趙 浩，趙立磊，田 輝，李新斌，丁廉超，趙 超，張耀澎，韓朝輝

(中國地質調查局西安礦產資源調查中心，陜西 西安 710100)

漢中盆地位于陜西南部漢江上游，是南水北調中線工程水源地，隨著人類活動的不斷增強，人與資源環(huán)境的矛盾不斷凸顯，詳細掌握盆地內水資源狀況對水資源的合理開發(fā)利用意義重大。地下水動態(tài)是水文地質學研究的重要內容，早在20世紀40年代國內外學者就開始了相關研究。地下水動態(tài)變化特征是地質災害防治和水生態(tài)環(huán)境保護的重要指標，因此構建地下水監(jiān)測平臺實時掌握地下水動態(tài)變化具有現(xiàn)實意義[1-2]。2020年以來，中國地質調查局西安礦產資源調查中心積極開展《南水北調漢江流域陜西段水生態(tài)修復支撐調查》項目，通過遙感解譯、水文地質調查、生態(tài)地質調查、水質全分析、水文地質鉆探以及地下水監(jiān)測網的建設等方法手段對漢江流域上游水源地水資源質量狀況進行全面調查，旨在查明水資源現(xiàn)狀，為水資源開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐和決策建議。本文介紹了水文地質鉆孔施工工藝和水文地質參數(shù)計算及地下水監(jiān)測平臺構建等內容，為相關工作的開展提供借鑒。

1 水文地質鉆孔分布及成井工藝

1.1 鉆孔分布

漢中盆地西起勉縣武侯鎮(zhèn)，東至洋縣龍亭鎮(zhèn)，東西長約116 km，南北寬約5～25 km，總體呈現(xiàn)西寬東窄的幾何形態(tài)。盆地內階地發(fā)育，主要分為河漫灘、一級階地、二級階地、三級接地、四級階地和五級階地等六種類型。受沉積環(huán)境和地形地貌的影響，第四系地層總體呈現(xiàn)北厚南薄、西厚東薄的特征，為地下水的儲存提供了良好的空間，其地下水類型主要分為潛水和承壓水[3-7]。

通過了解前人在漢中盆地施工的鉆孔資料和國家地下水監(jiān)測井分布范圍，發(fā)現(xiàn)原有水文鉆孔和監(jiān)測井主要分布在漢江及其支流沿岸的一級階地上，二級以上階地分布較少。本項目在滿足年度目標任務的情況下，采取補空插位、全面布局的思路在漢中盆地施工了10口水文地質鉆孔作為地下水動態(tài)監(jiān)測井，具體位置見圖1。

圖1 監(jiān)測井位置分布圖

1.2 成井工藝

水文地質鉆探是了解地層巖性和確定水文地質參數(shù)最直接的手段，其設計和成井工藝是抽水試驗成果質量的重要保障，會直接影響地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，因此在鉆孔施工過程中必須對水文地質鉆孔的施工工藝進行全程控制和質量把關[1]。本項目參考《水文水井鉆探地質規(guī)程》和《地下水監(jiān)測井建設規(guī)范》確定了符合地質要求的地下水監(jiān)測井施工工藝，其技術要點如下：

(1)采取先取心、測井，后擴孔成井的施工順序，通過地層巖心和地球物理測井數(shù)據(jù)解譯獲得地層巖性和含水層結構；

(2)鉆孔裸眼孔徑≥425 mm，成孔孔徑219 mm。濾水管和實管的材質均為無縫鋼管，管徑Φ219 mm，壁厚6.0 mm，濾水管采用圓孔纏絲濾水管；

(3)結合地層和監(jiān)測位置確定止水和填礫位置。濾料為磨圓度較好的礫石，直徑2～5 mm，止水材料為直徑3～5 cm優(yōu)質粘土球。隔水層和孔口段均以粘土球封填、搗實；

(4)下管結束后，采用空壓機洗井，直至水清砂凈，為抽水試驗做好準備。

通過年度各鉆孔的施工情況來看，以上技術要點能夠獲得準確的地層巖性和含水層厚度，促使成井質量做到全程控制，施工效率也顯著提高，對水資源調查評價提供技術保障。

2 水文地質參數(shù)計算

抽水試驗是獲得含水層水文地質參數(shù)的重要方法，通過鉆孔抽水試驗獲得抽水過程中水的降深和流量等變化數(shù)據(jù)，結合地下水動力學相關方程計算獲得滲透系數(shù)(K)、影響半徑(R)和給水度(u)等水文地質參數(shù)，進而為水資源調查和富水性評價提供依據(jù)[8-10]。

2.1 抽水試驗

抽水試驗前先進行試驗性抽水，要求降深達到最大且出水量相對穩(wěn)定，判定正式抽水的合理降深、水泵的大小以及安裝深度等。正式抽水時采用穩(wěn)定流抽水，按照觀測時間間隔進行3個降深的抽水試驗，個別鉆孔出水量小可抽1個降深，并按照時間間隔和要求做好觀測數(shù)據(jù)的記錄。各鉆孔抽水試驗主要參數(shù)見表1。

2.2 參數(shù)計算

本次抽水試驗采用完整井穩(wěn)定流抽水試驗，各鉆孔含水層巖性均勻，地下水運動為層流，符合裘布依(Dupuit)方程使用條件，主要參數(shù)滲透系數(shù)K和影響半徑R計算公式見表2。

通過表2中的公式和表1中各鉆孔相關數(shù)據(jù)對滲透系數(shù)和影響半徑進行迭代計算，結果見表3。

綜合分析表1和表3可知，隨著降深的增加，涌水量和影響半徑同步增大且呈正相關性?？傮w上來看，一級階地含水層最厚，二級階地次之，三級階地最薄。受到地層巖性和含水層厚度的綜合影響，滲透系數(shù)和單位涌水量在不同地貌單元上變化范圍較大，規(guī)律不明顯。

3 地下水監(jiān)測平臺的構建

2021年，項目在已施工10口水文地質鉆孔的基礎上，建立了地下水動態(tài)監(jiān)測平臺，配合全國地下水監(jiān)測網對漢中盆地地下水動態(tài)變化特征進行實時動態(tài)監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測設備及模塊

本次地下水動態(tài)監(jiān)測以兩參數(shù)自記式水位計為基礎結合遠程傳輸模塊實現(xiàn)地下水位及水溫的實時監(jiān)測。自記式水位計選擇加拿大進口的Solinst Levelogger 5系列M3001 LT探頭，其精度為20 m，使用時一般投入水面以下10 m左右為宜。遠程傳輸模塊為DATA-6216型微功耗測控終端，依托中國移動公司GPRS網絡，通過線纜連接的探頭將數(shù)據(jù)按照安裝時設置的讀數(shù)及發(fā)送頻率傳輸?shù)胶笈_指定監(jiān)測中心以達到實時監(jiān)測的目的。

3.2 在線平臺監(jiān)測系統(tǒng)

地下水在線監(jiān)測系統(tǒng)依托中國移動公司GPRS網絡，項目人員可以在監(jiān)測中心實時查看水位和溫度的數(shù)據(jù)。監(jiān)測中心的監(jiān)測管理軟件能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集、遠程監(jiān)測，所有數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫并生成各種報表、曲線。地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心、通信網絡、微功耗測控終端、水位監(jiān)測記錄儀(水位計)四部分組成。

3.2.1 監(jiān)測中心

監(jiān)測平臺采用地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件，由系統(tǒng)管理員負責管理，其它人員經授權可在個人計算機上通過局域網訪問服務器并進行權利范圍內的操作。

該軟件采用模塊結構，主包括人機界面和通訊前置機兩大模塊。每個模塊由若干小模塊組成。通訊前置機軟件主要負責監(jiān)控中心與現(xiàn)場設備的通信，它具有強大的兼容性，可支持不同廠家生產的GPRS、CDMA、MODEM、RS485等通信產品，支持多種通信方式共存一個系統(tǒng)。人機界面包括基礎數(shù)據(jù)管理、遠程操作、人工錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)分析、地圖管理等多項內容。

地下水動態(tài)監(jiān)測平臺主界面見圖2。圖中所示每個地下水監(jiān)測點的位置以圓點顯示，紅色代表4天及以上未收到數(shù)據(jù)，橙色代表3 d未收到數(shù)據(jù)，黃色代表2天未收到數(shù)據(jù)，藍色代表1天未收到數(shù)據(jù)，綠色代表正常。鼠標放置圓點位置時，顯示該測點的水位、水溫等數(shù)據(jù)，并自動生成動態(tài)變化曲線。

表1 鉆孔抽水試驗參數(shù)統(tǒng)計表

表2 滲透系數(shù)K和影響半徑R 在不同含水層中的計算公式[11-13]

3.2.2 通訊網絡

系統(tǒng)通信網絡采用中國移動公司GPRS網絡和Internet公網。要求監(jiān)控中心具備寬帶(類型:光纖、網線、ADSL等)，并具有一個固定網絡IP。

監(jiān)測點測控終端內部配置GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，模塊內安裝一張開通GPRS功能的SIM卡。DATA-6216的測控終端通過其內部的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與監(jiān)控中心服務器組成一個通信網絡，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

3.2.3 水位監(jiān)測終端

水位監(jiān)測點大多數(shù)都在野外，現(xiàn)場沒有供電電源，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點的數(shù)據(jù)上報頻率，供電方式有太陽能供電和鋰電池供電兩種方案。數(shù)據(jù)上報比較頻繁時使用太陽能供電，數(shù)據(jù)上報不頻繁時使用鋰電池供電。本次工作設置數(shù)據(jù)上報頻率不頻繁，采用鋰電池供電。

3.2.4 水位計

選擇具有水位和溫度自動記錄儀的Solinst Levelogger 5系列M3001 LT探頭，該探頭采用哈司特合金式壓力傳感器技術和鈦金屬PVD機身涂層，能夠避免雷擊和電涌等對儀器的損害，具有較強的耐腐蝕能力和過壓環(huán)境適應能力，能夠在極端的壓力和溫度下保證讀數(shù)的穩(wěn)定性，具有極高的分辨率，全量程精度為0.05%。同時其溫度補償范圍位于-10℃～50℃，具有較廣的適用范圍。為避免在遠程傳輸系統(tǒng)故障時測量數(shù)據(jù)丟失，可通過數(shù)據(jù)讀取軟件通過電腦連接讀取探頭數(shù)據(jù)(圖3)。

表3 不同含水層滲透系數(shù)K和影響半徑R計算成果表

圖2 地下水動態(tài)監(jiān)測平臺主界面

3.3 應用實例

以鉆孔SZK09監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，該監(jiān)測孔為承壓水監(jiān)測井，其地下水位動態(tài)變化曲線見圖4。從曲線分析可知，承壓水地下水位動態(tài)變化可分為兩段：第一階段從2021年3月18日-4月22日，水位埋深總體穩(wěn)定在12.50 m，變化范圍12.34～12.65 m，呈±15 cm幅度周期變化。第二階段從2021年4月23日開始，水位呈上升趨勢，埋深變淺。截止5月24日，水位埋深總體穩(wěn)定在12.20 m左右，變化范圍12.06～12.34 m。水位埋深變淺可能是由于從枯水期進入平水期以來，降雨量逐漸增多，入滲補給增大，潛水水位上升，使其對承壓水的越流補給緩慢增加，從而導致承壓水水位上升，埋深變淺?？梢钥闯觯灾鹘⒌牡叵滤畡討B(tài)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了長期實時動態(tài)監(jiān)測地下水位的功能。

圖3 基座讀取探頭數(shù)據(jù)

圖4 SZK09號監(jiān)測井地下水位動態(tài)曲線

4 結語

針對2020年度施工的10口水文地質鉆孔，總結了其施工工藝和流程，根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)計算了各含水層的水文地質參數(shù)，并詳細介紹了地下水動態(tài)監(jiān)測平臺的構建，可得如下結論：

(1)水文地質鉆孔是地下水監(jiān)測平臺構建的重要手段，采取先取心、測井，后擴孔成井的施工順序，能夠獲得真實有效的地層巖性和富水性結構參數(shù)。

(2)根據(jù)鉆孔成井結構參數(shù)和抽水試驗數(shù)據(jù)計算獲得了不同地貌單元地下水含水層的滲透系數(shù)和影響半徑。結果表明：隨著降深的增加，涌水量和影響半徑同步增大且呈正相關性。總體上來看，一級階地含水層最厚，二級階地次之，三級階地最薄。受到地層巖性和含水層厚度的綜合影響，滲透系數(shù)和單位涌水量在不同地貌單元上變化范圍較大，規(guī)律不明顯。

(3)采用兩參數(shù)自記式水位計為基礎結合遠程傳輸模塊構建的地下水動態(tài)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)地下水位及水溫的實時動態(tài)監(jiān)測。鉆孔SZK09監(jiān)測數(shù)據(jù)體現(xiàn)了枯水期和平水期水位變化規(guī)律，證明自主建立的地下水監(jiān)測平臺能夠實現(xiàn)長期實時動態(tài)監(jiān)測功能。