主恒祥，邢立亭，相 華，遲光耀，侯新宇

(1.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250013)

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示蹤試驗(yàn)在濟(jì)南泉群優(yōu)勢(shì)補(bǔ)給徑流通道研究中的應(yīng)用

主恒祥1，邢立亭1，相 華2，遲光耀1，侯新宇1

(1.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250013)

為查明濟(jì)南泉群優(yōu)勢(shì)補(bǔ)給徑流通道分布情況，提高補(bǔ)源保泉工作效率，本研究以寒武系張夏組含水層、鳳山組含水層以及奧陶系馬家溝組含水層為主要研究對(duì)象，以鉬酸銨為示蹤劑在濟(jì)南南部山區(qū)不同含水層進(jìn)行兩次示蹤試驗(yàn)，并在趵突泉、五龍?zhí)兜热褐袡z出示蹤劑。試驗(yàn)結(jié)果表明：地下水流速、示蹤劑平均流速、示蹤劑擴(kuò)散速度等時(shí)線及檢出點(diǎn)示蹤劑歷時(shí)曲線可作為優(yōu)勢(shì)補(bǔ)給徑流通道識(shí)別特征，地下水優(yōu)勢(shì)徑流補(bǔ)給通道受透水?dāng)嗔芽刂啤?/p>

濟(jì)南泉域；示蹤試驗(yàn)；優(yōu)勢(shì)徑流通道；保泉

眾所周知，濟(jì)南以泉名揚(yáng)天下，隨著城市的發(fā)展、地下水開采量增加，造成泉水?dāng)嗔?。為恢?fù)泉水濟(jì)南開展人工補(bǔ)源，但回灌補(bǔ)源效果不理想，因此必須查明泉水的主要徑流帶才能提高補(bǔ)源保泉的效率。而優(yōu)勢(shì)徑流通道研究大多應(yīng)用石油地質(zhì)工作中，如王金影以油井不同方向注采比為指標(biāo)采用數(shù)值模擬示蹤技術(shù)判別砂巖油井的優(yōu)勢(shì)滲流通道[1]；嚴(yán)松偉等將灰色系統(tǒng)模型判定識(shí)別油氣藏砂巖地層的優(yōu)勢(shì)滲流通道[2]；劉洪利用試井解釋模型解譯油氣藏砂巖地層的優(yōu)勢(shì)滲流通道[3]。以上優(yōu)勢(shì)滲流通道研究是基于油井開采井生產(chǎn)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)砂巖地層滲流通道的識(shí)別，濟(jì)南泉群的含水介質(zhì)為寒武-奧陶紀(jì)巖溶裂隙含水層，由于巖溶裂隙發(fā)育的不均一性使巖溶徑流通道更加復(fù)雜。巖溶地區(qū)可采用地下水示蹤試驗(yàn)探明地下水水力聯(lián)系[4-5]、確定地下水主導(dǎo)流向。目前以示蹤試驗(yàn)為基礎(chǔ)的含水層系統(tǒng)的敏感性問題的研究逐步得到應(yīng)用[6-7]，如采用131I同位素為示蹤劑研究石油污染區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件[8]，以亞硝酸鈉為示蹤劑查明了庫區(qū)地下巖溶發(fā)和滲漏情況[9]，用纖維毛殼菌、鉬酸銨為示蹤劑進(jìn)行了巖溶區(qū)連通性試驗(yàn)[10]。雖然前人從宏觀上查明泉域水文地質(zhì)條件[11-13]，但泉水的優(yōu)勢(shì)徑流通道依然缺乏研究，造成保泉工程實(shí)施具有盲目性。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南泉域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候， 多年平均氣溫14.2℃，多年平均降雨量為658 mm，年內(nèi)降雨分配不均，主要集中在6-8月，占全年降雨量70%以上。區(qū)內(nèi)地形變化顯著，泉瀘河的東部為綿延起伏的山區(qū)，絕對(duì)標(biāo)高為500～700 m；中部為包括興隆水庫在內(nèi)的低山丘陵區(qū)，山勢(shì)坡度較緩，溝谷寬闊，絕對(duì)標(biāo)高為250～500 m；北部為山前傾斜平原及黃河沖積平原，絕對(duì)標(biāo)高25～50 m。

研究區(qū)是一個(gè)以古生界地層為主體的單斜構(gòu)造，千佛山斷裂貫穿研究區(qū)南北，古生界寒武系、奧陶系碳酸鹽巖地層成單斜產(chǎn)出，其傾向與地形基本一致，向北傾斜。寒武奧陶系地層至北部隱伏于山前第四系地層之下。在北部平原地帶下伏于第四系下的碳酸鹽巖與燕山期火成巖體相接觸。研究區(qū)內(nèi)分布有兩個(gè)含水巖組，分別為松散巖類孔隙含水巖組和碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。前者主要分布在山區(qū)河谷和山前河流形成的沖洪積平原以及沿黃河地帶；后者由寒武系中統(tǒng)張夏組、上統(tǒng)鳳山組和奧陶系含水層組成。

2 研究方法

2.1 示蹤試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 示蹤劑投放

由于張夏含水層補(bǔ)源點(diǎn)距離泉群大于8 km，示蹤試驗(yàn)選用一定濃度內(nèi)無毒害、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、溶解度高、背景值低、檢測(cè)方便、不易被生物降解、不易揮發(fā)的鉬酸銨([(NH4)6Mo7O24·4H2O])化學(xué)示蹤劑[14]，鉬離子為示蹤離子。

為避免泉群檢出結(jié)果相互影響，示蹤試驗(yàn)分兩次進(jìn)行。第一次于2014年7月在西泉瀘河道滲漏帶投放，歷時(shí)五個(gè)小時(shí)，共投放示蹤劑300 kg。；第二次于2016年4月在興隆水庫、興濟(jì)河分別投放。歷時(shí)兩個(gè)半小時(shí)，共投放示蹤劑280 kg。

2.1.2 接收點(diǎn)的選擇與采樣

第一次示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)是以投放點(diǎn)西泉瀘河道滲漏帶為中心，向四周輻射布控，在不同巖溶含水層和不同地段的區(qū)段上布置69個(gè)接收點(diǎn)，主要以郊區(qū)機(jī)民井及少量市區(qū)企業(yè)自備井為主。第二次以興隆水庫為中心向四周輻射，共布置58個(gè)接收點(diǎn)。在泉群排泄區(qū)選擇以四大泉群典型代表泉作為接收點(diǎn)：五龍?zhí)?、東流泉、趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、王府池子等。

根據(jù)接收點(diǎn)分布、水文地質(zhì)條件、地下水開采情況等，判斷示蹤劑在投源點(diǎn)投放后不同距離接收點(diǎn)在短期內(nèi)不能同時(shí)到達(dá)。因此，采取由近及遠(yuǎn)，分期、分批次取樣。按照一天一次的取樣頻率取樣，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)并及時(shí)調(diào)整的采樣順序和采樣頻率。

2.2 地下水水位觀測(cè)

地下水流場(chǎng)是控制示蹤劑運(yùn)移的主要因素。為了及時(shí)掌握地下水流場(chǎng)狀況，防止判斷失誤、遺失采樣檢測(cè)時(shí)機(jī)，在示蹤試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中選取區(qū)內(nèi)控制性接收點(diǎn)每間隔5日進(jìn)行地下水水位統(tǒng)測(cè)，以便根據(jù)地下水流場(chǎng)及鉬離子檢測(cè)濃度及時(shí)調(diào)整采樣順序。地下水水位觀測(cè)結(jié)果顯示，2014年泉瀘示蹤試驗(yàn)區(qū)大澗溝附近存在地下水降落漏斗，2016年枯水期興隆一村附近存在較大地下水降落漏斗，這些降落漏斗的存在控制著示蹤劑的運(yùn)移途徑和距離。

2.3 示蹤樣品檢測(cè)

鉬離子樣品測(cè)試采用日本島津AA7000原子吸收分光光度計(jì)—石墨爐法和ICPMS測(cè)試。示蹤試驗(yàn)過程中同步對(duì)樣品的水溫、pH、電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，作為示蹤劑檢出的輔助性標(biāo)志。采集水樣采用水浴保持恒溫，示蹤劑濃度異常點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，同一批水樣化驗(yàn)時(shí)間不超過1 d，以保證數(shù)據(jù)可靠性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

第一次泉瀘示蹤試驗(yàn)歷經(jīng)150 d，在20個(gè)接收點(diǎn)檢測(cè)到明顯的峰值，第二次興隆-興濟(jì)河示蹤試驗(yàn)歷經(jīng)136 d，在11個(gè)接收點(diǎn)明顯檢測(cè)到峰值。其中興濟(jì)河示蹤試驗(yàn)投放的示蹤劑在趵突泉泉群、五龍?zhí)度?、王府池子檢出。

3.1 背景值

土壤中的鉬含量較低，常常比母巖的鉬含量高。鉬的含量范圍0.1～9.6 mg/kg，平均含量為2 mg/kg[15]，土壤中鉬含量的變化，反映出不同氣候帶和地理區(qū)域間存在的差異。我國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)中鉬的限度為0.07 mg/1[16]。在兩次示蹤試驗(yàn)前先進(jìn)行各含水層組背景值檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果采樣概率統(tǒng)計(jì)法計(jì)算，本區(qū)地下水鉬離子背景值在0.07～0.74 ug/L范圍內(nèi)。

圖1 檢出點(diǎn)鉬離子濃度歷時(shí)曲線

3.2 優(yōu)勢(shì)徑流通道的識(shí)別

泉瀘示蹤試驗(yàn)鳳凰村南接收點(diǎn)鉬離子濃度歷時(shí)曲線如圖1a所示，峰型為長(zhǎng)尾單峰型：峰的形成是由單一溶隙所致，兩翼不對(duì)稱，后半部拖得較長(zhǎng)，補(bǔ)給條件較好，排泄條件較差。興隆示蹤試驗(yàn)興隆一村1井接收點(diǎn)鉬離子濃度歷時(shí)曲線呈高-低-低三峰型(圖1b)，說明地下裂隙巖溶多通道補(bǔ)給。鉬離子峰值是背景值的72倍，穩(wěn)定值為5 ug/L左右，檢出濃度和穩(wěn)定值均為最高，說明興隆水庫至興隆一村接收點(diǎn)方向?yàn)橹饕獜搅魍ǖ?。鉬離子從檢出至到達(dá)初峰歷時(shí)11 d，從峰值到趨于穩(wěn)定歷時(shí)6 d，增長(zhǎng)速度為是衰減速度1.25倍，其增長(zhǎng)速度和衰減速度均是檢出點(diǎn)中最大值，說明補(bǔ)給通道和排泄通道均發(fā)育較好。東流泉(五龍?zhí)度?呈單峰對(duì)稱型(圖1c)，峰值為是背景值的13倍，衰減速度是增長(zhǎng)速度的1.03倍，二者速率基本接近，說明東流泉補(bǔ)給和排泄通道發(fā)育較均勻。趵突泉鉬離子歷時(shí)曲線(圖1d)呈尖單峰型，鉬離子峰值是背景值的6倍，增長(zhǎng)速度是衰減速度的4.5倍，說明趵突泉排泄通道發(fā)育較好。趵突泉示蹤劑的增長(zhǎng)速度和東流泉相近，但趵突泉的衰減速度明顯快于東流泉，說明兩泉的補(bǔ)給條件相似，但趵突泉的排泄通道較發(fā)育，趵突泉的泉流量大于東流泉。

一般認(rèn)為，峰值出現(xiàn)時(shí)的流速為宏觀平均流速[17]，雖然用直線距離代替實(shí)際運(yùn)移距離得出的平均流速與地下水實(shí)際流速有一定的誤差，但示蹤劑平均流速能提供不同含水層、不同地段、不同方向地下水運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征。可以用示蹤劑平均流速代替地下水實(shí)際流速作為優(yōu)勢(shì)滲流通道的識(shí)別特征。示蹤劑濃度歷時(shí)變化曲線的主要影響因素是含水介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征[18-19]。相應(yīng)的離子歷時(shí)曲線是監(jiān)測(cè)點(diǎn)局部的補(bǔ)給排泄條件的反映，可作為水平方向上接收點(diǎn)附近優(yōu)勢(shì)徑流通道的識(shí)別標(biāo)志。

3.3 優(yōu)勢(shì)徑流通道特征及指示作用

3.3.1 寒武系含水層優(yōu)勢(shì)徑流通道

從泉瀘示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，寒武系張夏組含水層在水平方向上，巖溶裂隙發(fā)育不均勻，在投源點(diǎn)西泉瀘西北方向非斷裂帶巖溶裂隙發(fā)育相對(duì)較差，如支家?guī)X和監(jiān)管所，示蹤劑平均流速為57.3～75.8 m/d；在受斷裂影響的北候接收點(diǎn)附近，示蹤劑平均流速為120.4～148.9 m/d，地下水優(yōu)勢(shì)徑流通道的存在致使北候附近接收點(diǎn)比其他相近距離的接收點(diǎn)更早的接收到示蹤劑，示蹤劑擴(kuò)散速度等時(shí)線明顯沿?cái)嗔严虻叵滤鞣捶较蛲?圖2)。在寒武系張夏灰?guī)r含水層的付上村、北候村附近斷裂處存在地下水優(yōu)勢(shì)補(bǔ)給徑流通道。興隆示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，興隆村附近鳳山含水層示蹤劑平均流速較慢，為47.04～88.08 m/d，未發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)滲流通道，且受人工開采影響較大。雖然寒武系張夏灰?guī)r含水層和鳳山灰?guī)r含水層投放的示蹤劑未在四大泉群檢出，但不能認(rèn)為張夏灰?guī)r含水層、鳳山灰?guī)r含水層與泉群沒有水力聯(lián)系，只能說明泉瀘滲漏帶的張夏組灰?guī)r含水層和興隆滲漏帶的鳳山灰?guī)r含水層不存在迅速補(bǔ)給泉群的優(yōu)勢(shì)徑流通道。

圖2 示蹤劑擴(kuò)散速度等時(shí)線

3.3.2 奧陶含水層優(yōu)勢(shì)徑流通道

從興濟(jì)河示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，興濟(jì)河龜山段至南郊賓館奧陶系巖溶裂隙發(fā)育一般，示蹤劑平均流速87.21 m/d；受千佛山斷裂影響示蹤劑在南郊賓館以北有加速趨勢(shì)，南郊賓館至趵突泉泉群、五龍?zhí)度?、王府池子巖溶裂隙發(fā)育較好，示蹤劑平均流速108.3～117.38 m/d，在斷裂的透水段示蹤劑擴(kuò)散速度等時(shí)線稀疏(圖2)地下水徑流通道發(fā)育較好。試驗(yàn)表明奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層的南郊賓館至泉群的千佛山斷裂透水段存在地下水優(yōu)勢(shì)補(bǔ)給徑流通道，所以在斷裂帶附近的奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層補(bǔ)源對(duì)泉水的影響效果會(huì)更佳。

4 結(jié)語

(1) 地下水流速、示蹤劑平均流速、示蹤劑擴(kuò)散速度等時(shí)線、示蹤劑歷時(shí)曲線可以分別作為地下水優(yōu)勢(shì)徑流補(bǔ)給通道的識(shí)別標(biāo)志。。

(2) 濟(jì)南泉域優(yōu)勢(shì)徑流補(bǔ)給通道的發(fā)育受斷裂控制影響。一般透水?dāng)嗔寻l(fā)育成優(yōu)勢(shì)徑流通道。

(3) 在濟(jì)南市奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層存在補(bǔ)給泉群的地下水優(yōu)勢(shì)徑流通道，在此含水層進(jìn)行回灌補(bǔ)源效率較高。

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Application of tracer test in the study of preferential runoff path of Ji'nan spring group

ZHU Heng-xiang1，XING Li-ting1，XIANG Hua2，CHI Guang-yao1，HOU Xin-yu1

(1.Resource and Environment College of Jinan University, Jinan 250022, China；2.Hydrographic Office of Jinan City, Jinan 250013, China)

In order to find out the preferential runoff path of Ji'nan springs and improve the efficiency of artificial recharging spring, two tracers have been tested using ammonium molybdate as tracer in the southern mountainous area of Ji'nan. In the study, the aquifer of Cambrian Zhangxia, Fengshan and Ordovician Majiagou are the main object. The tracer is detected in Baotu Springs, Wulongtan springs,etc. The results show that groundwater flow velocity, tracer mean velocity, isochrone of tracer diffusion and tracer curve can be used as the characteristic of preferential runoff path recognition. The preferential runoff path is controlled by permeable rift zone.

Ji’ nan spring region；tracer test；preferential runoff path；spring protection

2016-08-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“內(nèi)陸平原區(qū)粘土對(duì)淺層地下水與中深層咸水循環(huán)交替的阻滯作用”(41172222)； “淺層大陸演化咸水水文地質(zhì)參數(shù)變異機(jī)制研究”(41472216)

主恒祥(1991-)，男，山東臨沂人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水動(dòng)態(tài)演化。

邢立亭(1966-)，男，山東青島人，教授，主要從事水文地質(zhì)教學(xué)研究工作。

P641.2

A

1004-1184(2017)02-0005-03