羅銳恒,劉天云,胡順強(qiáng),趙永賓,潘曉東,彭 聰

(1.文山壯族苗族自治州水利電力勘察設(shè)計(jì)院,云南 文山 663000; 2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所 國土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004; 3.聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心,廣西 桂林 541004)

1 研究背景

我國西南碳酸鹽巖出露地區(qū)由于受巖溶作用等因素的影響,水資源問題一直是困擾該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生產(chǎn)生活的重要因素[1]。巖溶區(qū)修建水庫不僅可解決區(qū)域供水緊張問題,對(duì)生態(tài)保護(hù)也有非常積極的作用[2]。巖溶地下河是中國南方碳酸鹽巖地區(qū)最重要的巖溶現(xiàn)象之一,其主要特征是由相互連通的巖溶孔隙、巖溶裂隙、巖溶洞穴和巖溶管道多重介質(zhì)組構(gòu)而成,具有極強(qiáng)的匯水、蓄水和排水功能的巖溶水地下通道[3]。因排泄點(diǎn)單一,且在補(bǔ)給徑流區(qū)往往串聯(lián)較多的巖溶洼地,對(duì)地下河管道進(jìn)行封堵使其成為地表-地下聯(lián)合水庫,這種方式越來越受到青睞,如廣西弄巖巖溶地表-地下聯(lián)合水庫[4]、湖南洛塔巖溶水開發(fā)利用工程[5]、貴州平塘巨木地下河開發(fā)工程[6]等的興建不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖溶水的高效利用,還促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

巖溶地下河管道結(jié)構(gòu)多樣、高滲透性及非均質(zhì)性等特點(diǎn)造成了調(diào)查難度高,調(diào)查方式多樣。目前,關(guān)于巖溶地下河管道的調(diào)查方法主要包括水文學(xué)法[7]、水化學(xué)法[8]、同位素法[9-10]、地球物理法[11]和示蹤試驗(yàn)法[12-13]等。其中,示蹤試驗(yàn)是巖溶水文地質(zhì)調(diào)查的常用方法,也是確定巖溶地下管道展布及特征最有效的方法[14]。早在20世紀(jì)50年代,我國學(xué)者就在三峽工程的勘察中運(yùn)用食鹽進(jìn)行示蹤試驗(yàn),后期逐漸發(fā)展并應(yīng)用到工程、環(huán)保等諸多領(lǐng)域[15-16]。示蹤技術(shù)在國外也被普遍運(yùn)用在水文地質(zhì)調(diào)查工作中,研究人員不斷加強(qiáng)對(duì)示蹤方法及后期數(shù)據(jù)處理的研究和軟件開發(fā),這大大提高了示蹤試驗(yàn)的成功率和效率[17-18]。然而,目前示蹤技術(shù)基本應(yīng)用在地下水連通及水文地質(zhì)參數(shù)的簡(jiǎn)單計(jì)算上,而缺乏對(duì)管道空間等的研究。

本文擬通過示蹤試驗(yàn)查清一把傘水庫的地下河管道的發(fā)育特征及巖溶地下水系統(tǒng)邊界范圍,利用Qtracer2軟件對(duì)各地下河管道進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算,并估算地下管道的空間,以期為水庫封堵及庫容估算提供基本依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)自然地理?xiàng)l件

一把傘地下河系統(tǒng)位于云南省文山市馬關(guān)縣境內(nèi),管道走向近西東,西起坡腳鄉(xiāng)大馬固村,東至山車鄉(xiāng)魚塘村,總長(zhǎng)度約為18.4 km。研究區(qū)地勢(shì)總體南高北低、西高東低,東部受控于盤龍河的侵蝕造成海拔急劇下降。南部為碎屑巖山區(qū),海拔在1 500 m以上,最高處海拔1 790 m,位于老馬固村南側(cè)的無名山體;海拔最低點(diǎn)在地下河系統(tǒng)總出口,海拔947 m,海拔差超過800 m。地勢(shì)起伏較大,地下河系統(tǒng)內(nèi)部海拔在1 400～1 600 m之間,低海拔主要分布在洼地底部,海拔多低于1 400 m,與周邊山體高差>100 m,局部>200 m。氣候特征為冬春干旱,夏秋濕潤,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,氣候垂直差異大,立體氣候明顯。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì),多年平均降雨量為1 359.9 mm,多年平均氣溫16.9 ℃。

地下河主要發(fā)育在泥盆系的東崗嶺組(D2d)、革當(dāng)組(D3g)及二疊系的陽新組(P1y)中,均屬淺海相沉積。東崗嶺組(D2d)巖性以灰色中至厚層狀生物碎屑粉晶灰?guī)r、砂屑粉晶灰?guī)r夾薄至中層狀粉晶灰?guī)r為主,少量泥灰?guī)r,層間普遍夾紅色泥質(zhì)灰?guī)r。革當(dāng)組(D3g)巖性上部為淺灰色厚層至塊狀粉晶灰?guī)r夾粉晶砂屑礫屑灰?guī)r,下部為灰紅色、灰白色厚層白云質(zhì)鮞?；?guī)r粉晶白云巖。二疊系的陽新組(P1y)巖性以深灰-肉紅色厚層至塊狀灰?guī)r、粉晶白云巖為主。系統(tǒng)北部邊界為地下分水嶺,南部邊界為泥盆系坡松沖組(D1ps)的碎屑巖,地下水自西向東徑流,并從魚塘暗河出口流出。地下水主要受大氣降雨及附近碎屑巖側(cè)向補(bǔ)給,在地下河裂隙、管道中徑流,并最終以地下河出口形式排泄。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析方法

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

擬建的一把傘水庫位于大馬固村以東、一把傘以西的魚塘地下河主管道上,水庫由地下水庫和地表水庫組成,屬地表-地下聯(lián)合調(diào)蓄型水庫。地下水庫主要由位于庫區(qū)內(nèi)的地下河管道、溶洞以及裂隙等組成,地表水庫則是由這一帶數(shù)十個(gè)天然的季節(jié)性巖溶湖泊組成,包括大馬固湖泊、小坡腳湖泊、石丫口湖泊、舊寨系列湖泊以及一把傘湖泊等,水庫的建成對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水、石漠化生態(tài)修復(fù)、旅游開發(fā)、電站建設(shè)等意義重大。

在一把傘地下河系統(tǒng)中,地下水主要補(bǔ)給來源為大馬固水庫,該水庫東側(cè)分布有3個(gè)地下河入口,分別為YBS01、YBS02和YBS03(圖1),其中YBS01和YBS02兩個(gè)入口常年有水流入,而YBS03則在水庫水位升高到一定位置后才有水流入。經(jīng)調(diào)查,一把傘地下河管道有三支,分別為北支管道、主管道和南支管道。分析推測(cè)北支管道與主管道于一把傘匯合后直接通往魚塘總出口,南支管道則由大馬固水庫南支開始,受一條東北向斷層F3的阻擋,未經(jīng)過一把傘直接通往魚塘總出口。因壩址位置在一把傘水庫,若主管道與南支管道在上游段存在水力聯(lián)系,那上游水庫的水將會(huì)順南支管道排走,使得水庫失去蓄水意義。因此,確定南支管道與主管道是否存在水力聯(lián)系及大馬固水庫北部?jī)蓚€(gè)地下河入口水流向是本次示蹤試驗(yàn)的重點(diǎn)。此外,由于庫區(qū)管道分支較多,且均與各溶洼水庫相連,因此通過示蹤試驗(yàn)估算地下管道空間也是后期計(jì)算水庫庫容的關(guān)鍵。

圖1 一把傘地下河系統(tǒng)水文地質(zhì)Fig.1 Hydrogeological sketch of Yibasan groundwater system

2.2.2 儀器、參數(shù)與示蹤劑

本次示蹤試驗(yàn)選用熒光素鈉(C20H10Na2O5)和羅丹明(C28H31ClN2O3)作為顯色示蹤劑,該化學(xué)物質(zhì)適用于在堿性巖溶水中應(yīng)用。示蹤接收儀器為瑞士Albillia公司生產(chǎn)的GGUN-FL30型野外自動(dòng)化熒光儀,利用示蹤劑對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有選擇性吸收的特點(diǎn),儀器首先發(fā)出特定的激發(fā)光光束,經(jīng)含示蹤劑溶液的過濾作用,儀器接收到不同波長(zhǎng)和強(qiáng)度的接收光,而接收光的光強(qiáng)度和示蹤劑濃度成反比,從而根據(jù)二者之間的關(guān)系函數(shù)能計(jì)算得到示蹤劑濃度。該型號(hào)野外熒光儀靈敏度極高,對(duì)熒光素鈉和羅丹明的檢測(cè)精度達(dá)到0.02 μg/L。根據(jù)野外對(duì)示蹤劑投放點(diǎn)和接收點(diǎn)的實(shí)際情況,采用式(1)計(jì)算示蹤劑投放量[18],即

M=1.9×10-5(LQC)0.95。

(1)

式中:M為示蹤劑的投放量(g);L為距離(km);Q為流量(L/s);C為預(yù)期濃度(μg/L)。

2.2.3 示蹤試驗(yàn)

(1)示蹤試驗(yàn)投放點(diǎn)。本次示蹤試驗(yàn)的投放點(diǎn)有3處,分別為YBS01、YBS02和YBS03,這3個(gè)投放點(diǎn)分別為各管道的起點(diǎn)。因地下河入口YBS01和YBS02常年有水流入,而YBS03僅為豐水期有水流入,故示蹤試驗(yàn)分為兩次進(jìn)行。首先考察YBS01和YBS02兩個(gè)地下河入口流經(jīng)管道的分布情況,YBS01出露地層為D3g組較純灰?guī)r中,受到地表河流的長(zhǎng)期沖蝕,于洼地的東北側(cè)形成地下河入口,入口方向角75°。該點(diǎn)流量變化較大,枯水期進(jìn)水流量可保持200 L/s,豐水期流量可達(dá)1 m3/s。YBS02位于YBS01西南方向約520 m處,該地下河入口與YBS01出露地層和形成條件也一樣。該地下河入口的進(jìn)水流量較小,枯水期進(jìn)水流量可保持50 L/s,豐水期進(jìn)水流量可達(dá)0.5 m3/s,入口方向角155°。YBS03則位于大馬固水庫南部,枯水期無水流入,豐水期流量可達(dá)0.5 m3/s。根據(jù)示蹤試驗(yàn)的目的,2019年6月2日(平水期),分別在YBS01和YBS02投放熒光素鈉和羅丹明,根據(jù)式(1),計(jì)算得出投放熒光素鈉15 kg,投放羅丹明6 kg,投放方式均為瞬時(shí)投放。在2020年8月15日(豐水期),在YBS03投放熒光素鈉20 kg,投放方式也為瞬時(shí)投放。

(2)示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)。通過水文地質(zhì)條件分析,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,本次示蹤試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩處接收點(diǎn)。一處接收點(diǎn)位于舊寨的天窗YBS04,該天窗距地表約40 m,底部水流方向角為92°,枯水期流量約80 L/s。另一接收點(diǎn)為瓦廠坡隧洞YBS05,該點(diǎn)位于一把傘水庫的東南方向,為一把傘地下河系統(tǒng)的下游露頭。該點(diǎn)為人工開挖后出現(xiàn)的露頭,水流量約300 L/s。分別在這兩個(gè)示蹤接收點(diǎn)安放自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為15 min/次。

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

通過示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果,利用Qtracer2軟件對(duì)示蹤劑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析計(jì)算,獲取示蹤劑的流速、回收率和相應(yīng)的巖溶管道的幾何形態(tài)特征、水力參數(shù)等指標(biāo)。根據(jù)前人研究成果可知[19-20],Qtracer2軟件可對(duì)巖溶地下水系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)特性和溶質(zhì)運(yùn)移特性進(jìn)行合理評(píng)價(jià),被廣泛用于分析野外示蹤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中試驗(yàn)示蹤劑回收量、回收率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中:MO為示蹤劑回收質(zhì)量(g);tc為采樣間隔時(shí)間(min);Qi為時(shí)段i內(nèi)泉水流量(m3/s);ci為時(shí)段i內(nèi)示蹤劑濃度(μg/L);cb為示蹤劑背景濃度(μg/L);n為采樣次數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 管道連通性分析

不同管道示蹤路徑示蹤劑濃度變化曲線如圖2所示。

圖2 不同管道示蹤路徑示蹤劑濃度變化曲線Fig.2 Curves of tracer concentration in different channels

YBS01與YBS04相距約2.75 km,示蹤劑從投放到出現(xiàn)在接收點(diǎn),歷時(shí)29.19 h,出現(xiàn)峰值時(shí)間為33.37 h,峰值為46.35 μg/L。經(jīng)檢測(cè),YBS04的熒光素鈉背景值為0.02 μg/L,峰值為背景值的4 635倍,地下水流速約為0.033 m/s,見圖2(a)。經(jīng)公式計(jì)算得該段熒光素鈉的回收率為21.5%。綜合結(jié)果表明,YBS01與YBS04存在連通性。YBS02與YBS04相距約3.22 km,示蹤劑在YBS04出現(xiàn)時(shí)間為39.27 h,較YBS01晚10.08 h,峰值出現(xiàn)時(shí)間為43.31 h,峰值為2.92 μg/L,地下水平均流速為0.031 m/s。經(jīng)公式計(jì)算得該段羅丹明的回收率為22.3%。該段示蹤結(jié)果表明,大馬固北部的YBS01和YBS02地下河入口的水均匯入主管道。

YBS01距YBS05約12.81 km,示蹤劑初現(xiàn)時(shí)間為57.5 h,出現(xiàn)峰值時(shí)間為68 h,峰值為39.32 μg/L,平均流速為0.019 m/s,計(jì)算得出的回收率為10.79%,見圖2(b)。YBS03距YBS05約13.5 km,示蹤劑初現(xiàn)時(shí)間為35 h,出現(xiàn)峰值時(shí)間為43.25 h,峰值為21.3 μg/L,平均流速為0.102 m/s,計(jì)算得出的回收率為13.4%,見圖2(c)。YBS01—YBS05和YBS03—YBS05兩根管道長(zhǎng)度相差較小,但是在YBS03—YBS05管道中示蹤劑較YBS01—YBS05管道早出現(xiàn)22 h,這表明YBS03—YBS05管道空間大,且更為通暢。此外,為進(jìn)一步驗(yàn)證南支管道與主管道無水力聯(lián)系,在進(jìn)行YBS03—YBS05管道示蹤試驗(yàn)的同時(shí),分別在YBS04和YBS06安裝了示蹤監(jiān)測(cè)儀,最終在這兩處均未檢出示蹤劑。綜合結(jié)果表明,YBS01—YBS05和YBS03—YBS05屬于2個(gè)相互獨(dú)立的管道,二者無水力聯(lián)系。

3.2 地下河管道水力參數(shù)分析

水文地質(zhì)參數(shù)是反映含水層或透水層水文地質(zhì)性能的指標(biāo),是進(jìn)行水文地質(zhì)計(jì)算和地下水資源評(píng)價(jià)的重要數(shù)據(jù),也是建立水文模型與巖溶動(dòng)力學(xué)模型不可缺少的參數(shù)[21-23]。巖溶地下河常以管道的形式存在,其特殊的形態(tài)及地下水流場(chǎng)特征決定了其特有的水文地質(zhì)參數(shù)。示蹤試驗(yàn)可以得到地下水流速、示蹤劑運(yùn)移時(shí)間等參數(shù),結(jié)合地下河管道參數(shù)和水體部分特征參數(shù)可以估算出管道的摩擦系數(shù)、雷諾數(shù)、舍伍德數(shù)等。

從示蹤數(shù)據(jù)來看,4條示蹤管道雖然均為連通狀態(tài),但是每條管道地下水溶液中示蹤劑到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間及回收量均存在差異。這不僅與示蹤路徑和示蹤劑投放量有關(guān),還受到各管道的水文地質(zhì)參數(shù)的影響(表1)。通過對(duì)比分析各管道的水文地質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn),4條示蹤管道中的雷洛茲數(shù)均>4 000,表明各管道中的地下水均為紊流。YBS01—YBS04和YBS02—YBS04兩條管道因長(zhǎng)度相似,且管道途徑的巖層一致,其水文地質(zhì)參數(shù)較為一致。雖然YBS01—YBS05和YBS03—YBS05走向和途徑的巖層也較為相似,但是受到東北向隔水?dāng)鄬拥挠绊?兩條管道無水力聯(lián)系,因此表現(xiàn)為水文地質(zhì)參數(shù)相差較大。此外,因YBS01—YBS05管道示蹤試驗(yàn)在平水期進(jìn)行,而YBS03—YBS05管道示蹤試驗(yàn)在臨近豐水期進(jìn)行,計(jì)算得出的地下水流速相差較大,這也導(dǎo)致了兩管道中水文地質(zhì)參數(shù)的差異。

表1 各示蹤路徑參數(shù)特征值Table 1 Characteristic values of tracer path parameters

根據(jù)示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),利用Qtracer2軟件對(duì)各示蹤路徑的管道規(guī)模參數(shù)進(jìn)行估算,估算結(jié)果(表2)顯示,管道截面積規(guī)模較為相似,管道儲(chǔ)水體積大,在兩支短管道YBS01—YBS04和YBS02—YBS04的儲(chǔ)水體積分別為11 658 m3和12 415 m3,主管道YBS01—YBS05和南支管道YBS03—YBS05儲(chǔ)水更為豐富,分別為79 060 m3和72 546 m3,該估算結(jié)果可為后期進(jìn)行地下水庫庫容計(jì)算提供參考。

表2 各示蹤路徑管道規(guī)模參數(shù)估算Table 2 Estimation of channel size parameters for each tracer path

3.3 示蹤試驗(yàn)水文地質(zhì)意義

通過前期水文地質(zhì)調(diào)查和本次示蹤試驗(yàn)可知,庫區(qū)分布有3條地下河管道,分別為地下河北支管道、地下河主管道和地下河南支管道。各管道均有各自的補(bǔ)徑排范圍,看似相似獨(dú)立但又具有聯(lián)系,見圖3。其中地下河北支管道受斷層F2阻隔,在補(bǔ)給區(qū)其余主管道相互獨(dú)立,但在一把傘洼地,北支管道又匯入主管道,與其建立了水力聯(lián)系。而地下河南支管道與主管道受到F3壓扭性斷層的控制,其二者的無水力聯(lián)系,在示蹤試驗(yàn)結(jié)果中也有驗(yàn)證。因本次地表-地下聯(lián)合水庫的工程目的是在一把傘洼地進(jìn)行堵洞成庫,而南支管道則發(fā)育在主管道南部且直接繞過封堵區(qū),因此封堵區(qū)除設(shè)在一把傘洼地外,在地下河南支管道的補(bǔ)給區(qū)也需要進(jìn)行封堵。

圖3 一把傘水庫A-A′剖面圖Fig.3 A-A′ profile of Yibasan Reservoir

4 結(jié) 論

根據(jù)水庫修建所遇到的問題,本文設(shè)計(jì)了4條示蹤路線,分兩個(gè)階段對(duì)地下河管道的分布和走向進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,利用Qtracer2軟件分別對(duì)4條示蹤路線的地下河管道的水文地質(zhì)參數(shù)及管道規(guī)模參數(shù)進(jìn)行估算,得出的主要結(jié)論如下:

(1)根據(jù)示蹤結(jié)果可知,受東北向斷層F3的阻擋,YBS01—YBS05和YBS03—YBS05屬于2個(gè)相互獨(dú)立的管道,二者無水力聯(lián)系。此外,大馬固水庫北部的YBS01和YBS02地下河入口的水均匯入主管道,示蹤結(jié)果可為水庫的封堵提供技術(shù)指導(dǎo)。

(2)根據(jù)示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),利用Qtracer2軟件估算了各示蹤路徑上管道的規(guī)模參數(shù),結(jié)果顯示,主管道YBS01—YBS05和南支管道YBS03—YBS05儲(chǔ)水豐富,分別為79 060 m3和72 546 m3,該估算結(jié)果可為后期進(jìn)行地下水庫庫容計(jì)算提供參考。

(3)通過計(jì)算得出的各示蹤路徑上管道水文地質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn),各管道地下水均為紊流,且地下水流速對(duì)縱向彌散起著決定性作用。