高分辨率示踪技术和定量计算在岩溶含水介质研究中的应用

陈峰 杨平恒 詹兆君 任娟

摘 要：为了更好开发和利用地下水资源，以重庆市金佛山为研究对象，进行高分辨率示踪试验，定量计算了流域地下水及含水介质特征。结果显示，荧光素钠较天来宝具有更高的回收率，在反映含水介质形态特征方面的适用性更好。枯水季节的地下水流速较慢。示踪剂穿透曲线为双峰型，表明试验段岩溶含水通道单一，存在两条并联通道，但支通道规模较小。

关键词：岩溶地下水 示踪技术 穿透曲线 岩溶含水介质 金佛山

水是生命之源，生产之要。地下水是我国西南岩溶地区当地居民重要的生活水源。然而由于岩溶地区“水在楼下，土在楼上”的水土资源空间配置格局以及岩溶含水介质的复杂性和不均匀性，地下水分布极不均匀，当地居民寻找水源、利用水源困难。因此，研究岩溶含水介质的空间结构成为开采和保护当地地下水源的关键点。本文以重庆市金佛山为研究对象，利用高分辨率示踪试验为突破口。示踪试验常被用来作为寻找地下水流域边界、地下水补给源、污染源、获取岩溶含水介质特征和相关水文地质参数的重要途径。通过野外试验，分析示踪剂穿透曲线特征，研究了金佛山水房泉流域试验段含水介质几何形态和水文地质参数，以期为地下水资源保护和利用提供技术支持。

1.研究区概况

金佛山位于重庆南川区，为典型的岩溶地貌、国家5A级景区、世界自然遗产。水房泉位于海拔2050m的金佛山西坡陡崖上，地质构造上呈倾角很小的宽缓向斜，多年平均流量为4-5 L/s，向西最终汇入地表河。泉水主要受大气降水补给，主要通过地表洼地、消水洞，沿着岩层裂隙、层面和管道运移，下部龙潭煤系隔水层，因局部裂隙、节理发育，部分水流沿层面渗流，流至更深的地下含水层中。流域内有一个NE-SW向分布的大型洼地，洼地底部相对较为平坦。

2.野外试验

本次试验仪器使用GGUN-FL30型野外自动化荧光仪。选用荧光素钠和天来宝为示踪剂。水房泉流域1#落水洞为示踪剂投放点，水房泉口为接收点。1#落水洞到水房泉之间的直线距离为525m。示踪仪安装于水房泉的出口，时间为2017年1月15日9：00，监测时间间隔设置为5min。将溶于水的100.6g荧光素钠和161.9g天来宝投入落水洞中，时间为2017年1月17日14：40。试验结束时间为2017年2月14日12：45。利用美国环保署研发的Qtracer2软件，进行数据定量解译。相关参数计算公式如下：

3.结果与分析

3.1两种示踪剂的对比

图2为水房泉所接收到的荧光素钠和天来宝穿透曲线。二者皆为双峰型，形态大体一致，但仍有差别。荧光素钠在投放后24.5h出现，42.8h后质量浓度到达峰Ⅰ，此后迅速下降，并在71.3h出现微小回升，形成峰Ⅱ。而后持续下降直至恢复到背景值水平。荧光素钠穿透曲线为对称型，曲线平滑，拖尾现象不明显。

天来宝初现时间约为26.1h，峰Ⅰ到达时间为47.6h。之后浓度波动上升并在72.7h时形成峰Ⅱ，此后继续下降并逐渐恢复到背景值（图2）。与荧光素钠穿透曲线相似，天来宝穿透曲线也出现两个依次降低的峰，峰Ⅰ的浓度值为56.79μg/L，峰Ⅱ的浓度值为36.74μg/L，两峰时间相差25.1h。荧光素钠要先于天来宝到达接收点，同时荧光素钠的峰Ⅰ和峰Ⅱ到达时间也要相应早于天来宝峰Ⅰ和峰Ⅱ。与荧光素钠质量浓度的上升和下降速率相比，天来宝穿透曲线显示其质量浓度上升和下降速率偏慢，下降翼曲线更平缓，因而其穿透曲线也表现出较明显的拖尾现象（图2）。

3.2地下水流速

岩溶地下水含水介质形态多样，地下水在运移过程中，流态变化也多样。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。结合荧光素钠的初现时间和峰Ⅰ的到达时间，利用式（2）和式（3），计算得到试验期间地下水最大流速和平均流速分别为32.14m/ h和18.4m/h。与吴月霞在2006年9月的示踪试验结果相比，此次所得到的地下水流速较慢，反映了枯水季节的岩溶地下水水文特征。

3.3含水介质类型分析

示踪剂穿透曲线形态主要受含水介质结构特征的影响。双峰曲线反映了投放点和接收点之间有两条通道，曲线峰值的大小和时间顺序反映了投放点和接收点之间的过水通道在长度、宽度，以及地下水流量上的差别。图2可知荧光素钠和天来宝的质量浓度穿透曲线为一个大峰叠加小峰，两峰峰值到达时间相差较小，是一个连续的双峰曲线。推测岩溶含水介质为一个主管道并联支管道或裂隙，并联支通道的规模和水流都偏小，其来水对主管道示踪剂浓度的叠加效应较小。荧光素钠穿透曲线左右较对称，拖尾现象不明显，表明试验段无溶潭发育（图3）。

4.结论

本文利用高分辨率示踪技术，定量获得金佛山岩溶含水介质几何形态特征和相关水文地质参数，为金佛山景区岩溶地下水资源的勘探与保护提供技术支持。试验表明，选用荧光素钠为示踪剂效果更好。1#落水洞到水房泉段地下水最大流速为32.14m/h，平均流速为18.4m/h。双峰型的示踪剂穿透曲线表明1#落水洞至水房泉段含水介质极不均匀，通道单一，为主管道并联支管道模式，無溶潭发育。

[基金项目：2014年度重庆市国土房管科技计划项目（CQGT-KJ-2014056）]

参考文献：

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