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地下水勘查有了CT机

张福存 解伟

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心

我们在每年体检或某部位感觉不适时，医生常用CT机进行检查，通过它产生的系列断面影像来判断身体是否健康或存在什么问题，高效、安全、准确、便捷，已为人们所熟知。但是，对地下水的勘查能否也有这样的技术和设备呢？答案是肯定的！

1.地下水勘查的过往

地下水在山、水、林、田、湖、草生命共同体中是最活跃的因素，对其形成、演化与合理开发利用研究至关重要。在平原盆地区或某些基岩地区，含水层一般有多层，如华北平原由上而下共有四层，每一层地下水由于沉积环境和更新循环的差异，在出水量、水位、水质、年龄等方面各有不同，为深入了解地下水这一复杂系统，需要获取不同层位地下水的这些信息，并查清其相互关系。

在过去地下水探测中，或在多含水层区实施多个对应钻孔，分别进行试验，施工成本高、周期长；或分阶段成井，变孔径止水，对不同含水层分阶段试验，程序繁琐；海带、遇水膨胀橡胶止水，效果差，效率低，而气囊式止水又操作麻烦，且不能同时测量不同层位的水位，更不便进行实时监测。特别是对深部含水层，采用传统分层抽水试验方法，虽可获得水量、水质等参数，但精度不高且技术在深度上受到限制。近些年开始使用巢式井，即在一个井孔不同层位各下入独立一根井管进行水位观测和取样，但是不方便进行不同层位抽水试验。而地下水分层勘查系统解决了上述难题，提高了勘查精度和效率，降低了勘查周期和成本。

2.地下水分层勘查系统：新的CT机

（1）地下水分层勘查系统工作原理

在有效完成分层止水的钻（井）孔内，针对不同层位、不同厚度、不同深度的含水层，将上、下两个封隔器进行任意推拉式组合，下至井内指定位置，在地面调节封隔器的压力，充气使其膨胀紧贴井壁，从而将目的层段与两端非目的层段隔离，利用潜水泵或取样装置对目的层段进行洗井、抽水和取样，同时利用设置在双封隔器上部、下部和中间的传感器持续测量对应层段地下水压力和温度变化，监测分层隔离效果，通过数据可视化装置观测和记录，进而获取目的层段有关水文地质参数。如图1所示.

图1 分层勘查系统原理示意图

（2）地下水分层勘查系统构成

由地下水分层勘查原理图可知，该系统主要由四个单元组成。

①分层隔离单元：包括上封隔器（过电缆充气封隔器）和下封隔器（常规充气封隔器）。

②抽水取样单元：包括潜水泵、出水管、潜水泵供电电缆和变频控制柜等。

③数据记录与显示单元：包括自动水位水温监测探头、流量计、数据显示与存储器、监测数据传输电缆和电缆绞车等。

④封隔器充气单元：包括瓶装高压氮气、减压器、高压三通阀和高压充气管等。

（3）地下水分层勘查系统的功能

该系统可方便地实现“一孔同径，分层止水，分层洗井，分层抽水，分层取样，分层监测，实时监控”层析式高效率地下水勘查，准确获取分层水文地质参数，精细刻画地下水化学场、动力场、温度场，为更精确地评价地下水资源提供支撑。

“一孔同径”可有效减少钻探工作量，对一个或几个钻孔，不同深度每一层段的分层勘查，就是一个层位切片式扫描和诸多信息的获取，通过对多层位信息的综合，即形成对含水层数字化立体刻画，如同用CT机给人的器官做检查。

①分层止水

地下水分层勘查的前提是分层成井，分层成井的关键环节是分层止水，一般成井深度超过250m，传统上用于止水的粘土球很难顺利填入目的层。而注浆分层止水将双封隔器注浆管柱下至止水位置，向其井管外侧环状间隙内（已经填满砾料）灌注水泥浆；待水泥与砾料凝固后，即形成稳定隔水层，达到分层止水目的；成井深度可达1000m。

该技术也可用于分层成井时出现问题（如砾料超填、井孔坍塌而无法完成分层止水等）后的补救工作。

②分层洗井

水文地质钻孔洗井的好坏影响其出水量大小及抽水试验水文地质参数的真实性，分层（段）洗井是通过封隔器将钻孔某一段进行封隔，并针对该目的层进行强力振荡洗井，彻底清除井内泥浆，抽出渗入含水层中的泥浆和细小颗粒，使过滤器周围形成良好人工滤层，实现对目的层段有效洗井，使钻孔抽水试验的涌水量无限接近含水层出水能力的真值，由此提高了水文地质参数精度。

③分层抽水

对于已经分层止水的钻（井）孔，充气封隔器膨胀比大、有效膨胀长度长，无论是松散地层管井，还是基岩地层裸孔，均能获得良好止水效果，能够提高各层位取样精度，数据可靠，精度高。分层抽水过程中，自动观测装置可实时监控分层止水封隔效果，确保抽取的水仅来自目的层。

该系统提供常规和过电缆两种结构形式的充气封隔器，使地下水分层采样和分层抽水方式更加灵活。

④分层采样

分层取样可与分层抽水试验同步进行，既可以采取全分析、生活饮用水分析水样，也可以采取各种同位素样品；如果用小流量采样泵进行分层采样，可以同时采取目的层段及其上、下层段的水样。

⑤分层监测，实时监控

抽水试验自动观测装置的高频采样和高效数据处理平台，能够实时显示抽水试验数据，可对抽水试验各个环节进行监控；自动观测装置毫米级的测量精度，能够非常灵敏地反映抽水目的层水位、水温的变化。

另外，对于长期分层观测，可在多层勘探井内针对不同的含水层组，下入多条观测管材，并进行井内分层止水，把不同含水层组进行分层，再下入自动监测仪器进行观测。

地下水分层勘查系统有七种规格的封隔器，可满足1000米深度、108-325毫米各种井径的管井与基岩孔分层勘查要求。目前实施的分层勘查钻孔深度最大为900米，分层数最多为20层。

3.地下水分层勘查典型实例

实例1 河西走廊地下水分层勘查实例

甘肃省张掖市松散岩地层HQ8钻孔第三层开始采用传统方法—活塞、空压机、水泵联合洗井，洗井7昼夜后进行抽水试验，通过比较分析降深和涌水量等参数，认为洗井不彻底，获得的水文地质参数有偏差。后采用分段振荡洗井技术洗井20小时，用同一流量水泵再次进行抽水试验，将前后抽水试验结果进行对比，可以发现单位涌水量后者是前者的8.15倍，说明分段振荡洗井效果显著，能大幅提高水文地质勘探精度。见表1。

表1 HQ8第三层（261—354m）不同方式洗井抽水试验结果对比

实例2 鄂尔多斯盆地地下水分层勘查实例

鄂尔多斯盆地为陆相盆地型碎屑岩沉积，白垩系含水层厚度大，含水层为多层结构，主要包括洛河组、环河组和罗汉洞组。

西安地质调查中心在该盆地沿地下水流向在流域上、中、下游分别施工3口深度为700m钻孔，揭穿白垩系砂岩含水层，井径165mm，基岩裸孔。成井后，利用岩心编录结合测井和地面物探确定分层抽水层位，利用分层勘查系统进行分层采样，每隔40m为一层，每个钻孔分为20层，抽水采样最大深度700m，获取含水层参数、水位、水温、年龄、水化学和多种同位素数据。利用国际上最先进技术测定了81Kr同位素丰度，在该盆地白垩系含水层首次发现超过20万年的地下水，结合14C同位素等其他测年手段，获取了最新的地下水垂向剖面年龄分布数据，颠覆了以往对该区地下水循环规律的传统认识，为流域地下水开发利用提供了依据，见表2。

表2 鄂尔多斯盆地地下水循环信息一览表

地下水分层勘查系统在国土、煤炭、水利、冶金、科研院所等不同行业得到应用，并取得良好效果。今后，进一步提高封隔器耐高温能力，具有服务于地热勘查与研究工作的前景；探索与相关技术融合，在井内分层观测地下水流向和流速，将更全面地服务于地下水系统研究。

文章来源：地学时空

附：公益直播课（扫描图片即可观看）

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