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地下水勘查有了CT機
張福存 解偉
中國地質調查局水文地質環境地質調查中心
我們在每年體檢或某部位感覺不適時，醫生常用CT機進行檢查，透過它產生的系列斷面影像來判斷身體是否健康或存在什麼問題，高效、安全、準確、便捷，已為人們所熟知。但是，對地下水的勘查能否也有這樣的技術和裝置呢？答案是肯定的！
1.地下水勘查的過往
地下水在山、水、林、田、湖、草生命共同體中是最活躍的因素，對其形成、演化與合理開發利用研究至關重要。在平原盆地區或某些基岩地區，含水層一般有多層，如華北平原由上而下共有四層，每一層地下水由於沉積環境和更新迴圈的差異，在出水量、水位、水質、年齡等方面各有不同，為深入瞭解地下水這一複雜系統，需要獲取不同層位地下水的這些資訊，並查清其相互關係。
在過去地下水探測中，或在多含水層區實施多個對應鑽孔，分別進行試驗，施工成本高、週期長；或分階段成井，變孔徑止水，對不同含水層分階段試驗，程式繁瑣；海帶、遇水膨脹橡膠止水，效果差，效率低，而氣囊式止水又操作麻煩，且不能同時測量不同層位的水位，更不便進行實時監測。特別是對深部含水層，採用傳統分層抽水試驗方法，雖可獲得水量、水質等引數，但精度不高且技術在深度上受到限制。近些年開始使用巢式井，即在一個井孔不同層位各下入獨立一根井管進行水位觀測和取樣，但是不方便進行不同層位抽水試驗。而地下水分層勘查系統解決了上述難題，提高了勘查精度和效率，降低了勘查週期和成本。
2.地下水分層勘查系統：新的CT機
（1）地下水分層勘查系統工作原理
在有效完成分層止水的鑽（井）孔內，針對不同層位、不同厚度、不同深度的含水層，將上、下兩個封隔器進行任意推拉式組合，下至井內指定位置，在地面調節封隔器的壓力，充氣使其膨脹緊貼井壁，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目的層段進行洗井、抽水和取樣，同時利用設定在雙封隔器上部、下部和中間的感測器持續測量對應層段地下水壓力和溫度變化，監測分層隔離效果，透過資料視覺化裝置觀測和記錄，進而獲取目的層段有關水文地質引數。如圖1所示.
圖1 分層勘查系統原理示意圖
（2）地下水分層勘查系統構成
由地下水分層勘查原理圖可知，該系統主要由四個單元組成。
①分層隔離單元：包括上封隔器（過電纜充氣封隔器）和下封隔器（常規充氣封隔器）。
②抽水取樣單元：包括潛水泵、出水管、潛水泵供電電纜和變頻控制櫃等。
③資料記錄與顯示單元：包括自動水位水溫監測探頭、流量計、資料顯示與儲存器、監測資料傳輸電纜和電纜絞車等。
④封隔器充氣單元：包括瓶裝高壓氮氣、減壓器、高壓三通閥和高壓充氣管等。
（3）地下水分層勘查系統的功能
該系統可方便地實現“一孔同徑，分層止水，分層洗井，分層抽水，分層取樣，分層監測，實時監控”層析式高效率地下水勘查，準確獲取分層水文地質引數，精細刻畫地下水化學場、動力場、溫度場，為更精確地評價地下水資源提供支撐。
“一孔同徑”可有效減少鑽探工作量，對一個或幾個鑽孔，不同深度每一層段的分層勘查，就是一個層位切片式掃描和諸多資訊的獲取，透過對多層位資訊的綜合，即形成對含水層數字化立體刻畫，如同用CT機給人的器官做檢查。
①分層止水
地下水分層勘查的前提是分層成井，分層成井的關鍵環節是分層止水，一般成井深度超過250m，傳統上用於止水的粘土球很難順利填入目的層。而注漿分層止水將雙封隔器注漿管柱下至止水位置，向其井管外側環狀間隙內（已經填滿礫料）灌注水泥漿；待水泥與礫料凝固後，即形成穩定隔水層，達到分層止水目的；成井深度可達1000m。
該技術也可用於分層成井時出現問題（如礫料超填、井孔坍塌而無法完成分層止水等）後的補救工作。
②分層洗井
水文地質鑽孔洗井的好壞影響其出水量大小及抽水試驗水文地質引數的真實性，分層（段）洗井是透過封隔器將鑽孔某一段進行封隔，並針對該目的層進行強力振盪洗井，徹底清除井內泥漿，抽出滲入含水層中的泥漿和細小顆粒，使過濾器周圍形成良好人工濾層，實現對目的層段有效洗井，使鑽孔抽水試驗的湧水量無限接近含水層出水能力的真值，由此提高了水文地質引數精度。
③分層抽水
對於已經分層止水的鑽（井）孔，充氣封隔器膨脹比大、有效膨脹長度長，無論是鬆散地層管井，還是基岩地層裸孔，均能獲得良好止水效果，能夠提高各層位取樣精度，資料可靠，精度高。分層抽水過程中，自動觀測裝置可實時監控分層止水封隔效果，確保抽取的水僅來自目的層。
該系統提供常規和過電纜兩種結構形式的充氣封隔器，使地下水分層取樣和分層抽水方式更加靈活。
④分層取樣
分層取樣可與分層抽水試驗同步進行，既可以採取全分析、生活飲用水分析水樣，也可以採取各種同位素樣品；如果用小流量取樣泵進行分層取樣，可以同時採取目的層段及其上、下層段的水樣。
⑤分層監測，實時監控
抽水試驗自動觀測裝置的高頻取樣和高效資料處理平臺，能夠實時顯示抽水試驗資料，可對抽水試驗各個環節進行監控；自動觀測裝置毫米級的測量精度，能夠非常靈敏地反映抽水目的層水位、水溫的變化。
另外，對於長期分層觀測，可在多層勘探井內針對不同的含水層組，下入多條觀測管材，並進行井內分層止水，把不同含水層組進行分層，再下入自動監測儀器進行觀測。
地下水分層勘查系統有七種規格的封隔器，可滿足1000米深度、108-325毫米各種井徑的管井與基岩孔分層勘查要求。目前實施的分層勘查鑽孔深度最大為900米，分層數最多為20層。
3.地下水分層勘查典型例項
例項1 河西走廊地下水分層勘查例項
甘肅省張掖市鬆散巖地層HQ8鑽孔第三層開始採用傳統方法—活塞、空壓機、水泵聯合洗井，洗井7晝夜後進行抽水試驗，透過比較分析降深和湧水量等引數，認為洗井不徹底，獲得的水文地質引數有偏差。後採用分段振盪洗井技術洗井20小時，用同一流量水泵再次進行抽水試驗，將前後抽水試驗結果進行對比，可以發現單位湧水量後者是前者的8.15倍，說明分段振盪洗井效果顯著，能大幅提高水文地質勘探精度。見表1。
表1 HQ8第三層（261—354m）不同方式洗井抽水試驗結果對比
例項2 鄂爾多斯盆地地下水分層勘查例項
鄂爾多斯盆地為陸相盆地型碎屑岩沉積，白堊系含水層厚度大，含水層為多層結構，主要包括洛河組、環河組和羅漢洞組。
西安地質調查中心在該盆地沿地下水流向在流域上、中、下游分別施工3口深度為700m鑽孔，揭穿白堊系砂岩含水層，井徑165mm，基岩裸孔。成井後，利用岩心編錄結合測井和地面物探確定分層抽水層位，利用分層勘查系統進行分層取樣，每隔40m為一層，每個鑽孔分為20層，抽水取樣最大深度700m，獲取含水層引數、水位、水溫、年齡、水化學和多種同位素資料。利用國際上最先進技術測定了81Kr同位素丰度，在該盆地白堊系含水層首次發現超過20萬年的地下水，結合14C同位素等其他測年手段，獲取了最新的地下水垂向剖面年齡分佈資料，顛覆了以往對該區地下水迴圈規律的傳統認識，為流域地下水開發利用提供了依據，見表2。
表2 鄂爾多斯盆地地下水迴圈資訊一覽表
地下水分層勘查系統在國土、煤炭、水利、冶金、科研院所等不同行業得到應用，並取得良好效果。今後，進一步提高封隔器耐高溫能力，具有服務於地熱勘查與研究工作的前景；探索與相關技術融合，在井內分層觀測地下水流向和流速，將更全面地服務於地下水系統研究。
文章來源：地學時空
附：公益直播課（掃描圖片即可觀看）
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