连通试验在西南某区岩溶地下水污染溯源中的应用

吴玉梅　骆振华　罗维　宋晨　张传良

摘 要：为查明岩溶地下水径流特征及连通性现状，验证西南某潜在污染区突发岩溶地下水污染与养殖排废的关系，开展连通试验。试验结果表明：荧光素钠在峰值期的平均浓度是稳定期的119倍，养殖排废区开挖的落水洞与岩溶下降泉之间存在直接水力关系，地下水径流速度约为3.0×10-3 m·s-1，流速低，总体自东南向西北径流；径流通道形态单一，连通性好。

关键词：地下水防治；连通性；水力关系；径流

Connectivity test to trace Karst groundwater pollution sources in Southwest China

WU Yumei， LUO Zhenhua， LUO Wei， SONG Chen， ZHANG Chuanliang

（113 Geological Team， Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province，

Liupanshui， 553000， Guizhou， China）

Abstract： In recent years， prevention and control of groundwater pollution has been the focus of attention in the effort to curb the endless occurrence of underground water pollution incidents. However， the prevention and control of Karst groundwater pollution in Southwest China is difficult. In order to find out the runoff characteristics and connectivity status of Karst groundwater， and verify the relationship between burst Karst groundwater pollution and aquaculture discharge in a potentially polluted area in southwest China， connectivity tests have been carried out. The results show that the average concentration of sodium fluorescein in the peak period is 119 times the amount in the stable period. There is a direct hydraulic relationship between the sinkhole excavated in the aquaculture waste disposal area and the Karst descending spring. The groundwater runoff velocity is about 3.0×10-3 m·s-1， the flow velocity is low， and the overall runoff is from southeast to northwest. The runoff channel is of a single form and with good connectivity.

Keywords： groundwater control; connectivity; hydraulic relationship; run off

地下水作为重要的饮用水源，尤其在贫水地区，其水质问题一直受到人们高度关注（Jia et al.，2018）。地下水具有隐蔽性，污染容易，治理难（Xu et al.，2016）。西南岩溶地区由于特殊的含水介质结构，地下水资源时空分布不均，供需矛盾突出，季节性农业用水紧张，工业和生活用水严重不足，制约当地经济的发展（王宇等，2003）。同时由于岩溶含水岩组的高度开放性，岩溶水极易受到污染，一旦被污染，其修复治理难度大、成本高（王会霞等，2021），对人民群众财产、饮水安全造成影响。在潜在污染区开展岩溶地下水连通试验，可以查明突发岩溶地下水污染与养殖排废的关系，解决突发排废污染问题。

目前对岩溶地下水连通试验的研究较为广泛，如：王建强等（2007）应用连通试验验证了水库区岩溶地下水系统补给、径流、排泄关系，确定了地下分水岭的位置，为选择合理的正常蓄水位提供依据；邹济韬等（2017）通过连通试验确定了隧道渗漏水点与岩溶管道的水力联系，为该隧道岩溶水害整治提供依据；王寿昌等（2019）通过示踪法连通试验查明基坑涌水源头，避免施工作业污染周围水域，保证了周围环境安全。也有将连通试验应用于岩溶地下水污染防治方向的研究，如：徐凤等（2014）通过连通试验验证了地下水管道流的连通情况、管道流的地下水流速及径流流向，为地下水环境影响评价及污染防治提供了合理依據；何师意等（2009）在不同岩溶地区的连通试验查明了地下水的运动规律，为隧道岩溶用水水害及水环境治理等提供了依据。但运用连通试验查明污染源的研究尚不多见。基于此，本次在西南地区岩溶地貌条件下，针对养殖排废引起的疑似水体污染问题，进行连通试验研究，以期为类似地下水污染问题及其溯源作为理论参考，同时为研究区后期科学监测及污染防治提供基础科学指导。

1  研究区概况

1.1  区域地形地貌

研究区位于滇东高原向黔中丘原和广西丘陵的过渡地带，总体上西南高，东北低，形成广泛明显的西南特色山地景象。区域上山脉走向多追踪地质构造，常呈背斜成谷，向斜成山的现象。整体上，海拔1 800～2 000 m，地形起伏相对较大，切割深度100～400 m。境内地貌形态有山地、丘陵、谷地、盆地。地貌形态与地层岩性相关，区内地貌主要为溶蚀地貌，该地貌主要分布在碳酸盐岩出露区，分布范围广，为区内主要地貌形态。根据区内地形特征，溶蚀地貌可分为峰丛沟谷、峰丛洼地、岩溶盆地，分布研究区四周。

1.2  地层及构造环境

研究区上覆地层为二叠系下统梁山组（P2 l），岩性为粉砂岩、泥岩及砂页岩，为相对隔水层；下伏地层为石炭系上统黄龙组（C2 h），岩性为灰色—深灰色、薄—中厚层泥晶灰岩、生物灰岩，为含水岩组。

1-构造带界线，2-构造变形区界线，3-背斜轴，4-向斜轴，5-主干断层，6-次级断层，7-逆冲断层，8-脆—韧性剪切带，9-走滑断层，10-研究区位置；I—贵州侏罗山式褶皱带，I1—武陵山NNE向褶皱冲断带，I2—毕节及安顺NE向变形带，I3—乌蒙山NW向走滑变形带，Ⅱ—江南造山型褶皱带，Ⅲ—右江造山型褶皱带，Ⅳ—四川盆地边缘平缓开阔褶皱区；Fa—施洞口断裂；Fb—南盘江断裂；Fc—习水断裂；F0—望谟-贵阳-遵义断裂；F1—安顺-贵阳-镇远断裂；F2—普安-安顺断裂；F3—水城-紫云-罗甸断裂。

1-示踪剂接收点，2-示踪剂投放点，3-污染点，4-地层结构及代号，5-大型结构裂隙，6-下降泉（S1008为泉点编号，右上为丰水期流量/（L·s-1），括号内为枯水期流量/（L·s-1）；右下为泉口标高/m），7-溪流及流向，8-地下水流向，9-三叠系中统关岭组，10-三叠系中下统嘉陵江组，11-三叠系下统飞仙关组，12-二叠系上统龙潭组，13-二叠系中统茅口组，14-二叠系中统栖霞组，15-二叠系中上统峨眉山玄武岩组，16-二叠系中统梁山组，17-石炭系上统—二叠系下统马平组，18-石炭系上统黄龙组。

研究区在大地构造上位于昭通-威宁-水城-紫云-南丹裂陷槽北东界断裂（F3-Fb）（图1），向北与四川鲜水河断裂相接，又称康定-大关-水城-紫云-南丹断裂，呈北西向穿越贵州西部，长约400 km（王亮等，2019）。该断裂已成为上扬子克拉通内盆地与克拉通边缘裂陷盆地的一条重要分界断裂，是贵州境内规模较大并具有重要影响的区域性深大断裂之一，也是贵州沉积构造单元及成矿区块划分的重要依据之一（高军波等，2015），构成贵州西部水城—紫云—南丹地区晚古生代裂陷槽的北东界断裂。局部地层发育较好，无大构造发现，位于研究区西部可见次级正断层。

1.3  水文地质条件

研究区地处一个以东起抵母河、西至通仲河、北从三岔河、南到碳酸盐岩地下水分水岭为界的相对独立的水文地质单元内。该水文地质单元的地下水总体从北向南汇集，向三岔河、抵母河排泄。含水岩组为石炭系上统—二叠系下统马平组（C2P1m）灰色—深灰色，中厚—厚层灰岩、生物灰岩，地层较陡，产状65～75°∠72～77°。岩溶发育程度高，周边见溶洞、落水洞分布，为一套含水岩组。含水介质主要为裂隙、溶洞和溶孔等，受区内排泄基准面小河沟河和地质构造控制，地下水在小河沟河边以泉的形式集中排泄至小河沟河。区內地下水主要接受大气降水补给，在无人工疏干排水的情况下，地下水总体上自东南向西北方向径流，排泄于三岔河流域中游段。

2  材料与方法

2.1  示踪剂选择及检测设备

在保证试验成功的基础上，既能达到试验预期效果，又能对环境无污染，示踪剂的选择很重要。示踪剂应该是安全无毒，既能在自然界衰减消失，在试验期内又有足够的稳定性；对环境、围岩及地下水环境背景值等无不良影响或影响期极短；既廉价易得，又有较高灵敏度。王建强等（2007）对比发现荧光素作为常用示踪剂，具有稳定性较高，不易被吸附，不受地下水环境背景值影响，结果直观等优点；陈余道等（2013）对比试验发现荧光素钠吸附性弱，数据可信性强，是比较理想的示踪剂。因此，本次试验选取荧光素钠作为示踪剂。荧光素钠（化学式为CHNa2O5），棕色，易溶于水，颜色棕色至淡绿色，试验投放500 g，采用自动监测仪器——GGUN-FL30荧光示踪仪于泉口接收，监测泉水荧光素钠浓度，检测频率每10 min接收并记录一次数据。

2.2  试验方法

示踪剂的投放点、预接受点数量，根据研究需求，数量及组合方式不一，通常可分为：单点投放—单点接收、单点投放—多点接收、多点投放—单点接收、多点投放—多点接收等4种类型（葛信立等，2011）。一般来说，投放点与接收点之间存在一定关系，研究区开挖落水洞因其地势高而作为投放点，与接收点岩溶下降泉之间存在压力差及径流关系。地下水在自然条件下水力坡度小，流速缓慢。研究区水力条件一般，进行连通试验时，实施放水试验，形成疏降流场，可以促进示踪剂迁移（刘建章等，2017）。

在连通试验开始前，为了确保试验数据真实可靠，连续多次对拟接收点进行电导率背景值测定。根据任务要求，基于前期工作成果资料并分析，布置示踪试验点。投放点，选在研究区南面的K01处开挖落水洞，落水洞见明显地下水流；接收点，选择附近疑似排泄的S01号泉点，投放点与接收点的水平距离为2.98 km，其平面分布及各点基本情况，详见图2及表1。

3  结果与讨论

3.1  试验数据分析

根据现场采集数据仪器接收的数据信息，本次连通试验数据分析如下：

1）数据平稳期

2022年3月31日14：20—2022年4月8日3：50，荧光素钠检测数据平均值为0.60 μg·L-1，泉水无色透明，仪器显示数据持续时间长，变化小，整体平稳。

2）数据上升期

2022年4月8日3：50—2022年4月9日21：00，荧光素钠检测数据平均值为25.71 μg·L-1，泉水有肉眼可辨认的颜色变化，仪器显示数据持续时间短，数据处于上升期。

3）数据峰值期

2022年4月9日21：00—2022年4月10日8：30，荧光素钠检测数据平均值为71.45 μg·L-1，是平稳期荧光素钠检测平均浓度的119倍，泉水呈明显翠绿色，数据出现最高峰值浓度，荧光素钠浓度为73.28 μg·L-1，仪器显示数据持续时间较短，数据处于峰值期。

4）数据下降期

2022年4月10日8：30—2022年4月16日7：00，荧光素钠检测数据平均值为13.65 μg·L-1，翠绿色泉水颜色变浅，仪器显示数据持续时间较长，数据处于下降期。

5）数据渐稳期

2022年4月16日7：30—2022年4月16日12：00，荧光素钠检测数据平均值为0.86 μg·L-1，泉水颜色褪去，呈无色透明，仪器显示数据逐渐平稳降低，与试验开始最初背景值相近，数据处于逐渐稳定期。

至此，结束本次连通试验。共获取样品数据2 289条。接收点示踪剂浓度及历时变化曲线见图3。

3.2  试验结果讨论

1）泉水示踪剂浓度历时曲线特征分析

对于一般的连通示踪试验，接受示踪剂时间一般在10 d左右，本次连通试验历时约17 d。根据监测数据发现，整个试验过程泉水示踪剂浓度波动明显，示踪剂浓度历时曲线较好反映整个试验过程。平稳期荧光素钠检测数据平均值为0.60 μg·L-1，峰值期荧光素钠检测数据平均值为71.45 μg·L-1，相比约119倍，数据明显增高，指示作用明显，本次研究成果与易连兴等（2006）进行的红鱼坪溪沟至大神口S25泉连通试验研究成果一致。同时也有研究表明，不同的水体中背景荧光值范围随着地下水中悬浮黏土颗粒或者有机质的增加荧光背景值有增大的趋势，有的会产生相当于数十倍荧光素溶液浓度的荧光强度，而严重影响示踪剂的接收和检测（郑克勋，2007）；本次示踪剂浓度相对稳定，后续需关注此类环境现象。

2）地下水流速估算

根据连通试验监测数据，示踪剂开始投放时间为2022年4月1日上午11点30分，泉口荧光素钠初见时间为2022年4月8日凌晨3点50分，历时184小时20分，灌入清水量为1 771.50 m3，开挖溶洞距S01号泉点直线距离约2.98 km。据此估算本次连通试验开挖溶洞至朝阳村龙井沟（受污染S01号泉点）地下水平均径流速度为257.80 m·d-1（3.0×10-3 m·s-1）。验证了示踪距离在数千米时地下水流系统的最大平均视速度应该大于10-3 m·s-1，否则没有必要进行此试验（郑克勋，2007）。

3）含水介质结构分析

通过对本次连通试验S01号泉水荧光素纳浓度历时曲线形态特征分析，本次试验尖峰形态能较好地反映含水介质结构特征。S01号泉水荧光素纳历时曲线为单一尖峰形态，基本说明了其径流通道为单一通道，存在溶潭或其他分流通道情况低，流通性较好，与咸云尚（2006）连通试验应用结论相似。

4  结论

1）本次连通试验研究证实了潜在污染区开挖的落水洞与S01号岩溶下降泉存在着直接的水力关系，为地下水污染防治溯源提供证据。

2）经计算，在持续灌入清水时，示踪剂溶液的平均径流速度为257.80 m·d-1，地下水径流速度低。地下水总体自东南向西北径流。

3）本次连通试验泉水荧光素纳历时曲线为单一尖峰形态，说明其径流通道为单一通道，流通性较好。

参考文献

陈余道，程亚平，王恒，蒋亚萍，黄月群，2013.岩溶地下河管道流和管道结构及参数的定量示踪：以桂林寨底地下河为例［J］.水文地质工程地质，40（5）：11-15.

高军波，杨瑞东，2015.水城-紫云-南丹深大断裂构造演化与泥盆纪热水（液）成岩、成矿效应［M］.贵阳：贵州科技出版社．

葛信立，王新軍，翟加文，潘国营，2011.岩溶水充水矿区水文地质条件探查技术研究［M］.徐州：中国矿业大学出版社.

何师意，MICHELE L，章程，汪进良，李强，2009.高精度地下水示踪技术及其应用：以毛村地下河流域为例［J］.地球学报，30（5）：673-678.

刘建章，刘承磊，穆磊，叶竞雄，2017.地下水环评中水流向的确定方法探讨［J］.中国水运（下半月），17（2）：100-101.

王会霞，史浙明，姜永海，廉新颖，杨昱，冯帆，贾永锋，2021.地下水污染识别与溯源指示因子研究进展［J］.环境科学研究，34（8）：1886-1898.

王建强，陈汉宝，朱纳显，2007.连通试验在岩溶地区水库渗漏调查分析中的应用［J］.资源环境与工程（1）：30-34..

王亮，胡从亮，张嘉玮，陈国勇，2019.贵州深部四级断裂构造特征及与重要矿产的关系［J］.地质力学学报，25（1）：36-51.

王寿昌，何羽玲，韦增康，2019.某岩溶区临水基坑涌水封堵结合连通试验治理技术［J］.施工技术，48（13）：33-35.

王砚耕，1992.贵州构造基本格架及其特征［C］//贵州省地质学会.贵州区域构造矿田构造学术讨论会论文集.贵阳：贵州科技出版社.

王宇，2003.断陷盆地岩溶水赋存规律［M］.昆明：云南科技出版社.

徐凤，汪家权，喻佳，2014.连通试验在某项目地下水环评中的应用［J］.广州化工，42（6）：119-121.

咸云尚，2006.岩溶水示踪理论与应用研究［D］.南京：河海大学.

易连兴，张之淦，胡大可，李孟德，李学政，2006.三元连通试验在岩溶渗漏研究中的应用［J］.水文地质工程质（6）：18-20+24.

邹济韬，蒋亮，王静，周娟，2017.贵州某隧道岩溶涌水连通试验研究［J］.低碳世界（30）：210-211.

郑克勋，2007.地下水人工化学连通示踪理论及试验方法研究［D］.南京：河海大学.

JIA Yongfeng， XI Beidong， JIANG Yonghai， GUO Huaming， YANG Yu， LIAN Xinying， HAN Shuangbao， 2018. Distribution， formation and human-induced evolution of geogenic contaminated groundwater in China： A review ［J］. Science of the Total Environment， 643：967-993.

XU Teng， GOMEZ-HERNANDEZ J J， 2016. Joint identification of contaminant source location， initial release time， and initial solute concentration in an aquifer via ensemble Kalman filtering ［J］. Water Resources Research， 52（8）： 6587-6595.

收稿日期：2022-05-27；修回日期：2022-07-05

第一作者简介：吴玉梅（1995- ），女，本科，助理工程师，主要从事水工环研究工作。E-mail：1808921007@qq.com

通信作者简介：骆振华（1991- ），男，硕士研究生，工程师，主要从事地球化学、环境地质及农业地质研究工作。E-mail：1762593767@qq.com

引用格式：吴玉梅，骆振华，罗维，宋晨，张传良，2023.连通试验在西南某区岩溶地下水污染溯源中的应用［J］.城市地质，18（1）：69-74