井地結(jié)合測井技術(shù)在地下水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測中的應(yīng)用

中圖分類號：S158 文獻標(biāo)識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.07.007

0引言

地下水作為一項至關(guān)重要的自然資源，在供水、農(nóng)業(yè)灌溉及工業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[1]。我國地下水污染問題是一個復(fù)雜且嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，由于地下水埋藏于地下，其污染程度難以察覺，因此地下水污染具有隱蔽性和發(fā)現(xiàn)滯后性[2]受人類活動的影響，地下水環(huán)境問題日益嚴(yán)重，如水質(zhì)惡化和水位下降，這些問題對環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅[3]。為應(yīng)對這些問題，對地下水環(huán)境進行有效監(jiān)測和評估顯得尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要依賴地面觀測井，通過定期取樣和分析來監(jiān)測地下水的物理化學(xué)指標(biāo)。但此方法存在諸多局限性，如取樣頻率低、代表性不足、無法全面反映地下水環(huán)境的動態(tài)變化等。通過井地結(jié)合的測井方法，能夠獲取垂直地層剖面的含水層帶信息，具有分辨率高、觀測方便、經(jīng)濟可靠等特點。該技術(shù)便于評價含水層的徑向補給關(guān)系，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)定量分析區(qū)域含水層受污染的面積、深度、污染水流向以及流速的目的。它不僅能夠提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，降低監(jiān)測成本，而且為地下水環(huán)境的保護和管理提供了強有力的技術(shù)支持。因此，本次研究的重點在于深入探討井地結(jié)合測井技術(shù)在地下水環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用方法、效果評估，旨在為地下水環(huán)境監(jiān)測提供新的技術(shù)路徑和解決方案。

基本原理與優(yōu)勢

并地結(jié)合測井技術(shù)是一種綜合性的地下水測量方法，它融合了井中觀測與地面測量的優(yōu)勢，旨在精確且高效地獲取地下水流速、流向等關(guān)鍵水文參數(shù)。在該技術(shù)中，充電時間域與頻率域數(shù)據(jù)的對比分析對于提升監(jiān)測精度和抗干擾能力具有至關(guān)重要的作用。充電時間域數(shù)據(jù)主要揭示電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度和時間特性，而頻率域數(shù)據(jù)展現(xiàn)了電磁波在地下介質(zhì)中的衰減特性和頻率響應(yīng)[4]。通過這2個領(lǐng)域數(shù)據(jù)的對比分析，可以更全面地掌握地下水環(huán)境的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)特性，從而有效降低地表及地下各種干擾源的影響。例如，利用充電時間域數(shù)據(jù)可以確定電磁波的傳播路徑和速度，以排除地表電磁干擾；而頻率域數(shù)據(jù)則有助于揭示地下水層的電性差異和介質(zhì)分布，進一步提升監(jiān)測的精確度。

1.1 基本原理

在地下水監(jiān)測中，通過在井中安裝發(fā)射裝置發(fā)射不同頻率和持續(xù)時間的電磁波信號，并設(shè)置接收裝置記錄信號的傳播時間、振幅和相位等關(guān)鍵參數(shù)，可以了解電磁波在地下介質(zhì)中的傳播特性。在地面上布置多個測量點接收電磁波信號，側(cè)重分析電磁波在地表至地下一定深度范圍內(nèi)的傳播情況。通過對比井中和地面的測量數(shù)據(jù)，結(jié)合電磁波傳播時間，分析計算出的傳播速度，可以構(gòu)建地下介質(zhì)的電磁波傳播速度分布圖，進而揭示地下水的流速和流向。頻率域數(shù)據(jù)分析電磁波在地下介質(zhì)中的衰減特性，反映介質(zhì)的電性差異、含水量、孔隙度等，進一步確定地下水層的電性差異和介質(zhì)分布，揭示地下水的賦存狀態(tài)和動態(tài)變化。結(jié)合地下水的電阻率、電導(dǎo)率等物理參數(shù)，可以推斷地下水的流速和流向，因為地下水流動狀態(tài)會影響其電學(xué)特性，如流動速度較快的地下水可能導(dǎo)致電阻率降低[5]。通過實時監(jiān)測地下水物理參數(shù)的變化，并結(jié)合地質(zhì)和水文資料，可以對地下水的流速和流向進行較為準(zhǔn)確的推斷。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

井地結(jié)合測井技術(shù)通過充電時間域與頻率域數(shù)據(jù)的對比分析，提高了測量精度，精確計算出地下水的水文參數(shù)[6。該技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與處理方面具有獨特優(yōu)勢，能夠精細(xì)刻畫地下水文特征，減少測量誤差，為地下水資源評價、水文地質(zhì)勘探和水資源管理提供精確依據(jù)[。該技術(shù)的非破壞性特點使其成為監(jiān)測地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢，保護了地下環(huán)境的原始狀態(tài)，減少了人為干擾和破壞，有助于保持地下水環(huán)境的穩(wěn)定性和自然平衡[8]。在實際應(yīng)用中，濾波和去噪技術(shù)的應(yīng)用成功降低了環(huán)境噪聲對電磁波信號的干擾，而數(shù)據(jù)擬合和校正方法進一步提升了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性[9]

2 實驗驗證

2.1 選定實驗區(qū)域與地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

2.1.1 選定實驗區(qū)域

選取若干具有代表性的地下水監(jiān)測井進行實地應(yīng)用。這些監(jiān)測井分布廣泛，涵蓋不同的地質(zhì)背景和污染程度區(qū)域，從而能夠更全面地評估該技術(shù)的適用性和準(zhǔn)確性。例如，實驗區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，涵蓋了從巖石層到沉積層的不同類型。這種多樣性可以更好地測試井地結(jié)合測井技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的表現(xiàn)，還特意選擇了幾個受到不同程度污染的地下水監(jiān)測井[6]。這些監(jiān)測井的水質(zhì)指標(biāo)、污染類型及濃度差異顯著，便于分析井地結(jié)合測井技術(shù)對污染物識別和評價的準(zhǔn)確性。

2.1.2 地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與實施

在選定的實驗區(qū)域中，進行深入的地理和環(huán)境調(diào)研，以了解該區(qū)域的地形地貌、水文地質(zhì)、土壤類型、植被覆蓋以及人類活動等信息。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，在選定的區(qū)域設(shè)置監(jiān)測井（圖1）。監(jiān)測井的分布覆蓋從自然保護區(qū)到工業(yè)區(qū)的不同環(huán)境，以捕捉地下水從清潔到污染的過渡狀態(tài)。監(jiān)測井的深度和間距根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和預(yù)期監(jiān)測目標(biāo)進行優(yōu)化，在每個監(jiān)測井中安裝高精度傳感器，用于測量地下水的物理參數(shù)，包括電阻率、電導(dǎo)率、溫度、pH等，并安裝環(huán)境監(jiān)測傳感器，記錄降雨量、氣溫、土壤類型和地質(zhì)結(jié)構(gòu)等環(huán)境條件。之后，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)，將傳感器收集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫，再建立數(shù)據(jù)處理流程，包括數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換和初步分析，通過軟件對收集到的數(shù)據(jù)進行深人分析，以識別地下水環(huán)境變化的趨勢和模式。

2.1.3 地下水流動監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

在實驗區(qū)域采用井地結(jié)合測井技術(shù)，通過分析地下水位、流速和流向的變化，結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，對地下水流動進行精確的監(jiān)測。利用高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時追蹤地下水的動態(tài)變化，并通過數(shù)據(jù)處理軟件對監(jiān)測結(jié)果進行分析，以識別潛在的污染源和評估地下水系統(tǒng)的健康狀況。首先對原始數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換和時間同步等步驟，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。接下來，應(yīng)用濾波和去噪技術(shù)，以消除環(huán)境噪聲和設(shè)備誤差對測量結(jié)果的影響。然后，結(jié)合地質(zhì)和水文資料，利用地下水流動模型，推斷了地下水的流速和流向。最后，通過對比實驗期間地下水參數(shù)的變化趨勢與實際的地下水動態(tài)，評估了技術(shù)的預(yù)測精度，使用統(tǒng)計分析方法，來量化預(yù)測結(jié)果與實際觀測值之間的差異。

1—國家地下水考核點;2—省級地下水考核點;3—集中式地下水飲用水水源地監(jiān)測點;4—重點污染源監(jiān)測點;5—一級管控區(qū);6—二級管控區(qū)；7—監(jiān)測點；8—水系。

2.2 數(shù)據(jù)對比分析

井地結(jié)合測井技術(shù)在監(jiān)測地下水流速方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在本次實驗中，基于施工便捷、成本合理的自然電位法，選擇受地下干擾源影響最小的充電平衡時間作為數(shù)據(jù)采集對象。在不同方向上，采集并對比了同一充電時間段內(nèi)各方向的充電參數(shù)，以此來確定地下水流的方向和速度，將井地結(jié)合測井結(jié)果與傳統(tǒng)鉆探方法或其他監(jiān)測技術(shù)獲取的結(jié)果進行對比。

2.2.1 地下水流速

通過與傳統(tǒng)技術(shù)方法的比對分析，發(fā)現(xiàn)井地結(jié)合測井技術(shù)獲取的地下水流速數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確可靠。這是因為井地結(jié)合測井技術(shù)在測量地下水流速時，能夠?qū)崟r監(jiān)測并記錄地下水流動的細(xì)微變化[。與傳統(tǒng)鉆探方法相比，該技術(shù)不僅減少了對地下水系統(tǒng)的干擾，而且提高了數(shù)據(jù)采集的頻率和精度。在實驗中，發(fā)現(xiàn)井地結(jié)合測井技術(shù)能夠捕捉到地下水流動的瞬時變化，而傳統(tǒng)方法往往只能提供靜態(tài)或低頻率的數(shù)據(jù)（表1）。

并地結(jié)合測井技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面也顯示出其優(yōu)越性。通過先進的算法和軟件，該技術(shù)能夠?qū)Σ杉降拇罅繑?shù)據(jù)進行快速分析，從而提供更為精確的地下水流速和流向信息。例如，在監(jiān)測點A1處，傳統(tǒng)方法可能只能給出一個大致的流速范圍，而井地結(jié)合測井技術(shù)則能夠提供一個精確到小數(shù)點后兩位的流速值，這在地下水污染治理和水資源管理中具有重要的實際意義。

為進一步驗證井地結(jié)合測井技術(shù)的準(zhǔn)確性，還進行了長期的監(jiān)測實驗。通過連續(xù)幾個月的監(jiān)測，收集了大量關(guān)于地下水流動變化的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅包括流速和流向，還包括地下水位、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、總硬度等其他重要參數(shù)。其中通過對比不同監(jiān)測井的地下水流速數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)流速的變化與地質(zhì)背景、污染程度等因素密切相關(guān)[8]。在污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，地下水流速往往較快，這可能是由于污染物在地下水中擴散所致[9]。而在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的區(qū)域，地下水流速可能受到多種因素的影響，如地層結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)等。這些發(fā)現(xiàn)為深入了解地下水環(huán)境提供了重要的線索。

2.2.2 地下水位監(jiān)測結(jié)果

在本次實驗中，并地結(jié)合測井技術(shù)成功實現(xiàn)對地下水位的實時監(jiān)測，并記錄了各個監(jiān)測點在不同時間段的地下水位數(shù)據(jù)（表2）。

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理與深人分析，發(fā)現(xiàn)地下水位的變化與降雨量、地質(zhì)條件及人為活動等要素之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)性[10]。在降雨量充沛的季節(jié)，地下水位普遍呈現(xiàn)上升態(tài)勢，直觀反映了地下水資源的補給狀況，在降雨量較少的季節(jié)，地下水位則可能出現(xiàn)下降，對此需予以高度重視，并及時采取相應(yīng)措施以確保地下水資源的穩(wěn)定供給。

地質(zhì)條件對地下水位的影響同樣顯著。在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，地下水位的變化往往更為復(fù)雜多變，在監(jiān)測地下水位時，必須充分考量地質(zhì)因素的影響，并借助其他監(jiān)測手段進行綜合分析，以準(zhǔn)確把握地下水環(huán)境的變化趨勢。井地結(jié)合測井技術(shù)能夠通過實時監(jiān)測井內(nèi)水位的變化，并結(jié)合地面降雨量、地形地貌等數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)分析地下水位的動態(tài)變化趨勢及其與降雨、地質(zhì)條件等要素之間的內(nèi)在聯(lián)系。

例如，在A1監(jiān)測點，觀察到地下水位在2023年4月1—15日期間上升了 0.5m ，這與同期降雨量的增加密切相關(guān)。降雨量的增加為地下水提供了充足的補給，從而導(dǎo)致地下水位的上升。而在A2監(jiān)測點，盡管降雨量有所增加，地下水位卻出現(xiàn)了下降的趨勢，可能是由于該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下水流動受阻，導(dǎo)致降雨補給未能有效轉(zhuǎn)化為地下水位的上升。針對A2監(jiān)測點，需進一步開展深入調(diào)查與分析，以明確地下水位下降的具體原因，并據(jù)此采取相應(yīng)的措施，以保障地下水資源的可持續(xù)利用。

2.2.3 地下水水質(zhì)監(jiān)測

水質(zhì)狀況由于其動態(tài)特性通常用于驗證地下水污染風(fēng)險評價準(zhǔn)確性[1]。井地結(jié)合測井技術(shù)不僅在獲取地下水流速、流向等關(guān)鍵水文參數(shù)方面表現(xiàn)出色，而且在監(jiān)測水質(zhì)變化方面也顯示出其獨特的優(yōu)勢。在本次實驗中，利用井地結(jié)合測井設(shè)備對多個監(jiān)測點的水質(zhì)進行了持續(xù)的監(jiān)測與分析。通過采集和處理數(shù)據(jù)，獲得了關(guān)于水質(zhì)變化的詳細(xì)信息。以下是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理的其中2個監(jiān)測點的水質(zhì)變化數(shù)據(jù)（表3）。

通過對比不同時間點的水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以看出水質(zhì)參數(shù)的變化趨勢。在監(jiān)測點A1，隨著時間的推移， pH 略有下降，電導(dǎo)率和總硬度逐漸增加，而溶解氧含量呈現(xiàn)下降的趨勢。這些變化可能受到多種因素的影響，如地下水流速的變化、水質(zhì)污染等。

（1）分析監(jiān)測點A1的pH變化。pH是衡量水體酸堿性的重要指標(biāo)，對于水生生物和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。在A1監(jiān)測點，pH略有下降，這可能是由于水體中的酸性物質(zhì)逐漸增多，或者是由于水體的自凈能力減弱，導(dǎo)致酸性物質(zhì)在水中累積。pH的下降還可能與地下水流速的變化有關(guān)，地下水流速的增快或減慢都可能影響到水體的酸堿平衡。

（2）電導(dǎo)率和總硬度的變化也值得關(guān)注。電導(dǎo)率是衡量水體中導(dǎo)電物質(zhì)含量的指標(biāo)，通常與水體的溶解性固體含量密切相關(guān)[12]。在A1監(jiān)測點，電導(dǎo)率逐漸增加，由最初的560 μS/cm 升至590μS/cm ，這說明水體中的溶解性固體含量可能在增加，這可能是由于地下水中溶解性固體的輸入，或者是由于水體的蒸發(fā)導(dǎo)致溶解性固體在水中的濃度增加[13]。總硬度是水體中鈣、鎂等金屬離子含量的綜合體現(xiàn)，隨著電導(dǎo)率的增加，總硬度也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢[14]

（3）分析溶解氧含量的變化。溶解氧是水生生物生存的關(guān)鍵因素，對于水體的生態(tài)環(huán)境具有重要作用[15]。在A1監(jiān)測點，溶解氧含量呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是由于水體中的生物耗氧量增加，或者是由于水體的流動性減弱，導(dǎo)致溶解氧在水體中的分布不均。水質(zhì)污染也是導(dǎo)致溶解氧含量下降的一個重要原因，如有機物、重金屬等污染物的存在，會消耗水體中的溶解氧，從而影響到水生生物的生存。

2.3 減少干擾源影響方面的有效性

在地下水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測中，干擾源的影響是一個重要問題，可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的偏差或誤判。在地下水監(jiān)測時，由于存在多種潛在的干擾源，如地下管線、電磁設(shè)備等，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法往往難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。井地結(jié)合測井技術(shù)通過調(diào)整所供電的頻率來與地下干擾源的干擾信號進行區(qū)分，能夠有效減少干擾源的影響，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[16-18]以下是驗證井地結(jié)合測井技術(shù)在減少干擾源影響方面的有效性的具體數(shù)據(jù)，主要通過調(diào)整頻率抑制十?dāng)_源的方法獲得（表4）。

通過對比原始數(shù)據(jù)與調(diào)整頻率后的數(shù)據(jù)，可以看出，并地結(jié)合測井技術(shù)在減少干擾源影響方面的顯著效果。在各個監(jiān)測點，無論是地下管線還是電磁設(shè)備所產(chǎn)生的干擾信號，在經(jīng)過頻率調(diào)整后都得到了有效的抑制。干擾減少率的計算進一步驗證了這一點，各監(jiān)測點的干擾減少率基本保持在 50% 以上。由此可知，并地結(jié)合測井技術(shù)通過調(diào)整頻率來區(qū)分地下干擾源的干擾信號，能夠有效減少干擾源的影響，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這為地下水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測提供了一種更為可靠和準(zhǔn)確的方法。

3結(jié)論

本次實驗深入探討了井地結(jié)合測井技術(shù)在地下水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)井地結(jié)合測井技術(shù)在地下水環(huán)境監(jiān)測中展現(xiàn)出高精度、高可靠性，具備操作簡便、成本低廉等優(yōu)勢。未來，該技術(shù)可融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、先進技術(shù)，實現(xiàn)多參數(shù)綜合監(jiān)測，構(gòu)建更完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為地下水環(huán)境保護和合理利用提供更強有力的支持。

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Abstract： In this paper，application of well ground combined logging technology in monitoring groundwater environmental data has been studied，so as to achieve effective protection and sustainable utilization of groundwater resources. Through measuring representative groundwater monitoring wells，combining with geological background data and data analysis， groundwater environment has been comprehensively and systematically monitored. After field application，welland ground combined logging technology can accurately obtain various parameters of groundwater environment，such as water flow，water quality and flow direction.It is indicaed that the technology can monitor dynamic changes of groundwater in real time，provide scientific basis for groundwater resource management and protection. It has the advantages of simple operation， high measurement accuracy and low cost. It is suitable for promotion and application in a wide range of areas. It can be seen that well ground combined logging technology has significant application value in monitoring groundwater environmental data.

Key words：Combination of welland ground; logging technology； groundwater environment；data monitoring