利用充電法測定地下水的流速流向

馬安麗

(安徽省煤田地質局水文勘探隊，安徽 宿州234000)

利用充電法測定地下水的流速流向

馬安麗

(安徽省煤田地質局水文勘探隊，安徽 宿州234000)

在山東省濟寧某井田，使用電法儀對地下水進行充電法流速流向探測。首先通過常規(guī)測井確定含水層深度，以此確定供電電極A的井身位置為175 m，然后以鉆孔為中心，以45°等方位間隔布置測線，分別測量鹽化前后的電位值，最后根據(jù)觀測到的地下水鹽暈變化情況運用矢量合成和公式計算，得出該地下水的運移情況。該研究區(qū)地下水流向是 W21°10′N，流速約為 4.17 m/d。

充電法;鹽化;地下水流向;流速

在煤礦生產建設過程中，水害是影響煤礦安全生產和建設的重大災害之一。在礦井建設初期必須查明地下水流速、流向，為煤礦井下開拓及安全生產提供準確的地質依據(jù)。水文地質采用的觀測方法是:在鉆井周圍間隔一定的距離、一定的方位設計幾個觀測孔，以確定地下水的流速、流向，不僅費時費力，而且成本很高，利用電法儀查明地下水的運移情況是最有效、最經濟的方法之一。

1 原理

1.1 原理簡介

充電法是電法勘探的一種。通常在導電礦體的露頭上，接上供電電極(A)(一般是正極)充電，另一電極(B)置于遠離充電體的地方，供電時充電體為一等位體或似等位體，電流由充電體流入圍巖，形成穩(wěn)定電流場，該電場的分布特征與充電體的形態(tài)、大小和產狀等因素有關。在地面、鉆井或坑道中對其電場的空間分布進行觀測和研究，以了解礦體或其它導體的賦存情況，獲得所需要的地質資料。

當鉆孔揭露了含水層時，在鉆孔中放入食鹽，食鹽將不斷地被地下水溶解而帶入含水層，于是在鉆孔周圍的含水層中便形成一個沿水流方向延伸的電解質低阻帶，此低阻帶在電場中呈一等電位體。

通過對含水層中電解質低阻帶在電場中產生的等電位線隨時間的位移，研究地下水流向和地下水流速。

1.2 野外工作方法

1.2.1 電極的選擇

充電法的供電電極可以采用鐵或鋁合金電極，充電電極A可用單電極或電極組，無窮遠地面供電電極B最好采用電極組，以減小接地電阻，保證足夠的供電電流。

1.2.2 供電電極距離的選擇

供電電極B極和A極的距離為測區(qū)對角線長度的2倍以上，保證B極對測區(qū)的影響可視為零。測定地下水流速流向采用追索等位線法，B極應為充電點至邊緣測點距離的10倍以上，最好垂直于巖層走向鋪放，測量電極應使用紫銅電極棒。

2 應用實例

筆者對山東省濟寧某井田，使用電法儀對地下水進行充電法流速流向探測，本次工作的主要任務是:查明山東省濟寧某井檢查孔第四系、新近系松散層內含水地層地下水的流速流向。

2.1 測區(qū)地層物性特征及含水層位置

2.1.1 地層物性特征

根據(jù)以往地質資料，第四系、新近系厚 191.40～231.60 m，平均 208.19 m。由黃褐、棕黃色、灰綠色粘土、砂質粘土、含粘土粉砂，夾淺灰或灰白色含粘土中、細砂、含粘土中粗砂、砂礫及混粒土等組成。

2.1.2 含水層的確定

從鉆孔實際揭露情況，流速流量以接近基巖界面為原則，經常規(guī)測井曲線分析，170～185 m井段以細砂為主，總厚9.45 m。

2.2 施測方法

2.2.1 儀器設備

本次流速流向測定使用的儀器為DUK—2型高密度電法測量系統(tǒng)、DZD—4型多功能直流電法儀一套及經緯儀一臺。

2.2.2 測線布置

以觀測鉆孔為中心呈輻射狀分布，按照45°等方位間隔布置測線，測線的方向采用平面坐標方位，用經緯儀定出N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 方向，每條測線測量電極距要均等一致。

2.2.3 電極布置

根據(jù)含水層的位置將供電電極A(球型)極置于鉆孔175 m處，將供電電極 B極置于無窮遠，B電極距鉆孔1 500 m，8根電極組以井口為中心環(huán)形布極方式，電極距5～10 m，電極入土深度大于20 cm，并使其接地良好。

2.2.4 資料采集方法

將測量電極M置于井口，電極入土深度大于20 cm。測量電極N在事先布置好的測線上移動。在鹽化地下水之前，首先測定一次正常的各測線方向的等電位點。然后再將食鹽(NaCl)投入鉆孔中，并記下時間。間隔一定時間后，再沿各條測線依次觀測出鹽化后的等電位點，記下時間和該點距中心點的距離。為保證觀測流速流向的準確性，地下水鹽化后觀測等電位點不少于三次。

2.3 測量成果

2.3.1 流向的確定

根據(jù)施測數(shù)據(jù)(見表)，采用矢量法進行處理。地下水鹽化后，觀測的等電位點相對正常場等電位點的最大位移方向為地下水的流向，經矢量轉換后計算出地下水流向的方位角為 W21°10′N。

表1 地下水流速流向測量成果表

2.3.2 流速的確定

根據(jù)施測數(shù)據(jù)，采用流速公式計算流速。其流速為:4.17 m/d。

式中:t1，t2，t3—三次測定等電位點的時間;S1，S2，S3—三次測得的等電位點距中心點的位移。

2.3.3 結論

綜上所述，山東省濟寧某井田檢查孔175 m以淺地下水流向為 W21°10′N;流速約為 4.27 m/d。

3 效果評價

利用充電法測定地下水流速流向一般施測只需12 h，如果流速較大的地區(qū)，6～8小時即可。而本次僅用6個小時就完成了野外數(shù)據(jù)采集工作，工作效率高，省時省力，而且節(jié)約了大量的勘探資金。以本次測量為例，要獲得地下水流速流向，水文地質采用的觀測方法是在鉆井周圍設計幾個觀測孔，一般一個觀測孔從開孔到成孔需七天左右時間，所需勘探費用約20萬元，需要幾個這樣的觀測孔，時間與費用的節(jié)約是非常可觀的。實踐證明，利用充電法測定地下水流速流向不僅設備簡單，而且工效高。因此，利用充電法測地下水流速流向是值得大力推廣的。

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1004－1184(2011)05－0005－01

2011－03－28

馬安麗(1966－)，女，淮南鳳臺人，工程師，主要從事地球物理測井工作。