福建永安坑边岩溶区地下水连通试验应用研究

田 然，李 娟，罗朝晖*

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078；2.招远罗山省级地质公园管理中心，山东 招远 265400)

连通试验在地下水及岩溶水文地质等方面已经有了众多的研究和应用。通过投放示踪剂，设置投放点和接收点以及对接收点的水样进行分析，可以查明地下水的运动途径、速度等水文地质参数，了解地下水的补给范围、径流特征以及与相邻地下水流系统的关系，确定地下分水岭的位置和地下河系的连通、延展与分布情况，调查地表水与地下水的转化关系和岩溶水的渗漏通道等，为地下水流系统划分、资源评价与污染防护等提供科学依据，也为溶质运移模型的重要识别提供验证数据。

连通试验基本上采用的是物理示踪技术。在示踪技术方法方面，何师意等研究了高精度连通试验技术，利用不同类型染色示踪剂对可见光光谱范围内不同波长光的吸收具有选择性的特征，可以设置光学滤波等装置对荧光素钠等示踪剂实施高精度检测。 董林垚等使用多孔介质三维非稳定水-热流运移的控制方程，研究了地下水流场与温度场的耦合过程，属于利用地温示踪地表温度变化和地下水流动。在多示踪剂研究方面，如在江坪河水电站河间河湾地块进行的一次三元连通试验中，采用铜(Cu)、钼(Mo)、铬(Cr)3种化学元素作为示踪元素进行连通试验，选定的这3种示踪元素在水中的背景值都在每升微克级的水平，因此只需要在水体中投放较低浓度的示踪材料，其就能被有效检测出；同时，所选用的这3种示踪元素对应的化学材料在水中易溶解，不需要其他助溶剂，因此投放时操作也较为简单。此外，示踪剂的选取、投放与接收点之间的距离设计、岩溶发育程度差异等因素也被证明会对连通试验的结果有着明显的影响，因此要想使得连通试验取得预期的效果则需要把握好这几个因素。本文将以福建永安坑边岩溶区为研究区，开展福建永安坑边岩溶区地下水连通试验,并结合地下水连通试验结果对该岩溶区内岩溶地下水系统的划分、整体地下水流场的分布特征进行研究。

1 研究区地质及水文地质条件

1.1 地理位置及地形地貌

永安坑边岩溶区位于福建省闽江流域沙溪河左岸，该段河面标高为160～180 m，另有沙溪河的支流益溪自西向东横穿该区，见图1。益溪发源于研究区北西的大湖镇李坊村，流经大湖镇及燕北街道，在燕北的益口村汇入沙溪，流域面积为137 km，主河道长为27 km，坡降为15.7‰，该支流的二级支流大源溪也流经该区，在工作区外飞桥村附近汇入益溪。

图1 福建永安坑边岩溶区地理位置图Fig.1 Geographic location of Kengbian karst area in Yong’an County，Fujian

研究区整体为岩溶峰丛洼地、谷地地貌区，最大高程为443 m，相对高差为280 m。受沙溪河及其支流益溪、大源溪分割，该区为“三沟夹两山”的格局。研究区为裸露型强岩溶化区，山体表面岩溶发育，可见多处岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶沟、石芽等岩溶现象，岩溶大泉流量可达

n

×10 L/s。

1.2 地层岩性

研究区地层以石炭—二叠系、侏罗系地层为主，在河流两侧存在第四系冲洪积堆积物。主要地层岩性为：石炭系下统林地组(C

l

)为石英砾岩、石英砂岩、石英砂岩夹粉砂岩；石炭系中统黄龙组(C

h

)、二叠系下统船山组(P

c

)、二叠统中统栖霞组(P

q

)均为灰岩；二叠系中统文笔山组(P

w

)为泥岩、粉砂岩、细砂岩、页岩组成；侏罗系为一套陆相中酸性火山喷发熔岩夹火山碎屑岩和正常碎屑沉积岩。

1.3 地质构造

在大地构造上，研究区位于永(安)梅(县)上古台陷的东北端，属永(安)龙(岩)复式向斜的一部分，次级褶皱发育较好，主要有竹坑-大源背斜和瑶田-虾蛤背斜，形成相互平行的线状紧密褶皱带，组成褶皱的地层主要为二叠系下统船山组灰岩和二叠系中统栖霞组灰岩，褶皱构造多因断裂而破坏，产状凌乱，形迹不清。

区内断裂极为发育，断裂构造方向主要为北东向、北西向和近于东西向3组，大多为走向断层，与区域岩层走向一致，以北西向断裂为主,压性及张性断裂均常见，局部可见硅化、大理石化及矿化现象,从相互切割关系来看，北东向断裂先于北西向断裂，断层倾角高、断距大。

1.4 地下水类型与补径排特征

研究区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水。其中，松散岩类孔隙水主要分布于区内大小山间盆地内及岩溶洼地内，含水层岩性主要为砂砾卵石和黏质砂土层，其富水性差异较大，但总体上为贫乏—中等；碳酸盐岩类裂隙溶洞水的富水性不均一，是区内主要的地下水类型，其水量丰富，总体表现为覆盖型可溶岩富水性较好，埋藏型可溶岩次之，裸露型可溶岩略逊。

整体上，研究区地下水主要接受大气降水的补给，经过覆盖的松散堆积物或裸露的岩溶区进入地下，分别向附近沙溪及其支流运动并最终排泄，其集中排泄点以北东部增田村泉井和南西部霞鹤泉为主要集中排泄点，其流量均大于10 L/s。然而从实际测量和调查的结果来看，并不能很好地划分研究区地下水次级系统边界，这将对当地地下水资源的合理开发和利用带来不利的影响，因此拟通过地下水连通试验以合理刻划地下水流场、划分地下水系统边界，为当地水资源的合理开发和利用提供依据。

2 地下水连通试验设计方案

本次示踪试验采用多点多示踪剂投放、多点接收的方法进行，选择研究区内霞鹤度假村、GCGC42、GCGC26和YR7为示踪剂投放点，示踪剂接收点共选择4处，分别为霞鹤上升泉、鳞隐石林暗河出口、S1101和增田村泉井S2172(见图2)，以推测地下水的径流、排泄路径以及地下水系统边界。试验过程分两部分进行，共计8 d。根据试验投放点与接收点距离较近、碳酸盐岩裂隙对示踪剂的吸附作用较弱的特点，选取荧光素钠和罗丹明B作为示踪剂。试验采用部分点位仪器在线监测和部分点位人工取样再检测的方式进行。根据实际野外调查以及投放点与接收点的距离设置各地下水接收点取样的频率和时间长度。

图2 福建永安坑边岩溶区示踪试验汇水区划分示意图Fig.2 Diagram of catchment areas of the tracer test in Kengbian karst area,Yong’an County,Fujian

于2020年7月12日9点24分、10点10分、10点50分和7月13日12点49分在研究区内霞鹤度假村(TF01)、GCGC42(TF02)、GCGC26(TF03)和YR7(TF04)投放点分别投放了荧光素Na 500 g、荧光素Na 500 g、罗丹明B 300 g、罗丹明B 300 g；在霞鹤上升泉(JS01)、鳞隐石林暗河出口(JS02)、S1101(JS03)和增田村泉井S2172(JS04)接收点进行监测和采样工作。投放点与接收点的具体位置见图2，各点位信息见表1,研究区典型水文地质剖面图见图3。

图3 研究区典型水文地质剖面图Fig.3 Typical hydrogeological profile in the study area

表1 示踪剂投放点与接收点信息Table 1 Releasing and receiving sites of the tracer

在试验开始前，已对4个接收点进行样品背景值的检测。投放示踪剂时先将示踪剂进行充分溶解，然后将其混入投放点钻孔中，并准确记录投放时间。其中，霞鹤渡假村裂隙投放点无明显水流，投放示踪剂时人工注入了大量的水使示踪剂进入地下水中。

接收点方面，霞鹤上升泉和鳞隐石林暗河出口处放置在线监测仪进行在线监测，监测频率按15 min、20 min、30 min逐渐递增；S1101和增田村泉井S2172接收点处采用现场取样集中测试的方法进行监测，采样时间间隔按1 h、2 h、4 h逐渐递增。

3 试验结果与分析

3.1 接收点示踪剂浓度分析

本次示踪试验共进行了两批次。霞鹤上升泉接收点处自2020年7月12日8∶36至7月18日10∶30，共计监测145.7 h，取得了286组监测数据；鳞隐石林暗河出口处自2020年7月12日11∶42至7月18日14∶30，共计监测146.8 h，取得了287组监测数据； S1101接收点处自2020年7月12日11∶49到7月18日11∶00，共计监测144 h，取得了25组监测数据；增田村泉井S2172接收点处自2020年7月12日11∶30至7月18日15∶00，共计监测147.5 h，取得了24组监测数据。根据接收点监测数据、示踪试验取样点的本底调查和样品分析结果，绘制示踪剂浓度与时间曲线(见图4～6)；并计算区内地下水平均流速，以便确定地下水(各主次通道)的流向。

3.1.1 霞鹤上升泉接收点(JS01)处示踪剂浓度变化分析

霞鹤上升泉接收点(JS01)处荧光素钠和罗丹明B两种示踪剂的浓度历时曲线，见图4。

图4 霞鹤上升泉接收点处示踪剂浓度历时曲线Fig.4 Duration curve of tracer concentration at the receiving point in Xiahe rising spring

霞鹤上升泉接收点处地下水中荧光素钠的背景浓度为24.5 ppb(1 ppb=1×10)，罗丹明B的背景浓度为0 ppb，根据标准曲线计算得到的霞鹤上升泉接收点处地下水中罗丹明B浓度均为负值，按0处理。

由图4可见：荧光素钠示踪剂在投放开始后的前54.5 h基本维持在背景浓度上下浮动，在第55 h至71.5 h之间出现第一个浓度波峰，峰值为71.28 ppb，出现在第62.1 h；之后又在第81.2 h至95.9 h之间出现第二个浓度波峰，峰值为44.78 ppb，低于第一个浓度峰值，出现在第81.2 h。可见，示踪剂浓度曲线类型为先高后低的双峰型，且两峰之间间隔较小，由此推测霞鹤度假村投放点与霞鹤上升泉接收点之间为双通道型的岩溶管道。其中，第①通道为主流通道(管道流)，示踪剂峰值浓度在前且峰值较高；第②通道为支流通道(裂隙流)，示踪剂峰值浓度滞后于第①通道，且被稀释，表现为稍低峰。

霞鹤上升泉接收点处地下水中荧光素钠浓度历时曲线的主峰出现在62.1 h，霞鹤度假村投放点至霞鹤上升泉的直线距离为900 m，可得出管道流的平均流速为14.50 m/h；次高峰出现时间为81.2 h，裂隙流的平均流速为11.10 m/s。可以看出即使在集中排泄点附近，地下水管道流与裂隙流的流速仍然相差不大，体现了该处可能为较小的管道或者没有完整顺畅的管道系统。

3.1.2 鳞隐石林暗河出口接收点(JS02)处示踪剂浓度变化分析

鳞隐石林暗河出口接收点(JS02)处示踪剂浓度历时曲线，见图5。

图5 鳞隐石林暗河出口接收点处示踪剂浓度历时曲线Fig.5 Duration curve of tracer concentration at the receiving point at the outlet of the underground river of Linyin Stone Forest

由图5可见：自0 h至150 h左右的时间，荧光素钠的浓度都在背景值上下波动，其间并未检测到荧光素钠；前100 h内未检测出罗丹明B，但在第120.0 h左右监测到罗丹明B的第一个峰值为845.69 ppb。据投放点与接收点的位置关系和示踪剂接收情况来看，鳞隐石林暗河出口接收点处的罗丹明B来自于GCGC26(TF03)投放点的可能性最大。GCGC26投放点(TF03)距离鳞隐石林暗河出口接收点(JS02)的水平距离为1 075 m，可得到GCGC26处到鳞隐石林暗河出口处的地下水平均流速大约为8.96 m/h。

与霞鹤上升泉接收点处相比，鳞隐石林暗河出口接收点处平均水流速度较慢，但其曲线上表现出平稳的高值，表明其浓度比较集中，加上周边的岩溶发育程度较高，可以确定其为管道系统地下水，但因其水力梯度相对较小，因而水流速度较慢。

3.1.3 S1101接收点(JS03)处示踪剂浓度变化分析

S1101接收点(JS03)处示踪剂浓度历时曲线，见图6。

图6 S1101接收点处示踪剂浓度历时曲线Fig.6 Duration curve of tracer concentration at the receiving point S1101

由图6可见：S1101接收点处在前80 h之内检测到的罗丹明B浓度变化较为平稳，基本在背景值上下波动，但在79 h时检测到罗丹明B的浓度上升并达到849.04 ppb，之后到145 h左右罗丹明B的浓度保持在较为稳定的浓度水平，但在850 ppb上下波动；在前80 h内荧光素钠均未被检出，但第80 h开始至第144.18 h荧光素钠浓度增加到60.14 ppb并逐步增至88.26 ppb。根据投放点与接收点的位置关系和示踪剂的接收情况来看，S1101接收点处罗丹明B应来自于YR7(TF04)投放点处，按照罗丹明B的浓度峰出现时间计算，S1101接收点距离YR7投放点的水平距离约为1 350 m，可得到YR7处到S1101处地下水平均流速为16.90 m/h，这个数值大于霞鹤上升泉处的管道流平均流速，而该处的水力梯度又小于霞鹤上升泉处，因此推测存在更加完整的地下暗河管道系统。同时，出现在该处的荧光素钠浓度小峰也说明该处可能存在比鳞隐石林暗河出口处更低的排泄点，此处检测到的罗丹明B来自于投放点TF02和TF03处的可能性均有，但来自于投放点TF03处的可能性更高，因为投放点TF02处的标高(227 m)仅比S1101接收点处(225 m)高2 m。

3.1.4 增田村泉井S2172接收点(JS04)处示踪剂浓度变化分析

增田村泉井S2172接收点(JS04)处在试验开始后直至第150 h荧光素钠和罗丹明B浓度均为零，未检测到两种示踪剂中的任意一种。

增田村泉井S2172接收点(JS04)处与YR7投放点(TF04)的距离最近为3 600 m，因此最大的可能性是示踪剂到达的时间会较长，比如按照TF04—JS03经流通道计算得到的最大平均流速16.90 m/h，也需要213 h才能检测到示踪剂。而这与现场勘察和水文地质分析的认识较为符合，即现有监测时间段内示踪剂暂未到达。

上述示踪试验分析结果见表2。

表2 示踪试验分析结果Table 2 Analysis results of the tracer test

3.2 地下水系统划分与流场特征分析

从上述地下水连通试验结果可知，TF01—JS01、TF03—JS02 、TF04—JS03之间存在明确的水力联系，后两者也证明地形在该地区并不完全控制地下水系统的划分，特别体现在鳞隐石林暗河出口附近。因此，地下水次级系统边界的划分需要做相应的调整，如图2所示。

根据地下水连通试验结果，可以将研究区地下水系统划分为3个次级汇水系统(区)：

(1) 汇水区Ⅰ：该区域地下水的地层主要为第四系和二叠系中统栖霞组，其中二叠系中统栖霞组含水层岩性以深灰至灰黑色中厚层状含燧石条带灰岩为主，顶部常有硅质岩或硅质岩与灰岩、粉砂岩互层，含丰富的蜓类、珊瑚、腕足类、苔藓虫等化石，厚度为70～305 m，属于富水性较好的含水层；地下水的补、径、排方式属于面状补给、线状径流、面状分散式排泄(小区域)，有集中排泄点(鳞隐石林暗河，增田村等处的泉水出露点)，最终的地下水流为由西向东流动。

(2) 汇水区Ⅱ：该区域内的地层主要为第四系洪冲积物，属于狭长带状地形，总体北西方向高、南东方向低；地下水的补、径、排方式为泉的线状补给、线状径流、沿河带状排泄，最终的地下水流为由北西向南东流动。

(3) 汇水区Ⅲ：该区域内的地层主要为二叠系中统栖霞组和部分第四系，其中二叠系中统栖霞组的含水层岩性为深灰至灰黑色中厚层状或块状不纯灰岩,性质坚硬,具贝壳状断口,含扁豆状或薄层状燧石结构；地下水的补、径、排方式为面状补给、线状径流、点状集中式排泄，该区域存在南北方向断裂，推测地下水流为由北向南流动。

以示踪剂到达时间为基础计算得到研究区地下水流速在8.96～16.90 m/h之间且相差不大，表明研究区地下水系统为一种相对均匀且管道系统不太发育的岩溶地下水系统。

4 结 论

本次示踪试验在福建永安坑边岩溶区地下水系统边界划分和流场分析中得到了有效的应用，将该地区岩溶地下水系统划分为3个次级汇水区，并根据示踪剂到达的时间计算得到了典型区域的地下水流动速度在8.96～16.90 m/h之间，表明研究区地下水系统可能为一种相对均匀且管道系统不太发育的岩溶地下水系统。

根据实际示踪试验结果来看，投放点与接收点之间的距离会影响示踪试验结果，主要是由于扩散与吸附等作用会影响示踪剂接收成功的概率以及接收到的示踪剂浓度。