（地质工程专业论文）岩溶水示踪理论与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国南方岩溶区水电事业建设的深入，库坝区岩溶渗漏的精确勘察成为 急待解决的问题。本论文主要从以下几方面展开研究。 在前人研究的基础上，建立了管道流场与分散流场的岩溶水示踪数学模型， 并推导了其解析解，根据解析解给出了相应的典型示踪曲线类型。通过对接收点 示踪剂浓度曲线反演了岩溶介质类型。 研究了温度、电导率示踪理论。温度、电导率是良好的示踪剂。大地热流场 与岩溶水渗流场的相互作用以及水岩相互作用使岩溶水流场的温度、电导率呈现 不同的时空变化规律。根据研究己完测的不同深度部位温度和电导率的分析，研 究了岩溶水的运动规律和岩溶介质的分布特征。 水化学成份反映了岩溶水形成的一定地质环境。本文用自组织神经网络对岩 溶区水化学成份进行了聚类分析。根据亲疏关系，分析了水点问的水力联系。单 孔人工同位素示踪技术是研究地下水运动的有效手段，本论文把单孔人工同位素 示踪应用到岩溶水研究中。在钻孔中用放射性同位素”1 i ( 以碘化钠的形式存在) 均匀标记地下水。1 3 1 i 在钻孔中随地下水流动，在地下水下游侧富集，并向含水 层中弥散。用先进的同位素探测仪追踪”1 i 的这种变化过程，从而计算出岩溶水 在地下某一点的流速、流向，提高了对岩溶水总体运动规律的认识。 论文综合运用了岩溶水示踪数学模型，温度、电导率和人工同位素示踪技术 对岩溶水文地质条件进行了研究，并在江苏旬容抽水蓄能电站岩溶水文地质条件 研究中得到了验证。 关键词：岩溶水；示踪数学模型；温度；电导率；自组织神经网络；同位素示踪 摘要 a b s 蛔c t w i t hm eb u i l d i n go fg r e a tp o w e r s t a t i o n si nk a r s ta r c ai ns o u mo fc 1 1 i n a ，h o wt o d e t e c tt 1 1 e1 e a l ( a g ei nk a r s th a sb e c o m eo n eo fm a j np r o b l e m s t h i sp a p e rm a k es t u d y o nt l l ef 0 1 1 0 wa s p e c t s o nt l l eb a s eo ff b n n e rr e s e a r c h b u i l dt h ek a r s tw a t e rt r a c em a t h e m a t i c a l m o d e l i n gi nt u b en o wf i e l da 1 1 dd i s p e r s ef i e l d d e d u c et h e i ra n a l y t i c a ls o l u t i o n ，a 1 1 d g i v et h ec o r r e s p o n d i n gt y p i c a lt r a c i n gc u e s i n v e r s et h ek a r s tm e d i u mf o n sb yt h e c o n c e n t r a “o nc u r v e so f t r a c e r sw i mt i m ei nr e c e i v i n gp o i n t s s t i l d yt e m p e r a t u r e ，e l e c 订i c a lc o n d u c t i v i t y 把l c i n gm e o r yt e m p e r a t u r ea 1 1 d e l e c m c a lc o n d u c t i v i t va r eg o o dt r a c e r s t h er e c i p r o c i t yb e t 、v e e ne a “hh e a t | = i e l da n d k a r s ts e e p a g ef i e k ia n dt h er e c i p r o c i t yb e t 、 ，e e nk a r s t 啪t e ra n dk a f s tn l a k et h ek a r s t s e e p a g e ，t e m p e r a t u r ea n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yv a r ) ，i nd i 丘b r e md i s c i p l i n ea b o u t t i m ea n ds p a c e a c c o r d i n 2t ot h er e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ea d de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y w l l i c hh a v eb e e nd e t e c t e d ，s t u d ym o b i l ed i s c i 口l i n eo fk a r s t 、v a t e ra n dt h ed i s 埘b u t i n g c h m c t e ro f k a r s tm e d i u m h y d r o g e o l o g i c a lc h e m i s t r yr e n e c t sc e n a i ng e o l o g ye n v i r o n m e n tw 血e r ck a r s t w a t e rh a sd e v e l o p e d t h j sp a p e rs t l l d yt h eh y d m g e 0 1 0 9 i c a lc h e m i s 打ye l e m e n t sw i t h s e l f - o r g l l i z i n gf e a t i l r em 印a n dd e t e 珊i n ei nk a r s ta r e a a n a l y s em eh y d r o d y n 锄i c r c l a t i o n 锄o n gw a t e r - t a k j n gp o i n t sa c c o r d i n gt ot h en e a ro rf 打r e l a t i o n a r t i 6 c i a l i s o t o p et r a c i n gt e c h n o l o 鼬i ns o l eb o r e h o l ei st h ee 丘e c tm e a n so fr e s e a r c hm em o b i l e o f 罂d u n d w a t e lt h i sp a p e ra d o p ti s o t o p et e c h n o l o g yi ns o l eb o r e h o l et ot l l es t u d yo f k a r s tw a t e lp u tr a d i o a c t i v ei s o t o p e 1 i ( i nt h ef o 衄o fn a i ) i nb o r e h o l e sa n dm a r k m ek a r s tw 砷日e v e n l v1 j 1 ii nb o r e h 0 1 e sw i l ln o w 谢t 1 1 汀o u n d w a t e ra n dg a t h e ri nt h e b a c k w a r dp o s i t i o n ，t h e nd i s p e r s et o w a r d st 1 1 ea q l l i f b r tt h ea d v a l l c e di s t o p i ci n s i r u m e n t c a nd e t e c tm ec h a n g eo f1 j 1 ic o n c e n 仃a t i o n s o ，t h ev e l o c i t vo fn o wa t l dd i r c c t i o no f n o wa ts o m ep o i mc a i lb ec o m p u t e d t l l i si m p r o v e st h ep e r c e i v i n go ft h eg e n e r a l m o b i l ed i s c i d l i n eo f k a r s tw a t e l t l i sp 印e ra p p l i s ec o m p r e h e n s i v e l yt m c em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fk a r s tw a t e r ， 馏n p e r a t u r e ，e l e c m c a lc o n d u c t i v i t y 订a c i n 昌a i l dt c c l l l l o l o g yo fa n m c i a li s o t o p e t r a c i n gt ot l l er e s e a r c ho fh y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n s nh a sb e e nt e s t e di nt h es t u d yo f h y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n si nj u r o n gp u m p e d s t o m g ep o 、v e rs t a t i o n k e yw o r d ：k a r s t 、v a t e r ；t i a c em a 1 e m a t i c a lm o d c j i n g ；t e m p e r a t u r e ； e l e c 仃i c a lc o n d u c “t y ；s e l f - o 玛a i l i 豳gf e a t u r em a p ；i s o t o p e 妇c i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： j 或基盏 2 0 0 6 年月 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 盛至鱼 2 0 0 6 年乡月 日 第一章绪论 第一章绪论 我国碳酸盐岩的分布广泛，在全国9 6 0 万k m 2 面积上，约有3 4 0 万k m 2 ，遍 及全国各省、区 ”。西南地区岩溶相对发育，如云贵高原以及广西红水河流域等 地区，水利水电资源也十分丰富。为了开发这些地区丰富的水利水电资源，就必 须首先解决好由于岩溶发育带来的许多复杂问题，如库、坝岩溶渗漏，岩溶坝基 和边坡的稳定，地下洞室的稳定，以及岩溶塌陷等问题。而解决这些问题，特别 是岩溶渗漏问题，需要先进的分析方法和探测手段。 在岩溶发育的碳酸盐岩中，存在着孔隙、裂隙和管道这三种介质空间1 2 j ，因 此也相应有孔隙水、裂隙水和洞穴管道水流。这三种水流的共存，随着不同的岩 溶发育过程，特别是受构造影响和气候条件的不同，也就出现了不同的岩溶水的 组合与变化的情况。亚热带、温热条件，管道水流占重要地位，干旱气候条件下， 则以裂隙水为主【3 j 。卢耀如【4 1 认为在一个岩溶含水层中，通常存在着五个对立统 一的特征：第一，孤立、半孤立的管道水流与具统一水力联系的地下水面和扩散 流并存；第二，含水岩体与不含水岩体呈交错与镶嵌状分布；第三，无压水流与 承压水流相互转化；第四，岩溶水的紊流运动与层流运动错综出现；第五，均质 含水性与非均质含水性复杂变化。 邹成杰【5 1 根据我国岩溶发育特征( 尤其是南方河流岩溶) ，建立了一套较完整 的岩溶管道水汇流理论，其核心为：依据岩溶地下水赋存的形式和运动特征，将 溶蚀裂隙划分为3 种类型：溶隙型，溶隙宽度一般在5 c m 以下，地下水为渗流运 动，地下水运动符合达西定律；脉管型，宽度在5 2 0 c m ，平面延续性好，地下 水运动已不符合达西定律；管道型，管道宽度 2 0 c m ，地下水运动呈汇流而不是 渗流。 在汇流理论中提到三种岩溶介质，即溶隙型、脉管型和管道型。如何准确地 探测和分析这三种岩溶介质是高坝岩溶区工作的重点。探测它们既有直接方法， 又有间接方法。直接方法有遥感、水文地质钻探、水文地质试验、平硐追索等。 间接方法有物理勘查方法( 包括地面电法勘探、地震勘探、微重力勘探、地球物 理测井、地下电磁波勘探、岩性探测仪) ；各种场论，如岩溶水化学分析法、岩溶 水温度场分析、岩溶水同位素场分析【6 j ；岩溶地下水示踪试验分析。现在应用的 河海大学硕士论文 较先进的方法是岩溶地下水示踪试验分析。相比其他方法，示踪试验能在一定的 工作日内准确、经济地探测出地下岩溶介质类型及空间展布情况。它以邹成杰的 汇流理论为基础，以精确的数学模型为依托，采用具水溶性、抗吸附性强、对环 境影响小和易检测的人工示踪剂。根据接收点的浓度曲线特征，来判断地下水流 的各种参数和地下岩溶结构特，征【7 1 。同位素测井也是研究岩溶水流的有效方法羽。 通过对人工分布钻孔中地下水的流速、流向测定，采用优化方法达到对岩溶介质 流场的认识。 岩溶水示踪探测技术以贴近岩溶水文地质条件与示踪条件的数学模型为理论 基础 9 】，以室内模拟及野外实验校正模型；以地质调查作为现场探测布置的依据； 以抗吸附性强，经过特殊处理的染料作为示踪剂；采用先进仪器进行现场监测。 并以成本较低，可靠性高来服务于生产。 早期的岩溶水示踪试验，以目测为主、较早使用仪器监测示踪剂浓度变化规律 的是南斯拉夫的帕斯米卡落水洞示踪试验( 1 9 5 8 ) ，西安煤炭研究所( 1 9 7 4 ) 等【l o 】。 7 0 年代末至8 0 年代初，示踪剂监测技术在我国得到一定的普及与应用。 国外示踪剂监测技术起步早，仪器先进，目前美国等在示踪剂监测方面已实现 自动化，与之相比，这方面我们还存在较大的差距。 1 1 示踪探测理论 b m w n 根据泉口( 排泄点) 回收量( m ) 、投入量( v c ) 、地下水流量( q ) 和泉水流量( q ) 四个要素的相互关系，建立了五种管道水补排模型：如图1 1 1 ) 单向无支流型： ( 脚= 陀) 、( q = q ) 】 类型1 2 ) 单向有支流型： ( m = 阳) 、( q g ) 】 类型2 3 ) 单向有漏失型： ( m = 阳) 、( ( g q ) q = ( 阳一m ) 阳) 3 类型3 ； 4 ) 交叉型： ( m l ，心称为减缓因子。 2 2 4 初始条件与边界条件 水动力弥散方程可用于描述溶质在地下水中运移的一般规律，如果要确定某 一特定区域内地下水中溶质的分布规律，还必须知道溶质浓度分布的初始状态以 及在该区域边界上的浓度分布规律，即初始条件与边界条件。定解条件与水动力 弥散方程一起构成的特定区域上的问题称为定解问题。不同的初始条件与边界条 件可以给出不同的溶质运移规律。因此，根据已有的水文地质资料及野外调查资 料，正确地确定研究区的初始条件和边界条件是非常重要的。 1 ) 初始条件 描述给定初始时刻研究区d 内各点( x ，y ，z ) 处的浓度分布状态的条件，称为初 始条件。设给定初始时刻研究区d 内各点的浓度值己知为c 。( x ，y ，z ) ，则初始条件 可写成 c ( x ，) ，z ，o ) = c o ( x ，y ，z ) ( x ，_ y ，z ) d 从原则上讲，只要已知那个时刻的浓度分布，初始时刻是可以任意选取的。 初始条件如何选取，应该根据研究问题的需要、资料状况及计算与模拟方法等因 素而定。 2 ) 边界条件 边界条件是指研究区边界上的溶质分布和变化情况或边界上流入( 或流出) 研究区的浓度分布和变化情况。边界条件可分为下列三种类型。 ( 1 ) 第一类边界条件一给定浓度边界 指已知边界上浓度分布的边界。若在边界马上g ，y ，：) 点处t 时刻的浓度值为 _ ( x ，z ，r ) ，则第一类边界条件可表示成 c i 且可“y ，z ，f ) ( 五_ y ，z ) b l f o 河海大学硕士论文 式中 置为研究区d 的第一类边界 z ( x ，y ，z ，f ) 为马上的已知函数。 此类边界常出现在研究区与地表水体的连接处。若z ( x ，y ，z ，f ) 不随时间t 变化， 则它描述的是通常所指的定浓度边界条件。 ( 2 ) 第二类边界条件一给定弥散通量边界 指已知边界上弥散通量随时间变化规律的边界条件，或称为n e u m a l l n 边界条 件，即已知 一d 鲫们玑：以( w ，z ) g 拂z ) b z f o ( 3 ) 第三类边界条件一给定溶质通量边界 指已知边界上溶质通量随时间变化规律的边界条件，或称为c a u c h y 边界条 件，即已知： ( c ：一d - d 以) 习岛= 矗( x ，y ，z ，f ) ( x ，弘z ) b f o 式中： 鼠为研究区上的第三类边界条件 “为孔隙平均流速 2 3 水动力弥散方程的解析解法及其解对应的理想示踪曲线 多孔介质水动力弥散方程与溶液中的对流一扩散方程具有类似的形式，因此 可以把对流一扩散方程的一些解法放到水动力弥散方程的求解中去。将瞬时注入 点源问题的解称为基本解。由基本解出发，利用叠加原理可以导出线源、面源、 多点源以及连续注入问题的解。先推导出三维瞬时点源的解析解，然后根据其解 析解，消去一个变量，得出一维流动，二维弥散的水动力弥散方程的瞬时点源解 析解。 第二章示踪数学模型 2 3 1 三维空间瞬时点源水动力弥散方程的推导 首先考虑最简单的条件：均质各项同性介质；静止流场u = o ，弥散系数 为常数，即 d 。= d w = d 。= d = t d m 流体密度为常数( p = 常量) ；户o 时，在原点处瞬时注入质量为棚的溶质。这里 我们将瞬时点源的位置取为坐标原点。显然在该条件下，浓度c 的的分布是对称于 原点的。这时在直角坐标系中，对流弥散方程可写成下列简式( 纯弥散方程) ： 詈= 。( 害+ 等+ 窘 西 i 缸2却2 如2j 下面建立球坐标系下的纯弥散方程式。 取半径为r 和r + 搬的两个球面所构成的单元体为均衡段，如图2 t 3 。 根据质量均衡得到 式中： 图2 3 两球面构成的均衡段 r 胁如l 。川唰= 巧鲁 为球面积；n 为有效孔隙率 如为弥散通量( 包括分子扩散通量和机械弥散通量) 为均衡段空隙体积。 1 9 河海大学硕士论文 该定解问题可以写成 詈= 詈刍c r2 豪俾巩r 8 tr 28 r 、a r 。、 。 c ( r ，砒。0 _ o ( 月 o ) c ( r ，) i 。呻。= oo o ) c ( r ，) l m o ) j - c 舰4 翮2 搬= 聊o o ) ( 2 1 6 ) 利用b o l t z m a i l n 变换可将此问题变为常微分方程问题，然后求解。根据因次分 析中的万定理，得到简单的常微分方程，整理后得到： 睾+ ( 专+ 书善+ 专，= 。 解上述方程式得： r 2 c ( r ，f ) = 旦了8 一面 ( 2 1 7 ) 8 ( 咒d r ) j 上式即为空间瞬时点源的解。由该解降维可导出一维稳定流动一维弥散与一 维稳定流动二维水动力弥散问题的解。 2 3 2 一维水动力弥散问题 岩溶管道可视为一维水动力弥散问题。示踪情况下，若假定流体不可压缩； 流速为常数；示踪剂沿岩溶地下水管流运移弥散。吸附可忽略不计，则此示踪场 可用如下形式的流体动力弥散方程刻画： 式中 等= 。争一皤a t烈z烈 ( 2 1 8 ) 第二章示踪数学模型 c 一流场中示踪剂浓度( m g ，l ) d 一弥散系数( m 2 s ) “一水流平均速度( 耐s ) ，一示踪剂运移路程( m ) r 一运移时间( s ) ( 1 ) 对于单管流场，其数学模型与解析解为： 其解为正态分布： 堡：d 氅一v 堡f ) o ，t o a f刮2部 c ( ，0 ) = 0 ， 0 jc ( ，f ) 胡= m t o 三加z c ( f ，r ) = 0 t 0 ，斗。o( 2 1 9 ) 州力= 去唧 一等) 哆z 。， 单管流场与上半峰对称的单峰示踪曲线对应，如图2 4 。 c t 图2 4 单管流场示踪曲线 ( 2 ) 并联管流场示踪数学模型 在一定地质条件下，岩溶地下水管流呈网状分布。设有n 条管流并联于投剂 河海大学硕士论文 点a 与回收点b 之间，各管流长度分别为、，：，。，流速分别为v 。、v ：v 。 对于a 点质量为m 的示踪剂瞬时输入，各管流分得的示踪剂质量分别为埘。、聊： m 。，第i 条管流输出的浓度分布可写成 “归南e x p _ 警 眨z - ， 在b 点，并联流场输出的示踪剂浓度为各分管输出浓度的迭加，于是，有 忙盖扣x p _ 訾 眨z z ， 一z ，- 1 1 5 ( v ，f 。+ v l - l _ 1 ) 式中： 出，为第f 个独立浓度由其总宽度的o 8 4 变到o 1 6 时段 此时示踪曲线满足上式为独立多峰曲线；否则为连续多峰曲线。如图2 5 、2 6 所示。 c c 图2 5 连续多峰( 多管) 示踪曲线图2 6 独立多峰( 多管) 示踪曲线 ( 3 ) 单管串联地下水池流场示踪数学模型 当岩溶地下水管流经过构造交汇处等地质环境时，断面常会大幅度增加，成 为串联于管流中的地下水池。 假定示踪情况下各水池的输出浓度等于池中平均浓度，则由第j 个水池的示 踪剂均衡关系，可导出： c ，：似矿妪；y e x p _ r ； o 1 ) ( 2 - 2 3 ) 第二章示踪数学模型 单管串联地下水池与非对称示踪曲线或钝峰示踪曲线对应，如图2 7 。 c 图2 7 单管串联地下水池示踪曲线 ( 4 ) 并联多管串联有地下水池流场示踪数学模型 当多管并联示踪场有一条或多条管流串联有地下水池时，由于前述示踪数学 模型皆为线性定解问题，故其浓度输出为两种示踪场输出之迭加( 取代数和) 。即 c = 志喜聊，e x p _ 譬幢v 舯e 坤m 伊， ( 2 2 4 ) 并联管流场串联有地下水池时，示踪曲线兼有“并联场”与“串联场”示踪 曲线特征。如图2 8 。 理论曲线 2 0 0 1 0 0 0 1 52 02 5 ( d ) 思口喑 可 图2 8 并联多管串联地下水池汇流场示踪曲线 在构造裂隙发育、岩溶地下水水力坡度较小地区，常出现管道流与溶蚀裂隙 流共同组成的网状地下水系。在并联管流途中又并联有裂隙流的示踪场回收和点 的历时浓度分布规律： c ：姜击e 斗哮l 眨z s ， c = 耩南e 印f _ 噤 吧z s ， 河海大学硕士论文 式中： 聊口一第i 条管流中第j 条裂隙流获得的示踪剂质量( m g ) v i 一第i 条管流中第j 条裂隙流平均流速( m m ) ，。一第i 条管流中第j 条裂隙流( m ) 管道、裂隙双重并联流场与“夷平”峰丛状示踪曲线对应，如图2 9 。 8 4 香花岭矿区1 5 号暗河 流场示意 图2 ，9管道裂隙并联流场示踪曲线 2 3 3 分散流场的示踪数学模型 根据渗流速度的大小，进一步将分散流场细分为三类，即快速分散流场、慢 速分散流场和由分散流流场向管流场汇流的过渡流场1 9 】。不同流场会得到截然不 同的示踪曲线。示踪剂在岩溶地下水分散流场中扩散时，若假定流体不可压缩； 流场无源汇；介质相对均质但各向异性；分散渗流为一维流，流速视为常数；示 踪剂为二维弥散，可用如下形式的流体动力弥散方程刻画。 鲁= 见窘+ 珥窘一v 喜 c 2 ， 式中： c 为示踪剂浓度；r 为时间 d 。为纵向( x 轴向) 弥散系数 d ，为横向弥散系数 v 为地下水平均流速 第二章示踪数学模型 ( 1 ) 快速分散流场示踪数学模型 假定在f = 0 时刻，于无限岩溶水分散流场原点瞬时注入质量为m 的示踪剂 其扩散规律满足下列定解问题： 尝哦窘惕争v 塞舢 c ( x ，y ，0 )