聂艳华，段文刚，树 锦

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．南京市水利规划设计院，南京 210016）

示踪法定量分析水流连通问题

聂艳华1，段文刚1，树 锦2

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．南京市水利规划设计院，南京 210016）

为定量分析地下水流的水量分配比例，进行了连通试验。试验以示踪剂罗丹明为媒介，利用其受特定波长光照会激发荧光的特性，采用高分析度荧光分光光度计探测示踪剂溶液荧光强度，进而建立示踪剂浓度－荧光强度曲线。试验中在某地域上游溶洞入口投放示踪剂，并在下游出口回收样品，探测其荧光强度，同时进行流量测量。根据已建立的示踪剂浓度－荧光强度曲线分析计算，得出样品中示踪剂的质量，进而根据物质质量守恒定律和示踪剂运移扩散理论推算得到上下游水量分配比例。通过试验结果分析发现：采用本方法能较准确地探测出上下游水量的分配比例，试验方法可行，结果可信，可为解决类似问题提供参考。

示踪剂；连通试验；荧光强度；分光光度计

1 研究背景

地下水连通试验方法运用历史悠久。有记载的最早的地下水连通示踪试验发生在大约2 000 a以前——罗马人（Philip）采用谷糠示踪泉水通道。1869年，人类首次使用化学示踪剂来找出岩溶区落水洞和泉水之间的水力联系。之后，有人通过类似试验来确定漏水的起源（Schlichter，1902）和检测被污染了的水的来源（Dole，1906），他们使用的示踪剂是染色剂和食盐。A．Thiem用普通食盐作示踪剂研究确定地下水流速，他取回水样在实验室里定量测定氯的浓度，开了定量连通示踪试验的先河。

近年来，地下水连通试验方法广泛运用于地下水来源去向及边界条件的确定、水工建筑物的渗漏评价、城市给水排水设计、地下水污染鉴别等方面。C．F．Williams，S．D．Nelson［1］利用Rhodamine-WT作为示踪剂追踪生物环岛中的水力特性，以研究污染物处理的问题；Shirra Gur-Reznik，Sara P［2］介绍了碘作为示踪剂的运用；梅正星［3］通过对地下水连通试验资料的分析，整理出示踪剂浓度随时间变化的曲线，运用该曲线分析地下通道分布规律，测算地下河的流量，计算过水通道的体积等；郑克勋，刘建刚［4］介绍了同时使用氯化钠、碱性荧光红8B和钼酸铵3种不同性质的示踪剂进行连通试验的成果，此外张祯武［5］、马豪［6］等分别运用示踪法研究堆石坝的渗流场及颗粒有机碳的输出通量；Gamlin F D［7］等也采用六氟化硫跟踪地表水；Hall SH［8］采用单井示踪试验研究含水层特性；Harden H S，Chanton J P［9］等比较了六氟化硫、罗丹明和噬菌体PRD－1等示踪材料在追踪地下水流方面的优劣。

由此可见，连通试验的方法早已为人熟知并运用，且用以作为示踪剂的材料也有了多种尝试。本文选取罗丹明B作为示踪剂，利用其荧光特性进行定量分析，在国内外较少运用。

2 概 况

2．1 自然地理概况及地质构造

试验所涉及区域地形地貌受区域地质构造和岩性控制，主要山脉走向与构造线方向一致。区内最高山顶高程2 086 m，最低高程170 m，高差约1 900 m。本区长期处于间隙性隆起上升阶段，溶蚀槽地、夷平面、洼地、漏斗、落水洞等喀斯特地貌发育，为侵蚀、剥蚀构造高山地貌，为大气降水、地表水渗入、地下水运移和贮藏提供了良好的条件。

本区构造形迹以褶皱为主，断裂不发育。区内以碳酸盐岩地层为主，间夹有碎屑岩地层，区域出露地层由老到新为寒武系中统（∈2）－三迭系、侏罗系（J）地层，区域为一套浅－深海相的碳酸盐岩和志留系、三叠系上统、侏罗系碎屑岩沉积建造，沉积总厚达6 500 m。区域岩溶强烈发育，水文地质条件复杂，地下暗河管道错综复杂，为典型的喀斯特地貌。

2．2 研究内容

本次试验的主要研究内容有2点：

（1）探测查明上下游岩洞之间的水力联系，定性判断二者是否存在连通关系；

（2）定量分析上游岩洞水流补给汇入下游岩洞的水量比例。

3 示踪原理及计算分析方法

3．1 示踪剂的选择

理想的示踪剂应满足如下条件：①易溶于水，且能与地下水一起同步运动，在较小浓度时不显著改变地下水体的密度；②性质稳定，在地下水环境中不易与其他溶质和岩土介质发生化学反应，不分解变质；③安全无毒，对人体、动植物无直接的损害，对局部生态系统无不利影响；④浓度检测精度高，配置相应设备即能在试验现场检测，检测方法简单方便，检出限值低，灵敏度高；⑤抗吸附能力强，岩土介质对示踪剂的吸附能力小。

本试验在资料收集、近期研究成果查询的基础上，综合比选多种示踪剂的物理化学性质、浓度检测方法、抗吸附能力和肉眼可见性等技术指标，并经过室内试验最终确定选用罗丹明B。

罗丹明B是一种具有鲜桃红色的人工合成的染料，英文名Rhodamine B，分子式C28H31ClN2O3，分子量479．017 5，为亮绿色闪光结晶粉状物或红紫色粉末，易溶于水、乙醇，微溶于丙酮、氯仿、盐酸和氢氧化钠溶液。水溶液呈红色，稀释后有强烈荧光，醇溶液为红色荧光，最大吸收波长552 nm，最大荧光波长610 nm，激光峰值波长610 nm，调谐范围578～610 nm。性质稳定，抗吸附能力强，安全无毒，环境背景值低，肉眼可见，便于直观观测，浓度可精确定量检测且检测限值低，即便是浓度1μg／L的罗丹明B水溶液，采用相关仪器设备也可定量分析检测。选用的试剂纯度级别为分析纯。

3．2 连通原理

地下水示踪连通试验原理简述如下（见图1）。

图1 地下水示踪连通试验示意图Fig．1 Schematic of groundwater connectivity test by tracing method

根据物质质量守恒定律和示踪剂运移扩散理论，在某投放点瞬时投放质量为M的示踪剂，在某监测点（回收点）连续或高频度监测流量和示踪剂浓度随时间的变化规律，计算分析监测断面示踪剂的质量（M0）和回收率，则可定性判断投放点和监测点之间的连通关系，以及定量分析投放点水流补给汇入监测点的流量比，同时利用监测点示踪剂浓度历时曲线，初步分析该区域岩溶水的流场结构和类型。由于示踪剂与地下水体是充分混溶的，投放点水流有多大比例汇入回收断面，则即可在回收断面得到相应比例的示踪剂质量。

监测断面示踪剂回收质量和回收率按下式计算。

式中：P为示踪剂回收率（%）；M为投放点示踪剂投放质量（kg）；M0为监测点示踪剂回收质量（kg）；Ci，Ci＋1分别为监测点i，i＋1时刻的示踪剂浓度（μg／L）；C0为示踪剂背景浓度值（μg／L）；Qi，Qi＋1分别为监测点i，i＋1时刻的水流流量（m3／s）；Δt为取样间隔时间（h）。

3．3 流量测量

在下游样品回收断面利用声学多普勒流速仪进行流量测算，测量时间与示踪剂取样时间一致。

3．4 荧光强度－浓度曲线

本次试验利用罗丹明B受特定波长照射容易激发荧光的特性，采用高精度荧光分光光度计探测示踪剂样品溶液的荧光强度，建立起荧光强度－溶液浓度对应曲线。利用现场河水进行示踪剂浓度标定试验，配置出不同浓度的样品试剂，分别采用荧光分光光度计6档和7档2种精度档位来测量样品荧光强度，与浓度进行比对并拟合曲线。

现场示踪剂浓度标定试验成果见表1。示踪剂水溶液不同浓度范围区间，其浓度－荧光值关系稍有差异。为提高试验精度，特进行分段绘图和分段拟合曲线方程，以便于不同浓度区间分别选用。

3．4．1 0～200μg／L浓度区间

根据现场试验标定的关系曲线，可以看出：在试验浓度区间，示踪剂浓度与其荧光值线性规律良好，故用线性公式拟合得到不同档位示踪剂浓度－荧光值方程，见图2。

表1 现场示踪剂标定试验成果表Table 1 Results of field rating test on the tracer

图2 0～200μg／L浓度区间示踪剂浓度与荧光值关系曲线Fig．2 Curves of tracer concentration（0～200μg／L）vs．fluorescence intensity

3．4．2 0～600μg／L浓度区间

线性公式拟合得到不同档位示踪剂浓度－荧光值方程，见图3。

图3 0～600μg／L浓度区间示踪剂浓度与荧光值关系曲线Fig．3 Curves of tracer concentration（0－600μg／L）vs．fluorescence intensity

3．4．3 0～1 000μg／L浓度区间

线性公式拟合得到不同档位示踪剂浓度－荧光值方程，见图4。

图4 0～1 000μg／L浓度区间示踪剂浓度与荧光值关系曲线Fig．4 Curves of tracer concentration（0－1 000μg／L）vs．fluorescence intensity

正式试验中，根据浓度大小和区间，选用不同的示踪剂浓度－荧光值方程。现场取样量测其不同档位荧光值，由上述公式反推其试样浓度。

3．5 回收试剂计算方法

具体计算方法如下：

（1）将取样间隔起始和终末时刻的断面流量平均，视作区间的平均流量；

（2）将区间平均流量乘以区间时长，得出区间水体容积Vi（l）；

（3）将取样间隔起始和终末时刻的断面浓度平均，视作区间的平均浓度Ci（μg／L）；

（4）将区间水体容积Vi乘以区间水体平均浓度Ci，得到该区间回收的示踪剂质量Mi（g）；

（5）将试验历程内各区间示踪剂质量相加求和，即得到该断面通过的示踪剂的全部质量M0；

（6）M0／M即为水量分配比例。

4 试验成果

试验开始时，在上游溶洞入口处投放示踪剂25 kg，为减少示踪剂回收时间，全部示踪剂经过充分溶解后短时间内全部投放。

试验过程中，在下游一个断面同时进行示踪剂样品取样及流量测验。为提高试验采集精度，采用连续高频次取样。白天取样间隔0．5～1 h，夜晚取样间隔1～3 h。

取样后送由荧光光度计检测分析，采用6档、7档2个精度档位检测其荧光值，依照上节标定的浓度曲线方程，分别推算试样溶液的浓度，取值平均作为样品的测量浓度。示踪剂回收断面浓度变化过程及回收断面流量变化过程见图5。通过图中可以看到试剂投放约41 h后，示踪剂红色水体通过下游测流取样断面，直到完全消失总历时长达179 h，表明试验条件下，上下游溶洞存在明显的水流连通关系，定量分析由浓度与荧光强度的换算得出。

图5 试验示踪剂浓度和流量变化过程曲线Fig．5 Curves of tracer concentration vs．flow

试验开始后，按上节所述计算方法得到：回收示踪剂质量为M0＝22 265．9 g，示踪剂投放质量M＝25 000 g，则示踪剂回收率为P＝M0／M＝89%。由连通试验原理可知，自上游溶洞分入下游出口水量占进口总水量的89%。

5 结 语

试验结果证明，该区域上下游溶洞间存在水流连通关系，且在试验时间内上游溶洞入口水流中有89%的水量汇入到下游溶洞中。由此可见：采用罗丹明B这种人工合成的荧光物质作为示踪材料进行地下水连通试验取得了成功，该物质稳定性好，抗吸附及其受激发荧光的特性是本试验取得成功的重要因素。此外也能看到，利用荧光强度与示踪剂浓度的对应关系来进行定量分析具备可行性，本方法可作为处理此类实际工程问题的参考。

［1］ WILLIAMSC F，NELSON SD．Comparison of Rhodamine-WT and Bromide as a Tracer for Elucidating InternalWetland Flow Dynamics［J］．Ecological Engineering，2011，37：1492－1498．

［2］ SHIRRA G R，SARA PA，YANA L，etal．Iodinated Contrast Media Oxidation by Nonthermal Plasma：The Role of Iodine as a Tracer［J］．Water Research，2011，45：5047－5057．

［3］ 梅正星．地下水连通试验资料的整理和分析［J］．水利水电技术，1988，（1）：10－16．（MEI Zheng-xing．Data Collection and Analysis of The Groundwater Connectivity Test［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，1988，（1）：10－16．（in Chinese））

［4］ 郑克勋，刘建刚．多元连通示踪试验研究地下水流场的一个工程实例［J］．贵州水力发电，2004，23（4）：63－65．（ZHENG Ke-xun，LIU Jian-gang．The Diverse Connectivity Tracer Test Study of Groundwater Flow Field Engineering Examples［J］．Guizhou Hydroelectric，2004，23（4）：63－65．（in Chinese））

［5］ 张祯武．堆石坝渗漏流场示踪探测研究［J］．工程勘察，2000，（4）：29－32．（ZHANG Zhen-wu．Rockfill Dam Seepage Flow Field Tracer Detection［J］．Geotechnical Investigation＆Surveying，2000，（4）：29－32．（in Chinese））

［6］ 马 豪，曾 志，尹明端，等．示踪法估算楚科奇海的颗粒有机碳输出通量［J］．清华大学学报（自然科学版），2010，50（3）：438－441．（MA Hao，ZENG Zhi，YIN Mingduan．Tracer Method to Estimate Particulate Organic Carbon Export Flux In the Chukchi Sea［J］．Journal of Tsinghua University（Natural Science），2010，50（3）：438－441．（in Chinese））

［7］ GAMLIN FD，CLARK JF，WOODSIDEG，etal．Largescale Tracing of Ground Water with Sulfur Hexafluoride［J］．Journal of Environmental Engineering，2001，127（2）：171－174．

［8］ HALL SH．SingleWell Tracer Tests in Aquifer Characterization［J］．Ground Water Monitoring and Remediation，1993，13（2）：118－124．

［9］ HARDEN H S，CHANTON JP，ROSE JB，et al．Comparison of Sulfur Hexafluoride，Fluoresceinand Rhodamine Dyes and the Bacteriophage PRD-1 in Tracing Subsurface Flow［J］．Journal of Hydrology，2003，277（2）：100－115．

（编辑：刘运飞）

Quantitative Analysis of Flow Connectivity by Tracing M ethod

NIE Yan-hua1，DUANWen-gang1，SHU Jin2
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Nanjing Water planning and Designing Institute，Nanjing 210016，China）

Groundwater connectivity testwas conducted to investigate the hydraulic connection between caves in the upstream and the downstream，and to quantitatively determine the ratio of water flow into the downstream caves．Rhodamine，which would be fluorescent illuminated by light of certain wavelengths，was used as tracermedium．Fluorescence spectrophotometer was employed to detect the intensity of fluorescence in the tracer solution，hence obtaining the curve of concentration vs．fluorescence intensity．The tracer was put at the entrance of Karst cave in the upstream，and water samples were collected at the exit in the downstream to detect the fluorescence intensity and measure the flow．According to the obtained curve，the tracer quality in the sample was calculated．Subsequently，the water allocation ratio was derived from the law ofmass conservation and the theory of tracer transport and diffusion．Results showed that during the test period，89%of the water flowed from caves in the upstream into the downstream．The relation between fluorescence intensity and tracer concentration is also believed to be feasible for quantitative analysis．The testmethod could be a reference for similar engineering practices．

tracer；connectivity tests；fluorescence intensity；spectrophotometer

TV131

A

1001－5485（2013）02－0016－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．004

2012－02－09；

2012－04－12

聂艳华（1983－），男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学的研究，（电话）18627897189（电子信箱）yuanauy111＠126．com。