地下水科学与工程中的示踪实验研究进展

"示踪实验在国内地下水科学与工程领域中的研究简述，马闯，河海大学地质工程系，南京(210098)，E-mail:machuang614@sina.com.cn" 示踪实验在地下水科学与工程中扮演着至关重要的角色，它能够帮助科学家和工程师们深入了解地下水系统的动态特性，包括含水层参数的测定、岩溶地区的水力联系探测、坝基渗漏检测以及管涌位置的定位等。这一技术基于示踪剂的运用，即使用特定物质来追踪地下水的流动轨迹和行为。 示踪剂是示踪实验的核心，它被定义为一种能够溶于地下水的标志性物质。根据来源，示踪剂可分为两类：天然示踪剂和人工示踪剂。天然示踪剂包括环境同位素，如氘、氚、18O、13C和34S，以及地下水中的污染物指标，如海水中的氯离子和污染源中的有害成分。人工示踪剂则包括离子化合物（如氯化物和溴化物）、放射性同位素（如131I）以及有机染料（如靓蓝和萤红素）。选择哪种示踪剂取决于具体研究目的和技术需求，例如同位素示踪用于研究自然过程，而污染物示踪则针对污染问题。 示踪实验的理论研究主要集中在建立数学模型上。例如，对于一维不可压缩流体的示踪情况，溶质扩散遵循扩散方程（1），其中包含了溶质浓度c、分子扩散系数Dd和流体平均流速v。而在更复杂的情况下，如考虑流体的各向异性，可以使用流体动力弥散方程（2）来描述二维弥散现象，该方程引入了纵向扩散系数DL。 在国内的研究中，马闯提出了一种交叉裂隙管流数学模型，这一模型在理解复杂地质结构中地下水的流动特性方面具有重要意义。交叉裂隙的存在使得地下水流动更加复杂，而通过该模型，研究人员能更好地预测和模拟地下水在这些结构中的行为。 实际应用中，示踪实验通常结合现场试验进行。例如，在岩溶地区，通过注入示踪剂来观察其在溶洞和裂缝网络中的传播，从而揭示地下水的流动路径和速度，这对于水资源管理和环境保护至关重要。同样，检测坝基渗漏时，示踪剂的使用可以帮助确定渗漏的具体位置，以便及时采取补救措施。此外，寻找管涌位置也是示踪实验的重要应用场景，它有助于评估工程结构的安全性。 示踪实验作为地下水科学与工程的一种强大工具，其理论研究和实际应用在国内不断深入和发展。未来的研究方向可能包括开发更为精确的数学模型，探索新型示踪剂，以及优化示踪实验的设计和实施方法，以应对地下水系统中的复杂挑战。