水文物探方法在测定地下水流速流向中的运用

水文物探方法在测定地下水流速流向中的运用

彭勇

云南地质工程勘察设计研究院有限公司 云南 昆明 650000

摘要: 水文地球物理勘探是根据地下水本身存在的地质结构或物理性质的差异，采用物理方法间接勘探地质、水文地质和地下水特征的手段，主要包括三个重要组成部分：地面物探、测量技术和遥感技术。水文物探成本低、速度快、用途广泛，所以物探成为水文地质调查中必不可少的勘探手段。通过水文物探方法测定地下水流速流向,确定水文地质参数, 不仅可以提高工作效率，还可以节约勘探成本。本文系统首先说明了水文勘探的必要性，其次介绍了水文物探的工作原理、技术方法，并对应用效果进行了评价。

关键词：水文物探；地下水流速；地下水流向；应用

降水会沿着岩石和土壤中的孔洞和裂缝向下渗透，在地壳上部形成渗流场。但是渗流场的空间分布很不均匀，这是因为地壳上部岩土体中孔隙、裂隙发育程度的很不均匀。地下水的流速，流向是含水层渗流场重要的影响因素，不仅在影响地下水的开发方面具有重要作用，而且在预防和对抗环境污染，污染物的运输和建筑施工等方面也发挥着重要作用，但埋在地表下的地下水难以直接进行测量，地下水含水层的空间结构复杂造成地下水运动的复杂性，更是对勘测难上加难。检测地下水的流速和流向不仅可以获得含水层渗流场的分布情况，也有助于描述非均质含水层。

一、地下水流速流向研究意义

地下水流动特性(流速、流向)的研究对人类生存生活和施工建设等方面具有重要的意义。在淡水资源珍贵的今天，地下水更加成为一种宝贵的自然资源，对工农业发展具有较为重要的影响，地下水不仅是人类生存发展的重要资源，而且可以平衡水资源和节约水资源，这也是地下水的重要责任之一。对地下水的合理规划和利用是我国实现可持续发展的重要保障中国经济的快速发展。但是，地下水也是污染物输送的重要媒介，所以研究其运移规律和特征是污染治理的基础，在处理地下水污染过程中，对地下水的流向和流速进行检测可以获得地下水湿层的沉降参数，不仅可以为地下水生产、工程安全提供切实保障，还可以为设计、施工和防灾提供可靠的参考依据。

二、水文物探进程

19世纪末20世纪初出现固体矿产资源勘探的方法。40年代前苏联等国家开始利用电阻率法探水。我国的勘探项目于20世纪30年代开始崛起，到40年代末才开展规模较小的实验研究项目。50年代以后，我国水资源勘探项目得到快速发展，水文水资源勘探项目同时启动，此后我国对爆炸性的进行了大规模的研究和传播，不负众望，取得了积极的成果，逐步处于世界领先地位，其他水文勘探方法也得到长足的发展，水物理勘探的分析取得了长足的进步，但是由于计算机的智能化程度较于其他工程物理勘探还比较落后，仍未能满足人的需求，虽然有人提出了较为新颖的分析方式，但是这个想法在短时间内实现的可能性不大，因为过程巨大。

为满足现代水文勘探的需求，水勘探设备和装备正逐步向小型化、轻量化、自动化的方向发展，并不断提高观测精度、高灵敏度、高分辨率、高信噪比；同时加速采样；应用程序扩展到多通道、多参数、多功能。这些特点在国外研制生产的仪器和设备中表现突出，与国外的差距是我国电子零部件及成品质量还较低，仪器设备技术水平不高，性能还比较不稳定^[1]。

三、水文物探方法在测定地下水流速流向的方法原理

（一）自然电位法

自然电位法是利用存在于地下的自然电场作为场源，由于岩层中颗粒的吸附作用，当地下水渗入或流过岩层的裂缝或缝隙时，流动的水溶液中存在的阳离子和阴离子会发生变化，形成过滤电场。过滤电场是用自然电场法解决水文地质问题的物理前提，通过对地表过滤电场的研究进而对地下水的流动的特征进行探索。这是因为它与地下水通过岩石裂缝或裂缝时的渗透作用和离子的扩散吸附作用有关。在寻找埋藏的古水道和基岩含水破碎带，识别水库、河床和堤防中的泄漏通道，并测量抽水钻机的冲击半径是较为有效的一种方法之一。该方法的使用条件主要是由渗透作用形成的过滤场强度决定的。在我们所认知的一般情况下，只有当地下水埋藏较浅或水力梯度较大，或者是形成的滤水势强度较大时，才能检测到地表自然势较明显的异常。

（二）充电法

当含水层暴露时，如果在钻孔中加入盐，盐会不断地溶解在地下水中并流入含水层。形成一个沿水流方向延伸的电解质低阻带，由此我们就可以精准判断水流的流向。研究地下水的流动方向和地下水的流速可以通过在含水层中电解质的低电阻带中电场中产生的等势线随时间的位移进行分析和讨论。

（三）交变电磁场法

该方法的目的是通过研究岩石和矿石（包括水）的电导率、磁导率的差异，对物理场空间的时空分布来识别潜伏的地下水。电磁法是一种物理勘探方法，目前在生产过程当中，频率探测法、地质雷达法等，在上述方法当中，地质雷达是具较高的分辨率，不仅可以测出地下目的物的形状，还可以测出大小及其空间位置。

三、水文物探方法的工作布置

在水文物理勘探过程中，首先要选择合适的物理勘探方法，然后根据确定的任务，完成目标探测器、测点布置方案和测绘装置，最后要求水文地质人员和物探人员一起，共同完成这三项工作。

（一）选定物探方法

物探方法的选择主要根据研究当地的自然条件、含水层研究的类型和程度，以及要解决的水文地质问题来确定。选择的物理勘探方法是通过现场试验验证后确定的，如果可能，可以相互验证，利用优势提高性能分析的可靠性和精度。目前来看，中国的煤炭水文地质部门在岩洞的勘探钻孔的过程当中，常使用自然电位法等多种测井方法。补充缺点，使勘测人员达到对岩溶发育阶段的位置和含水层的位置可以精准把控的程度。

（二）准备工作

在使用截面法时，首先需要检查测量线的位置、方向、测量点之间的距离和测量线之间的距离；同时，还要准确选择测量极距和电测截面装置。有时还需要知道，虽然选择了准确的物理测量方法，但由于测量线方向错误或者调查装置的安排或选择不合理，无法获得良好的效果。最常见的方法分为自然电位法和充电法。

自然电位法的准备工作首先是要在需要探测地下水流向的地段提前定好测点，这是至关重要的一部分，其次，要以测点为中心,按照从0度开始，每45度设置一个方位。设置了8个方位用经纬仪定出8条测线,设定的每条测线测量电极距要均等一致。资料采集方法是以主要的钻孔为中心,在预先测定好的测线上,标定出东、南、西、北、东南、东北、西北、西南等8个方向测线。另一个常见的方法就是充电法，充电法是有两个突出的特点，第一个是以观测钻孔为中心，第二个是呈辐射状分布,测线的布置与上述的自然电位法相同。

（三）资料处理与解释

数据数字化处理方法：利用计算机和专用软件对自然电位法、充电法水文勘探观测数据进行位移和矢量处理。

举个例子，采用自然电位法进行数据分析，换句话说，就是利用绘图应用软件编制按一定比例尺制图，测量点对应方向的直线长度代表自然位置，每条直线的端点都是封闭的。形成一个曲线长轴方向为地下水方向，经矢量转换后计算地下水方向的方位^[2]。

结语

运用自然电位法和充电法均能较好地测定出松散层各含水层(组)地下水流速流向的情况,是用来建立地下水动力学初步模型较为合理的方法。这对于加强综合勘探,提高水文物探的地质效果,以及资料的充分利用,均有深远的意义。现有的方法在某方面还不完善，某些方法可能会有损试验人员的健康并且会对地下水会造成污染，现存的方法对流速的探测精度不高并且试验周期较长，不利于水文勘探和施工的推进，这就对研究人员和勘探人员提出较高的要求。对于不同地区所处的水文地质条件,应作具体的分析、利用,才能取得较为满意的效果。

参考文献

[1]刘声凯,刘海飞,黄超,肖立权,李望明,隆兴民,赵敬德.水文地质调查与综合物探在赣南花岗岩地区找水中的应用[J].地质与勘探,2021,57(03):584-592.

[2]李树荣.水文物探方法在测定地下水流速流向中的运用分析[J].建筑技术开发,2020,47(12):87-89.