基于示踪试验的岩溶管道及水力参数定量解析

基于示踪试验的岩溶管道及水力参数定量解析
张志强;张强;班兆玉;胡元进
【摘要】以云南省丽江九子海洼地-甘泽泉一带岩溶地下水示踪试验为例，探究示踪试验在岩溶地下水通道研究中的应用。

根据研究区水文地质条件，分析了地下水连通性及流场特征、推测岩溶通道位置，并结合Qtrac-er2计算模型对示踪剂穿透曲线( BTC)进行定量分析，同时也得出了岩溶管道结构参数及水力参数。

试验结果表明，九子海洼地-甘泽泉一带存在水力联系，且还有其他岩溶通道存在。

由此可判定地下水处于缓速紊流状态。

Qtracer2程序可以实现示踪剂穿透曲线( BTC)的定量解析。

%To explore the application of tracer test in karst groundwater, the tracer test of the karst groundwater in the zone of Jiuzihai Swale - Ganze Spring in Lijiang River is taken as an example. According to the hydrological and geological conditions in the zone, the groundwater connectivity and flow field characteristics are analyzed, and the location of karst conduits are reck-oned. A quantitative analysis of break-through curve ( BTC) of the tracers is carried out by using Qtracer2 calculation model. The test results prove the existence of hydraulic connection in the zone of Jiuzihai Swale - Ganze Spring and other karst con-duits. The structural and hydraulic parameters of the karst conduits are worked out, which confirmed that the karst groundwater is in the state of turbulent flow at a low velocity. It can be concluded that Qtracer2 is applicable to the quantitative analysis of BTC of tracers.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】4页(P80-83)
【关键词】示踪试验;岩溶管道;穿透曲线;岩溶地下水
【作者】张志强;张强;班兆玉;胡元进
【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059
【正文语种】中文
【中图分类】P642
在岩溶区，岩溶含水介质是决定岩溶水文地质系统功能的最基本要素[1]。

示踪试验作为有效的探测技术与方法，在岩溶水资源勘探中发挥着重要作用。

目前，示踪试验常被用于判定地下水流向、流速、补给源和排泄源[2]，但利用示踪试验进一步探究岩溶含水介质结构特征及其参数等方面，与国外研究水平相比，仍存在一定差距。

以丽江九子海洼地-甘泽泉示踪试验为例，探究其岩溶管道结构参数及水力学参数[3]，得出的岩溶管道结构参数及水力参数对岩溶水动力学模型的建立及地下水资源的开发利用具有借鉴意义。

研究区位于丽江盆地的东北部，最高点为九子海北东侧的巴忙牛山峰，海拔3 588.6 m。

溶蚀构造地形(溶蚀高原)分布于丽江盆地东北部的九子海洼地一带，距丽江古城约有20 km。

该区域海拔高程2 800～3 588m，高出丽江盆地400～1
188 m。

九子海洼地碳酸盐岩大面积出露，溶蚀构造盆地、溶蚀洼地、漏斗、落水洞发育。

九子海为断块复向斜经溶蚀形成的盆地，集水面积约73 km2。

该区域为溶蚀构造地形，以三叠系地层为主组成的高平原。

其中九子海洼地为长6 km、宽3 km、海拔2 800 m的夷平面，发育漏斗、落水洞为主，是重要的岩溶
水补给区。

研究区内广泛分布三迭系碳酸盐岩，主要含水层为三迭系北衙组(T2b)
中至厚层灰岩，岩溶发育强烈，赋存裂隙溶洞水；三迭系中窝组(T3z)中至厚层白
云质灰岩，出露面积小。

含水岩层外围被弱含水岩层包围，西侧、南侧主要为第四系冲积、湖积物和下第三系丽江组砂岩、钙质砾岩；北侧、东侧主要为二迭系玄武岩。

在岩溶地层与第四系地层交界处出露大量泉点。

研究区水文地质如图1所示。

为进一步验证九子海洼地与南部泉点之间是否存在水力联系，分析岩溶地下水流场特征，推测岩溶通道位置及结构特征，2014年10～11月，在直线距离约15 km 的九子海洼地-甘泽泉一带开展了地下水示踪试验。

其结果可为岩溶地下水资源开
发利用及工程建设提供更为可靠和详细的水文地质依据。

考虑到尽可能减小对当地地下水的污染、示踪剂在试验区化学性质的稳定性及示踪元素的环境背景值等因素，此次试验以碘化钾作为示踪剂。

将400 kg碘化钾与水充分混溶后倒入九子海岩溶洼地内的落水洞L1内，投样之后又继续向L1内注水
12 h，以驱动示踪剂完全进入地下水体。

选择下游甘泽泉作为示踪剂接收点Q1。

投放试剂后定时在监测点取样分析，采用碘-淀粉光度法检测样品中碘离子含量[4-5]。

试验持续450 h，获得85组监测数据。

甘泽泉流量稳定，利用量水堰测流法
测得流量为32 L/s。

3.1 分析方法
Qtracer2是由美国环境保护局(U.S. Environmental Protection Agency)开发的，专门用于岩溶管道示踪实验的定量计算模型[6]。

基于示踪试验得到的浓度-时间曲线(BTC)，定量计算岩溶管道几何参数及各项水力参数，其结果可用于溶质运移模
型及风险评估研究。

文中参数的定量分析原理如下。

示踪剂回收质量
式中，M0为示踪剂回收质量；C(t)为示踪剂浓度；Q(t)为监测点流量；t为监测时间。

在示踪剂穿透曲线BTC拖尾很小的情况下，示踪剂平均滞留时间(示踪剂回收质量达到回收量一半所对应的时间)比初见时间、峰值时间更能准确地计算地下过水通道系统的体积[7]。

示踪剂平均滞留时间为
地下过水通道系统的体积为
地下过水通道横截面面积为
地下水过水通道平均直径为
示踪剂平均运移速度为
纵向弥散系数DL因示踪剂的注入方式而异[8-10]，示踪剂为连续注入时；示踪剂为脉冲式注入时其中，σt为平均滞留时间的标准偏差；t2为注入持续时间；xs为经修正后的示踪剂迁移距离(xs=Sdx，Sd为管道弯曲系数，一般取1.3～1.5)。

雷诺数为
弗劳德数为
式中，ρ为水的密度；μ为水的黏度；DH为水力深度，一般用于无压流。

3.2 试验结果
根据接收点水样检测结果，绘制示踪剂穿透曲线(图2)。

从图2可以看出，在试剂投放216 h后，接收点水样初次检测到示踪剂，至266 h示踪剂浓度达到峰值，峰值浓度为139.4 μg/L；在距投样298 h时，示踪剂浓度又降至本底值，之后浓度一直保持在本底值水平，示踪剂从出现到降回本底值持续时间为82 h。

同时，根据接收点泉流量信息，计算的示踪剂回收量和回收率分别为208.37g，0.52%。

3.3 地下水流场特征分析
示踪剂穿透曲线BTC呈单峰型，无拖尾现象，峰值陡升陡降，说明九子海洼地与
甘泽泉之间存在水力联系且无地下溶潭发育。

示踪剂回收率较低，一方面，说明存在其他岩溶通道分走水流；另一方面，示踪剂运移路径较长，含水介质中的泥土、浮游生物和胶体等物质对其有吸附作用，导致大部分示踪剂滞留于含水介质中，从而使回收到的示踪剂浓度较低。

示踪剂初见时间和峰值时间分别为216，266 h，考虑到修正后的示踪剂迁移距离19.5 km，经初步计算，得到的地下水最大和平均流速分别为90.28，73.3
m/h[11]。

3.4 岩溶通道位置推测
利用示踪试验结果判断岩溶通道位置也是近年来研究的热点问题。

影响岩溶发育的因素很多，主要有地质构造、岩石矿物成分、水文地质条件、地形地貌、气象等。

断裂构造是控制九子海洼地-甘泽泉一带岩溶发育的主要因素。

(1) 对于张性断层，断层带内裂隙发育有利于地下水渗流，沿断层带岩溶发育强烈，是岩溶水主要径流通道。

(2) 对于压性断层，断层带内常充填有大量的断层泥或糜棱岩，断层带本身常形成相对隔水层，岩溶主要发育在断层两侧影响带内。

本区内主要断层有F67、F42两条(图1)，且均为压扭性断层，岩溶主要发育在断层两侧影响带内，推测岩溶地下
水径流通道主要在两条断层附近(图1)。

3.5 地下水过水通道结构参数及水力参数
示踪剂穿透曲线不仅能验证地下水连通性、了解溶质运移规律，还能有效地反映地下水流特性及地下水过水通道结构特征[12-13]。

利用Qtracer2模型对试验结果
进行定量分析，获取相应的地下水过水通道结构参数及水力参数。

九子海洼地-甘泽泉一带岩溶过水管道体积为3.08万m3，地下水过水通道平均直
径为1.42 m，岩溶管道过水表面积为3.27×107 m2，示踪剂平均滞留时间为267.67 h，修正后的运移距离为19.5 km。

含水层水文地质参数是确定地下水运移规律、建立水质预测模型等必不可少的要素。

通过对示踪穿透曲线的定量解析，亦可获取岩溶地下水水力参数。

通过计算，得到九子海洼地-甘泽泉一带地下水纵向弥散系数为0.24 m2/s，纵向弥散度为12.06 m。

雷诺数为25 187，弗劳德数为0.006 1，由此可以判定地下水处于缓速紊流
状态。

(1) 此次示踪试验验证了九子海洼地-甘泽泉一带存在水力连通关系。

陡升陡降的单峰示踪剂穿透曲线表明地下水径流通道中无较大溶潭发育。

示踪剂回收量较低，也验证了地下水径流通道中存在其他径流路径分走水流。

(2) 通过对示踪剂穿透曲线的定量计算，获得九子海洼地-甘泽泉一带岩溶过水管道体积为3.08万m3，估测岩溶管道过水表面积为3 270万m2，估测岩溶管道平
均直径为1.42 m；地下水纵向弥散系数为0.24 m2/s，纵向弥散度为12.06 m，
雷诺数为25 187，弗劳德数为0.006 1，岩溶地下水处于缓速紊流状态。

【相关文献】
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