3　鬼子岩地下河出口示踪剂浓度对比图

根据示踪剂浓度历时变化曲线图和流量数据，从而计算出岩口地下河出口示踪剂的回收量。其计算公式如下：

式中：M——回收量，g；

Q——实时流量，m3/L；

C——历时浓度，ppb；

t1——示踪剂开始出现的时间，s；

t2——示踪剂恢复到背景浓度的时间，s。

根据上式，本试验示踪剂的回收量为396.6g，即在岩口检测到的荧光素钠回收量高达79.32%。

3.1.2岩溶地下水流速

地下岩溶径流介质形态多样，地下水在运移过程中，流态变化也复杂多样。一般认为，示踪剂初现时的流速为地下水的最大流速，峰值出现时的流速为平均流速，示踪剂质量回收一半时的流速为众数视流速［7］。8月12日10：41时，水中荧光素钠浓度出现异常，8月12日18：26达到峰值，即官坪投放试剂后24h48min，示踪剂浓度出现异常，56h34min后达到峰值。官坪至岩口的平均视速度为2728.8m/d，弥散系数0.95529m2/s，纵向分散性30.247m，示踪剂最大视速度282.26m/h。

3.1.3岩溶地下水流场结构分析

示踪剂浓度历时曲线的主要影响因素是地下河的结构特征。从图2可以看出，示踪剂浓度历时曲线均为单峰型，并且对称性较好，说明岩溶含水介质极不均匀，通道相对单一，无岔道和较大的溶潭发育。从地下水运移特点来看，地下水流速较大，最大视流速与平均视流速之比为2.48，平均流速远大于1000m/d，表明岩口落水洞至地下河出口地下岩溶发育，地下水运移路径通畅，为典型的紊流流态。

3.2讨论

第二次投放示踪剂验证鬼子岩人工取样结果时仍然采用的是酸性玫瑰红示踪剂，因前期试验使得地下水酸性玫瑰红的背景值较高，故难以准确计算回收率、示踪剂视速度等相关参数。验证时若采用荧光素钠则背景值不会受上次试验影响，且含水层介质的相关参数计算也会较准确。

4　结论

（1）中洞与岩口地下河不存在水力联系，与鬼子岩出口存在水力联系。

（2）官坪与岩口出口存在水力联系，与鬼子岩不存在水力联系。

（3）官坪至岩口的平均视速度为2728.8m/d，弥散系数0.95529m2/s，纵向分散性30.247m，示踪剂最大视速度282.26m/h。

［1］李敬兰，李益民.广西龙排布泥库地下水多元示踪试验研究［J］.安全与环境工程，2004，11（1）：59-62.

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［3］裴建国，谢运球，章程，等.湘中溶蚀丘陵区示踪试验——以湖南新化为例［J］.中国岩溶，2000，19（4）：366-371.

［4］米德才，张新兴.浩坤水电站水库岩溶渗漏研究［J］.地球与环境，2005，33.

［5］李晓，胡耀飞，贾疏源.锦屏普斯洛沟坝右岸地下水连通试验［J］.地质灾害与环境保护，2002，13（4）：51-55.

［6］杨平恒，罗鉴银，彭稳，夏凯生，林玉石.在线技术在岩溶地下水示踪试验中的应用——以青木关地下河系统岩口落水洞至姜家泉段为例［J］.中国岩溶，2008（3）：215-220.

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1004-5716（2016）04-0147-04

2015-04-15

2015-04-16

王松（1983-），女（汉族），湖北黄冈人，工程师，现从事水文地质，岩溶水文地质工作。