重庆市某电解锰渣场地下水示踪试验研究

毕博烁，吴 琦，赵闪闪

(1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 450000；2.河南保源勘探技术有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

地下水示踪试验广泛应用于水文地质工作中，是一种常用的勘查手段，它能有效地揭示地下水补给源或污染源，查明地下水流动路径、计算地下水的流速与流向，也是岩溶区获取岩溶管道连通性及特征和相关水文地质参数的重要途径[3-8]。

本文将以重庆市某电解锰渣场为研究对象，结合研究区特定的地质环境条件，分别开展渣场东侧、西南侧两组地下水示踪试验，绘制出不同时间的示踪剂浓度变化曲线，查明研究区地下水系分布情况，为电解锰渣场水害治理提供科学依据。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

研究区处于岩溶洼地中，四周高中部低，两侧山脊地形坡度较陡，坡度在30°～45°，局部呈陡坎状；中部冲沟处地形相对平缓，坡度在2°～10°；研究区中部为最低点，高程418.5 m，南侧一翼为最高点，高程561.5 m，相对高差143 m。

研究区内岩溶较发育，以小型溶洞居多，垂直方向岩溶较强发育，主要表现为落水洞，无大型水平溶洞。

1.2 地层与构造

研究区出露地层主要为奥陶系下统桐梓组(O1t)，出露岩石全部为沉积岩，岩性以白云岩、灰岩分布最广。通过地表调查发现，研究区内基岩层间裂隙较发育，局部泥钙质充填，结构面结合程度差。研究区无断层通过，地质构造简单。

1.3 地下水类型及补径排特征

岩石构造裂隙、外动力作用形成的风化裂隙及落水洞、溶洞等成为碳酸盐岩地下水储存和运移的通道。因此，研究区地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水。主要赋存于O1t地层中，属于强富水岩组。

大气降水是研究区地下水的主要补给源。研究区四周高中部低，上部以碳酸盐岩裂隙水为主的浅循环接受降雨补给后由四周低山坡面及沟谷汇入渣场，部分降雨沿地表岩溶裂隙、溶洞、落水洞等汇入地下岩溶发育带，随后往西北方向径流以泉的形式排泄(图1)。

图1 示踪试验区水文地质纵剖面图

2 试验设计

2.1 试验目的

为进一步查明研究区水文地质条件及地下水补径排特征而开展示踪试验[9]。试验力求：(1)查明渣场内外地下水的水力联系；(2)估算渣场地下水运移速度、确定地下水径流方向；(3)估测渣场渗漏的影响等。

2.2 示踪剂的选取

试验投放示踪剂采用荧光素钠(C20H12Na2O5)和罗丹明B，其优势在于易溶于水，无毒，不易被地下水中其他物质干扰，化学性能稳定；不改变地下水的运移方向；易检测，灵敏度高及成本相对低[10-11]。罗丹明B水溶液呈蓝红色、荧光素钠水溶液呈荧光绿色。

2.3 试验方法

综合分析研究区概况，确定渣场东侧60 m处的ZK1投放罗丹明B，渣场西南侧250 m处的ZK4投放荧光素钠；接收点布于渣场四周，分别为ZK18、ZK3、ZK257、ZK255、ZK267、ZK16、JS1、JS2等8处(见图2)。

图2 研究区示踪试验部署图

在示踪剂投放之前，对所有接收点进行取样和测试，得到接收点示踪剂浓度背景值[12]。

试验示踪剂投放时间为2021年10月23日上午9时，试验过程中将2kg示踪剂倒入20 L的塑料桶中，经过分批次加水充分搅拌，完全溶解后分别对应投入ZK1、ZK4，并注入清水以保证示踪剂进入含水层。自投放之时起，对所有接收点每2 h进行一次取样，检测示踪剂浓度并绘制浓度-时间关系曲线，以了解地下水流运移方向。试验历时约221 h。

3 试验结果与分析

3.1 渣场东侧示踪试验

渣场东侧示踪试验自2021年10月23日10时至10月31日22时，共计200 h，取得101组监测数据。在8个接收点中，仅有JS1接收到示踪剂罗丹明B的浓度峰值。其余接收点未出现峰值，或仅一两次超出本底值，视为未检出[13-14]。罗丹明B浓度历时曲线如图3所示。

图3 罗丹明B浓度-时间关系曲线图 图4 荧光素钠浓度-时间关系曲线图

接收点JS1罗丹明B初始浓度为1.53 ppb(1 ppb=1 ug/L)。随着试验进行，10月27日6时示踪剂浓度已经达到峰值59.46 ppb，之后逐渐降低，并出现小幅度波动，其浓度历时曲线为典型的单峰型。峰值出现用时93 h，投放点ZK1到接收点JS1的直线距离为300 m，则地下水平均流速为3.23 m/h。

试验所投示踪剂在JS1接收到了很好的可辨识信号，说明ZK1至JS1间含水层中存在岩溶裂隙或破碎带；从罗丹明B浓度历时曲线呈单峰型可以看出，该段岩溶地下水径流通道比较单一，只存在一条主管道，无岔道。

3.2 渣场西南侧示踪试验

渣场西南侧示踪试验自2021年10月23日10时至11月1日16时，共计接收220 h，取得111组监测数据。在8个接收点中，仅有JS2接收到示踪剂荧光素钠的浓度峰值。其余接收点未出现峰值，或仅一两次超出本底值，视为未检出。荧光素钠浓度历时曲线如图4所示。

接收点JS2荧光素钠初始浓度为2.53 ppb(1 ppb=1 ug/L)。截止11月1日16时，JS2接收点共计出现5次峰值，其浓度历时曲线为明显的多峰型，峰值浓度情况见表1。

表1 荧光素钠峰值浓度表

初次峰值出现用时25 h，投放点ZK4到接收点JS2的直线距离为110 m，则地下水平均流速为4.40 m/h。

试验所投示踪剂在JS2接收到了很好的可辨识信号，说明ZK4至JS2间含水层中存在岩溶裂隙或破碎带；荧光素钠浓历时曲线呈多峰型表明岩溶地下水具有多管道分岔水流。结合研究区降水资料发现，10月24日至11月1日期间发生了4次降雨，与荧光素钠浓度峰值的时间呈正相关，表明ZK4至JS2间含水层的裂隙比较发育。

4 结语

应用示踪技术研究地下水流场是一种较为有效的试验手段，在许多工程实践中取得了较好的效果[15]。此次示踪试验得出以下结论：

(1)初步揭示了电解锰渣场岩溶地下水流特征。投放点ZK1与接收点JS1存在水力联系，说明渣场东部地下水径流主要方向是由东向西南，向渣场汇聚；投放点ZK4与接收点JS2存在水力联系，说明渣场西南部地下水径流主要方向是由西南向北，向渣场汇聚。结合整体地形分析，地下水汇集点应在渗滤液收集池附近。

(2)研究区地下水平均流速在3.23～4.40 m/h，表明地下水流速较慢，属于慢速流的地下岩溶水扩散流，且平均流速相差不大，说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。

(3)根据渣场东侧示踪试验，渣场外部ZK1投入示踪剂后，渣场内部接收点JS1出现大量罗丹明B与渗滤液的混合水，说明渣场底部渗漏，能够接受来自地下水的补给，此结果为电解锰渣场防渗漏研究提供参考。