一种适用于填埋场底导水断裂带空间识别的痕量示踪方法

本发明属于填埋场地下水优势通道识别领域的一种痕量示踪方法，尤其涉及了一种适用于填埋场底导水断裂带空间识别的痕量示踪方法。

背景技术：

1、为实现各类固体废物填埋场的渗滤液污染控制，填埋场堆体底部通常设置防渗衬垫。但防渗衬垫在填埋或贮存渗滤液过程中极易破损，渗滤液可通过场底岩层中的导水断裂带向填埋场下游快速迁移，并在深层裂隙水中形成污染羽。其中，导水断裂带具体是指地下岩层介质受断裂活动影响发生破裂和变形，形成具有一定导水能力的断裂区域，其水文地质参数与岩层存在较大差异，且断裂带网络分布具有一定方向的连通性。导水断裂带可加速裂隙水污染羽迁移，甚至导致污染物渗入深层裂隙水，增加渗滤液产生量和污染裂隙水处理量，显著加大了裂隙水污染追踪和修复治理的难度。而导水断裂带网络是由具有复杂裂隙网络和多路径特征的多条导水断裂带组成，其高渗透性（渗透系数

k≥5×10-5 m/s）为填埋场中的污染物提供了快速迁移通道，往往导致地下水污染羽的空间特征难以识别。

2、化学连通示踪方法是追踪地下水连通信息的有效途径之一，根据观测井的示踪剂离子浓度值变化曲线，可表征溶质迁移的关键水文地质参数。而盐类示踪剂具有低成本和环境影响微弱等优点，是最常用的水文示踪剂之一。其中，氯离子（cl-）、溴离子（br-）和碘离子（i-）等阴离子应用广泛。但填埋场地下水中通常具有较高背景浓度的阴离子（浓度约为10-2 mg/l及以上），需加大投放量方可实现多路径导水断裂带的连通示踪，且采用离子色谱仪的检测效率较低（单次多离子检测耗时≥30 min）。

3、国内部分场地已开展了填埋场污染迁移追踪相关的现场示踪试验，但暂时仅针对填埋场底部衬垫和覆盖层的渗漏进行监测，该技术在填埋场底部深层污染地下水的迁移路径追踪应用还有待进一步发展。费爽珂等在浙江某填埋场开展了渗滤液渗漏探测的现场示踪试验，明确了堆体底部衬垫渗漏源范围。

4、此外，国内也有若干关于痕量化学示踪剂的专利报道，包括全氟烷基类水基和油基痕量化学示踪剂，多数应用于石油天然气开采领域（曾斌等，cn107989600a；曾斌等，cn108005641a；张佩波，cn114562256a）；部分采用氟苯甲酸示踪剂探测填埋场渗漏通道（谢海建等，cn115828528a）；也有涉及惰性示踪气体六氟化硫（sf6）探测填埋场渗漏的案例（王巧等，cn114254484a）。但上述专利均未采用无机痕量阳离子示踪剂，且未形成针对导水断裂带网络的全流程识别方法。

技术实现思路

1、针对背景技术中存在的缺陷和问题，本发明目的在于提供一种适用于填埋场底导水断裂带空间识别的痕量示踪方法。本发明将填埋场地下水中的痕量离子（浓度约为10-3 mg/l量级及以下）中的锂离子（li+）、锶离子（sr2+）和钼离子（mo6+）三种金属阳离子作为痕量示踪剂，在低投放量下仍为识别多路径导水断裂带的良好示踪剂，其最小有效投放量较cl⁻减少50% 以上，可采用电感耦合等离子体质谱仪等实现多种阳离子的高效检测（单次多离子检测耗时≤5 min），可以有效解决“填埋场底导水断裂带网络难以识别，且阴离子盐类示踪剂背景浓度高”这一问题，可有效追踪填埋场底导水断裂带空间分布特征。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、步骤1：在填埋场布设投源井和观测井；

4、所述步骤1具体为：

5、步骤1.1：对填埋场进行水文地质和污染渗漏调查，获得该填埋场的水文地质污染勘探数据；

6、针对卫生填埋场，于堆体上游、下游及周边开展水文地质调查和污染渗漏调查。水文地质调查包括钻孔岩芯勘探、压水试验和地下水位监测，钻孔岩芯勘探用于获取场区岩层类型，压水试验用于获取岩层渗透系数，地下水位监测用于获取渗流场分布。污染渗漏调查包括水质动态测试和钻孔剖面测井，选择氨氮和氯化物为代表性污染物，水质动态测试获得污染羽的水平分布，钻孔剖面测井获得污染羽的竖直分布。针对非正规填埋场，于堆体内、上游、下游及周边开展水文地质调查和污染渗漏调查，调查内容同卫生填埋场一致。

7、步骤1.2：根据该填埋场的水文地质污染勘探数据布置投源井；具体包括：

8、根据水文地质污染勘探数据中的填埋场堆体上游钻孔岩芯勘探情况，选择多口具有高渗透性破碎岩芯区段（渗透系数

k≥5×10-5 m/s）的岩层深井为投源井。岩层深井需囊括松散土层和裂隙岩层（岩层深井的深度

d≥50 m）。透水筛管于初见水位高度处开始布设，底部设置2~5 m的沉淀管区段。钻孔建井可采用内径为75 mm的upvc管，管周填充碎石滤料，顶部装有防水盖。

9、步骤1.3：在各投源井内进行地下水流向和流速测试，获得地下水测试数据；具体包括：

10、应用胶体管道镜在投源井内的高渗透性区段开展地下水流向和流速测试。根据矢量总流向判断观测井布置方位，根据矢量总流速预估观测井取样频次，该流速数据可与后续投源井电导率反演结果进行对比。

11、步骤1.4：结合水文地质污染勘探数据和地下水测试数据布置观测井，形成至少包含下游观测井的监测网络；具体包括：

12、根据填埋场堆体内部、下游及周边的钻孔岩芯勘探和污染渗漏情况，选择多口具有破碎岩芯区段（渗透系数

k≥5×10-5 m/s）或高污染迁移速率（浓度梯度

gm≤10 mg /(l•m)）的岩层深井（岩层深井的深度

d≥50 m）为观测井。针对卫生填埋场，观测井布设于堆体下游及周边；针对非正规填埋场，增加堆体内部观测井，形成“上游-内部-下游”监测网络。岩层深井的井管布设同投源井一致。

13、步骤2：筛选痕量示踪剂，将筛选获得的痕量示踪剂投放至投源井内，并监测观测井内的痕量示踪剂浓度；

14、所述步骤2具体为：

15、步骤2.1：进行所有投源井和观测井内地下水的取样，应用电感耦合等离子体光谱仪测试地下水中锂离子、锶离子和钼离子三种示踪剂的背景浓度，将背景浓度≤0.005mg/l的一种或多种示踪剂作为最终的痕量示踪剂，其检测限需达10-3 mg/l量级；即痕量示踪剂为锂离子、钼离子和锶离子三种金属阳离子中的一种或者多种的组合，锂离子、钼离子和锶离子均为填埋场地下水中痕量离子（浓度约为10-3 mg/l量级及以下），通过不同离子的迁移速率差异，可同步解析导水断裂带的渗流非均质性。本发明选择的锂离子、钼离子和锶离子较传统阴离子示踪剂检测限低1~2数量级，实际可对应选择易溶于水的氯化锂（licl）、钼酸铵（(nh4)2moo4）和氯化锶（srcl2）试剂投放。

16、步骤2.2：计算痕量示踪剂的用量；

17、痕量示踪剂的最小有效投放量需根据投放距离、含水层特性、示踪离子背景浓度和地下水流动形式等综合确定。痕量示踪剂的用量根据修正后的brigham-smith经验公式计算：

18、

19、其中，

ws为单一示踪剂的最小有效投放量（kg）；

ms为示踪剂的摩尔质量（g/mol）；

ma为有效示踪物质的摩尔质量（g/mol）；

n为每摩尔示踪剂中有效示踪物质的摩尔数；

y为示踪剂的纯度；

β是修正系数，根据监测范围确定；

h为含水层的平均有效厚度（m）；

θ为孔隙度，无量纲；

sw为饱和度，无量纲；

cp,max为有效示踪物质高出背景值的质量浓度（mg/l），

cp,max需根据背景值确定，一般比背景值高出最低检测限的15倍以上；

α为分散系数，一般取值0.015；

l为示踪剂投源井到观测井之间的最远直线距离（m）。

20、根据该式计算投放量

ws的具体值，获得示踪剂的最小有效投放量。

21、步骤2.3：将筛选获得的痕量示踪剂投放至投源井内，并监测观测井内的痕量示踪剂浓度，以实现导水断裂带的追踪；具体包括：

22、应用痕量示踪投放和监测设备将示踪试剂于溶液搅拌筒内充分溶解，通过潜水泵快速泵入投源井，智能多参数变送器实时监测投源井内地下水的电导率纵剖面。电导率纵剖面数据通过下式转化为示踪剂浓度，即转化为示踪剂浓度的稀释变化情况，可实时反映含水层渗透性的垂向差异：

23、

24、其中，ec为电导率数值（μs/cm）；a、b和c为通过室内试验确定的3个拟合系数，以100 mg/l为界限分高、低浓度拟合。

25、分别于不同的取样时间在各观测井内取样，交叉检测各观测井的样品中多种痕量示踪剂的浓度。痕量示踪剂将优先通过透水性极高的导水断裂带通道。这样，在导水断裂带中的岩层深井会率先接收到示踪剂。其中，堆体内部的岩层深井仅针对非正规填埋场。

26、步骤3：根据观测井内的痕量示踪剂浓度的监测结果，进行击穿曲线特征和导水断裂带连通性分析。

27、所述的步骤3具体为：

28、步骤3.1：根据各组观测井内的痕量示踪剂浓度的监测结果(即取样测试结果)，绘制示踪剂浓度

ct随时间

t的变化曲线；示踪剂浓度

ct随时间

t的变化曲线即击穿曲线，其形状可以分为单峰曲线、多峰曲线和平台曲线等。导水断裂带通常空间位置复杂，渗流和迁移特征难以精准刻画，且击穿曲线易呈现“多峰”和“拖尾”特征。

29、步骤3.2：根据示踪剂浓度

ct随时间

t的变化曲线进行示踪参数的提取和拟合，获得击穿曲线特征；具体包括：

30、示踪参数包括特征参数和拟合参数。基于示踪剂浓度

ct随时间

t的变化曲线的形状获得特征参数，包括见剂时间

tfd、峰值到达时间

tp、峰值浓度

cp、峰值流速

vp、平均流速

vm、示踪剂平均停留时间

tm和示踪剂回收率

r。利用经典对流-弥散模型（ade）和移动-不动模型（mim）对示踪剂浓度

ct随时间

t的变化曲线拟合分析后，获得拟合参数，包括渗流速度

vs、弥散度

α、分配系数

kd和不均匀系数

β，由特征参数和拟合参数一起组成击穿曲线特征。

31、步骤3.3：根据示踪剂浓度

ct随时间

t的变化曲线绘制示踪剂浓度分布云图；具体包括：

32、针对不同痕量示踪剂，应用surfer插值绘制不同监测时间的示踪剂浓度分布云图和各观测井的峰值浓度

cp分布云图，可分析不同断裂带的渗流贡献比例。

33、步骤3.4：综合水文地质污染勘探数据中的现场水文地质条件、污染渗漏情况、击穿曲线特征和示踪剂浓度分布云图，分析示踪剂在填埋场多路径导水断裂带连通作用下的迁移路径和扩散规律，实现导水断裂带网络中溶质动态迁移路径的逆向溯源，建立击穿曲线时序特征与导水断裂带空间分布的映射关系。

34、本发明通过在填埋场堆体上游以及堆体内部、下游和周边的岩层深井中分别布置投源井和观测井，将痕量示踪溶液投放至填埋场底含水层中，再利用导水断裂带和一般含水层的渗透性差异，驱使痕量示踪剂优先通过导水断裂带到达堆体内部、下游及周边的观测井，根据首次接收示踪剂的时间和峰值浓度等击穿曲线特征参数，获得导水断裂带的影响范围和补给速率等。

35、本发明的有益效果为：

36、1、本发明的痕量示踪方法可解决传统方法难以识别复杂断裂带网络的问题。通过在填埋场堆体上游、内部、下游及周边交叉布设岩层深井网络，投放和接收多种痕量示踪剂，结合击穿曲线特征参数和电导率纵剖面动态数据的多参数耦合分析，能够有效识别导水断裂带的三维空间分布特征。

37、2、本发明的痕量示踪剂为填埋场地下水中化学性质稳定、背景值和检出限极低的无机金属阳离子，包括li+、mo6+和sr2+。基于brigham-smith公式动态优化最小有效投放量，较传统cl-示踪剂减少约70%~80%的投放量，且li+、mo6+和sr2+的生态毒性低于全氟烷基类示踪剂，兼具低成本与环境兼容性。

38、3、本发明的痕量示踪投放和监测设备，可实现示踪剂溶解和投放、地下水流速和流向测试、以及纵剖面电导率同步监测，降低对导水断裂带连通性的误判概率。将传统单峰击穿曲线的经验判读转化为多峰拖尾曲线的参数化解析，通过见剂时间和峰值浓度等特征参数的耦合计算，实现导水断裂带网络中多路径迁移比例的量化评估。

39、综合上述，本发明通过在填埋场堆体上游以及堆体内部、下游和周边交叉布设岩层投源井和观测井，结合击穿曲线特征参数、电导率纵剖面数据与多参数耦合分析，解析导水断裂带三维空间分布及多路径渗流特征，实现深层地下水迁移路径追踪和渗流速度的动态检测。本发明具有环境干扰小，识别精度高，解析效率快，应用灵活性强等优势，可为填埋场污染羽迁移预测与防控提供高精度技术支撑，具有显著的工程推广价值。