王　松

（廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東廣州510510）

高分辨率熒光儀在巖溶地下河示蹤試驗中的應(yīng)用

王松*

（廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東廣州510510）

在巖溶水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用高分辨率野外自動化熒光儀和人工取樣的方法，對英德市巖口地下河系統(tǒng)投放的示蹤劑接收情況進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：（1）官坪落水洞與巖口地下河存在水力聯(lián)系，中洞落水洞與鬼子巖地下河出口存在水力聯(lián)系，與巖口地下河出口不存在水力聯(lián)系；（2）官坪的示蹤劑在巖口地下河出口的回收量為79.23%，初現(xiàn)時間為24.8h，地下水最大視流速為282.26m/h，平均視速度為113.70m/h，說明本試驗段內(nèi)地下徑流為典型的紊流流態(tài)，巖溶含水介質(zhì)不均勻，可能有規(guī)模較大且無岔道的巖溶管道存在。

高分辨率熒光儀；示蹤試驗；巖口地下河系統(tǒng)

人工示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用已有相當(dāng)長的歷史。在巖溶水文地質(zhì)研究中，野外示蹤試驗是水資源管理、地下水脆弱性編圖和獲取水文模型物理參數(shù)的一個重要工具，是劃分巖溶地下分水嶺、研究巖溶水庫滲漏、分析地下管道網(wǎng)絡(luò)分布和地下水溶質(zhì)運(yùn)移特征的一種重要手段［1-5］。但由于目前我國地下水示蹤試驗自動化程度不高，大部分采取人工取樣、室內(nèi)分析的方法，試驗成本高，勞動強(qiáng)度大，樣品擱置時間久和取樣時易引起污染等等，進(jìn)而影響到示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)中的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用［6］。本文擬采用瑞士Neuchatel大學(xué)水文地質(zhì)研究所生產(chǎn)的野外自動化熒光儀［7］（flow-through field flourometer，GGUN-FL30，下文簡稱野外熒光儀）并輔以人工取樣來監(jiān)測、驗證大巖地下河系統(tǒng)官坪落水洞和中洞落水洞至大巖出口段，以及與鬼子巖地下河出口示蹤劑的濃度和運(yùn)移情況。該儀器具有高靈敏性、取樣時間密度小和不易受污染等特點，其運(yùn)用為我國巖溶地下水示蹤技術(shù)研究提供參考。

1　研究區(qū)背景

大巖地下河位于廣東省英德市望埠鎮(zhèn)大巖村。該地下河系統(tǒng)發(fā)育于上泥盆統(tǒng)天子嶺與融縣組地層、北東向的官坪大斷裂帶和其東側(cè)巖溶洼地地形分布區(qū)。前人資料顯示，巖口地下河主要支流有中洞支流和上官坪支流，形如半邊的樹枝狀，匯水面積約38.44km2。該地下河出口（Y94571）北西約500m有亞婆髻巖地下河出口（Y9457），南西約2500m有鬼子巖地下河出口（Y9256）。

2　示蹤試驗

2.1試驗的目的

主要是利用高分辨率熒光儀驗證英德市大巖地下河系統(tǒng)發(fā)育情況。驗證大巖地下河出口與中洞落水洞、官坪落水洞是否存在水力聯(lián)系，2個落水洞與亞婆髻巖地下河出口、鬼子巖地下河出口是否存在水力聯(lián)系。計算示蹤劑從投放點到接收點的運(yùn)移速度和回收量并分析推斷巖溶含水介質(zhì)均一程度。研究區(qū)水文地質(zhì)見圖1。

2.2投放點和接收點的選擇

示蹤劑投放點最好選擇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進(jìn)入，因而選其作為投放點；前人資料顯示大巖地下河發(fā)源于官坪和中洞，因驗證其正確性，試驗在大巖地下河出口、亞婆髻巖出口、鬼子巖地下河出口均設(shè)有接收點。因儀器數(shù)量有限，第一次試驗僅在大巖設(shè)示蹤儀，另外2處人工取樣，人工取樣顯示異常后再重新做試驗。

2.3示蹤劑的選擇

示蹤劑選擇原則上要滿足以下要求：

（1）極易溶于水，在地下水中背景值含量極低；

（2）無毒、無臭、無味，不破壞地下水生態(tài)系統(tǒng)；

（3）不易被土壤和圍巖吸附，不易沉淀，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與其它環(huán)境物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，不易被生物降解，不揮發(fā)；

（4）不易被地下水中其它物質(zhì)干擾，易被儀器檢測，靈敏度高，且成本相對較低［6］。

針對這些要求，同時考慮與儀器匹配使用，以及地下河發(fā)育有2個分支的特點，選用熒光素鈉和酸性玫瑰紅作為示蹤劑。在試驗前，我們對野外投放點和各個接收點進(jìn)行背景值測試，水中的熒光素鈉含量均為0.01ppb，水中的酸性玫瑰紅含量為0.04ppb。

2.4示蹤劑的投放方法

在室內(nèi)稱取熒光素鈉粉末狀固體500g，酸性玫瑰紅粉末狀固體500g，用樣品袋封裝。在野外現(xiàn)場將熒光素鈉粉末和酸性玫瑰紅粉末分別放進(jìn)不同塑料桶中，加水充分?jǐn)嚢枞芙?。于官坪投放點投入熒光素鈉，投放時間為2010年8月11日9：53：00；于中洞投放點投入酸性玫瑰紅，投放時間2010年8月11日11：40：00。

2.5監(jiān)測與取樣

由于儀器數(shù)量的限制，2010年8月11日14：37野外熒光儀放置于巖口地下河出口。同時在鬼子巖出口和亞婆髻巖出口進(jìn)行人工取樣，取樣密度為每日2個。采用棕色專用塑料瓶裝樣密封，并用黑色塑料袋包裝冷藏運(yùn)回室內(nèi)，當(dāng)日完成檢測?？紤]到試驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，在示蹤劑出現(xiàn)并恢復(fù)到背景值后，野外熒光儀繼續(xù)工作2d，以判定是否有第二次峰值產(chǎn)生。為了便于示蹤劑回收量的計算，在巖口出口每日測量流量。

3　試驗結(jié)果與討論

3.1試驗結(jié)果

3.1.1示蹤劑量接收情況

筆記本電腦讀取野外熒光儀的數(shù)據(jù)顯示，巖口地下河出口于8月12日10：41時，水中熒光素鈉濃度出現(xiàn)異常，8月12日18：26達(dá)到峰值，酸性玫瑰紅濃度未出現(xiàn)峰值，該結(jié)果說明，官坪落水洞與巖口出口存在水力聯(lián)系，中洞與巖口不存在水力聯(lián)系。見圖2。

圖2　巖口地下河出口示蹤劑歷時曲線圖

對取自亞婆髻巖出口水樣進(jìn)行分析，各個水樣中的熒光素鈉濃度都為0.01ppb，酸性玫瑰紅的濃度均在背景值0.4ppb附近，說明該點未接收到任何示蹤劑，即官坪和中洞落水洞與亞婆髻巖出口均無水力聯(lián)系。

鬼子巖出口熒光素鈉濃度均值為0.01ppb，而酸性玫瑰紅濃度變化較大，且有回落趨勢，該結(jié)果表明，鬼子巖出口與中洞落水洞很可能存在水力聯(lián)系。為進(jìn)一步確認(rèn)人工取樣的結(jié)果，2010年8月18日再次于中洞投入酸性玫瑰紅進(jìn)行試驗，結(jié)果再次證明了鬼子巖與中洞落水洞的水力聯(lián)系。見圖3。

圖3　鬼子巖地下河出口示蹤劑濃度對比圖

根據(jù)示蹤劑濃度歷時變化曲線圖和流量數(shù)據(jù)，從而計算出巖口地下河出口示蹤劑的回收量。其計算公式如下：

式中：M——回收量，g；

Q——實時流量，m3/L；

C——?dú)v時濃度，ppb；

t1——示蹤劑開始出現(xiàn)的時間，s；

t2——示蹤劑恢復(fù)到背景濃度的時間，s。

根據(jù)上式，本試驗示蹤劑的回收量為396.6g，即在巖口檢測到的熒光素鈉回收量高達(dá)79.32%。

3.1.2巖溶地下水流速

地下巖溶徑流介質(zhì)形態(tài)多樣，地下水在運(yùn)移過程中，流態(tài)變化也復(fù)雜多樣。一般認(rèn)為，示蹤劑初現(xiàn)時的流速為地下水的最大流速，峰值出現(xiàn)時的流速為平均流速，示蹤劑質(zhì)量回收一半時的流速為眾數(shù)視流速［7］。8月12日10：41時，水中熒光素鈉濃度出現(xiàn)異常，8月12日18：26達(dá)到峰值，即官坪投放試劑后24h48min，示蹤劑濃度出現(xiàn)異常，56h34min后達(dá)到峰值。官坪至巖口的平均視速度為2728.8m/d，彌散系數(shù)0.95529m2/s，縱向分散性30.247m，示蹤劑最大視速度282.26m/h。

3.1.3巖溶地下水流場結(jié)構(gòu)分析

示蹤劑濃度歷時曲線的主要影響因素是地下河的結(jié)構(gòu)特征。從圖2可以看出，示蹤劑濃度歷時曲線均為單峰型，并且對稱性較好，說明巖溶含水介質(zhì)極不均勻，通道相對單一，無岔道和較大的溶潭發(fā)育。從地下水運(yùn)移特點來看，地下水流速較大，最大視流速與平均視流速之比為2.48，平均流速遠(yuǎn)大于1000m/d，表明巖口落水洞至地下河出口地下巖溶發(fā)育，地下水運(yùn)移路徑通暢，為典型的紊流流態(tài)。

3.2討論

第二次投放示蹤劑驗證鬼子巖人工取樣結(jié)果時仍然采用的是酸性玫瑰紅示蹤劑，因前期試驗使得地下水酸性玫瑰紅的背景值較高，故難以準(zhǔn)確計算回收率、示蹤劑視速度等相關(guān)參數(shù)。驗證時若采用熒光素鈉則背景值不會受上次試驗影響，且含水層介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)計算也會較準(zhǔn)確。

4　結(jié)論

（1）中洞與巖口地下河不存在水力聯(lián)系，與鬼子巖出口存在水力聯(lián)系。

（2）官坪與巖口出口存在水力聯(lián)系，與鬼子巖不存在水力聯(lián)系。

（3）官坪至巖口的平均視速度為2728.8m/d，彌散系數(shù)0.95529m2/s，縱向分散性30.247m，示蹤劑最大視速度282.26m/h。

［1］李敬蘭，李益民.廣西龍排布泥庫地下水多元示蹤試驗研究［J］.安全與環(huán)境工程，2004，11（1）：59-62.

［2］章程，蔣勇軍，Lettingue M.，等.巖溶地下水脆弱性評價“二元法”及其在重慶金佛山的應(yīng)用［J］.中國巖溶，2007，26（4）：334-340.

［3］裴建國，謝運(yùn)球，章程，等.湘中溶蝕丘陵區(qū)示蹤試驗——以湖南新化為例［J］.中國巖溶，2000，19（4）：366-371.

［4］米德才，張新興.浩坤水電站水庫巖溶滲漏研究［J］.地球與環(huán)境，2005，33.

［5］李曉，胡耀飛，賈疏源.錦屏普斯洛溝壩右岸地下水連通試驗［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2002，13（4）：51-55.

［6］楊平恒，羅鑒銀，彭穩(wěn)，夏凱生，林玉石.在線技術(shù)在巖溶地下水示蹤試驗中的應(yīng)用——以青木關(guān)地下河系統(tǒng)巖口落水洞至姜家泉段為例［J］.中國巖溶，2008（3）：215-220.

［7］Schnegg，P.A.&Costa，R.Tracer Tests Made Easier with Field Fluorometers［J］.Bulletin d'Hydrogéologie，2003（20）：89-91.

TH83

A

1004-5716（2016）04-0147-04

2015-04-15

2015-04-16

王松（1983-），女（漢族），湖北黃岡人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)，巖溶水文地質(zhì)工作。