1. 引言
示踪实验是调查水文地质条件常用的方法，常常被用于调查地下水系统的水力联系、系统边界、系统结构和地下水流速等，也是岩溶区获取岩溶管道连通性及时特征和相关水文地质参数的重要途径 [1] - [6]。在水文地质调查基础上应用在线高分辨示踪技术，进一步分析岩溶水系统特征，对预防隧道涌水突水灾害、保障隧道施工安全具有重要意义。
随着示踪技术的发展，应用在线高分辨示踪技术，根据示踪剂历时曲线的形态特征分析岩溶地下水系统的空间形态，已经逐渐应用于岩溶水文地质研究中，成为国际岩溶水文地质研究的重要方向和趋势 [7] [8]。在我国研究中，在线高分辨率示踪技术自国外引进以来，以其精度高，操作便捷和成本低等优势，在地下水污染调查、岩溶水文地质调查，获取岩溶含水介质的管道特征和水文地质参数估算等方面得到了广泛应用 [9] - [14]。刘兴云和曾昭建 [15] 运用示踪实验有效查明了岩溶地区地下水水力联系，用以正确评价场区水文地质条件。易连兴等 [16] 运用示踪实验确认了北部区域的地下水分水岭边界、地下水连通介质结构。示踪实验对于确认地下水系统的结构特征、测明地下水流速有成功的应用 [17]。刘治政等 [18] 用示踪实验对王寨盆地水文地质条件进行了研究。示踪试验在岩溶地下水通道研究中也得到了成功的应用 [19]。刘人太等 [20] 将示踪试验方法引入到地下工程涌水治理中。示踪实验也被运用到水污染治理中，用于调查污染源源头。付宏学和冯念念 [21] 将示踪实验用于污染水源治理，查明了当地岩溶地下水对龙洞泉的补给关系和集中径流通道。示踪实验还可用于调查地下水的污染物运移路径和追溯污染源，污染源区与遗址周围地下水存在水力联系 [22]。因此，应用在线高分辨示踪技术，进一步分析岩溶水系统特征的研究，不论是获取水文地质参数、地下水污染，还是隧道岩溶涌水预测，都具有重要意义。
德江隧道位于贵州省德江至务川段，为德务高速段内一特长隧道，隧道全长5500.00 m，最大埋深557.11 m。隧道区内岩溶水文地质条件复杂、岩溶强烈发育，特别是隧道出口段处于富水向斜构造区，发育闹水岩地下河，为典型的地下河及管道型岩溶水系统。该地下河系统与隧道硐身立交，严重影响隧道施工。
示踪试验是研究地下水径流特征的有效方法，尤其是应用在岩溶地区的地下河系统，可相对直观地了解地下河管道延伸“轨迹”、含水介质空间结构、发育规模及其类型，确定地下水流向和流速，掌握地下管道间及管道与地表间的水力联系程度 [23] [24] [25]。因此，本文利用在线高分辨率示踪试验技术并结合水文地质条件分析的方法，依据2017年11月所做的示踪试验，对闹水岩地下河系统特征进一步分析，更直观地了解岩溶水系统结构特征及与隧道的空间位置关系。
2. 地质背景
可溶岩分布受地层岩性、地形地貌和构造控制 [25]。德江隧道区内出露地层 [17] 以奥陶系、志留系及二叠系分布最广，三叠系仅涉及下统夜郎组灰岩。第四系仅洼地、谷地底部见有些分布。其中，桐梓–红花园组(O1t-h)上部为中厚层灰岩夹白云质灰岩和白云岩，中下部页岩、介壳结晶灰岩，底部含燧石石灰岩；栖霞–茅口组(P2q-m)中上部为厚层灰岩，局部夹燧石灰岩，下部为厚层灰岩为主，夹瘤状泥质灰岩；吴家坪–长兴组(P3w-c)中至厚层灰岩，夹炭质页岩及煤层。其中，隧道出口段主要穿越志留系及二叠系地层。
德江隧道依次近似以正交横穿文新断层、长丰背斜和石朝向斜。其中，石朝向斜核部位于隧道出口段，桩号ZK10 + 195附近。该向斜平缓开阔，地貌上呈向斜谷地，形成盆状蓄水构造。向斜轴部走向北东20˚~30˚，核部由三叠系夜郎组、二叠系灰岩组成，南端翘起封闭；两翼不对称，北西翼较平缓，倾角15˚~30˚，南东翼较陡，倾角20˚~50˚，两翼主要发育二叠系和志留系地层。该向斜区的横张裂隙及纵张裂隙分布广泛，沿横张裂隙发育串珠状洼地，沿轴部纵张裂隙发育的落水洞、洼地密集分布，地下河管道即沿向斜核部延展。如：闹水岩地下河系统，该系统东北部地表水系发育，主要接受明溪地表水汇流补给。地下河管道经煤厂DJ04洼地–DJ03 (消水洞)–DJ05 (消水洞)–沙溪岩溶洼–DJ21 (地下河天窗)径流补给于闹水村出露。汇水面积29.1 km2。地下河总体由北向南方向径流，在向斜南西翘起端，受灰岩与页岩的接触面上形成的水平溶洞出露，层控型地下河系统，也是典型的向斜型岩溶蓄水构造 [26]，详见图1。
3. 示踪试验
3.1. 示踪实验的目的
由于闹水岩地下河系统上游(补给区)落水洞、地下河入口较多，地下河进口与地下河出口之间地下结构、形态尚不清楚，特别是四堡水库消水洞、汪家坝消水洞以及黄泥溪洼地的水流进入地下后，是否是向南径流，最后汇入闹水岩地下河系统，关系到地下水系统边界的划分问题。
为此，针这些问题开展了本次示踪试验，力求：1) 查明系统内地下河、岩溶管道的连通展布；2) 求算地下水流速、流向；3) 确定地下河系统边界；4) 了解溶质在岩溶含水层中的运移、弥散特征。
Figure 1. Hydrogeological sketch of the study area
图1. 研究区水文地质略图
3.2. 试验地点及范围
本次闹水岩地下河系统示踪试验地点位于沙溪土家族自治乡北侧的汪家坝、四堡村一带和南部的袁家坡及狮岭岗一带。共涉及沙溪土家族自治乡四堡村、榨子塘村、桃耳沟、汪家坝、黄泥溪村、舒家寨、黑龙池、苏家村、孙家土、细沙溪村、万坝村、明溪、袁家坡、狮岭岗、乌泡坨、赵家、闹水村等十七个村，南北长约9 km，东西宽约3~4 km。
投放点与接收点选择，根据岩溶水文地质调查根据岩溶水文地质调查，闹水岩溶地下河系统具有示踪试验投放点条件分析如下(表1)：
1) 闹水岩地下河系统北侧汪家坝、黄泥溪一带，发育多个消水洞，为了摸清该区与闹水岩地下河的水力联系，同时确定系统北部边界，分别选取DJ03、DJ05、DJ96消水洞作为示踪投放点。
Table 1. Basic information of tracer delivery points and receiving points
表1. 示踪投放点与接收点基本情况一览表
2) 隧道中段孙家土一带的南侧1 km范围内发育多处地下河入口(DJ19、DJ20)及天窗(DJ21)，为了掌握闹水岩地下河系统主管道发育特征，摸清该区域与闹水岩地下河出口之间的水力联系，选取DJ19地下河入口以及DJ21天窗作为示踪试验的投放点。
3) 根据调查，闹水岩岩溶水系统及周边主要排泄点为闹水岩地下河出口；为了掌握系统北部汪家坝、四堡水库一带岩溶地下水与地下河出口(DJ22)之间的水力联系及系统边界，选取闹水岩地下河出口(DJ22)为示踪试验接收点。此外，为掌握孙家土一带地下河系统径流区的管道发育情况，同时选取地下河天窗(DJ21)为示踪试验的另一接收点。
示踪试验投放点、接收点分布情况，详见图1。
3.3. 示踪剂选择和投放量
示踪剂的选择，以无毒、易溶于水，化学性质稳定，在地下水运移过程中不易被土壤及围岩所吸收，不受离子交换影响、检测方便及价廉等原则 [15]。并根据区域水文地质调查情况，结合以往的示踪试验经验，并考虑当地的饮用水安全及经济、技术条件等因素。本次选用钼酸铵、罗丹明B和荧光素钠，开展三元示踪试验。
示踪剂投放量(表2)按经验公式 [27] 计算：
(1)
W：示踪剂元素投放量(kg)；
K：岩溶率系数(与岩溶发育、孔隙度有关的系数一般为1.5~2.5)；
Q：示踪区段地下水估算总水量(L) (Q = 接收点当天总排泄量(L/d) × 预计示踪到达时间(d))；
C：本示踪段地下水示踪剂本底值(ppb/L)。
3.4. 示踪剂的监测
本次示踪离子的检测，主要采用野外在线高分辨率自动监测仪，FL30-662型和FL24-970型高灵敏度荧光光度计；人工采样室内测试主要采用ICP-MS型极谱仪。本次试验所使用的分析仪器及示踪离子的最低检测浓度见表3。
Table 2. List of tracer dosing at each tracer delivery point
表2. 各投放点示踪剂投放一览表
Table 3. List of minimum detection concentrations of tracer ions
表3. 示踪离子的最低检测浓度一览表
4. 试验结果与分析
4.1. 示踪剂历时曲线分析
示踪剂浓度随时间的变化与弥散系数和地下水的流速有关。理论上，在地下水中，示踪剂弥散范围的中心浓度最高，前后逐渐降低，观测点所测得的浓度变化曲线应为两翼略具对称的单峰曲线 [28] [29]。因此，示踪剂历时曲线是由一个或多个单峰曲线组成，主要分为单峰曲线、多峰曲线及平台曲线 [30] [31]。具体分类如下表4。
Table 4. List of tracer duration curve classification
表4. 示踪剂历时曲线分类一览表
图2为DJ03至DJ22段罗丹明B穿透曲线，在DJ03处投放罗丹明B约174小时后有明显接收值，按径流距离8.9 km计，自DJ03至地下河总出口(DJ22)，地下水流动速度约51.1 m/h；穿透曲线总体上为“先高后低”钝峰曲线，略有“拖尾”现象。
图3为DJ05至DJ22段荧光素钠质量浓度穿透曲线。该次试验荧光素钠初现时间为168 h，按径流距离7.6 km计，自DJ05至地下河总出口(DJ22)，地下水流动速度约45.2 m/h；从中可以看出荧光素钠的穿透曲线出现密集的多峰，其原因是消水洞DJ05 ( 照片1 )为地下水季节性入口，洞口狭小且有粘土，示踪剂部分附着在粘土上，在试验期间出现不同强度的多频次降雨，示踪剂不同程度的带入水中。因此，穿透曲线出现密集的多峰，但总体上为“先高后低”钝峰曲线，有明显的拖尾现象。
Figure 2. Penetration curve of Rhodamine B from DJ03 to DJ22 (FL30-662)
图2. DJ03至DJ22段罗丹明B穿透曲线(FL30-662)
Figure 3. Penetration curve of Fluorescein sodium from DJ05 to DJ22 (FL30-662)
图3. DJ05至DJ22段荧光素钠穿透曲线(FL30-662)
Photo 1. Tracer delivery point of Wangjiaba sinkholes (DJ05)
照片1. 汪家坝落水洞(DJ05)示踪剂投放点
DJ03和DJ05是分别处于地下河系统不同位置的两个消水洞，两点相距1.3 km，两者之间的地下水通道结构单一，不影响地下水系统下游段示踪剂穿透曲线的大幅变化。因此，图2和图3，穿透曲线总体上为“先高后低”钝峰曲线，有明显的拖尾现象。地下河系统北部四堡水库(DJ03)至汪家坝消水洞(DJ05)段，地下水流动速度相对较快，地下水流较通畅。其原因是DJ03 ( 照片2 )为四堡水库边一近垂直向下发育的消水洞，地下过水通道相对较大，消水畅通。
Photo 2. Tracer delivery point of Sibao reservoir water dissipation holes (DJ03)
照片2. 四堡水库消水洞(DJ03)示踪剂投放点
图4为DJ19至DJ22段罗丹明B穿透曲线，DJ19处投放罗丹明B约31h后，总出口DJ22就有明显的接收值，按照投放点至接收点间距离2.2 km为计，地下水在该段地下河管道中径流速度71 m/h，地下水流较为通畅，示踪剂浓度在到达峰值后随着浓度的稀释逐渐变小，穿透曲线总体呈现“对称尖峰”，但略有“拖尾”现象。
4.2. 地下水系统特征分析
由图2和图3历时曲线特征及水文地质调查资料：地下河系统北部四堡水库(DJ03)投放的罗丹明B和在汪家坝落水洞(DJ05)投放的荧光素钠，在地下河总出口(DJ22)均有着良好的曲线且总体上曲线特征基本一致。从曲线特征可说明投放点发育相对单一地下水通道，地下水流较为通畅，但在管道中间发育有溶潭(如DJ21天窗处)，且积水量大，对示踪剂有稀释作用，导致浓度曲线呈现“拖尾”现象。
Figure 4. Penetration curve of Rhodamine B from DJ19 to DJ22 (FL30-662)
图4. DJ19至DJ22段罗丹明B穿透曲线(FL30-662)
调查发现，闹水岩地下河系统总体由北向南方向径流，在向斜南西翘起端，受灰岩与页岩的接触面上形成的水平溶洞出露，是一层控型地下河系统，也是典型的向斜型岩溶蓄水构造。其平面上总体呈枝支状展布(如图1)，但未发现较大支流，支流多为地下河与消水洞的连通部分或为脉状岩溶裂隙，且多为季节性过水通道。垂向上地下河系统具有双层结构特征，特别是地下河系统中下游段，如地下河出口段(DJ22)附近，如图5。
Figure 5. Section of underground river outlet (DJ21)
图5. 地下河出口(DJ21)段剖面图
由图5历时曲线特征及水文地质调查资料：地下河系统一支流主要为季节性入水口(DJ19)于天窗(DJ21)附近汇入地下河主通道，最后至地下河总出口(DJ22)。该段主要部分为地下河总出口段，结构简单且地下水流畅通，地下水在该段地下河管道中径流速度71m/h。
5. 结论与讨论
德江隧道为典型的特长强岩溶隧道，隧道硐身大部分穿越岩溶蓄水构造。地层上以O1t-h和P2q-m、P3w-c的灰岩为主，构造上横穿文新断层、长丰背斜和石朝向斜，且地表、地下岩溶发育，发育大型地下河系统——闹水岩地下河。本文在水文地质调查基础上，开展了示踪实验。示踪剂历时曲线总体上呈“先高后低”的钝峰曲线，且有拖尾现象。表明闹水岩地下河系统北侧汪家坝、黄泥溪一带是闹水岩地下河的重要补给区，具有密切的水力联系，平水期的地下河水流速处于40 m/h~50 m/h之间。结合水文地质调查和本次示踪实验数据分析，该地下河系统结构简单，地下水通道单一，局部以育溶潭。从平面上，闹水岩地下河呈树枝状展布，但未发现较大支流，支流多为地下河与消水洞的连通部分或为脉状岩溶裂隙，且多为季节性过水通道。垂向上地下河系统具有双层结构特征，特别是地下河系统中下游段。本文着力对示踪试验在研究地下水系统问题中的应用问题进行有益探索，指导了工程实践，也是确保隧道施工安全及全线顺利贯通的有力保障。
基金项目
贵州省交通厅科技项目(2020-123-004)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。