地下水分層精細(xì)勘查新模式
◎? 解偉 馮建月 王明明
針對(duì)我國(guó)當(dāng)前地下水勘查和監(jiān)測(cè)中存在的常規(guī)分層勘查效率低,、垂向探測(cè)不精細(xì)及水文地質(zhì)參數(shù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題,，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心（以下簡(jiǎn)稱“水環(huán)中心”）在借鑒和吸收國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上,，通過(guò)多年不斷探索和改進(jìn),，研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地下水分層勘查新技術(shù),。該技術(shù)結(jié)合一孔同徑分層成井,、含水層可控性封隔,、單孔多層自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等主要技術(shù)手段,，形成了“分層成井-分層洗井-分層抽水-分層采樣-分層監(jiān)測(cè)”地下水分層精細(xì)勘查新模式,，提高了水文地質(zhì)勘探工作效率,，達(dá)到精細(xì)刻畫水文地質(zhì)參數(shù)的目的，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)合理開(kāi)發(fā)地下水資源具有十分重要的意義,，為科學(xué)研究,、生產(chǎn)實(shí)踐、行政管理等提供了重要技術(shù)支撐,。
該技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)包括：一是能夠?qū)崿F(xiàn)“一孔多層”勘探孔分層采樣及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，可自動(dòng)高效獲取精確水文地質(zhì)參數(shù),；二是該技術(shù)施工成本低、占地面積小,、維護(hù)費(fèi)用低,；三是在工程施工方面，相比于傳統(tǒng)叢式水文地質(zhì)孔或一孔多次變徑鉆孔,，可提高工程效率至少50%,。基于上述特點(diǎn),，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)多個(gè)省區(qū)的水文地質(zhì)勘查,、煤田水害精細(xì)勘查、鋰鉀礦分層刻畫等領(lǐng)域,，并受到專家學(xué)者一致好評(píng),。
地下水分層勘查器具實(shí)物圖
創(chuàng)新研發(fā)歷程和技術(shù)構(gòu)成
作為水文地質(zhì)調(diào)查重要的技術(shù)手段，水文地質(zhì)鉆孔發(fā)揮著重要作用,，傳統(tǒng)的水文地質(zhì)鉆孔不能滿足水文地質(zhì)精細(xì)化勘查要求,。為實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)精細(xì)化勘查，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水資源量,，并根據(jù)地方需求制訂地下水合理開(kāi)發(fā)方案,，服務(wù)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，水環(huán)中心依托水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目,，組建了以水文地質(zhì),、鉆探、監(jiān)測(cè)儀器等多學(xué)科科研工作者為核心的研發(fā)團(tuán)隊(duì),，針對(duì)封隔成井,、分段洗井、分層抽水和監(jiān)測(cè)等方向開(kāi)展重點(diǎn)攻關(guān)和示范,，通過(guò)10多年的技術(shù)積累和迭代,，形成一整套成熟完整的地下水分層勘查技術(shù)，研發(fā)了滿足108毫米~325毫米井徑的系列化產(chǎn)品,，包括封隔器,、特種潛水泵、變頻調(diào)流設(shè)備,、井下監(jiān)測(cè)設(shè)備,、自動(dòng)傳輸設(shè)備及數(shù)據(jù)抗干擾設(shè)備，可應(yīng)用井深1000米以內(nèi)的分層成井,、分段洗井,、分層抽水和分層觀測(cè)等工作。
一是分層成井。在細(xì)顆粒地層或鉆孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地層分層成井過(guò)程中,，傳統(tǒng)的多層水文地質(zhì)鉆孔易出現(xiàn)鉆孔事故率高、礫料回填高度測(cè)量不準(zhǔn)確,、施工效率低等問(wèn)題,，研發(fā)封隔注漿分層成井技術(shù)，將成井工藝改進(jìn)為鉆進(jìn)→下管→全孔填礫→洗井→封隔注漿分層止水,，突破性地去除了“分層填礫和止水”這一鉆孔事故高發(fā)階段,，使得分層成井更加簡(jiǎn)單安全，大幅降低鉆孔分層成井事故率,，適用于1000米以內(nèi)多層水文地質(zhì)鉆孔分層成井,。
二是分層洗井。針對(duì)傳統(tǒng)洗井方法（活塞,、空壓機(jī),、潛水泵）對(duì)富水性極強(qiáng)的大厚度含水層洗井效果不徹底，獲得水文地質(zhì)參數(shù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題,，研發(fā)雙封隔器分段振蕩洗井技術(shù),，通過(guò)封隔器將鉆孔某一含水層段進(jìn)行封隔，并針對(duì)該目的層進(jìn)行強(qiáng)力振蕩洗井,，使勘探孔含水層出水能力無(wú)限接近其真實(shí)值,，可提高含水層富水性評(píng)價(jià)精度。
三是分層抽水,。鉆孔抽水試驗(yàn)是獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)的重要技術(shù)手段,。針對(duì)傳統(tǒng)分層抽水方法工序繁瑣、成本高,、分層數(shù)量有限及參數(shù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題,，開(kāi)展新型分層抽水技術(shù)研究，在有效完成分層止水的鉆（井）孔內(nèi),，根據(jù)不同層位,、不同厚度、不同深度的含水層,，將上,、下兩個(gè)封隔器下至井內(nèi)指定位置啟封，從而將目的層段與兩端非目的層段隔離,，利用潛水泵或取樣裝置對(duì)目的層段進(jìn)行抽水和采集水樣,，同時(shí)利用設(shè)置在目的層段上部、下部和中間的傳感器持續(xù)測(cè)量對(duì)應(yīng)層段地下水壓力和溫度變化,，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化裝置進(jìn)行觀測(cè)和記錄,，進(jìn)而獲取目的層段相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。
四是分層監(jiān)測(cè)?；旌媳O(jiān)測(cè)不能真實(shí)反映各含水層特性,。分層監(jiān)測(cè)技術(shù)可根據(jù)鉆孔分層數(shù)量及改建要求，將分層勘探孔改建為連續(xù)多通道多層監(jiān)測(cè)井或巢式監(jiān)測(cè)井,，實(shí)現(xiàn)分層水文地質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。
分層監(jiān)測(cè)技術(shù)示意圖
地下水分層抽水技術(shù)示意圖
成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用
助力高精度水文地質(zhì)調(diào)查。2014年~2018年,，地下水分層勘查技術(shù)支撐開(kāi)展“黑河流域1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查”國(guó)家地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目,，先后在黑河流域?qū)嵤┒鄬铀牡刭|(zhì)孔達(dá)40眼以上，最大分層數(shù)量為5層,，均采用地下水分層勘查技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行分段振蕩洗井,、分層抽水試驗(yàn)和分層采樣，獲得了高精度的水文地質(zhì)參數(shù),，深化了對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí),。一是為大厚度含水層非完整井水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法及計(jì)算公式的厘定提供了基礎(chǔ)；二是佐證了大厚度強(qiáng)富水含水層在洗井徹底情況下,，單位涌水量隨含水層厚度增加而增大的水文地質(zhì)認(rèn)識(shí),。
服務(wù)煤礦水害精細(xì)勘查。自2016年至今,，地下水分層勘查技術(shù)先后應(yīng)用于陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè),、陜煤榆北煤業(yè)、彬長(zhǎng)孟村礦業(yè),、黑龍江龍煤雙鴨山礦業(yè)等礦區(qū)水文地質(zhì)勘查,，通過(guò)進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)和分層觀測(cè)，對(duì)煤礦分層涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè),，為煤礦水害精細(xì)勘查提供了技術(shù)支持,，有效保證了煤礦正常生產(chǎn)安全。
支撐新疆羅布泊鉀鹽礦資源評(píng)估,。首次使用地下水分層勘查新技術(shù)對(duì)羅布泊鉀鹽礦鹵水地區(qū)含水層進(jìn)行分層抽水,、取樣和測(cè)試，在新疆羅布泊鹵水地區(qū)實(shí)現(xiàn)區(qū)域鹽礦精細(xì)調(diào)查,，查明各個(gè)含水層的涌水量和鹽量,，為新疆羅布泊鉀鹽礦儲(chǔ)量精確評(píng)估提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
(作者單位:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心)
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