水文地質調查與物探在干旱山區(qū)找水打井中的綜合應用

梁 競，韋啟鋒，鄭盛業(yè)，盧玉天

（廣西二七三地質隊，廣西 貴港 537101）

水文地質工作是用來研究某個區(qū)域水文地質條件的主要手段和方法，包括對已有資料的收集整理和野外調查研究。水文地質調查目的就是為了探索某個區(qū)域地下水的形成和分布規(guī)律，在搜集區(qū)域水文地質普查等資料的基礎上，以缺水村屯為中心，在有限范圍內進行的以供水為目的的水文地質調查研究，論證村屯周圍尋找地下水源的可能性，查明蓄水構造或富水地段，對具備找水前景的工區(qū)，圈定蓄水構造或富水地段，確定物探工作靶區(qū)以及有利于鉆探施工作業(yè)的地段。

2013年5月至2014年11月，廣西“十二五”農村飲水安全找水打井工程，對基本具備打井條件的2112個缺水村屯開展了物探和水文地質勘探，鉆探成井共1818口。據了解，各單位采用的物探方法主要有高密度電法、常規(guī)電阻率法（聯合剖面法、電測深法）、自然電場法，部分采用甚低頻法，而激發(fā)極化法等其它方法采用的相對較少。就我單位成井82口的工作經驗而言，我們的隊伍克服多重困難：其一，缺水村屯的劃定，基本上是各地方政府部門上過鉆機而未能成井的村屯；其二，工區(qū)之中的桂北縣區(qū)，多有炭質巖、泥質巖等低阻巖層，易于對物探成果形成干擾等因素。即使在這樣的條件下，我隊的水文地質-物探隊伍所確定的孔位，成井命中率達到64.5%，最終滿足了廣西國土資源廳、地礦局等上級部門提出的62.5%的成井率要求。

本文以武宣縣祿新鄉(xiāng)復旦村灣龍屯水井為例，分析了水文地質的調查內容、調查方法與自然電場法的綜合應用，為今后在干旱山區(qū)找水打井工作拋磚引玉。

1 工程概況

武宣縣祿新鄉(xiāng)復旦村灣龍屯人口共計987人，在2013年5月之前，是一個十分缺乏安全飲用水的村屯。因當地地表水系不發(fā)育，在每年旱季，村屯附近無充足的清潔地表水可供利用。該村屯生活飲用水源以往全為人工掘井，以地表水入滲為主，水質差并常有牛尿味等水質污染現象。該村屯主要屬水源性缺水，缺水時段為每年11～12月至次年3月，期間大部分村民需從外村取水飲用，因此該村屯被列入廣西十二·五農村飲水安全工程找水打井項目村屯之一，并于2013年6月初次鉆井成功，經118h抽水試驗確定，其出水量能滿足要求，水質清澈。

初次鉆井成功后因農電、蓄水塔等問題而一直未正式啟用，后于2015年春節(jié)啟用，運行后約一個月即遇當地最干旱季節(jié)，井內出水量變小至2～3m3/h并且常有斷續(xù)現象，經復核確認該井主要出水深度僅約為8m。根據上級部門文件要求，我隊于2015年重新為該村屯找水打井。

2 水文地質調查工作

2.1 工作方法

基本調查方法：調查工作以野外實地調查為主，實測與訪問，綜合分析相結合，在確保重點調查資料現時性基礎上，充分利用前人資料。

路線和觀測點的布置以查明缺水村屯干旱缺水情況、供水現狀及供水需求、水文地質條件為原則。用最短的路線觀測到最多的水文地質現象。觀測路線沿穿越村屯、垂直于巖層(巖體)和構造線走向、地貌形態(tài)變化顯著方向、河谷、溝谷和地下水露頭多的地帶或含水層帶走向布置，遇大泉等特殊情況應進行必要的追索調查。

觀測點布置在村屯現有供水水源點或潛在供水水源點、地質、水文地質有意義的地點，不平均布置。地質點布置在地層界線、斷層線、褶皺軸線、巖漿巖與圍巖接觸帶、標志層、典型露頭和巖性、巖相變化帶等；地貌點布置在地貌分界線和自然地質現象發(fā)育處；水文地質點布置在井、泉、鉆孔、巖溶水點等。

調查內容主要包括地形地貌、地層巖性、地質構造、天然水點、機井民井、巖溶地質點、缺水村屯基本情況和干旱災害情況、巖溶大泉開發(fā)利用情況等。

圖1 工區(qū)水文地質圖

2.2 工區(qū)水文地質條件

2.2.1 地形地貌與地表水文

復旦村灣龍屯屬溶蝕準平原與丘陵交界地貌，總體地勢西高東低，其西、北、南側為巖溶壟崗低山，東側為較平坦的巖溶準平原。

復旦村灣龍屯東側有1條小溪流過，水量小，枯水期斷流，其上游為元旦水庫，常年干涸，僅豐水期時泄水流入該小溪。往東流經雷來村、復旦村流入濠江河。

2.2.2 地層巖性

第四系Q4：主要分布于東面巖溶準平原一帶，巖性為黃褐色殘積層粘土，土質硬，粘性好，厚度一般3～15m。

石炭系下統C：大塘階C1d，主要分布于復旦村灣龍屯周邊大部份地段，分布面積較廣，巖性主要為灰?guī)r，地層厚度一般250～446m。巖關階C1y，主要分布于復旦村灣龍屯南東側一帶，巖性主要為灰?guī)r夾硅質灰?guī)r、泥質灰?guī)r，地層厚度一般122～331m。

工區(qū)水文地質要素分布情況見圖1。

2.2.3 地質構造

測區(qū)內主要出露F1斷層及外圍北西側的六力村—洪江村—樟村背斜等構造。

F1斷層，分布于灣龍屯—陸軍村—二長村一帶，呈南北走向，延長約14km，寬3～5m，斷層性質不明，測區(qū)附近切割C2d、C1d、C1y、D3r等地層，該斷層導水性較差，其下盤次級揉皺及次級小裂隙發(fā)育，具一定的富水性。

六力村—洪江村—樟村背斜，分布于灣龍屯北西向約3～6km處，軸向南北，軸部出露泥盆系D3r地層，兩翼出露石炭系C1d、C1y地層，兩翼巖層傾角35°～50°。該褶曲延長約25km，寬3～5km。背斜東翼南側于灣龍屯一帶被F1斷裂錯斷，其中部地段已被多條斷層破壞。

2.2.4 含水巖組及其富水性

根據測區(qū)地層巖性、巖層組合及地下水賦存條件，可劃分為：

（1）松散巖類孔隙含水巖組。巖性主要為棕色—黃褐色殘積層粘土，分布面積較廣、厚度較大，其透水性和含水性差。富水性屬水量貧乏。

（2）裸露型碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖組。測區(qū)附近及周邊丘陵、殘峰一帶地層為C1d、C1y、D3r，巖性以灰?guī)r為主，局部夾硅質灰?guī)r、白云質灰?guī)r。村屯東側F1斷層以西，泉水枯季流量一般1～10L/s，富水性屬水量貧乏；村屯東側F1斷層以東，有1條NNE走向地下河，沿地下河有多個泉點出露，泉水枯季流量一般10～50L/s，其富水性屬水量中等。

2.2.5 地下水類型及埋藏條件

根據地下水的賦存條件、水理性質、水力特征及各含水巖組的空間分布狀況，場區(qū)地下水類型分為：

由于頸椎結構差異很大，需要采用不同的單元進行模擬：皮質骨和終板采用厚度為0.5 mm的殼單元；松質骨、髓核和纖維環(huán)采用實體單元；由于韌帶是纖維組織，在載荷條件下只能承受張力，故采用受拉的truss單元.完整模型共有24 961個節(jié)點，121 978個單元.如圖1所示.為模擬小關節(jié)接觸的復雜問題，采用無摩擦壓力過盈來模擬關節(jié)之間的關系，其中初始間隙為0.5 mm.由于椎體各個部分的材料屬性差異性較大，根據頸椎的解剖結構特點以及文獻[5-6]，設定不同的材料屬性.如表1所示.

（1）松散巖類孔隙水：其賦存含水巖組的巖性主要為粘土，分布于淺表層，水量貧乏。

（2）裸露型碳酸鹽巖裂隙溶洞水：其主要賦存于碳酸鹽巖的巖溶管道、溶洞及巖溶裂隙中。含水層深度一般在40～100m之間，靜水位埋深一般小于10m，年升降幅度一般在3～5m之間。

2.2.6 地下水補給、徑流、排泄特征

測區(qū)屬溶蝕準平原與丘陵交界地貌，位于區(qū)域地下水分水嶺北西側。測區(qū)地下水的補給面積不大，地下水主要接受大氣降水的補給，部份為上游元旦水庫水補給，地下水主要賦存于地下河、溶洞、溶蝕裂隙、層間裂隙中，在溶洞中做管道流，或在層間裂隙、巖溶裂隙中做面流運動。測區(qū)地下巖溶管道、裂隙發(fā)育，地下水總體上沿測區(qū)東部的地下河由南往北徑流，經里化村、高安村排泄于黔江河。

2.2.7 地下水動態(tài)變化特征

測區(qū)地下水動態(tài)變化具有比較明顯的季節(jié)性特征，動態(tài)變化與降雨量有較密切的關系。在雨季時地下水水位較高、變幅較大而且變化比較迅速，在枯季時，地下水位低，水量變化比較小且變化緩慢。據了解，村民所施工的民井及舊機井在大雨后水位上升較快，且水質變渾濁，說明巖土接觸帶風化裂隙較發(fā)育，易于受地表下滲影響。

2.2.8 含水層位置及含水介質特征

測區(qū)所處為六力村—洪江村—樟村背斜東翼南側與F1斷層疊加部位，受區(qū)域地質構造疊加的影響，巖層較破碎，形成有一定富水性的巖溶體。測區(qū)附近地下巖溶管道、裂隙發(fā)育，沿地下河兩側于豐水期常見泉點出露。測區(qū)屬于碳酸鹽巖類型溶洞裂隙水地區(qū)，地下水資源較豐富，含水層深度一般在40～100m之間，靜水位埋深一般小于10m。從地下水徑流途徑看，元旦水庫下游是一條比較明確的地下水滲流帶。因此在本區(qū)尋找地下水可行，基本滿足打井的水文地質條件要求，可以進行打井施工作業(yè)。

3 物探工作

3.1 物探工作布置

根據補充水文地質調查及分析，重新圈定了物探測量范圍，物探測線布設大體上垂直或大角度相交于地下水滲流方向。根據場地環(huán)境等條件，每個井位處的物探勘查布置電剖面測量2～3條。根據對復旦村灣龍屯的實地勘察，在有利于成井的地段，往往有著環(huán)境條件限制而難以采用常規(guī)的電阻率法、高密電法等方法，如井位鄰近有水田或地處狹小山坳之中、建筑物阻擋等情況。因此本次物探勘察所采用儀器為JK-E型天然電場選頻物探測量儀。

剖面測量：用JK-E儀器的3個工作頻率（25Hz、67Hz、170Hz）進行剖面測量工作。測量時保持極距MN不變，移動方向為同一方向。其目的是確定異常點在平面上分布的位置。根據場地環(huán)境等條件，擬選井位處的物探勘查布置電剖面測量3條，剖面測量極距MN=10m，點距一般為5～10m。

測深工作：在剖面測量工作所確定的天然電位差ΔV異常點處進行電測深測量工作。測量時改變電極距MN的大小以探測不同的深度，電極M、N移動方向相反。主要目的是確定該井位處天然電位差ΔV（含水層）有幾層，以及每層所處的深度，并依據此結果作為設計鉆孔深度的主要依據，如圖2所示。

圖2 自然電場法測量工作示意圖

電測深點距M2-M1以及N2-N1一般為5m，當點距5m時所測曲線反映不明顯，而該處是很有限的可供選址時，采用1m的點距以細化測量工作。

3.2 數據采集技術

數據采集的技術：本次物探勘查所用儀器為JK-E型全自動天然電場選頻物探測量儀；野外工作完成后，可通過USB接口把數據導出，利用電子表格軟件進行整理、制圖。

工作精度：

電位差測量的最小分辨率：0.001mV；

電剖面測量極距MN=10m，點距M2-M1以及N2-N1一般為5～10m，少數需要加密的情況時采用1～2m。

電測深點距M2-M1以及N2-N1：一般為5m，少數需要加密的情況時采用1m。

野外測量遇明顯的V形同步低時，重復測1～3次，如果重測結果與原來的測量結果基本相同時，予以保存、記錄數據。如果重測結果與原來的測量結果差異很大時，分析具體情況后予以保存、記錄數據，或剔除非正常的極大值、極小值。

3.3 物探成果解讀方法

根據我單位2013年5月至2014年11月采用JK-E物探儀測量定點82口的成功經驗，對自然電場法測量成果采用以下方法進行解讀。

（1）對于物探剖面測量曲線：

① 平緩剖面曲線中3個頻率出現V形同步低，同時多半都是該頻率曲線上的最小值：說明該點位處地下有滲流帶經過。

② 承壓水剖面曲線中出現2個頻率同步低，低頻25Hz出現反相峰值：巖溶水從基巖滲流入沖積層。凸形三頻同步高：淺層（孔隙/網狀裂隙）地下水受承壓水明顯的越流補給，地下水出現明顯的自下向上的流動。

（2）對于物探測深曲線：

① 深測曲線一般應是直線型呈光滑的雙曲正切圖形，而且不同頻率的測深直線或曲線是互相平行的：地下無異常體（無水區(qū)）。

② 測深曲線明顯出現（一般至少2個）三頻V形同步低；或頻率曲線出現緩坡臺階，這是有水孔的測深曲線特征。

4 物探推斷與鉆探實例驗證

2015年5月16～18日筆者對武宣縣復旦村灣龍屯補充水文地質調查工作并重新進行物探工作測定井位。經采用天然電場法測量，測量電極采用銅棒，極距一般采用10m，點距一般采用10m，對于主要異常地段采用5～2m點距逐漸加密測量。其中第二條剖面測量成果見圖3，對其中的第10測點的深度測量成果見圖4，推測含水層主要位于深度40～50m、70～90m。

圖3 驗證案例的剖面測量曲線

實際鉆探于深度52m見水，水質很快便抽清；終孔后出水量持續(xù)穩(wěn)定不小于5m3/h。成井后投入運行至今2年多，水井工作正常，無間歇性斷流、水量變小等不良情況。對比分析表明：①利用自然電場法在天然電位差ΔV突變異常地段，與測區(qū)地層與巖性、區(qū)域構造線、地下水徑流向等相結合進行綜合分析判斷，是尋找推薦含水巖溶發(fā)育帶，打中地下水通道、含水體的較有效的方法；②自然電場法測深M、N極距與其探測深度H一般可按對應關系MN/H≈1。

筆者于2014年12月進入廳局找水辦專家組到廣西崇左市等地檢查其他單位施工成井情況時發(fā)現，部份水井在成井之前用了高密度電法等方法進行物探勘查，并鉆了1～3個無水孔，后因施工成本、工期等壓力而外聘找水專家，對部份井孔補充水文地質調查及采用自然電場法等儀器進行物探測量，從而才解決了成井問題。

由此也可觀察到，物探工作應在做好水文地質調查的基礎上才能進行，水文地質技術人員也應適當地參與物探工作，共同研究確定井點位置；單純地依賴先進的物探儀器來測定井位是不可取的，即使有部份井位可能只靠儀器就能測出，但更可能是大部份情況測不出好的井位，尤其在干旱山區(qū)中。這也就是水文地質調查與物探綜合應用的必要性。

圖4 驗證案例的測深曲線與地質柱狀圖

5 結束語

通過成功完成廣西“十二五”農村飲水安全工程找水打井項目82口井的找水打井任務，物探工作在做好水文地質調查的基礎上才能更有效地進行，水文地質技術人員也應適當地參與物探工作，共同研究確定井點位置；單純地依賴先進的物探儀器來測定井位是不可取的。筆者采用水文地質調查與物探（自然電場法）綜合應用定點的成井命中率64.5%。自然電場法儀器輕便，工作效率高，所需人力物力小，適用于在地形狹小、地貌復雜的干旱山區(qū)工作。該方法通過采用測剖面及測深法2種工作方式探測地表電位異常來尋找適當的井位，只要加強水文地質調查研究以及物探測量成果解讀方面的工作，其成果準確可靠，今后可擴大其在地下水勘查、涉及地下水的地質災害勘查以及礦產勘查等方面的應用。

根據對大量水井的測井位實踐，表明自然電場法測深M、N極距與其探測深度H一般可按對應關系MN/H≈1進行處理。

由于實際工作中水文地質情況以及工作環(huán)境復雜多變，自然電場法的電剖面法、電測深曲線的形態(tài)特征及其與地層巖性、富水性之間的關系等等，將是今后要加強研究和探討的問題。

[1] 楊天春，等.天然電場選頻法在充水巖溶勘查中的試驗應用與分析[J].煤田地質與勘探，2014(2):71-75.

[2] 梁競，韋啟鋒，洪卷，等.自然電場法在巖溶地區(qū)找水打井中的應用[J].工程勘察,2016,44(2):68-78.

[3] 廣西二七三地質隊.武宣縣祿新鄉(xiāng)復旦村灣龍屯水源地水文地質勘察報告[R].

[4] 中國水利電力物探科技信息網.工程物探手冊[M].中國水利水電出版社，2011：136-145.

[5] 中國地質調查局.水文地質手冊[M].地質出版社，2013：350-357.