張培興，曹聰慧，吳 云

(1.河北經貿大學管理科學與工程學院，河北石家莊050061；2.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京210093)

0 引 言

水資源作為人類社會生存發(fā)展過程中的一柄“雙刃劍”，其綜合開發(fā)利用與防治越來越受到重視[1- 4]。尤其是在基巖裂隙發(fā)育地區(qū)，潛在水源可能分布于地下各向異性特征極強的不同尺度裂隙中，致使水資源的綜合開發(fā)利用與水害的防治難度越來越大，這就在一定程度上促進了相關技術手段的出現(xiàn)。其中，示蹤技術作為最能直接了解和研究巖體裂隙結構中水的運移特征，并可進一步揭示滲流規(guī)律的有力技術而得以發(fā)展與普及[5- 6]。

傳統(tǒng)的人工示蹤方案以取回的樣品為主要室內測試對象，但由于取樣過程中人為操作導致樣品污染，以及運輸過程中濃度降低造成結果失真的情況時有發(fā)生，導致試驗失敗的概率增加，其局限性也日顯突出[7- 9]，這就促使研究人員不得不思考研發(fā)新技術。

近年來，自動化示蹤技術以其高精度、結果不易受環(huán)境影響以及實時監(jiān)測反饋等特點，被廣泛應用于巖體滲流的研究與應用領域。其中，尤以在民生找水、環(huán)境評價及防災治理等方面最為廣泛。

1 設備構成、原理、配套軟件及特點

本文所述的自動化示蹤技術亦稱為在線示蹤技術，最早是由瑞士的納沙泰爾大學水文地質研究所提出并研制的[10]，能在一定程度上避免傳統(tǒng)示蹤試驗人工取樣中人為對樣品的污染，也避免了樣品在運移過程中因濃度降低而造成的數據失真，最大限度地避免錯失一些重要信號細節(jié)。

自動化示蹤技術經過多年的使用與改良，現(xiàn)已發(fā)展為針對巖溶管道的GGUN-FL30型、鉆孔用的GGUN-FL24型及GGUN-FL22型等。設備、工作原理及配套軟件見圖1。

圖1 設備、工作原理及配套軟件

(1)設備基本構成。整套設備包括數據記錄器終端、線纜及探頭。儀器最核心的部分是光學探頭，它由位于2個不同水平位置、4個垂直的軸上的燈和 3個光學(FL22為2個)監(jiān)測器組成，每個軸都裝備有激發(fā)點和探測點過濾器和光學鏡頭，根據環(huán)境和監(jiān)測目的，選擇恰當的示蹤劑與之配套的探頭。

(2)基本原理。當帶有示蹤液的水流通過示蹤儀內熒光光度計的光學孔(1個玻璃的圓柱)時，這些燈依次打開與關閉，可同時測量3個獨立示蹤劑信號和水的濁度信號。由于吸收光光強與熒光素的濃度成反比，繼而可根據標準函數計算出示蹤劑的濃度(軟件自動完成濃度計算)。

(3)配套軟件。當數據記錄器通過RS232接口與電腦終端相連后，研究人員可在電腦終端利用界面友好型軟件實現(xiàn)自動化監(jiān)測濁度、示蹤劑濃度變化，可實時觀察不同示蹤劑濃度的曲線變化特征，便于現(xiàn)場決策。

(4)主要特點?？赏瑫r檢測3種示蹤液(羅丹明、熒光素鈉及熒光增白劑)以及水質的濁度信號；根據研究地質體的尺度合理選擇采樣頻率(2～900 s不等，在信號接收器終端設定)；其精度高，檢測時理論上可達0.02 ppb；可連接電腦實現(xiàn)自動化的實時讀取數據，還可在無人值守的情況下，數據記錄器能將捕獲的數據(可并行實現(xiàn)4組×60 000個)完整保存在1張存儲卡，方便研究人員日后查閱。

2 研究現(xiàn)狀

該技術最初由西南大學率先引入國內，第一次成功應用于巖溶槽谷地下水的示蹤研究中[11]，自此，中國地質大學、中國地質科學院巖溶地質研究所等單位相繼引進該技術。2010年以后，此技術的應用則更為廣泛與深入，其配套的解譯軟件得以開發(fā)與普及，現(xiàn)已較為成熟地應用于巖溶區(qū)找水、壩基滲漏檢測、污染源追蹤及隧道災害防治等方面，主要集中在西南、華南巖溶發(fā)育區(qū)域，為廣大巖溶區(qū)的民生用水、經濟發(fā)展及生態(tài)保護等方面提供了大量技術支持；2014年起，作者等初步將該設備引入至高放廢物處置庫預選區(qū)巖體低滲介質滲透性能評價研究中，尤其針對預選區(qū)內不同尺度結構面的滲透性測定開展了儀器改進及原位測試工作。

2.1 找水

自20世紀80年代起，示蹤試驗逐漸發(fā)展成為我國西南巖溶地區(qū)巖溶地下河最主要的水文地質調查方法之一，但長期依靠傳統(tǒng)的采樣方法，效率低下，給找水工作帶來了不少困難。為解決巖溶區(qū)生活用水難的實際問題，西南大學等研究單位引入自動化監(jiān)測技術，從起初的連通性調查逐漸向地下河水力參數與管道結構的定量研究發(fā)展。同時，在示蹤劑類型的選擇、監(jiān)測方式等方面不斷取得創(chuàng)新成果，進而為找水工作提供了詳盡的理論指導和實踐經驗。如陳雪彬等[12]根據在青木關巖溶地下河試驗所獲的數據，以經驗公式估算得到地下河平均流速、雷諾數、施密特數及摩擦系數等水文地質參數，實現(xiàn)了對地下暗河管道的定量化研究；徐尚全等[13]根據穿透曲線，判斷出了暗河的發(fā)育規(guī)模和溶道數量；呂全標等[14]利用示蹤技術搭配抽水試驗，獲得了研究區(qū)的滲透張量和巖溶含水介質的結構特征和水力特性參數。

2.2 環(huán)境評價

伴隨找水的同時，又給研究人員提出了更高的要求，即水源的品質。通過該技術可大區(qū)域識別出可能的儲運通道，在獲取示蹤曲線后，分析通道介質的幾何信息和暢通性等，進一步追索出污染物運移模式以及污染物的來源及影響范圍，可為區(qū)域地下污水治理提供必要的參考數據。如于正良等[15]通過在重慶黔江區(qū)魚泉坎的示蹤試驗，判識出了巖溶泉污染存在的可能性，并給出對污染源周邊可能匯水通道做必要的防滲處理甚至勒令關閉的建議。

2.3 水庫滲漏

水庫由于建設過程中無法完全規(guī)避巖體中潛在的裂隙，庫區(qū)建設完成后，隨著時間推移，由于巨大的水壓存在，裂隙可能進一步擴展或發(fā)育完善成為貫通通道，進而可能給工程造成危害，這就需要后續(xù)檢測并做必要的修補。研究者們已通過包括該技術在內的多種示蹤思路，可以判識出損傷區(qū)類型、位置、規(guī)模及連通性等信息，檢驗巖體裂隙通道、壩體本身及注漿帷幕等防滲性能，進而評估可能存在的滲漏問題，提供了有無必要加固的具體建議等[16- 18]。實例證明，利用該技術的成熟的軟硬件體系，能為水庫成庫條件、防滲設計及建設投產安全評估等提供參考意見。

2.4 災害防治

我國是一個地質條件相當復雜的國家，隨著經濟發(fā)展，工程建設不斷開展，各類施工災害顯著增加。其中，在巖溶區(qū)修建隧道時，常常會碰到巖溶腔體突水、突泥[19]，甚至有時還會遭遇到大型暗河。如若隧道修建在暗河之下，加之隧道開挖擾動，會造成嚴重的隧道突水突泥事故，如宜萬鐵路齊岳山隧道[20- 21]。自動化示蹤技術已被用于識別及評價巖體中主要致災構造類型及危害程度等，效果良好。如技術人員在對湖北齊岳山隧道、鐘家山隧道的勘察中充分利用自動化示蹤技術對可能的巖溶腔體以及暗河發(fā)育的規(guī)模、程度及匯水面積等進行了評估[22- 23]，判識出了隧址區(qū)巖溶地下水潛在的流向、空間滲透主方向、匯水儲水的位置及隧道標高設計等；Zhang等[24]在分析示蹤數據基礎上，揭示了利萬高速齊岳山隧道巖溶管道空間的發(fā)育機理，并配以構造解譯，考慮了隧道與地下暗河空間相對位置關系，給出了標高選擇建議。目前，該技術已被廣泛用于隧道的巖溶水調查中，為隧道開挖建設過程中災害有效控制提供了有益參考。

2.5 低滲透裂隙巖體的滲流特性探究

對于上述良好導水巖體而言，其應用已經相當成熟。然而，面對低滲透巖體的內部多尺度結構面的滲透特性研究，尤其是在類似高放廢物處置庫預選區(qū)巖體內廣布的結構面的滲透性能精細化評價方面，其本身應用效果及價值在該巖體內的使用效果尚無從知曉，因此該技術相關應用鮮有報道。

作者通過多次資料收集與反復室內試驗測試，于2014年底嘗試將該技術引入到某低滲透巖體試驗場址區(qū)的滲透特性評價過程中。通過一定的測試應用總結認為，若能在一定數字化地質識別與劃分的前提下，輔以更多樣的水文測試手段[25- 26]，利用該技術能夠有效判識斷裂的影響帶導-阻水特性，不同性質節(jié)理的運移機制、優(yōu)勢滲流路徑、滲透系數等參數。如張培興等[27]利用示蹤儀查明了某花崗巖預選場址邊界斷裂空間滲透方向上存在一定的變異性，宏觀上，走向滲透系數相較橫向大約2倍。初步研究認為，該斷裂試驗段核部存在核心阻水區(qū)域，致使斷裂橫向上導水性較差，獲得了某一露頭處斷裂影響帶的滲透特性演化規(guī)律。面對低滲透裂隙鉆孔中靜水問題或深孔封段內的示蹤液可能存在的延遲問題，致使測試速度等參數出現(xiàn)幾倍甚至更大的誤差，張培興和李曉昭[28]針對深部巖體內示蹤不可見性，研發(fā)了方便拆卸的模塊化裝置(水驅模塊、可視化模塊)，見圖2，這在一定程度上提高了測試精細化與結果的準確性。后續(xù)研究中還可在現(xiàn)場原位試驗工況下，研發(fā)配套裝置，探究裂隙內不同運移方向上的彌散度、吸附性等參數，進而為更加客觀評估巖體中裂隙的核素遷移行為提供更多參數。

圖2 針對低滲透裂隙研發(fā)的模塊化裝置與試驗效果

3 存在的問題及對策

3.1 存在的問題

目前，自動化示蹤技術的應用成果正逐漸增多，涉及的領域變廣，但同時也顯現(xiàn)出一些問題：①預判的路徑存在人為想象，有時不切實際，甚至導致測試結果不可采用；②為趕工，現(xiàn)場實際測試過程中仍然是以某單一手段為主，導致解的不確定性或多解性產生；③數據零散，缺乏統(tǒng)一性，沒有數據庫與專家?guī)炜晒┳稍儯晒窒硇圆?；④缺乏完善的標準、?guī)程等資料可供直接參考，相關儀器引進后，商家與顧客無法做到及時溝通與交流，主要靠后期顧客個人摸索為主。

圖3 精細化示蹤試驗方案流程

3.2 對策

3.2.1結構精細識別

Hjerne等[29]在瑞典著名的高放廢物處置庫工程Asp?硬巖實驗室的TRUE項目中，開展了多尺度的長期核素遷移示蹤試驗，對于多尺度結構面研究認為，要想獲取水文地質參數仍然存在諸多技術挑戰(zhàn)，且節(jié)理系統(tǒng)路徑不清的困難一直存在，并建議應加強被測介質空間結構的準確刻畫；周志芳等[30]、林統(tǒng)等[31]通過系統(tǒng)研究，亦指出在裂隙中示蹤液未必能沿既定路線到達接收孔，存在繞流的情況，有限的鉆孔無法偵測到示蹤信號；張培興等[27]在試驗時發(fā)現(xiàn)，面對覆蓋層下的隨機分布的小尺度裂隙，運移路徑更加難以預判，高精度示蹤技術也無法有效接受到信號，并初步指出，多源勘測識別方法可有效提高示蹤試驗的準確性。

不論何種類型巖體裂隙，其空間變異性是普遍存在的，無法完全避免主觀意識，但刻畫過于粗糙或干脆簡化，則會造成研究對象的滲流規(guī)律與實際存在差距。因此，立足問題，從宏觀-細觀角度同步出發(fā)，如考慮地形地貌條件下，選用低空無人機[32](精度高、大區(qū)域快速覆蓋，適合平緩地形上裂隙識別，可獲取數字化三維地形產品)、地面攝影測量(精度高，適合陡坡裂隙識別)、高精度物探(如利用高密度電阻率法解剖斷層與裂隙發(fā)育規(guī)模特征)及鉆探[33](鉆孔電視識別裂隙)等多源技術集成化的參數提取，做到全方位識別，隨后利用如GIS平臺等，可將數據高精度三維數字化再現(xiàn)?；谝陨袭a品解譯分析后，制定更加具有針對性的試驗方案，可進一步提高和預測模型的準確度。為此，作者初步建立了綜合識別-精細化水文試驗方案流程思路，見圖3[27]。

3.2.2加強多源的技術的融合

加強引入諸如精密化的抽壓水試壓、水化學元素測試、溫度示蹤、同位素示蹤、三維聲吶技術及微水震蕩法等其他技術方法的融合應用，建立更加完善的多源化、體系化試驗技術思路，避免多解問題的出現(xiàn)，確保被測地體的數據獲取更加豐富，數據間相互驗證，使評價更加客觀。

3.2.3建立典型共享型案例庫

相關各單位可將數據進行有機整合，實現(xiàn)鏈條化、大數據化，資源云共享后，通過專家分析提煉出更深層次的結論，反饋給相關技術人員，同時注意多方借鑒，吸收國外最新成果經驗，在交流探討過程中，逐步完善數據庫中的各項資源，最終搭建與完善共享型案例庫。

3.2.4建立與完善相關規(guī)程

目前，現(xiàn)行的規(guī)范標準并未完全建立與完善，工程技術人員僅能靠有限的學習資料，對儀器的具體操作一知半解。由于人員水平參差不齊，不規(guī)范化的儀器操作，還會致使精密儀器出現(xiàn)不必要的故障。亟需逐步完善測試規(guī)程，編訂出臺詳實的操作手冊，制定詳細的培訓章程和開設實踐為主的培訓課程等。

4 結 論

自動化程度更高的示蹤技術已逐漸成為21世紀我國巖土水文工程勘測發(fā)展的必然方向之一，相關研究的開展也展現(xiàn)出了該技術具有一定的發(fā)展?jié)摿?，而由于使用和接觸時間相較過短，其積極意義并沒有完全被普遍接受。受使用者水平與研究對象的復雜程度等影響，全面標準化實施還存在諸多困難。因此，利用的思路、深度和規(guī)模遠沒有達到西方發(fā)達國家的水平。

本文所提及的低滲透特性巖體示蹤試驗可以說是圍繞國家高放廢物處置工程實際需要開展的較新研究工作。通過作者前期初步的原位成功應用可見，該技術在不可見的低滲透介質方面的滲透特性評估方面值得開展更深層次的理論研究與技術研發(fā)。伴隨著高放廢物處置庫區(qū)的前期勘察與建設陸續(xù)開展，巖體內部不同尺度結構面滲透特性參數獲取應考慮借助新的技術手段，是一個亟待投入更多精力的研究方向。

在有效識別的前提下，巖土體的滲透性測試結果更為準確，因此如何實現(xiàn)識別技術與測試技術配套使用以及形成參考標準，則需要更深層次的思考。

相關技術人員應更加積極學習借鑒發(fā)達國家既有的先進應用經驗，從生態(tài)環(huán)境保護和建設節(jié)約的思想高度出發(fā)，進行相關技術手段的標準建立與完善，并結合自身特點，最終探索出一條與我國經濟、文化和環(huán)境發(fā)展相適應的“自動化高、精度高、集成度高”的勘測之路。