地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)在地質(zhì)找礦中的應(yīng)用探討

張建珍， 程紫華

（1.河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所， 河北　廊坊　065000； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北　唐山　063009）

行業(yè)縱橫

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)在地質(zhì)找礦中的應(yīng)用探討

張建珍1， 程紫華2

（1.河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所， 河北廊坊065000； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009）

在搜集關(guān)于地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)、手段和礦山地質(zhì)找礦等多方面的資料的基礎(chǔ)上，分析動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域，指出今后地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測手段在礦山地質(zhì)找礦中應(yīng)用的主要發(fā)展方向。認(rèn)為：地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在地下水動(dòng)態(tài)分類和預(yù)報(bào)兩方面，運(yùn)用領(lǐng)域較廣；地下水動(dòng)態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)測、智能化預(yù)報(bào)將是地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測的一大趨勢；在地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測理論方面，確定性和不確定性結(jié)合的智能模型將是地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測模型研究的重點(diǎn)；在礦山地質(zhì)找礦方面，地下水水紋地質(zhì)現(xiàn)象對水紋地質(zhì)工作和礦產(chǎn)的勘探具有一定的指導(dǎo)意義。

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測水資源礦山開采地質(zhì)找礦

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)是獲取地下水資源變化特征的重要手段，并能夠?yàn)榈叵滤拈_發(fā)、利用和管理提供相應(yīng)的基礎(chǔ)信息和指導(dǎo)依據(jù)，國內(nèi)外對地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究開展于20世紀(jì)70年代末80年代初，研究主要集中在地下水動(dòng)態(tài)的預(yù)測和分類上，雖然地下水動(dòng)態(tài)研究目前還處于很不完善的階段，但經(jīng)過多年的發(fā)展研究，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)運(yùn)用領(lǐng)域在地下水資源利用、開發(fā)、管理、地震、礦山安全生產(chǎn)、預(yù)報(bào)涌水量、地質(zhì)找礦等方面都有長足的進(jìn)展。而且周進(jìn)生等人利用地下水失衡在陜北煤炭礦產(chǎn)開發(fā)利用方面取得了成功，開啟了利用地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測手段研究礦山地質(zhì)找礦，并通過搜集資料對地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)在礦山地質(zhì)找礦中的應(yīng)用進(jìn)行了前景展望和預(yù)測。

1　動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域

地下水動(dòng)態(tài)是一個(gè)非常復(fù)雜的自然過程，是多種輸入（天然的或人工的）對地下水系統(tǒng)激勵(lì)后的綜合響應(yīng)[1]。國內(nèi)外對于地下水的動(dòng)態(tài)的研究多趨向于地下水的動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)和分類上。國外研究地下水動(dòng)態(tài)起步較早，自1978年HodgsonFrankD.I提出地下水動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)的多元線性回歸模型后，不同學(xué)者相繼提出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了預(yù)報(bào)。國內(nèi)對地下水動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)可追溯到20世紀(jì)80年代初，預(yù)測方法大體有回歸分析與相關(guān)分析、時(shí)間序列分析、系統(tǒng)理論及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)等。地下水動(dòng)態(tài)分類的研究大多處于定性分析水平上，動(dòng)態(tài)的分類是動(dòng)態(tài)研究的一個(gè)重要方面，對于研究區(qū)域地下水的補(bǔ)、徑、排條件和地下水資源的評(píng)價(jià)及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化都具有重要意義[2-5]。

隨著科技技術(shù)水平的發(fā)展，一些多震國家相繼建立了地震地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，利用地下水動(dòng)態(tài)的異常進(jìn)行地震的預(yù)報(bào)，車用太和魚金子[6]在搜集了1966—1985年間蘇聯(lián)、日本與美國有關(guān)地下水的水位、水壓、水溫、流量等物理動(dòng)態(tài)方面的震例28個(gè)，認(rèn)為震前地下水動(dòng)態(tài)異常的常見項(xiàng)目有水位、水頭（水壓）、自流量、溫度等，其中最多見的是水位與水頭的異常，約占全部異常的85%，其次是流量（9%）與溫度（6%）。國內(nèi)國家地震局在地下水微動(dòng)態(tài)[7-10]的形成機(jī)理、數(shù)據(jù)處理及地震預(yù)測研究中有較高的研究水平。

近20年，地下水動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)也有一些新的變化，多運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Modflow、Feflow和GIS技術(shù)進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)。郭曉東，田輝[11]等人利用Visual Modflow可視化軟件對松嫩平原地下水動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；李彩梅，楊永剛[12]等人在基于FEFLOW和GIS技術(shù)對山西省古交礦區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬及預(yù)測。

在地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)方面，欽州市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的文亮副教授[13]研制處理動(dòng)態(tài)信息檢測儀，能夠輕松確定地下水的空間位置、水流深度及水流量大小，并指出當(dāng)前探測地下水的手段有一定的不足，測量解譯的多解性降低了測量的精度，儀器檢測所得到的靜態(tài)信息只是提供了地下水存在的可能性，不能排除其他異常現(xiàn)象的存在。

白喜慶和沈智慧[14]通過對峰峰礦地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，從保護(hù)地下水資源角度出發(fā)開展了煤礦防治水工作，他們認(rèn)為奧陶水是煤礦生產(chǎn)疏排防治重點(diǎn)，通過對巖溶地下水動(dòng)態(tài)變化的研究，對峰峰礦區(qū)的開采布局提出了合理的規(guī)劃，防排供結(jié)合，綜合調(diào)控排泄量、人工開采量、礦井疏排水量，提高礦井水的利用。

周進(jìn)生認(rèn)為，礦產(chǎn)資源開發(fā)及地質(zhì)找礦引起了地下水失衡、含水層機(jī)構(gòu)破壞、地表水徑流發(fā)生改變、地下水循環(huán)規(guī)律改變、水質(zhì)重污染等不良后果，因此建議在地質(zhì)找礦和礦產(chǎn)開發(fā)過程中應(yīng)加快“采礦保水”的法制建設(shè)，加強(qiáng)礦山企業(yè)準(zhǔn)入管理，加強(qiáng)地質(zhì)水保護(hù)論證管理。另外，他還認(rèn)為地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測一定程度上反映了地質(zhì)礦產(chǎn)背景，有利于指導(dǎo)地質(zhì)找礦。

綜上表明，地下水動(dòng)態(tài)分類和預(yù)報(bào)是地下水動(dòng)態(tài)研究的兩個(gè)重要方面，在預(yù)報(bào)和分類上有不同的方法和技術(shù)，研究程度較高，且在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，有不同的新方法和新技術(shù)出現(xiàn)；地下水動(dòng)態(tài)研究應(yīng)用領(lǐng)域包括地下水資源科學(xué)管理、地震、礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測、預(yù)報(bào)涌水量等，應(yīng)用領(lǐng)域較廣，另外，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測在礦山地質(zhì)找礦方面也有突出的貢獻(xiàn)。

2　地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)在地質(zhì)找礦中的應(yīng)用前景及展望

全國用水的態(tài)勢在近50年有新的轉(zhuǎn)變，總體來說表現(xiàn)在地下水資源開采由淺到深，地下水水位下降由慢到快，地下水污染由輕微到嚴(yán)重，地下水資源開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害增多，多區(qū)域缺水問題表現(xiàn)突出。全國水資源管理和利用不合理，地下水資源均存在著超采的共性問題，河北長期大量超采地下水，形成了7個(gè)大的地下水漏斗區(qū)（高蠡清、肅寧、石家莊、寧柏隆、衡水、南宮、滄州），已引發(fā)地面沉降、海水倒灌、地陷地裂等地質(zhì)災(zāi)害，出現(xiàn)河流干涸、濕地萎縮等地質(zhì)現(xiàn)象，濕地面積比20世紀(jì)50年代減少70%以上。

由此，水資源供需矛盾日益突出，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測越來越重要，而只有地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測所獲取的信息能夠評(píng)價(jià)氣候、人類活動(dòng)對地下水水質(zhì)和水量的影響。目前，國內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測井網(wǎng)建設(shè)較完善，但自動(dòng)化程度較差，截止2005年前，北京市地下水人工監(jiān)測井423眼，自動(dòng)監(jiān)測井142眼；黑龍江省地下水自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)已正式運(yùn)行；新疆烏魯木齊對現(xiàn)有72個(gè)水位監(jiān)測孔進(jìn)行了調(diào)查和分析，掌握了地下水水位多年動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，完成了水位監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化工作，建立了地下水動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫；吉林省地下水基本監(jiān)測井1 285眼，包括省級(jí)和普通的水質(zhì)和水溫監(jiān)測井，平均6.9眼/103m3，根據(jù)黃淮海重點(diǎn)平原區(qū)地下水自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目建議書[16]，黃淮海將建成集地下水信息采集、傳輸、處理、分析和預(yù)測預(yù)報(bào)于一體的現(xiàn)代化動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，建設(shè)范圍涉及北京、天津、河北、江蘇、安徽、山東、河南七省市，總面積31萬km2，其中包括南水北調(diào)工程的受水區(qū)和超采區(qū)。

在區(qū)域分布特點(diǎn)上，平原區(qū)地下水開發(fā)強(qiáng)度大，超采現(xiàn)象尤為突出；礦山開采疏干排水直接或間接排放地下水成為深層地下水資源浪費(fèi)的重要途徑。因此建設(shè)針對地質(zhì)找礦和礦山防水治水的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)也很有必要。地下水是地質(zhì)演化的產(chǎn)物，是構(gòu)成地球物質(zhì)的一個(gè)重要組成部分，并與環(huán)境介質(zhì)不斷地相互作用。同時(shí)，地下水對相關(guān)礦產(chǎn)資源的形成尤為重要。通過系統(tǒng)分析研究地下水與礦產(chǎn)之間的聯(lián)系，不僅對水文地質(zhì)工作和礦產(chǎn)勘探具有指示意義，更對資源的綜合開發(fā)利用具有重大意義，因此不同水文地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)環(huán)境之間存在內(nèi)在聯(lián)系、規(guī)律及各種特征的標(biāo)志意義，由此開創(chuàng)了應(yīng)用地下水進(jìn)行礦山地質(zhì)找礦的先河。在此基礎(chǔ)上，我們搜集了關(guān)于地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)、手段和地質(zhì)勘探等多方面的資料，針對地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)在礦山地質(zhì)找礦方面、應(yīng)用和發(fā)展方向有以下幾點(diǎn)粗略的認(rèn)識(shí)：

1）礦山要達(dá)到地質(zhì)找礦的目的，井網(wǎng)的建設(shè)必須充分考慮地質(zhì)條件平面和空間特征，全面控制礦山排水范圍內(nèi)不同深度不同層位的地下水動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)成完善的三維空間觀測系統(tǒng)，除滿足一般比例尺精度要求外，應(yīng)在導(dǎo)水?dāng)嗔押屯ǖ捞幖用芴幚砭W(wǎng)，控制地下水降落漏斗的變化，使井網(wǎng)的建設(shè)能夠確保觀測的質(zhì)量。

2）在監(jiān)測內(nèi)容上，動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)獲得地下水水位、流量、溫度、氣壓和簡單化學(xué)組分在時(shí)間和空間上的變化，在礦區(qū)重要巷道和地下采區(qū)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)增加地面變形、測震等監(jiān)測沉降、崩塌方面的內(nèi)容，監(jiān)測孔也應(yīng)達(dá)到一孔多用的目的。

3）水文地質(zhì)復(fù)雜的礦山進(jìn)行地下開采，雖然水文地質(zhì)勘探的程度較高，但突水的不確定因素仍然存在，地下水運(yùn)動(dòng)和突水的機(jī)制仍不明朗，而且突水受人為因素影響較大，預(yù)測難度更高，因此在地下水動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)和預(yù)測上，地下水動(dòng)態(tài)在礦山防治水方面的預(yù)測模型也應(yīng)將確定性模型和非確定性模型相結(jié)合，建立既能反映地下水流動(dòng)系統(tǒng)中不確定影響因素又能刻畫其動(dòng)力機(jī)制的預(yù)測模型[17-18]，還應(yīng)建立礦山開采條件下的地下水突變的預(yù)測模型，這種模型對于礦山地下水預(yù)測預(yù)報(bào)上更具可靠性。

4）水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所姚永熙[19]表示，國內(nèi)目前生產(chǎn)、應(yīng)用的地下水監(jiān)測儀器比較簡單，自動(dòng)化程度較差，但區(qū)域和礦山地下水動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的集成是地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測的新趨勢，礦山的自動(dòng)化地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測、3S系統(tǒng)、智能預(yù)報(bào)系統(tǒng)[20]的結(jié)合將為指導(dǎo)礦山地下找礦提供良好的技術(shù)支撐。

5）地下水資源供需矛盾日益突出，礦山地下水作為重要的地下水資源，又是礦山安全生產(chǎn)疏排防治的重點(diǎn)，如何從保護(hù)水資源的角度研究礦山防水、治水、排水和供水成為礦山未來的發(fā)展方向，對礦山地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究也應(yīng)圍繞礦山保水、生態(tài)用水的主題展開。

3　結(jié)論

1）地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在地下水動(dòng)態(tài)分類和預(yù)報(bào)兩方面，運(yùn)用領(lǐng)域較廣，涉及地下水資源科學(xué)管理、利用、開發(fā)、地震、礦山安全生產(chǎn)、涌水量預(yù)報(bào)、礦山防治水等方面。

2）地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測在礦山地質(zhì)找礦方面前景較好，今后地下水動(dòng)態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)測、智能化預(yù)報(bào)將是地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測的一大趨勢；在地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測理論方面，確定性和不確定性結(jié)合的智能模型將是地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測模型研究的重點(diǎn)；在礦山防治水理念方面，礦山保水和生態(tài)用水將是礦山安全生產(chǎn)的另一途徑；在礦山地質(zhì)找礦方面，地下水水紋地質(zhì)現(xiàn)象對水紋地質(zhì)工作和礦產(chǎn)的勘探具有一定的指示意義。

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（編輯：胡玉香）

Application of the Groundwater Dynamics Monitoring in Geological Exploration

ZHANG Jianzhen1，CHENG Zihua2
（1.Academe of Regional Geological Survey and Mineral Resources Exploration of Hebei，Langfang Hebei 065000；2.North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009）

Based on materials on technology，means of collecting groundwater dynamic monitoring and mine waterproof and geological exploration and other aspects of information，this paper analyzes the dynamic monitoring technology research status and application fields，points out the future development direction of groundwater dynamic monitoring method.It is thought that groundwater dynamic monitoring technology research focuses on two aspects of dynamic classification and prediction of groundwater，which has a wide application fields；Groundwater dynamic automatic monitoring and intelligent forecast will be a major trend of groundwater dynamic monitoring；In terms of groundwater dynamic monitoring theory，combining with the intelligent model of certainty and uncertainty will focus on the study of groundwater dynamic prediction model；In geological exploration，hydrogeology of groundwater plays a guiding role in hydrogeology geological work and exploration.

groundwater dynamics monitoring，water resource，mining，water control

TD163

A

1672-1152（2016）04-0060-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.20

經(jīng)驗(yàn)交流

2016-07-06

張建珍（1985—），男，助理工程師，主要從事區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作。

程紫華（1989—），男，地質(zhì)工程專業(yè)研究生，研究方向：水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)。