水文物探方法在測定地下水流速流向中的應用

張玉良

摘 要：采用水文物探方法測定地下水流速流向，確定水文地質參數，成倍地提高了工作效率和節約成本。文章根據沙章圖煤礦某檢查孔資料，系統介紹了水文物探的工作原理、技術方法，并對應用效果進行了評價。

關鍵詞：水文物探；自然電位法；充電法；鹽化；地下水流向；流速

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0160-03

Abstract： The method of hydro-geophysical exploration is used to determine the flow direction of groundwater velocity as well as the hydrogeological parameters， which improves the working efficiency and saves the cost. Based on the data of an inspection hole in Shazhangtu Coal Mine， this paper systematically introduces the working principle and technical method of hydro-geophysical exploration， and evaluates the application effect.

Keywords： hydrogeophysical exploration； natural potential method； charging method； salinization； groundwater flow； velocity of waterflow

1 概述

礦井水災不僅影響正常生產，惡化工作環境，增加排水費用，縮短儀器設備的使用壽命，也直接影響人身安全，造成煤礦資源財產損失甚至重大人員傷亡，給國家和人民生命財產造成不可估量的損失，做好礦井防水工作是保證礦井安全生產的重要內容之一。因此查明地下水徑流分布規律尤為重要，運用水文物探方法中的自然電位法和充電法解決地下水流速流向問題是最有效、最經濟的方法。

2 原理

2.1 自然電位法

當地下水溶液在一定的滲透壓力作用下，通過多孔巖石中的孔隙、裂隙時，由于巖石顆粒表面對地下水中的正、負離子具有選擇性的吸附作用，便出現了正、負離子分布不均衡，因而形成了巖石的自然極化。由于巖石顆粒表面吸附了負離子，使得在運動的地下水中集中了較多的正離子，形成了在水流方向為高電位，背水流方向為低電位， 即補給區為負，排泄地區為正，這種場是由于水被巖石顆粒過濾而產生的，故而稱為過濾電場，通過對地表過濾電場的研究探測地下水流向。

自然電位法是研究自然電場的分布規律來解決地質問題的一種探測方法。它無需供電，設備和工作方法簡單，效率高而被廣泛應用。

2.2 充電法

充電法是將食鹽（NaCl）作為指示劑投放在鉆孔中，由于食鹽在水中溶解，隨著水的流動進入含水層，在含水層中形成一個NaCl的電解質低阻帶，此低阻帶在電場中呈一等電位體。初始時，低阻帶的中心與鉆孔中心一致，隨著地下水的流動，低阻帶沿地下水的流動方向擴展較快，鹽水中心也向地下水流動方向移動。當向鉆孔中地下水充電時，地表觀測的等電位線也隨時間向地下水流動方向位移，形成一個沿地下水流動方向的高濃度鹽水帶。根據此帶位移的方向和速度來確定地下水的流速和流向。實際的原理就是水在流動帶動食鹽的流動，根據流動的距離測定食鹽的流速。

充電法是利用地質對象與圍巖間導電性差異為基礎，解決地質問題的一種探測方法。它需要供電，儀器設備不僅要有供電系統，還要有測量系統，其儀器設備與電阻率法相同。

3 應用實例

筆者對沙章圖煤礦某井檢查孔使用自然電位法和充電法對地下水進行流速流向探測。其目的是查明沙章圖煤礦某檢查孔第三、第四系松散層內含水地層以及風氧化帶內地下水的流速流向。

3.1 地層物性特征

沙章圖煤礦位于內蒙古自治區鄂托克前旗境內，沙章圖煤礦某井檢查孔位于鄂托克前旗約2公里處。根據以往地質資料，第四系（Q）由風積沙和粘土組成，平均厚度23.05M。下部由第三紀新近系（N2）紫紅色砂質粘土組成，平均厚度200.86M。呈團塊狀、膠結致密具塑性，是第四系良好的隔水層。新近系的底部由呈半膠結、較疏松的砂礫石巖組成，平均厚度14.92M，砂礫石層孔隙發育，滾圓度差，透水性好。與下伏地層呈不整合接觸。

從某檢孔實際揭露情況看，新近系以砂質粘土為主，中下部有粗砂-細砂層。底部砂礫層厚11.10M，膠結致密，裂隙不發育。與下伏煤系地層呈不整合接觸。

3.2 野外工作方法

3.2.1 自然電位法

以鉆孔為中心，以45°等方位間隔布置測線，呈輻射狀分布，測線的方向用平面坐標方位，用專用測量儀器定出N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方位。每條測線測量電極距要均等一致。采用電位觀測法進行測量，將不極化電極M設置在測線的中點，另一個不極化電極N在事先布置好的測線上移動，電極距30米，依次測量與不極化電M之間的自然電位差。

3.2.2 充電法

充電法測線布置與自然電位法相同。從鉆孔實際揭露情況，以及常規測井曲線上分析110～170M井段，以砂質粘土為主，中下部發育含水砂層，新近系底部為砂礫層。故將供電電極A極置于鉆孔150M和210M處，將供電電極B極置于無窮遠，B電極距鉆孔1500米， 以保證測區電場的均勻和減小接地電阻，增加供電電流強度。8根電極組以環形布極方式電極距5～10米。將測量電極N置于北西測線上，距離鉆孔10米。測量電極M在事先布置好的測線上移動。鹽化前先測定一次正常的各測線方向的等電位點，鉆孔周圍介質是均勻各項同性時，等位線近似為一個圓形。再將食鹽投入鉆孔中，記錄投鹽時間。按一定時間間隔，依次追蹤尋找與鹽化前N極等電位的點。記下時間和該點距中心點的距離。

3.3 資料處理與解釋成果

3.3.1 資料處理

自然電位法

觀測結果按公式計算出各測點的自然電位，用計算機繪圖軟件制圖，經矢量合成轉換后，長軸方向為地下水流向。

充電法

投鹽前進行正常場測量，投鹽后測量便測得異常等位線，由于含鹽水溶液沿地下水流動方向緩慢移動，使等位線沿水流方向具有拉長的形態，溶液移動了L長的距離，地下水的流速按下列公式求出：V=L/△t

從正常等位線的中心與異常等位線的中心的連線便可確定地下水的流向。

3.3.2 成果資料

（1）自然電位法（見表1）

（2）充電法（見表2）

3.3.3 結論

沙章圖煤礦某檢查孔自然電位法測定地下水流向：某井井筒檢查孔地下水流向為S29°20'46"E～S36°30'25"E；充電法測定地下水流向、流速：沙章圖煤礦某井檢查孔150米以淺地下水流向為S20°45'16"E～S22？15'25"E，流速為2.12米/天～2.48米/天；風氧化帶210米水流向為S19°20'05"E～S21°58'15"E，流速為2.37～2.47米/天。綜合分析確定：某井井筒檢查孔地下水流向為；S19°20'05"E～S22°15'25"E。流速為2.12～2.48/天。

4 效果評價

利用水文物探方法測定地下水流速流向方法簡單，效率高，是一種行之有效的物探方法。近年來，我們運用水文物探方法在安徽、山東、內蒙古等地區對多口井筒檢查孔進行了流速流向測定，通過測定各含水層流速流向情況，能基本查清該地區地下水徑流分布規律，為礦井建設提供了科學依據。實踐證明，自然電位法和充電法配合運用，相互佐證，大大提升了測量結果的可信度和準確性，為煤礦建井提高可靠的水文地質參數。

參考文獻：

[1]王玉玨.水文物探方法測定地下水流速流向及其效果[J].西部探礦工程，2006（03）.

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[3]何萬雙.水文物探方法在測定地下水流速流向中的應用[J].建筑知識，2016（06）.