大武水源地裂隙巖溶區(qū)示蹤試驗(yàn)研究

朱恒華 楊麗芝 邊農(nóng)方

摘 要：為在淄博大武水源地遭受污染地區(qū)合理布置治理工程，在堠皋試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行裂隙巖溶水示蹤試驗(yàn)，分析試驗(yàn)區(qū)地下水流向，了解金嶺斷裂兩側(cè)水力聯(lián)系。結(jié)果表明：示蹤劑運(yùn)移方向主要為12°和104°方向，優(yōu)勢(shì)主流方向?yàn)?04°;示蹤劑濃度與水力坡度、速度、觀測(cè)孔距離無明顯相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)區(qū)巖溶介質(zhì)具有非均質(zhì)各向異性特征;地下水視流速大多超過100 m/d，說明研究區(qū)地下水流動(dòng)迅速，污染物運(yùn)移以對(duì)流為主;研究區(qū)灰?guī)r斷裂構(gòu)造為張性斷裂，導(dǎo)水性良好，對(duì)地下水流動(dòng)有促進(jìn)作用;研究區(qū)含水層巖溶發(fā)育不均一，溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。

關(guān)鍵詞：大武水源地;裂隙巖溶水;示蹤試驗(yàn);鉬酸銨

Abstract： Tracer test was done in fracture-karst aquifer of Hougao test site of Dawu water source area in order to make a thorough investigation of hydrogeological condition for remediation. We analyzed groundwater flow field， investigated the hydraulic connection across Jinling fault based on the tracer test.The results show that a） the tracer migration directions are mainly for 12° and 104° and the preferential mainstream direction is 104°; b） there is no correlation between tracer concentration and the potential factors including hydraulic gradients， flow velocities and the distance of observation wells; this indicates that the regional karstified media studied here are heterogeneous and anisotropic; the apparent velocities of groundwater are very fast and the transportation of pollutions are mainly convection; c） the tensional fault zones of limestone are well-developed; this leads to high hydraulic conductivity that can promote groundwater flow and; d） the development of aquifer is heterogeneous as well， where karst zones are featured by the coexistence of dissolving hole， dissolving gap， fissure， conduit， and karst cave.

Key words： Dawu water source area; groundwater-bearing fractured karst; tracer test; ammonium molybdate

大武水源地位于淄博市臨淄區(qū)，是我國(guó)北方罕見的特大型地下水水源地，承擔(dān)著淄博市張店、臨淄兩區(qū)城市居民生活，齊魯石化、辛店發(fā)電廠等國(guó)家骨干企業(yè)生產(chǎn)、生活及水源地周圍部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水任務(wù)，對(duì)淄博市經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展起到重要作用[1]。自大武水源地投入使用以來，隨著當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，用水規(guī)模迅速擴(kuò)大，造成地下水開采量持續(xù)增加[2]。水源地周圍諸多化工企業(yè)廢水排放對(duì)水源地造成污染，引起水環(huán)境狀況不斷惡化[3]。大武水源地儲(chǔ)水巖層主要為裂隙巖溶灰?guī)r，泄漏的石油及其他污染物極易通過包氣帶進(jìn)入含水層，對(duì)大武水源地地下水安全構(gòu)成極大威脅[4]。因此，查明大武水源地水文地質(zhì)條件及水力聯(lián)系極為重要。裂隙巖溶區(qū)地下水的水力聯(lián)系可采用示蹤試驗(yàn)進(jìn)行探明[5]，如以I同位素為示蹤劑研究石油污染區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件[1]，以亞硝酸鈉為示蹤劑查明黃河龍口庫區(qū)地下巖溶發(fā)育和滲漏情況[6]，以纖維毛殼菌、鉬酸銨為示蹤劑進(jìn)行巖溶區(qū)連通性試驗(yàn)[7]。但是已有研究并沒有完全查明大武水源地地下水的水力聯(lián)系和補(bǔ)徑排關(guān)系，對(duì)地下水優(yōu)勢(shì)主流方向和斷裂帶透水性質(zhì)的研究依然缺乏。因此，筆者通過大武水源地堠皋試驗(yàn)區(qū)示蹤試驗(yàn)，查明堠皋試驗(yàn)區(qū)附近地下水的運(yùn)移途徑，了解金嶺斷裂兩側(cè)的水力聯(lián)系，并確定堠皋區(qū)域地下水的污染來源、去向及主流方向，以期為大武水源地的保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

堠皋試驗(yàn)區(qū)位于魯中山地北緣與華北平原相連的過渡地帶，地勢(shì)南高北低。南部為低山丘陵河谷地形，最高海拔307.5 m，北部接山前傾斜平原，最低海拔52.0 m，其地貌是地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文等因素綜合作用的產(chǎn)物，按形態(tài)可分為構(gòu)造剝蝕巖溶低山丘陵、剝蝕堆積山麓坡地、河谷沖積平原和山前沖洪積平原。研究區(qū)以斷裂為主要地質(zhì)構(gòu)造，其中淄河斷裂帶是最大的隱伏斷裂帶，為區(qū)域性大規(guī)模北北東向斷裂;次一級(jí)斷層發(fā)育包括近東西向王寨斷裂、南北向金嶺斷裂等。區(qū)內(nèi)分布的主要含水巖組為南部地區(qū)的奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組和北部地區(qū)第四系松散巖類孔隙含水巖組，地下水流向大致為由南向北。富水段東起曹家莊，西止于西下莊西，北到老濟(jì)青公路，南至山前大武、窩托、上莊南側(cè)一線，面積約6.25 km2。該富水段處于山前傾斜平原上，上覆第四系松散堆積層，主要含水段為石灰?guī)r、泥灰?guī)r和泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r[8]。研究區(qū)地質(zhì)條件見圖1。

2 研究方法

2.1 示蹤劑選擇及鉬離子背景值測(cè)定

根據(jù)不同地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)，選擇較為理想的示蹤劑是進(jìn)行水文地質(zhì)示蹤試驗(yàn)的關(guān)鍵之一[9-11]。參考國(guó)內(nèi)外已有巖溶區(qū)示蹤試驗(yàn)，結(jié)合大武水源地實(shí)際水文地質(zhì)條件[12-16]，試驗(yàn)選擇鉬酸銨（（NH4）6Mo7O24·4H2O）作為示蹤劑，鉬離子為示蹤離子。為了獲得研究區(qū)示蹤劑投放前鉬離子濃度的背景值，采用原子吸收分光光度計(jì)-石墨爐法和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS）進(jìn)行鉬離子測(cè)試，2017年11月多次采樣測(cè)定堠皋試驗(yàn)區(qū)鉬離子濃度背景值，見表1。

2.2 示蹤劑投放

堠皋試驗(yàn)區(qū)示蹤劑投放量為200 kg。將鉬酸銨全部溶于0.5 m3水中，用小泵輸入投放井內(nèi)，隨后大流量一次性注入10 m3清水。根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)勘察，以及對(duì)地下水水位觀測(cè)資料和同位素資料的綜合分析，示蹤試驗(yàn)投放井確定為齊旺達(dá)西井（SW512）。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)以投放點(diǎn)齊旺達(dá)西井為中心，向四周輻射布控，在不同巖溶含水層和不同區(qū)段布置25個(gè)取樣點(diǎn)（包括投源井）。從2017年11月16日開始投源至2018年3月9日示蹤試驗(yàn)結(jié)束，共采樣350組，監(jiān)測(cè)頻率為每1～2 d一次，達(dá)到峰值后適當(dāng)降低取樣頻率，每3～5 d取樣一次。鉬離子擴(kuò)散范圍見圖2。

3 示蹤試驗(yàn)揭示的水文地質(zhì)問題

通過鉬離子擴(kuò)散范圍可以看出，示蹤劑在齊旺達(dá)西井投放后，示蹤劑運(yùn)移方向主要以投源點(diǎn)向12°和104°運(yùn)移（正北為0°），其中優(yōu)勢(shì)主流方向?yàn)?04°方向。根據(jù)示蹤劑擴(kuò)散運(yùn)移方向確定分析研究剖面線的位置，按照剖面線的展布圖對(duì)試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)問題進(jìn)行分析，見圖3。

3.1 巖溶含水系統(tǒng)具有非均質(zhì)特征

水力坡度是指投源點(diǎn)到檢出點(diǎn)的水位差與投源點(diǎn)至檢出點(diǎn)直線距離的比值[17]。由于堠皋試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)期間是枯水期，大氣降水對(duì)水位的影響不大，因此各采樣點(diǎn)到投源點(diǎn)的水力坡度具有一定穩(wěn)定性。水力坡度主要影響示蹤劑的運(yùn)移速度，對(duì)于某一固定路徑，水力坡度越大，示蹤劑的運(yùn)移速度越快。視流速由投源點(diǎn)到檢出點(diǎn)的直線距離除以示蹤劑初見峰值時(shí)間計(jì)算得到[18]。根據(jù)水力梯度與視流速的關(guān)系，可以分析試驗(yàn)區(qū)巖溶介質(zhì)的均質(zhì)性。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地下水等水位線和示蹤試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算檢出點(diǎn)與投源點(diǎn)間的水力坡度和地下水視流速，結(jié)果見表2。由表2可知，興亞W1的水力坡度在所有檢出點(diǎn)中最大，但是對(duì)應(yīng)的視流速非常小，表明示蹤劑從投源井到興亞W1運(yùn)移具有滯緩性;齊旺達(dá)GW1與興亞W1類似，地下水流速緩慢，具有滯緩性。金嶺五村水力坡度較小，但是受金嶺斷裂影響視流速最快，在所有檢出點(diǎn)中示蹤劑運(yùn)移最為暢通;堠皋1井、靈芝北井、金嶺農(nóng)委2示蹤劑運(yùn)移同樣較為暢通。可以看出，水力坡度的大小與示蹤劑運(yùn)移速度無相關(guān)關(guān)系，說明試驗(yàn)區(qū)巖溶介質(zhì)具有非均質(zhì)各向異性特征。此外，地下水視流速大多超過100 m/d，說明地下水流動(dòng)迅速，污染物運(yùn)移以對(duì)流為主。

3.2 斷裂構(gòu)造對(duì)地下徑流有重要影響

堠皋試驗(yàn)區(qū)地下徑流主要受金嶺斷裂影響。在水力梯度作用下，堠皋試驗(yàn)區(qū)示蹤劑向東穿過金嶺斷裂后運(yùn)移至堠皋、齊旺達(dá)等地，區(qū)域地下水視流速為113～200 m/d，表明金嶺斷裂具有良好透水性，見圖4、圖5。

在水力梯度作用下，示蹤劑的移動(dòng)同時(shí)受南北向金嶺斷裂的影響，順斷裂方向向北運(yùn)移至金嶺五村和金嶺農(nóng)委2（見圖6），兩檢出點(diǎn)地下水視流速分別為289.50、197.50 m/d，大于堠皋4井、齊旺達(dá)等的地下水視流速，說明金嶺斷裂方向?qū)Φ叵滤魉儆杏绊?，沿?cái)嗔逊较虻叵滤魉佥^快。

3.3 巖溶發(fā)育類型多重性

根據(jù)示蹤劑濃度測(cè)試結(jié)果，監(jiān)測(cè)井鉬離子濃度曲線可分為單峰、雙峰、三峰、多峰曲線（見圖7、表3），巖溶水徑流通道有單一管道型、單管道有水池型、多管道型和多管道水池型，表明大武水源地巖溶發(fā)育特征為溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存，具體分區(qū)情況見圖8。

（1）試驗(yàn)區(qū)內(nèi)距投源井較近的興亞W1井，投源井東部堠皋3井、堠皋1井和堠皋4井這一運(yùn)移途徑上鉬離子濃度曲線均為單峰型。興亞W1井、堠皋3井、堠皋1井為略對(duì)稱型單峰曲線，表明檢出點(diǎn)上下游之間的巖溶通道為單通道，且上下游通道大小差別不大，檢出點(diǎn)之間的巖溶發(fā)育程度相對(duì)一致。興亞W1井地下水視流速為12.27 m/d，流速較慢，表明巖溶發(fā)育較差，巖溶通道為溶隙。堠皋1井和堠皋3井地下水視流速分別為200.00、116.00 m/d，堠皋1井地下水流速較快，巖溶通道為裂隙。堠皋4井鉬離子濃度曲線為不對(duì)稱型單峰，說明堠皋4井下游巖溶通道與上游相比較窄;檢出點(diǎn)上游的流速和下游的流速明顯不同，出現(xiàn)濃度拖尾現(xiàn)象，堠皋4井地下水視流速為102.50 m/d，巖溶通道為裂隙。

（2）示蹤劑檢出范圍內(nèi)東北部藍(lán)帆2井W4、齊旺達(dá)廢井和靈芝北井鉬離子濃度曲線均為先高后低雙峰型。先高后低型雙峰曲線表明巖溶發(fā)育為雙通道，其中第一通道鉬離子峰值濃度高于第二通道的，且出現(xiàn)峰值的時(shí)間早于第二通道的，說明第一通道為優(yōu)勢(shì)通道，水流運(yùn)移時(shí)間較短，第二通道水流運(yùn)移時(shí)間較長(zhǎng)，被稀釋、吸附的可能性更大，因此第二通道濃度有所降低。

（3）投源井北部金嶺五村鉬離子濃度曲線為三峰型，金嶺農(nóng)委2鉬離子濃度曲線為先低后高雙峰型?？紤]到北部?jī)删植加诮饚X斷裂兩側(cè)，流速較快，認(rèn)為北部地下水主要為裂隙水。

4 結(jié) 論

（1）受天然狀態(tài)下地下水流場(chǎng)影響，堠皋試驗(yàn)區(qū)地下水流向?yàn)楸毕蚝蜄|向，示蹤劑從投源井向北沿金嶺斷裂到達(dá)金嶺村區(qū)域;示蹤劑從投源井向東北和東南方向運(yùn)移，經(jīng)過齊旺達(dá)和堠皋區(qū)域，最遠(yuǎn)到達(dá)85°方向靈芝北井，地下水視流速為9.09～289.50 m/d，示蹤劑擴(kuò)散范圍為1.76 km2。

（2）示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，示蹤劑濃度與水力坡度、速度、距離無明顯相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)區(qū)巖溶介質(zhì)具有非均質(zhì)各向異性特征。

（3）示蹤劑沿金嶺斷裂方向流速較快，斷裂對(duì)地下水流動(dòng)有促進(jìn)作用，說明灰?guī)r區(qū)斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性良好。

（4）示蹤劑隨地下水流在奧陶系馬家溝組地層中擴(kuò)散速率快慢不一，表明含水層巖溶發(fā)育不均一，區(qū)域巖溶發(fā)育具有多重性，溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱學(xué)愚，徐紹輝，司進(jìn)峰.示蹤試驗(yàn)在淄博裂隙巖溶水污染治理中的應(yīng)用[J].中國(guó)巖溶，1997，16（2）：131-137.

[2] 劉松霖，魏江，沈瑩瑩，等.淄博大武地下水源地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，13（1）：142-148.

[3] 朱學(xué)愚，劉建立.山東淄博市大武水源地裂隙巖溶水中污染物運(yùn)移的數(shù)值研究[J].地學(xué)前緣，2001，8（1）：171-178.

[4] 劉松霖.淄博市大武水源地地下水水質(zhì)演化規(guī)律分析及污染趨勢(shì)預(yù)測(cè)[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013：54.

[5] 馬祖陸，周春宏，張之淦，等.四川錦屏落水洞巖溶地下水示蹤[J].中國(guó)巖溶，2006，25（3）：201-210.

[6] 孫繼朝，郭秀紅，劉滿杰，等.黃河龍口庫區(qū)巖溶滲漏示蹤試驗(yàn)研究[J].海洋地質(zhì)前沿，2005，21（11）：33-37.

[7] 張乃興，李偉.濟(jì)南四大泉群水源地連通試驗(yàn)研究[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998（4）：408-412.

[8] 郭達(dá)鵬，康鳳新，陳奐良，等.山東淄博灃水泉域巖溶水系統(tǒng)模擬及水源地優(yōu)化開采預(yù)測(cè)[J].中國(guó)巖溶，2017，36（3）：327-338.

[9] 韓巍，李國(guó)敏，黎明，等.大武水源地巖溶地下水開采動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬分析[J].中國(guó)巖溶，2008，27（2）：182-188.

[10] PENG T R， HUANG C C， CHEN J E， et al. Evaluating the Relative Importance of Groundwater Recharge Sources in a Subtropical Alluvial Plain Using Tracer-Based Ternary End Member Mixing Analysis （EMMA）[J]. Water Resources Management， 2016， 30（11）： 3861-3878.

[11] 陳建生，汪集旸，趙霞，等.用同位素方法研究額濟(jì)納盆地承壓含水層地下水的補(bǔ)給[J].地質(zhì)論評(píng)，2004，50（6）：649-658.

[12] REIMUS P W， ARNOLD B W. Evaluation of Multiple Tracer Methods to Estimate Low Groundwater Flow Velocities[J]. Journal of Contaminant Hydrology， 2017， 199： 1-13.

[13] GOLDSCHEIDER N， MEIMAN J， PRONK M， et al. Tracer Tests in Karst Hydrogeologyand Speleology[J]. International Journal of Speleology， 2008， 37（1）： 27-40.

[14] COOK P G， RODELLAS V， STIEGLITZ T C. Quantifying Surface Water， Porewater and Groundwater Interactions Using Tracers： Tracer Fluxes， Water Fluxes and Endmember Concentrations[J]. Water Resources Research， 2018， 54（3）： 2452-2465.

[15] YUAN G. A New Groundwater Tracer-Ammonium Molybdate[J]. Rock & Mineral Analysis， 1986（2）： 111-113.

[16] SHI J， ZHANG J F. Tracing Test for Groundwater Flow Direction of Crescent Lake in Dunhuang[J]. Ground Water， 2016（4）： 13-14.

[17] 吳吉春，薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：3.

[18] 楊平恒，羅鑒銀，彭穩(wěn)，等.在線技術(shù)在巖溶地下水示蹤試驗(yàn)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(guó)巖溶，2008，27（3）：215-220.

【責(zé)任編輯 呂艷梅】