示踪试验在一把伞水库水文地质勘察中的应用.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:广西重点研发计划项目(桂科)中国地质调查局地质调查项目()云南省社会服务项目()作者简介:罗锐恒()男云南文山人高级工程师主要从事水利水电工程勘察与设计方面的研究:.通信作者:刘天云()男云南文山人高级工程师主要从事水利工程勘察设计研究工作:.:./.():示踪试验在一把伞水库水文地质勘察中的应用罗锐恒刘天云胡顺强赵永宾潘晓东彭 聪(.文山壮族苗族自治州水利电力勘察设计院云南 文山 .中国地质科学院岩溶地质研究所 国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室广西 桂林 .联合国教科文组织国际岩溶研究中心广西 桂林)摘 要:一把伞水库是文山市马关县拥有 个溶洼库区的天然季节性水库水库的封堵成库不仅可改善当地的生态环境也可为当地居民提供水源以缓解生产生活用水困境 研究区岩溶发育地下河管道错综分布并串联了各岩溶洼地 为了探究库区地下河管道走向和分布规律开展示踪试验选用荧光素钠和罗丹明作为显色示踪剂利用 软件对各示踪路径的水文地质参数和地下管道规模参数进行估算 结果表明:主管道 和南支管道 储水丰富分别为 和 大马固水库北部地下河入口 和 具有水力联系并证实了南支管道受到东北向压扭性断层 的阻挡与主管道无水力联系 研究成果为一把伞水库的堵洞成库提供了重要支撑也可为一把伞水库库容计算提供基础资料关键词:示踪试验岩溶水文地质 示踪剂 一把伞水库中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(./.):.:第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .研究背景我国西南碳酸盐岩出露地区由于受岩溶作用等因素的影响水资源问题一直是困扰该区域经济发展和居民生产生活的重要因素 岩溶区修建水库不仅可解决区域供水紧张问题对生态保护也有非常积极的作用 岩溶地下河是中国南方碳酸盐岩地区最重要的岩溶现象之一其主要特征是由相互连通的岩溶孔隙、岩溶裂隙、岩溶洞穴和岩溶管道多重介质组构而成具有极强的汇水、蓄水和排水功能的岩溶水地下通道 因排泄点单一且在补给径流区往往串联较多的岩溶洼地对地下河管道进行封堵使其成为地表地下联合水库这种方式越来越受到青睐如广西弄岩岩溶地表地下联合水库、湖南洛塔岩溶水开发利用工程、贵州平塘巨木地下河开发工程等的兴建不仅实现了对岩溶水的高效利用还促进了当地的经济发展岩溶地下河管道结构多样、高渗透性及非均质性等特点造成了调查难度高调查方式多样 目前关于岩溶地下河管道的调查方法主要包括水文学法、水化学法、同位素法、地球物理法和示踪试验法等 其中示踪试验是岩溶水文地质调查的常用方法也是确定岩溶地下管道展布及特征最有效的方法 早在 世纪 年代我国学者就在三峡工程的勘察中运用食盐进行示踪试验后期逐渐发展并应用到工程、环保等诸多领域 示踪技术在国外也被普遍运用在水文地质调查工作中研究人员不断加强对示踪方法及后期数据处理的研究和软件开发这大大提高了示踪试验的成功率和效率 然而目前示踪技术基本应用在地下水连通及水文地质参数的简单计算上而缺乏对管道空间等的研究本文拟通过示踪试验查清一把伞水库的地下河管道的发育特征及岩溶地下水系统边界范围利用 软件对各地下河管道进行水文地质参数的计算并估算地下管道的空间以期为水库封堵及库容估算提供基本依据 材料与方法.研究区自然地理条件一把伞地下河系统位于云南省文山市马关县境内管道走向近西东西起坡脚乡大马固村东至山车乡鱼塘村总长度约为.研究区地势总体南高北低、西高东低东部受控于盘龙河的侵蚀造成海拔急剧下降 南部为碎屑岩山区海拔在 以上最高处海拔 位于老马固村南侧的无名山体海拔最低点在地下河系统总出口海拔 海拔差超过 地势起伏较大地下河系统内部海拔在 之间低海拔主要分布在洼地底部海拔多低于 与周边山体高差 局部 气候特征为冬春干旱夏秋湿润冬无严寒夏无酷暑气候垂直差异大立体气候明显 根据气象资料统计多年平均降雨量为.多年平均气温.地下河主要发育在泥盆系的东岗岭组()、革当组()及二叠系的阳新组()中均属浅海相沉积 东岗岭组()岩性以灰色中至厚层状生物碎屑粉晶灰岩、砂屑粉晶灰岩夹薄至中层状粉晶灰岩为主少量泥灰岩层间普遍夹红色泥质灰岩革当组()岩性上部为浅灰色厚层至块状粉晶灰岩夹粉晶砂屑砾屑灰岩下部为灰红色、灰白色厚层白云质鲕粒灰岩粉晶白云岩 二叠系的阳新组()岩性以深灰肉红色厚层至块状灰岩、粉晶白云岩为主 系统北部边界为地下分水岭南部边界为泥盆系坡松冲组()的碎屑岩地下水自西向东径流并从鱼塘暗河出口流出 地下水主要受大气降雨及附近碎屑岩侧向补给在地下河裂隙、管道中径流并最终以地下河出口形式排泄.试验设计及分析方法.试验目的拟建的一把伞水库位于大马固村以东、一把伞以西的鱼塘地下河主管道上水库由地下水库和地表水库组成属地表地下联合调蓄型水库 地下水库主要由位于库区内的地下河管道、溶洞以及裂隙等组成地表水库则是由这一带数十个天然的季节性岩溶湖泊组成包括大马固湖泊、小坡脚湖泊、石丫口湖泊、旧寨系列湖泊以及一把伞湖泊等水库的建成对当地农业灌溉、工业供水、石漠化生态修复、旅游开发、电站建设等意义重大在一把伞地下河系统中地下水主要补给来源为大马固水库该水库东侧分布有 个地下河入口分别为、和(图)其中 和 两个入口常年有水流入而 则在水库水位升高到一定位置后才有水流入 经调查一把伞地下河管道有三支分别为北支管道、主管道和南支管道 分析推测北支管道与主管道于一把伞汇合后直接通往鱼塘总出口南支管道则由大马固水库南支开始受一条东北向断层 的阻挡未经过 长江科学院院报 年 0 1 2 k mF4F3F2F1:8 18 1,图 一把伞地下河系统水文地质.一把伞直接通往鱼塘总出口 因坝址位置在一把伞水库若主管道与南支管道在上游段存在水力联系那上游水库的水将会顺南支管道排走使得水库失去蓄水意义 因此确定南支管道与主管道是否存在水力联系及大马固水库北部两个地下河入口水流向是本次示踪试验的重点 此外由于库区管道分支较多且均与各溶洼水库相连因此通过示踪试验估算地下管道空间也是后期计算水库库容的关键.仪器、参数与示踪剂本次示踪试验选用荧光素钠()和罗丹明()作为显色示踪剂该化学物质适用于在碱性岩溶水中应用 示踪接收仪器为瑞士 公司生产的 型野外自动化荧光仪利用示踪剂对不同波长的光具有选择性吸收的特点仪器首先发出特定的激发光光束经含示踪剂溶液的过滤作用仪器接收到不同波长和强度的接收光而接收光的光强度和示踪剂浓度成反比从而根据二者之间的关系函数能计算得到示踪剂浓度 该型号野外荧光仪灵敏度极高对荧光素钠和罗丹明的检测精度达到./根据野外对示踪剂投放点和接收点的实际情况采用式()计算示踪剂投放量即 .().()式中:为示踪剂的投放量()为距离()为流量(/)为预期浓度(/).示踪试验()示踪试验投放点 本次示踪试验的投放点有 处分别为、和 这 个投放点分别为各管道的起点 因地下河入口 和 常年有水流入而 仅为丰水期有水流入故示踪试验分为两次进行 首先考察 和 两个地下河入口流经管道的分布情况出露地层为 组较纯灰岩中受到地表河流的长期冲蚀于洼地的东北侧形成地下河入口入口方向角 该点流量变化较大枯水期进水流量可保持/丰水期流量可达 /位于 西南方向约 处该地下河入口与 出露地层和形成条件也一样 该地下河入口的进水流量较小枯水期进水流量可保持 /丰水期进水流量可达./入口方向角 则位于大马固水库南部枯水期无水流入丰水期流量可达./根据示踪试验的目的 年 月 日(平水期)分别在 和 投放荧光素钠和罗丹明根据式()计算得出投放荧光素钠 投放罗丹明 投放方式均为瞬时投放 在 年 月 日(丰水期)在 投放荧光素钠 投放方式也为瞬时投放()示踪试验接收点 通过水文地质条件分析并结合现场情况本次示踪试验共设计了两处接收点 一处接收点位于旧寨的天窗 该天窗距地表约 底部水流方向角为 枯水期流量约 /另一接收点为瓦厂坡隧洞 该点位于一把伞水库的东南方向为一把伞地下河系统的下游露头 该点为人工开挖后出现的露头水流量约 /分别在这两个示踪接收点安放自动监测仪进行实时监测监测时间间隔为 /次 第 期罗锐恒 等 示踪试验在一把伞水库水文地质勘察中的应用.试验数据分析方法通过示踪试验监测结果利用 软件对示踪剂监测数据进行定量分析计算获取示踪剂的流速、回收率和相应的岩溶管道的几何形态特征、水力参数等指标 根据前人研究成果可知 软件可对岩溶地下水系统的水动力学特性和溶质运移特性进行合理评价被广泛用于分析野外示踪实验数据 其中试验示踪剂回收量、回收率按式()计算()()式中:为示踪剂回收质量()为采样间隔时间()为时段 内泉水流量(/)为时段 内示踪剂浓度(/)为示踪剂背景浓度(/)为采样次数 结果与讨论.管道连通性分析不同管道示踪路径示踪剂浓度变化曲线如图 所示图 不同管道示踪路径示踪剂浓度变化曲线.与 相距约.示踪剂从投放到出现在接收点历时.出现峰值时间为.峰值为./经检测 的荧光素钠背景值为./峰值为背景值的 倍地下水流速约为./见图()经公式计算得该段荧光素钠的回收率为.综合结果表明 与 存在连通性 与 相距 约.示 踪 剂 在 出 现 时 间 为.较 晚.峰 值 出 现 时 间 为.峰值为./地下水平均流速为./经公式计算得该段罗丹明的回收率为.该段示踪结果表明大马固北部的 和 地下河入口的水均汇入主管道 距 约.示踪剂初现时间为.出现峰值时间为 峰值为./平均 流 速 为./计 算 得 出 的 回 收 率 为.见图()距 约.示踪剂初现时间为 出现峰值时间为.峰值为./平均流速为./计算得出的回收率为.见图()和 两根管道长度相差较小但是在 管道中示踪剂较 管道早出现 这表明 管道空间大且更为通畅 此外为进一步验证南支管道与主管道无水力联系在进行 管道示踪试验的同时分别在 和 安装了示踪监测仪最终在这两处均未检出示踪剂 综合结果表明 和 属于 个相互独立的管道二者无水力联系.地下河管道水力参数分析水文地质参数是反映含水层或透水层水文地质性能的指标是进行水文地质计算和地下水资源评价的重要数据也是建立水文模型与岩溶动力学模型不可缺少的参数 岩溶地下河常以管道的形式存在其特殊的形态及地下水流场特征决定了其特有的水文地质参数 示踪试验可以得到地下水流速、示踪剂运移时间等参数结合地下河管道参数和水体部分特征参数可以估算出管道的摩擦系数、雷诺数、舍伍德数等从示踪数据来看 条示踪管道虽然均为连通状态但是每条管道地下水溶液中示踪剂到达接收点的时间及回收量均存在差异 这不仅与示踪路径和示踪剂投放量有关还受到各管道的水文地质参数的影响(表)通过对比分析各管道的水文地质参数发现 条示踪管道中的雷洛兹数均 表明各管道中的地下水均为紊流 和 两条管道因长度相似且管道途径的岩层一致 其水文地质参数较为一致 虽然 和 走向和途径的岩层也较为相似但是受到东北向隔水断层的影响两条管道无水力联系因此表现为水文地质参数相差较大 此外因 管道示踪试验在平水期进行而 管道示踪试验在临近丰水期进行计算得出的地下水流速相差较大这也导致了两管道中水文地质参数的差异 长江科学院院报 年 表 各示踪路径参数特征值 管道管道长度/示踪剂投放种类示踪剂投放量/初现时间/峰现时间/峰值浓度/()平均流速/()回收率/.荧光素钠.罗丹明.荧光素钠.荧光素钠.管道纵向弥散系数/()纵向弥散度/摩擦系数雷洛兹数弗劳德数舍伍德数施密特数分子扩散边界层厚度/.图 一把伞水库 剖面图.根据示踪试验监测数据利用 软件对各示踪路径的管道规模参数进行估算估算结果(表)显示管道截面积规模较为相似管道储水体积大在两支短管道 和 的储水体积分别为 和 主管道 和南支管道 储水更为丰富分别为 和 该估算结果可为后期进行地下水库库容计算提供参考.示踪试验水文地质意义通过前期水文地质调查和本次示踪试验可知库区分布有 条地下河管道分别为地下河北支管表 各示踪路径管道规模参数估算 管道管道截面积/管道储水体积/.道、地下河主管道和地下河南支管道 各管道均有各自的补径排范围看似相似独立但又具有联系见图 其中地下河北支管道受断层 阻隔在补给区其余主管道相互独立但在一把伞洼地北支管道 第 期罗锐恒 等 示踪试验在一把伞水库水文地质勘察中的应用又汇入主管道与其建立了水力联系 而地下河南支管道与主管道受到 压扭性断层的控制其二者的无水力联系在示踪试验结果中也有验证 因本次地表地下联合水库的工程目的是在一把伞洼地进行堵洞成库而南支管道则发育在主管道南部且直接绕过封堵区因此封堵区除设在一把伞洼地外在地下河南支管道的补给区也需要进行封堵 结 论根据水库修建所遇到的问题本文设计了 条示踪路线分两个阶段对地下河管道的分布和走向进行了验证 在此基础上利用 软件分别对 条示踪路线的地下河管道的水文地质参数及管道规模参数进行估算得出的主要结论如下:()根据示踪结果可知受东北向断层 的阻挡 和 属于 个相互独立的管道二者无水力联系 此外大马固水库北部的 和 地下河入口的水均汇入主管道示踪结果可为水库的封堵提供技术指导()根据示踪试验监测数据利用 软件估算了各示踪路径上管道的规模参数结果显示主管道 和南支管道 储水丰富分别为 和 该估算结果可为后期进行地下水库库容计算提供参考()通过计算得出的各示踪路径上管道水文地质参数发现各管道地下水均为紊流且地下水流速对纵向弥散起着决定性作用参考文献:单海平 邓 军.我国西南地区岩溶水资源的基本特征及其和谐利用对策.中国岩溶():.蒋忠诚 夏日元 雷明堂等.我国岩溶区水文地质环境地质综合调查形势和任务中国地质学会岩溶地质专业委员会.岩溶资源与油藏岩溶储层研究学术研讨会论文集.北京:中国地质学会岩溶地质专业委员会:.郭纯青.中国岩溶生态水文学.北京:地质出版社:.唐智德.地表溶蚀盆地地下岩溶联合成库条件分析:以弄岩水库为例.中国岩溶():.李兆林 劳文科 罗伟权.湘西洛塔岩溶水的综合开发与持续利用.中国岩溶():.陈革平.论岩溶地下水开发在贵州省农村饮水安全工作中的作用.贵州地质 ():.赵良杰 夏日元 易连兴 等.基于流量衰减曲线的岩溶含水层水文地质参数推求方法.吉林大学学报(地球科学版)():.姜光辉 郭芳 于奭.岩溶水系统的水化学曲线及其在水文地质研究中的应用.吉林大学学报(地球科学版)():.张建友 张 鑫 高旭波等.基于环境稳定同位素法分析煤矿开采对岩溶水的影响量.人民黄河():.郭永丽 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