屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层连通示踪试验

何茂强，王维平，朱 平

(济南大学资源与环境学院，山东 济南250002)

济南市泉域裂隙岩溶含水层具有地下库容大、补给区水力坡度大、补给更新快、水质好的特点。直接通过管井，利用屋顶雨水回灌岩溶水，在回灌量方面比孔隙和裂隙含水层从时间和空间上更适合每次降水过程的变化。但是存在地下水防污性能差的特点。利用城市雨洪水回灌裂隙含水层在澳大利亚已有成功的案例[1]。经对济南市区济南大学西校区降水、屋顶雨水和径流过程水质进行监测和分析以及不同过滤实验，表明:济南大学屋顶雨水属微污染水，经前期雨水弃流和预处理可达到饮用水水质标准，并通过现有管井回灌到裂隙岩溶含水层，用于饮用水供水和地下水环境保护。由于研究区岩溶含水层空间分布极不均匀，如何确定与回灌井相匹配的观测井是回灌实验的关键问题之一。通过示踪试验掌握含水层特征、地下水水力联系[2]等水文地质条件，对回灌井和观测井选择，回灌效果分析都具有重要意义。

1 济南大学西校区周围的地形地貌及水文地质条件

1.1 济南大学地区水文地质环境

济南大学位于济南市南郊七贤庄以南(如图1)。山麓北坡(即济南大学南侧)地势较高。海拔标高约120m左右。南面为马武寨，东北面为青龙山。为一山前倾斜的夹角地带，地下水流向由南向北或由东向西依次排泄。钻孔的位置处在两向地下水径流地带。从水文地质条件来看，属地下水补给径流区。该地区含水层为寒武系凤山组至奥陶系马家沟组，地下水储存于裂隙岩溶中为裂隙岩溶含水层。该地区第四系主要岩性为黄土状粉质粘土，为透水不含水层，该区是周围山体内雨水径流补给区，仅在山洪时短时有水流。该地区裂隙岩溶水的补给途径有:①大气降水直接补给，②南部山区地下水径流补给，③降雨形成地表入渗补给。

1.2 投放孔和观测孔及周围地层结构

回灌井和两眼观测井钻孔的地理位置见图1。

图1 三口井平面位置图

地层及主要含水段。该区地层由于受南部和东部山区剥蚀冲积洪积作用。地表复有较厚的第四系坡积——洪积物。成分以棕红色粘土、亚粘土为主。含有少量钙质姜石。第四系与基岩接触带在有3m多厚粘土与小卵石、半胶结地层。卵石成分以灰岩为主。磨圆度较好。第四系总厚度25m左右。下部基岩分中下奥陶系两组三段现分述如下:

水量及水质。抽水试验结果表明1#孔出水量1 940m3/d，水位下降13～40m。2#孔出水量1 940m3/d水位下降31.70m。

水质化验各项指标均达到国家卫生部颁发的饮用水标准。水的类型为HCO3(Ca+Mg)型水。

地下水流向。利用水准仪测量济南大学井口高程，采用地下水位计测出三口井地下水位。2010年7月份、8月份地下水位(高程)平均值如下:1#井(信息楼井)31.045m，2#井(新西门井)30.733m，3#井(西院井)30.311m。根据地下水位，画出等水位线及地下水流向，判断出地下水大体流向为西西北方向。因此信息楼井(回灌井)作为示踪试验投源井，新西门井和西院井作为观测井。将来在进行雨水回灌试验时，信息楼井作为雨水回灌井，新西门井和西院井作为回灌效果观测井。

2 示踪剂和示踪方法的选择

食盐作为示踪剂有很多优点[3]，(1)示踪元素在地下水环境中波动小;(2)氯化钠在水中有足够大的溶解度且能在试验期内化学性质较稳定，基本不与其他环境物质发生化学反应;(3)电导率检测方法具有足够高的灵敏度和精度且能够现场及时实施;(4)围岩对食盐无吸附或吸附作用很小。除上述必要条件外，食盐示踪剂对环境无不良影响或影响期极短、示踪剂价格及检测费用低、便于现场操作等。

根据文献资料，“在岩溶地区，用食盐指示剂试验时，在10米长的距离内，用量一般为10～200 kg，岩层透水性强者，其用量应多，反之则应少”[4]。“投入孔至观测孔的距离每5m需食盐10～95 kg”[5]。最远的观测井西院井距投放井直线距离为0.5 km，则需食盐0.5～10 t，因此确定食盐用量为2 t，这样既不会造成大的浪费和污染地下水，又能达到试验要求，不会影响观测结果。

用食盐作为示踪剂，采用测电导率的方法来进行监测。这主要考虑到食盐溶液作为一种导电介质，它与电导率之间有一定的联系[6]，当浓度升高时，电阻率就会下降，相反电导率会随之升高。当食盐投放完毕后，间隔一定时间测不同埋深的地下水电导率，观察电导率变化，绘制电导率随时间变化曲线，从而判别含水层结构，计算地下水流速等性质。

3 试验仪器及改装

试验采用雷磁DDBJ－350型便携式电导率仪，该电导率仪无需电源，且携带方便，测量范围符合试验要求，适合进行野外测量。考虑到测量不同埋深电导率，且其中最深处达200多m，试验前需对电导率仪进行改装，电极线用200m双绞线延长，这样会产生些误差但不影响试验结果。

主要是指非鱼粉自然物质所产生的味道以外的其他味道，例如有羽毛粉味、猪肉粉味、血粉味及部分化学物质味等。

4 示踪试验

4.1 第一次示踪试验

2010年12月26 号晚9:00，在济南大学旧信息楼后的回灌井投放食盐，食盐重量为2 t。投盐时采用边投放便冲水的方法，投放速度不能过快，并且均匀投下。10:30投盐完毕，共历时1个半小时。从第二天早晨开始对两眼观测井进行实时监测，每隔4 h测一次不同埋深电导率，共观测一周。第一次示踪试验主要目的是探明两口观测井是否有电导率变化，并初步判断出地下水流向。

4.1.1 地下水电导率背景值

开始试验之前，需对三口井做长时间监测，测出不同埋深的电导率背景值，1#井(信息楼井)背景值在927 μs/cm，2#井(新西门井)为 800 μs/cm，3#井(西院井)电导率背景值为 886 μs/cm。

4.1.2 投盐完毕后电导率随时间的变化

(1)2#井(新西门井)电导率随时间的变化

由于新西门井井管在100m左右阻塞，测电导率时只能测到前100埋深。观测期间内2#井在埋深50m和100m处电导率虽有略微变化，但大部分数据集中在800 μs/cm，这与该地方电导率本底值基本相同，说明投盐后2#井基本不受影响。且从地下水等水位线也可看出，地下水不往该方向流动。所以将来在进行人工雨水回灌时不能把2#井(新西门井)作为观测井。

(2)3#井(西院井)电导率随时间的变化

观测期间内对3#井(西院井)电导率随时间变化分析发现50m处电导率值基本没有大的变化，100m和150m处虽略有波动，但数据也都集中在800～900 μs/cm范围内，这与本底值差别也不是很大，不能说明有食盐流过。但是12月28号8:15时，在埋深180m左右电导率有明显变化，而且180m到200m处电导率都比本底值高很多，证明180m到200m岩溶发育比较好，有比较好的岩溶裂隙，说明此观测井与投源井相连通。我们决定在进行雨水回灌时将3#井(西院井)作为回灌效果观测井。

5 第二次示踪试验

为检验第一次试验的正确性，并精确计算出地下水流速以及判断出含水层内部结构，进行了第二次示踪试验。试验过程必须与第一次保持一致性。

具体试验过程:2010年4.8号晚8:30－9:30在投盐孔投放工业用盐1 t，并从第二天起进行投放孔和观测井不同埋深含水层电导率的测定，试验结果如下:

3#井(西院井)埋深50m、100m、150m 处、180m、200m处电导率随时间变化曲线

图2 西院井埋深50m、100m、150m、180 m200m处电导率随时间变化曲线

从图中看出:埋深180m处电导率在投盐后25 h达到峰值，再次证明岩溶发育在180m处比较好。埋深200m处30 h达到峰值，50m、100m、150m处是在35 h时达到峰值，这些峰值都是由于食盐的溶解扩散造成，存在明显的滞后现象。因此可以认为食盐在25 h后已经到达西院井。

5.1 地下水视流速的计算

示踪剂从投放点到各观测点的视流速，是指投放点至观测点的距离除以示踪剂从投放点到观测点所耗的时间，根据在图上量测的距离除以示踪剂从投源井到接收点的时间，分初现视速度和峰现视速度。一般认为，示踪元素出现时的初始流速为地下水最大流速，高峰出现时的流速为平均流速[7－8]。

信息楼井距西院井直线距离为500m，可以计算出其视流速为:v=500m/25 h=20m/h。但是从最后两图中会发现在55 h埋深180m处和200m处电导率也是有明显变化的，可以认为在此深度处有两条通道流经。那么按同样方法计算视流速第二个管道的平均视流速为:v=500m/55h=9.09m/h。

6 总结

通过连通示踪试验证明了用食盐作为示踪剂，用电导率作为检测方法是可行的，试验结果验证了地下水流向是西西北方向，即从信息楼井向西院井流动。等水位线以及电导率观测结果都说明了这一点。因此回灌井就选在信息楼后的井，观测井为西院井是可行的。分析电导率随时间变化结果可知在180m往下含水层发育良好，有比较好的岩溶裂隙。而且通过峰值分析发现有两个发育比较好的岩溶裂隙通道。即第一条通道的视流速为20m/h，而第二条通道的视流速为9.09m/h。示踪试验结果在获得这些水文地质条件后，就可以进行下一步的屋顶雨水的裂隙岩溶含水层回灌。从而充分的利用城市雨水补给地下水并用来城市供水和地下水保护。

[1]王维平，徐玉，何茂强.城市屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层的国内外案例介绍——兼对济南市屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层问题的思考[J].中国岩溶.2010，29(3):327－330.

[2]邓振平，周小红，何师意.西南岩溶石山地区岩溶地下水示踪试验与分析[J].中国岩溶.2007，26(2):163－169.

[3]杨剑明，张兆干，王祥，等.贵州普定后寨地下河流域地下含水空间结构特征[J].中国岩溶.1996，15(3):246－252.

[4]勘探工程及水文地质实验.1961.

[5]苏联电站部.测定地下水流向及流速规程(N27－53).

[6]汪进良，姜光辉，侯满福.自动化监测电导率在盐示踪试验中的应用[J].地球学报.2005，26(4):371－374.

[7]朱学愚，徐绍辉，司进辉.示踪试验在淄博裂隙岩溶水污染治理中的应用[J].中国岩溶.1997，16(2):131－138.

[8]裴建国，谢运球，章程，等.湘中溶蚀丘陵区示踪试验[J].中国岩溶.2000，19(4):366－371.