CMT監(jiān)測(cè)井在黑河流域地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王明明，盧 穎，解 偉

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051 2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊 050031

CMT監(jiān)測(cè)井在黑河流域地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王明明1，盧 穎2，解 偉1

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051 2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊 050031

以CMT監(jiān)測(cè)井在黑河流域的應(yīng)用為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和采集的水樣進(jìn)行分析，了解了黑河流域地下水水位動(dòng)態(tài)變化，掌握了黑河流域地下水水化學(xué)垂向分布規(guī)律，為合理利用黑河流域水資源提供了科學(xué)依據(jù)。

CMT監(jiān)測(cè)井;成井工藝;地下水監(jiān)測(cè);黑河流域

地下水監(jiān)測(cè)是水文監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)容，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)和掌握地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、合理開(kāi)發(fā)和利用地下水資源、防治和減輕地下水污染及相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害等具有重要意義[1]，而作為監(jiān)測(cè)地下水最有效的手段，監(jiān)測(cè)井在監(jiān)測(cè)和研究地下水方面一直發(fā)揮著重要作用。

近年來(lái)，多層監(jiān)測(cè)井技術(shù)憑借其施工成本低、占地面積小、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞，在美國(guó)、加拿大、英國(guó)等國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)與研究中發(fā)揮著重要的作用，與此同時(shí)，中國(guó)也對(duì)多層監(jiān)測(cè)井技術(shù)以及自動(dòng)化的無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置[2]進(jìn)行了研究和應(yīng)用，致力于提升國(guó)內(nèi)地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，改善地下水監(jiān)測(cè)公益性服務(wù)功能。

多層監(jiān)測(cè)井亦稱人造多層采樣系統(tǒng)，其基本特征是通過(guò)一根獨(dú)立的具有多通道或閥門的管子在一個(gè)鉆孔中實(shí)現(xiàn)地下水的分層監(jiān)測(cè)和采樣，即通過(guò)單孔實(shí)現(xiàn)多個(gè)地下水含水層的監(jiān)測(cè)和采樣，以Waterloo多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、Westbay多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、連續(xù)多通道(CMT)多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最具代表性[3]。

Waterloo多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Solinst公司研發(fā)，采用標(biāo)準(zhǔn)組件，安裝方便，填礫、止水簡(jiǎn)單，可監(jiān)測(cè)8個(gè)目的層，在美國(guó)、加拿大等國(guó)地下水監(jiān)測(cè)、污染調(diào)查中應(yīng)用廣泛，最大安裝深度為230 m[4]，但監(jiān)測(cè)通道小、施工成本高以及需要使用進(jìn)口采樣器和水位計(jì)等因素嚴(yán)重制約著Waterloo系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

Westbay多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Westbay公司研制，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)精密、性能可靠，可監(jiān)測(cè)多層地下水，無(wú)層數(shù)限制、無(wú)井深限制，能夠一次性獲得含水層壓力、水質(zhì)、滲透性等水文地質(zhì)工作所需的全部參數(shù)，在國(guó)外地下水監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用，其最大成井深度為2 203 m，監(jiān)測(cè)層數(shù)達(dá)40層以上[5]。通過(guò)學(xué)習(xí)和探索，國(guó)內(nèi)也建成2眼Westbay監(jiān)測(cè)示范井[6]，但其施工技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，施工成本一次性投入過(guò)高，維護(hù)和取樣不便，現(xiàn)階段并不適合在國(guó)內(nèi)推廣。

CMT多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Waterloo大學(xué)的在校研究生Murray Einarson發(fā)明，隨后授權(quán)Solinst公司在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)和出售CMT系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用連續(xù)方式擠出的帶有7個(gè)通道的高密度聚乙烯管，可監(jiān)測(cè)7個(gè)目的層，無(wú)接頭，環(huán)保清潔，成井工藝簡(jiǎn)單，填礫和止水方便，施工成本相對(duì)較低[7-8]。目前，已在北京、天津、黑河流域等地建成CMT監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)十眼，在地下水監(jiān)測(cè)和污染場(chǎng)地治理方面發(fā)揮著重要作用[9]。

通過(guò)對(duì)多層監(jiān)測(cè)井的施工技術(shù)、施工成本以及多層監(jiān)測(cè)井在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)Westbay監(jiān)測(cè)井和Waterloo監(jiān)測(cè)井施工技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，施工成本過(guò)高，取樣和維護(hù)較為不便，對(duì)施工人員的技術(shù)水平要求也較高，而CMT監(jiān)測(cè)井成井工藝簡(jiǎn)單，施工成本較低，比較符合中國(guó)現(xiàn)階段水文鉆探的技術(shù)水平，適合在國(guó)內(nèi)推廣和應(yīng)用。

本文以CMT監(jiān)測(cè)技術(shù)為研究對(duì)象，將其應(yīng)用于黑河流域地下水監(jiān)測(cè)工作中，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了水文地質(zhì)分析。

1 CMT監(jiān)測(cè)井技術(shù)原理

1.1 CMT監(jiān)測(cè)井井管

在引進(jìn)加拿大Solinst公司CMT地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的水文鉆探設(shè)備與工藝、地下水監(jiān)測(cè)儀器等因素，自主生產(chǎn)了Φ70、Φ105CMT監(jiān)測(cè)井井管及其配套器具，為CMT監(jiān)測(cè)井在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

CMT監(jiān)測(cè)井井管以高密度聚乙烯(HDPE)為主要原料，通過(guò)擠出機(jī)一次擠壓成型，包含7個(gè)通道，中間無(wú)接頭，環(huán)保清潔(圖1)。

圖1 CMT監(jiān)測(cè)井井管材料

1.2 新型止水材料

多層監(jiān)測(cè)井止水要求高，環(huán)狀間隙小，需要使用水化時(shí)間長(zhǎng)，粒徑小、膨脹率高，對(duì)水質(zhì)影響小的止水材料。新型止水材料以膨潤(rùn)土為主要原料，通過(guò)制球機(jī)制成杏核狀，粒徑約為15 mm，水化時(shí)間長(zhǎng)，膨脹率高，不污染水質(zhì)，可以應(yīng)用于間隙小、止水要求高的多層監(jiān)測(cè)井，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新型止水材料參數(shù)

1.3 CMT監(jiān)測(cè)井分層技術(shù)原理

圖2為CMT多層監(jiān)測(cè)井分層技術(shù)原理示意圖。監(jiān)測(cè)管內(nèi)部由隔塞分隔成7個(gè)通道，定位標(biāo)準(zhǔn)線所在位置為1號(hào)通道，依次順時(shí)針編號(hào)，中間為7號(hào)通道，監(jiān)測(cè)最深層地下水。根據(jù)測(cè)井曲線和施工設(shè)計(jì)，確定監(jiān)測(cè)窗口位置，接著在對(duì)應(yīng)的通道上加工監(jiān)測(cè)窗口，窗口下部用膠塞封閉，外部包不銹鋼濾網(wǎng)，使用卡箍固定。在監(jiān)測(cè)窗口加工結(jié)束后進(jìn)行下管，并根據(jù)監(jiān)測(cè)含水層的劃分圍填礫料和黏土球?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)井的分層。

圖2 分層技術(shù)原理示意圖

1.4 CMT監(jiān)測(cè)井成井工藝

成井工藝是決定CMT監(jiān)測(cè)井成井質(zhì)量的關(guān)鍵，其成井工藝流程如圖3所示。主要分為以下幾個(gè)步驟：成井準(zhǔn)備工作、安裝井管、填礫止水、洗井、安裝保護(hù)裝置。其中，安裝井管和填礫止水是CMT監(jiān)測(cè)井成井的關(guān)鍵。

圖3 CMT監(jiān)測(cè)井成井工藝流程

2 CMT監(jiān)測(cè)井在黑河流域的實(shí)際應(yīng)用

作為中國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸流域，黑河流域的生態(tài)環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。為合理利用黑河水資源和協(xié)調(diào)用水矛盾，國(guó)務(wù)院于2001年批準(zhǔn)實(shí)施了黑河分水計(jì)劃[10-11]，隨著黑河分水計(jì)劃的實(shí)施，下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)，水資源供需矛盾得到緩解，額濟(jì)納植被覆蓋明顯增加，地下水水位回升，但卻對(duì)中游地區(qū)產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)，地下水水位下降，水質(zhì)惡化，植物生長(zhǎng)受到抑制，土壤鹽堿化加重[12]。

為合理利用黑河水資源，長(zhǎng)期獲得該流域的地下水水文地質(zhì)信息，研究黑河流域地下水化學(xué)垂向分布特征，了解礦化度和主要離子濃度隨著深度的變化規(guī)律，探討蒸發(fā)作用對(duì)淺層水化學(xué)組分的影響，在黑河干流布設(shè)了多眼CMT監(jiān)測(cè)井，詳見(jiàn)圖4。

注：底圖源自國(guó)家測(cè)繪地理信息局網(wǎng)站(http://map.sbsm.gov.cn/mcp/index.asp)下載的1:400萬(wàn)河流水系版中華人民共和國(guó)底圖。審圖號(hào)為GS(2008)1304號(hào)。下載日期為2015-05-06。

2.1 張掖盆地地下水水化學(xué)垂向分布特征研究

CMT監(jiān)測(cè)井D5、D6均位于張掖平原堡，D5距黑河約2 km，D6距黑河約100 m，通過(guò)這兩眼CMT監(jiān)測(cè)井對(duì)張掖盆地地下水水化學(xué)垂向分布特征進(jìn)行研究。對(duì)D5、D6監(jiān)測(cè)井采集的水樣進(jìn)行礦化度和離子濃度測(cè)定，結(jié)果詳見(jiàn)表2、表3。

表2 CMT監(jiān)測(cè)井D5礦化度和離子濃度 mg/L

表3 CMT監(jiān)測(cè)井D6礦化度和離子濃度 mg/L

由表3可知，D6水樣的TDS均低于D5，說(shuō)明黑河河水對(duì)D6的補(bǔ)給作用影響更為明顯。TDS變化為309.78～496.48 mg/L，1層水化學(xué)類型為SO4-Ca-Mg型水，第6層為Mg-Na-Ca-SO4型水，其余監(jiān)測(cè)層為Mg-Ca-SO4型水，其水樣中化學(xué)組分變化幅度均在0.2 mmol/L以內(nèi)。根據(jù)第6層水化學(xué)數(shù)據(jù)，Na+與SO42-上升而Ca2+下降，說(shuō)明該層地下水受溶濾作用和陽(yáng)離子交換作用的雙重影響，極少量的長(zhǎng)石類礦物的溶解(例如斜長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)的水解反應(yīng)和Na+與Ca2+之間的離子交換使地下水化學(xué)特征變化。該區(qū)域地下水在7～60 m范圍內(nèi)無(wú)明顯分層特征，地下水主要以水平運(yùn)動(dòng)為主。

2.2 額濟(jì)納盆地和鼎新谷地地下水水化學(xué)垂向分布特征研究

CMT監(jiān)測(cè)井D8、D9分別位于額濟(jì)納旗、鼎新黑河大橋，代表了黑河下游河水地下水排泄區(qū)和入滲補(bǔ)給區(qū)地下水垂向的分異特征，通過(guò)選取以上兩眼CMT監(jiān)測(cè)井對(duì)額濟(jì)納盆地、鼎新谷地盆地地下水水化學(xué)垂向分布特征進(jìn)行研究。

對(duì)D8、D9監(jiān)測(cè)井采集的水樣進(jìn)行礦化度和離子濃度測(cè)定，獲得以下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4、表5。

表4 CMT監(jiān)測(cè)井D8礦化度和離子濃度 mg/L

表5 CMT監(jiān)測(cè)井D9礦化度和離子濃度 mg/L

根據(jù)表4、表5的水化學(xué)數(shù)據(jù)可以看出，D8、D9與中游地區(qū)(D5、D6)地下水化學(xué)特征在垂向上既有相似性，也存在明顯差異，相似性主要表現(xiàn)在第一層地下水均具有較高TDS值，說(shuō)明地下水化學(xué)特征的控制因素中蒸發(fā)作用占主導(dǎo)地位，差異性主要體現(xiàn)在隨深度增加，地下水中宏量離子的變化趨勢(shì)并不相同。

由表4可以看出，監(jiān)測(cè)井D8與D5水化學(xué)特征垂向變化中TDS更為接近，一般來(lái)說(shuō)，隨著深度的增加，地下水更新速度減慢，水巖相互作用得到加強(qiáng)，但D8監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，7種宏量組分均隨深度的增加而下降，這說(shuō)明中深層地下水頂托補(bǔ)給是該地區(qū)的淺層地下水的重要補(bǔ)給方式，深部的低礦化度淡水頂托補(bǔ)給淺層地下水，將地層中的易溶鹽組分源源不斷的搬運(yùn)至地表并沉積下來(lái)。

3 結(jié)論

1)作為一種新型多層監(jiān)測(cè)井，CMT監(jiān)測(cè)井成井工藝簡(jiǎn)單，占地面積小，施工成本和維護(hù)費(fèi)用都相對(duì)較低，無(wú)論是成井材料還是成井工藝，都比較適合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)水平，可以廣泛應(yīng)用于地下水監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)CMT監(jiān)測(cè)井采集水樣的水化學(xué)分析，可以從側(cè)面反映出CMT監(jiān)測(cè)井的分層有效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2)通過(guò)CMT監(jiān)測(cè)井在黑河流域的實(shí)際應(yīng)用，得出張掖盆地平原堡地區(qū)地下水化學(xué)作用以溶濾作用為主，在垂向上存在明顯分異；額濟(jì)納盆地地下水化學(xué)作用和張掖盆地平原堡地區(qū)類似，地下水中各主要離子含量、TDS隨深度增加而下降；鼎新谷地地下水主要受黑河下游地下水入滲補(bǔ)給，此外，由于受到地層中砂礫石與黏土互層影響，中層水TDS出現(xiàn)明顯升高。

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Application of CMT Monitoring Well on Monitoring Groundwater in Heihe River Basin

WANG Mingming1，LU Ying2，XIE Wei1

1.Centre for Hydrogeology and Environmental Geology, CGS, Baoding 071051, China 2.Shijiazhuang University of Economics, Shijiazhuang 050031, China

It adopts new structure for well completion, which can monitor multiple aquifers from single well, collect water samples from different aquifers and analyze water quality. On the basis of application of Continuous Multi-channel Tubing monitoring well in HeiheRiver basin and analysis of the data from monitoring and water samples, the paper got dynamic variation of water level and mastered vertical distribution of hydrochemistry about groundwater in HeiheRiver basin, which might offer scientific basis for utilizing water resources in HeiheRiver basin rationally.

Continuous Multi-channel Tubing monitoring well；well completion technology；groundwater monitoring；Heihe River basin

2015-08-28；

2016-01-04

自然科學(xué)基金“黑河流域地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的觀測(cè)與機(jī)制研究”(91025019)

王明明(1990-)，男，山西運(yùn)城人，碩士，助理工程師。

X832

A

1002-6002(2016)06- 0141- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.23