一种采用示踪技术确定径流区水平渗流通道的方法

摘要

本发明公开了一种采用示踪技术确定径流区水平渗流通道的方法，该方法基于岩溶地区水文地质条件认识的基础上，首先选取区域内已有水文地质观测孔，进行水位统测，绘制地下水流场，确定各孔之间的水力联系，进而布置示踪试验，计算区域内的水平视流速；然后有针对性的选取代表性钻孔进行地下水温度、电导率指标的长期监测，判断孔内地下水运动的拐点，确定水平渗流通道的赋存深度，计算钻孔内垂向上地下水的流速；最后综合分析垂向与水平方向上流速的差异来确定渗流通道。本发明为岩溶水系统的保护及岩溶水资源管理提供科学依据和决策支持。

说明书

技术领域

本发明涉及水文地质技术领域，具体地说是一种采用示踪技术确定岩溶水系统水平渗流通道的方法。

背景技术

岩溶地下水赋存的不均一性对水源地开发、岩溶水污染防控、工程建设及矿区安全生产造成重大的危害。由于岩溶裂隙发育不均，目前尚缺乏准确查找岩层中不同深度处存在地下水渗流通道的技术方法。因此，判断精准确定岩溶地区渗流通道的位置成为国内外岩溶水科学与工程领域研究的难点问题之一。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种采用示踪技术确定径流区水平渗流通道的方法，该方法原理科学、方法简单、易操作，数据容易获取，且具有较强的实用性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种采用示踪技术确定径流区水平渗流通道的方法，包括以下步骤，

第一步，根据水文地质图，对研究区域内所有钻孔的结构进行调查，确定孔深、含水层岩性、止水段深度、钻孔坐标和高程；

第二步，逐一观测第一步中各钻孔内的水位，绘制研究区域内的地下水流场图，确定各钻孔间的水力联系；

第三步，布置示踪试验，计算水平视流速，并根据水平视流速确定渗流通道的水平延伸方向；

3.1根据第二步绘制的地下水流场图确定投源点，以投源点为中心，四周布置水位观测点，以投源点为中心，在地下水流向的下游，呈扇形布置水质观测点；

3.2选取示踪剂；

3.3对步骤3.1中确定的水质监测点进行取样，确定各个水质监测点的示踪剂背景值；

3.4计算示踪剂投放量；

3.5向投源点内投放示踪剂；

3.6观测水位监测点和水质监测点的水位，每天一次，观测三天，并根据观测到的水位绘制等水位线图，然后观察绘制好的等水位线图，判断在水质监测点的附近是否存在降落漏斗，若存在降落漏斗，则对该水质监测点进行标记。

3.7按照由近及远的顺序对水质监测点进行取样监测，记录示踪剂的浓度及出现的时间，并根据监测数据和步骤3.6中确定的降落漏斗情况调整采样频率；

3.8根据步骤3.7监测的结果绘制示踪剂扩散速度等时线及运移路径，然后计算水平视流速；

3.9根据步骤3.8的计算结果计算研究区域内的平均流速；

第四步，计算垂向流速，确定渗流通道的垂向赋存深度。

4.1根据步骤3.9的计算结果选取流速大于平均流速的水质监测点，并在该水质监测点上的钻孔内每隔1m监测温度和电导率；

4.2根据步骤4.1的监测结果绘制各个水质监测点的温度曲线图和电导率曲线图；

4.3针对某一水质监测点计算垂向上的地下水流速；

4.3.1根据步骤4.2绘制的温度曲线图和电导率曲线图确定该水质监测点的温度拐点和电导率拐点出现的深度，确定该水质监测点处水平渗流通道的赋存深度；

4.3.2计算步骤4.3.1确定的各拐点深度上的地下水的垂向流速；

4.4重复步骤4.3的操作，计算步骤4.1中确定的各个水质监测点的地下水垂向流速；

第五步，根据第三步和第四步的结果，在地质剖面的基础上，绘制渗流通道空间分布地质剖面图。

进一步地，布设的水位监测点和水质监测点均应包含研究区域内的所有含水层。

进一步地，所述的示踪剂应满足无毒、化学性质稳定、不易被吸附和降解、溶解度高、背景值低和灵敏度高的要求。

进一步地，在步骤3.3中，同一水质监测点取样2-3次，并以测得的示踪剂浓度的平均值作为该水质监测点的背景值浓度。

进一步地，在步骤3.5中，若投源点存在多个含水层，则以最上层含水层作为示踪剂的投放目的层。

进一步地，在步骤3.7中，对水质监测点的示踪剂进行检测时，以背景值浓度的5倍作为示踪剂的检出标准。

进一步地，步骤3.7中，采样频率的调整原则为，

当水质监测点检出示踪剂时增加采样频率，并同时对下一批较远处的水质监测点进行监测；

当水质监测点检出的示踪剂浓度低于峰值时，降低采样频率；

当水质监测点检出的示踪剂浓度达到背景值时，采样结束；

当水质监测点附近存在降落漏斗时，对该水质监测点要进行加密监测。

进一步地，步骤4.1中监测频率遵循的原则为，在2-7月份、9—12月份每月测试3次，在1月和8月增加测试频率为每月测试5次，雨后加密测试3天，每天一次。

本发明的有益效果是：

1、原理科学、方法简单、易操作，数据容易获取，具有较强的实用性。

2、可借助已开展的地质钻孔、水文地质或工程地质钻探工作开展水位观测，无需投入专项地下水流网勘察，节约了时间、提高效率，具有较高技术经济性。

3、对于水平视流速而言，采用示踪技术，并以取样点检测的示踪剂峰值为依据，便于理解，取得的成果符合野外实际具有科学性。

4、对于垂向上的流速检测而言，以钻孔内不同深度的实测温度、电导率为依据，计算结果便于解释、且不存在多解，取得的成果符合野外实际，具有科学性。

5、在水平流速和垂向流速准确的基础上，综合分析垂向与水平方向上流速的差异来确定的渗流通道也更加准确，科学，能够为岩溶水系统的保护及岩溶水资源管理提供科学依据和决策支持。

附图说明

图1为济南泉域径流区的地下水流场图；

图2为示踪剂扩散速度等时线及运移路径；

图3为水质监测点J2井的温度曲线图；

图4为水质监测点J2井的电导率曲线图；

图5为地温分布曲线；

图6为地层中存在水平渗流通道时的地温分布曲线；

图7为济南泉域径流区渗流通道空间分布地质剖面图。

具体实施方式

一种采用示踪技术确定径流区水平渗流通道的方法包括以下步骤。

第一步，钻孔调查。

根据水文地质图，对研究区域内所有钻孔的结构进行调查，确定孔深、含水层岩性、止水段深度、钻孔坐标和高程。

在这里所述的钻孔包含但不限于钻孔和机井，凡是可对水文地质进行研究的孔均包含在其内。

第二步，绘制研究区域内的地下水流场图。

逐一观测第一步中各钻孔内的水位，绘制研究区域内的地下水流场图，然后根据绘制的地下水流场图，水位高低、孔内地层岩性、止水位置等信息确定各钻孔间的水力联系。

作为一种具体实施方式，本实施例中所述的研究区域为济南泉域径流区，并绘制该区域的地下水流场图如图1所示。

第三步，布置示踪试验，计算水平视流速，并根据水平视流速确定渗流通道的水平延伸方向。

3.1根据第二步绘制的研究区域内的地下水流场图确定投源点，然后以投源点为中心，四周布置水位观测点，以投源点为中心，在地下水流向的下游，呈扇形布置水质观测点，且布设的水位监测点和水质监测点均应包含研究区域内的所有含水层。

在这里，所述的水位监测点和水质监测点可以是同一监测点，也可以是不同监测点。

作为一种具体实施方式，本实施例中所述研究区域内的投源点确定为兴济河，确定的水位监测点和水质监测点布置如图1所示。

3.2选取示踪剂，且所述的示踪剂应满足无毒、化学性质稳定、不易被吸附和降解、溶解度高、背景值低和灵敏度高(即容易被仪器检测到)的要求。

作为一种具体实施方式，本实施例中所选取的示踪剂为钼酸铵。

3.3对步骤3.1中确定的水质监测点进行取样，确定各个水质监测点的示踪剂背景值。

为了防止出现人为污染，同一水质监测点取样2-3次测定示踪剂的浓度，并以其平均值作为该水质监测点的背景值浓度。

3.4计算示踪剂投放量

示踪剂投放量的计算公式为：

M＝a(TQC)^b

式中：M—为投放量；

a,b—为经验系数，通过查手册可得；

T—为投放点到接收点的运移时间；

Q—接收点的岩溶水流量；

C—预设的接收点的示踪剂浓度峰值。

式中投放点到接收点的运移时间，有两种获取方式：

(1)根据以往已有的试验得到岩溶水的流速，然后运移距离除以岩溶水流速得到运移时间。

(2)若以往没有做过类似的试验，首先根据第二步中观测的水位绘制等水位线图，并根据等水位线图计算水力梯度，然后通过单孔抽水试验求渗透系数，最后采用达西公式计算岩溶水流速，然后运移距离除以岩溶水流速得到运移时间。

在这里根据观测的水位绘制等水位线图，根据等水位线图计算水力梯度，单孔抽水试验求渗透系数和通过达西公式计算岩溶水流速对于本领域技术人员来说属于公知常识，在此不再做过多赘述。

作为一种具体实施方式，本实施例中投放点到接收点的运移时间T通过第一种方式获取。对于本实施例中的研究区域，以往已有的试验得到的地下岩溶水流速有200m/d、150m/d、100m/d和80m/d这几种情况，示踪剂接收点趵突泉流量Q实测值为16万m³/d，预设接收点的示踪剂浓度峰值为0.015/g·m^-3，则根据示踪剂投放量的计算公式计算上述岩溶水流速下，兴济河投源点的钼酸铵示踪剂投放量如表1所示。

表1钼酸铵投放量估算

为防止雨季大气降水淋滤入渗形成干扰，本方法的示踪试验选择在无降水淋滤的枯水期进行试验，由于枯水期视流速较低，为保证检出浓度选择投放量为280kg作为本次示踪试验的投放量。

进一步地，为了避免投放量超出国家标准，需对投放量进行验证，即设定流速为最大流速200m/d，当投放量为280kg时，计算得到的浓度峰值为0.038ppm，小于国家标准0.07ppm。因此投放量的选取是合理的。

3.5向投源点内投放示踪剂，若投源点存在多个含水层，则以最上层含水层作为示踪剂的投放目的层。

作为一种具体实施方式，本实施例中所述的兴济河仅包含下奥陶纪石灰岩一个含水层，故下奥陶纪石灰岩为示踪剂投放的目的层。

实际操作时，将管道深入投源点内，并使管道的下端口位于目的层处，然后通过管道向目的层投放示踪剂即可。

3.6观测水位监测点和水质监测点的水位，每天一次，观测三天，并根据观测到的水位绘制等水位线图，然后观察绘制好的等水位线图，判断在水质监测点的附近是否存在降落漏斗，若存在降落漏斗，则对该水质监测点进行标记。

这样做的主要原因是，在水质监测点的附近若存在地下水开采，则可能形成降落漏斗，这样该水质监测点的示踪剂检出时间与既定的示踪剂检出时间会有差别，一般示踪剂峰值浓度出现的时间会提前，需要对该水质监测点进行加密监测。所以在示踪剂投放后要对水质监测点的水位统测三次，目的是为了判断是否存在降落漏斗，避免错过示踪剂的浓度峰值。

3.7按照由近及远的顺序对水质监测点进行取样监测，记录示踪剂的浓度及出现的时间，并根据监测数据和步骤3.6中确定的降落漏斗情况调整采样频率。即：

当水质监测点检出示踪剂时增加采样频率，并同时对下一批较远处的水质监测点进行监测。

当水质监测点检出的示踪剂浓度低于峰值时，降低采样频率。

当水质监测点检出的示踪剂浓度达到背景值时，采样结束。

当水质监测点附近存在降落漏斗时，对该水质监测点要进行加密监测。即在上一批(距离投源点较近的一批)水质监测点检出示踪剂时，需对该水质监测点(附近存在降落漏斗的水质监测点)进行取样监测时，该水质监测点(附近存在降落漏斗的水质监测点)的取样频率就要高于其他附近不存在降落漏斗的水质监测点。若该水质监测点(附近存在降落漏斗的水质监测点)为第一批进行监测的水质监测点，则一开始进行监测时，该水质监测点(附近存在降落漏斗的水质监测点)的取样频率就要高于其他附近不存在降落漏斗的水质监测点。

在这里，示踪剂的检出标准为背景值浓度的5倍，即当检出的示踪剂浓度达到背景值的5倍时才算是检出示踪剂。

作为一种具体实施方式，本实施例中的示踪实验于2016年4月18日投放钼酸铵试剂280kg，共历时95天，其采样监测顺序如下：

(1)首先对J3、J5、FJ34、FJ65质监测点进行取样分析，频率为一天一次。

(2)当步骤(1)中的J3、J5、FJ34、FJ65水质监测点有示踪剂检出时，对J3、J5、FJ34、FJ65水质监测点的监测频率增加为一天两次，并同时对J1、J2、J4、J6、J7、Q1、Q2、Q3、Q4和Q5水质监测点进行取样，取样频率为每天一次。

其中J4水质监测点由于附近存在降落漏斗，因此J4水质监测点的监测频率为一天两次。

(3)当步骤(2)中的J1、J2、J6、J7、Q1、Q2、Q3、Q4和Q5水质监测点有示踪剂检出时，对J1、J2、J6、J7、Q1、Q2、Q3、Q4和Q5水质监测点的监测频率增加为一天两次。

(4)根据步骤(1)、(2)和(3)监测的数据绘制示踪剂浓度曲线，并根据示踪剂浓度曲线进行观察判断，当水质监测点检出的示踪剂浓度低于峰值浓度时，降低取样频率，由一天两次改为一天一次，当水质监测点检出的示踪剂浓度达到背景值浓度时，取样监测结束。

步骤(4)与步骤(1)、(2)和(3)同时进行。

3.8计算水平视流速

根据步骤3.7监测的结果绘制示踪剂扩散速度等时线及运移路径，如图2所示，然后计算水平视流速。

水平视流速是指从投源点至监测点直线距离除以示踪剂初见峰值的时间所得的值。

作为一种具体实施方式，本实施例中计算得到的水平视流速如表2所示。

表2示踪试验视流速一览表

3.9根据步骤3.8的计算结果计算研究区域内的平均流速，即对步骤3.8中计算得到的流速求平均值。

则流速大于平均流速的区域内可能存在渗流通道。

作为一种具体实施方式，本实施例中济南泉域径流区区域内的平均流速为91.64m/d。

第四步，计算垂向流速，确定渗流通道的垂向赋存深度。

4.1根据步骤3.9的计算结果选取流速大于平均流速的水质监测点，并在该水质监测点上的钻孔内每隔1m监测温度和电导率。

监测频率遵循的原则为：

在2-7月份、9—12月份每月测试3次，在最冷月1月和最热月8月增加测试频率为每月测试5次；雨后要加密测试3天，每天一次。

在这里，有套管的钻孔测试段位于套管底端至孔底，无套管的钻孔测试段位于水面至孔底。另外，为保证测试结果的准确性，仪器读数时，需等待3分钟待数值稳定以后，再记录，记录数据时，需取至小数点后两位。

4.2根据步骤4.1的测试结果绘制各个水质监测点的温度曲线图和电导率曲线图。

作为一种具体实施方式，以水质监测点J2为例，绘制的水质监测点J2的温度曲线图和电导率曲线图如图3和图4所示。

4.3针对某一水质监测点计算垂向上的地下水流速。

4.3.1根据步骤4.2绘制的温度曲线图和电导率曲线图确定该水质监测点的温度拐点和电导率拐点出现的深度，确定该水质监测点处水平渗流通道的赋存深度。

4.3.2计算步骤4.3.1确定的深度上的地下水的垂向流速。

为了方便理解，现以J2为例，对地下水垂向流速的计算方法进行详细描述。

如图3和图4可知，J2温度拐点和电导率拐点共同出现的深度分别为40m、60m和90m。则J2处在水平方向上存在3个深度段的渗流通道，分别为40m、60m和90m处。

根据温度拐点和电导率拐点共同出现的深度划分计算区间为25m-51m、53m-71m和70m-100m。

根据公式可得到f(β，Z/L)的值。

然后，查Bredehoeft和Papadopulos总结的Z/L－f(β，Z/L)典型曲线，可得β值。β的正负取决于Vz的正负(地下水向下流动为正，向上流动为负)。

然后将β值带入公式中，即可求得V_Z。

式中：V_Z—流体在深度为Z处的垂向流速cm/s；

C₀—流体的比热容，常温下取1cal.g^-1.℃^-1；

ρ₀—流体的密度，常温下取1g.cm^-3；

κ—固液混合物的热传导率；

T₀—计算区间内上边界的温度；

T_Z—计算区间内下边界的温度；

L—计算区间内上下边界之间的间距；

Z—待求点到计算区间上边界的距离；

T_Z—待求点的温度。

根据上述计算方法，计算得到J2的地下水垂向流速如表3所示。

表3 J2地下水垂向流速计算结果统计表

在这里，之所以要计算地下水垂向上的流速，是为了证明垂向上不存在渗流通道，属于径流区(垂向上存在渗流通道的区域为补给区)。

通过上表分析可知，该水质监测点J2的垂向流速在-6.67×10^-7cm/s-3.00×10^-6cm/s之间，不存在垂向上的渗流通道，属于径流区。

通过该方式确定渗流通道的赋存深度的理论基础是，当钻孔穿过地层中地下水渗流通道时，受地下水水平流动的影响，温度分布曲线会出现拐点。如图5所示，当地层中无地下水渗流时，温度分布只与深度有关，随深度增加而线性增加，反映正常的地温分布。当地层中存在渗流通道时，渗流通道内地下水流会干扰了地层正常温度分布，从温度曲线的异常可以推断出地层中地下水渗流的信息。如图6所示，通过分析可知，30—50m为钻孔穿过地层中的地下水渗流通道，且渗流水的温度较低，形成了温度分布曲线向下凹进的异常分布；50—70m处渗流水的温度较高，形成温度分布曲线向上突起的异常分布，90—110m之间渗流水的温度较低；形成了温度分布曲线向下凹进的异常分布。

在这里之所以同时测定温度和电导率，是为了确保可靠性，同时测定温度和电导率，提高该方法的精度和准确性。当含水层岩溶裂隙发育时，地下水电导率变化灵敏度降低，故温度可以对电导率做补充。

4.4重复步骤4.3的操作，计算步骤4.1中确定的各个水质监测点的地下水垂向流速。

第五步，在地质剖面的基础上，叠加水平视流速和垂向温度、电导率拐点，绘制渗流通道空间分布地质剖面图。

作为一种具体实施方式，本实施例中绘制的济南泉域径流区渗流通道空间分布地质剖面图如图7所示。

通过对图7的分析可知，兴济河与泉群之间视流速在109.19—112.98m/d之间，垂向上120m到-160m之间存在与泉群之间的渗流通道。