荒漠區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)獲取方法研究

劉秉儒, 牛宋芳

(1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750021)

地下水作為荒漠區(qū)水資源的重要組成部分，是干旱半干旱地區(qū)最重要的自然資源之一，在荒漠植物的生長(zhǎng)中發(fā)揮著不可替代的作用[1-4]。地下水的水位分布及其水質(zhì)變化導(dǎo)致植被退化、沙漠化、土壤鹽漬化等環(huán)境問(wèn)題[5-7]，影響著區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，快速、準(zhǔn)確地獲取地下水埋深(潛水面距地面的距離)[8]，對(duì)于定量分析其對(duì)植被的影響尤為重要。地下水埋深測(cè)定由最初觀測(cè)井(鉆井)實(shí)測(cè)法發(fā)展到20世紀(jì)60—70年代廣泛應(yīng)用的地下水位計(jì)法(分浮子式和壓力式)，隨著物理和電子信息技術(shù)的發(fā)展，為了更精準(zhǔn)的測(cè)定地下水埋深，探地雷達(dá)法、核磁共振得到更為廣泛的應(yīng)用，在勻質(zhì)土壤生境中土壤阻抗系數(shù)法也得到廣泛的應(yīng)用。但是很多試驗(yàn)研究中對(duì)于地下水埋深獲取的方法描述比較簡(jiǎn)略，無(wú)法對(duì)剛涉足的研究者提供幫助。本文通過(guò)分析幾種地下水埋深的測(cè)定方法、原理及優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況，最后綜合操作便利性、精度和儀器設(shè)備價(jià)格等因素，分析、遴選出獲取荒漠區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)的幾種快速、準(zhǔn)確的技術(shù)、方法，旨在為研究荒漠區(qū)植物與地下水埋深關(guān)系、地下水資源查找提供技術(shù)參考。

1 獲取地下水埋深的幾種方法及特點(diǎn)

地下水是水資源的重要組成部分，但其埋深及分布情況并不及地表水容易確定。地下水埋深數(shù)據(jù)的獲取，最簡(jiǎn)單直接的方法就是通過(guò)布設(shè)觀測(cè)井或鉆孔后直接測(cè)量，而最常用的探測(cè)方法就是物探，包括電法勘探、電磁法、地震勘探等，其中可以用于確定地下水埋深的方法有電法勘探中的電阻率法、激發(fā)電極法，地球物理測(cè)井法及地震勘探，具有成本低、速度快的優(yōu)點(diǎn)，還有一些是新的探測(cè)技術(shù)，如核磁共振，探地雷達(dá)等。下面介紹幾種在荒漠區(qū)進(jìn)行野外試驗(yàn)時(shí)可能用到的方法。

1.1 觀測(cè)井(鉆井)實(shí)測(cè)法

觀測(cè)井實(shí)測(cè)法是利用修建的觀測(cè)地下水或檢測(cè)地下水開采量、水質(zhì)、水溫等的地下觀測(cè)井，或者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行打井、鉆孔，之后再使用一些儀器測(cè)量地下水埋深。這種方法可以直接測(cè)出地面與地下潛水面之間的距離。觀測(cè)井法是最常用的、傳統(tǒng)的測(cè)量地下水埋深的方法，可以用儀器人工測(cè)量、讀數(shù)，也可以直接用儀器自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量?jī)x器的主要優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況[9]詳見表1。這種方法是目前最常用的方法，如王希義等[10]在研究地下水埋深與優(yōu)勢(shì)草本之間的關(guān)系是根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)井的位置布設(shè)監(jiān)測(cè)帶進(jìn)行地下水埋深的觀測(cè)。但是如若在沒(méi)有觀測(cè)井的地方，則需要使用鉆孔器鉆孔后進(jìn)行測(cè)量，耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力及物力。

表1 觀測(cè)井測(cè)量地下水埋深的方法

1.2 土壤阻抗系數(shù)法

土壤阻抗系數(shù)法是通過(guò)測(cè)定土壤的阻抗系數(shù)來(lái)確定地下水埋深的一種方法。每種物質(zhì)都有其不同的阻抗系數(shù)，而土壤阻抗系數(shù)是指當(dāng)電流通過(guò)土壤時(shí)，土壤對(duì)其阻礙的能力[11]，它會(huì)受土壤質(zhì)地、含水含鹽量以及土壤溫度等方面影響。土壤阻抗系數(shù)法僅適用于與同質(zhì)沙地中，因?yàn)樵谀菢拥沫h(huán)境中土壤電阻的差異主要是由地下水埋深、土壤含水量、土壤含鹽量造成的，所以，可通過(guò)對(duì)土壤阻抗系數(shù)進(jìn)行室內(nèi)分析后得到地下水埋深。

由上述可知，通過(guò)測(cè)定同質(zhì)沙地中的土壤阻抗系數(shù)就可確定地下水位的相關(guān)狀況，因此，土壤阻抗系數(shù)的確定成為該方法的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。測(cè)定土壤阻抗系數(shù)的方法目前有三種，兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法和四點(diǎn)法(圖1)[11]，其中應(yīng)用最廣的是四點(diǎn)法，具體原理及優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2。

表2 土壤阻抗系數(shù)法測(cè)定地下水埋深的方法

圖1 土壤阻抗系數(shù)的測(cè)定方法示意圖

由于測(cè)量的是同質(zhì)沙地，不同厚度的土層之間土壤阻抗的變化是十分平緩的，當(dāng)?shù)竭_(dá)地下水面的時(shí)候，土壤阻抗系數(shù)會(huì)迅速下降，這個(gè)下降的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的分段曲線的斜率最大，將該分段曲線中斜率最大的曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)分層點(diǎn)的位置確定為地下水埋深[12]。

影響土壤阻抗系數(shù)的各種因素的復(fù)雜性和不確定性，使確定土壤阻抗系數(shù)成為該方法的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。目前對(duì)于土壤阻抗系數(shù)的測(cè)量方法介紹還不多，許多科研工作者無(wú)法準(zhǔn)確把握這些計(jì)算公式和方法，下面以沙質(zhì)林地為例，對(duì)土壤抗阻系數(shù)的測(cè)量方法與過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，為應(yīng)用土壤抗阻系數(shù)研究沙質(zhì)林地水分生態(tài)提供方法與基礎(chǔ)[12-13]。利用土壤的阻抗系數(shù)來(lái)確定地下水埋要用到土壤阻抗測(cè)定儀，常見的土壤阻抗測(cè)定儀是根據(jù)Wenner法原理設(shè)計(jì)的典型四點(diǎn)法儀器(圖2)[11]，該方法廣泛應(yīng)用于地球物理科學(xué)和土壤科學(xué)，成為最普遍的土壤阻抗測(cè)量方法。當(dāng)電流通過(guò)電極在土壤中傳導(dǎo)時(shí)，從上到下在土層中形成一系列的等壓線，而這些電壓等位線在地面以下形成半球形(圖1)。根據(jù)Wenner法測(cè)量土壤阻抗系數(shù)原理，圖2中P1，P2點(diǎn)的電壓分別為：(ρI0/2π)/(1/a-1/2a)和(ρI0/2π)/(1/2a-1/a)，因此P1和P2間電壓差為：V0=ρI0/2πa

整理該式得到：ρ=2πa(V0/I0)

而V0/I0就是電阻R，通過(guò)儀器的讀數(shù)直接讀出來(lái)，因此，可以得出Wenner法計(jì)算土壤抗阻系數(shù)的公式：

ρ=2πaR

式中：ρ——土壤阻抗系數(shù)的平均值(Ω-m)；a——兩電極P1，P2之間的距離(m)；R——測(cè)量?jī)x器的讀數(shù)(Ω)。

使用土壤阻抗測(cè)定儀操作時(shí)，在0—10 m內(nèi)，電極P1，P2每次向測(cè)定儀兩側(cè)移動(dòng)0.5 m(前兩次每次移動(dòng)距離為0.25 m)，在10—20 m時(shí),每次移動(dòng)1 m，>20 m時(shí)每次移動(dòng)2 m；而C1，C2每次同時(shí)向兩側(cè)移動(dòng)的距離為P1～P2距離的2倍。同時(shí)在電極移動(dòng)的過(guò)程,每次電極插入土壤的垂直深度應(yīng)隨著兩電極水平距離的增大而有所加深， 水平a在0—20 m 內(nèi)插入的深度為10 cm左右，>20 m后以20—30 cm為宜。每移動(dòng)一個(gè)位置測(cè)定一個(gè)電阻值，分別記錄。

該方法測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，但具有很大的局限性，只適用于均質(zhì)土壤中，如朱教君等[12]在探究地下水埋深的季節(jié)變化時(shí)使用土壤阻抗法測(cè)到的地下水埋深與觀測(cè)井法測(cè)到的數(shù)據(jù)之間并無(wú)顯著差異。

圖2 四點(diǎn)法土壤阻抗系數(shù)示意圖

1.3 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法[14]是利用電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，用一個(gè)天線發(fā)射電磁波至地下，在遇到地下目標(biāo)或地層的界面后進(jìn)行反射，由另一個(gè)天線接收反射波，由于地下水和土壤之間由于電磁特性差異較大，介電常數(shù)和電導(dǎo)率相差也很大的因素在這兩者之間存在著明顯的界面，因此，可以用探地雷達(dá)探測(cè)出土壤與地下水的界面，再通過(guò)第一次發(fā)射電磁波和接收反射波的時(shí)間，距離和第二次發(fā)射電磁波的時(shí)間和距離，通過(guò)計(jì)算得出地下水埋深。此方法在測(cè)試前需要了解測(cè)試區(qū)的地形變化以及地表結(jié)構(gòu)，對(duì)操作者的電磁波反射特性的分析能力及地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)依賴性較強(qiáng)[14]。由于自然環(huán)境中地表結(jié)構(gòu)的差異和環(huán)境狀況的不同，在進(jìn)行正式測(cè)量前，需要進(jìn)行多次的試驗(yàn)，才能進(jìn)行之后的探測(cè)工作，測(cè)定前的準(zhǔn)備工作繁瑣。

1.4 核磁共振

核磁共振技術(shù)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的技術(shù)，采用此方法可以直接探查地下水。原理是通過(guò)測(cè)量地層水中的氫核來(lái)直接找水，在地磁場(chǎng)的恒定磁場(chǎng)下氫核會(huì)產(chǎn)生宏觀磁矩M。當(dāng)施加與地磁場(chǎng)方向不同的一個(gè)外磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)使氫核磁矩偏離磁場(chǎng)方向，一旦外磁場(chǎng)消失，氫核將繞地磁場(chǎng)旋進(jìn)，其磁矩方向恢復(fù)到地磁場(chǎng)方向，通過(guò)施加具有拉莫爾圓頻率的外磁場(chǎng)，再測(cè)量氫核的共振信號(hào)，可以得到不同激發(fā)脈沖矩下對(duì)應(yīng)的核磁共振信號(hào)振幅和橫向弛豫時(shí)間，經(jīng)過(guò)反演，可以得到地面以下不同深度的土壤含水量，進(jìn)一步可以確定地下水埋深[15]。核磁共振信號(hào)幅度直接反映地下水含水量的大小，可用于直接找水[16]。核磁共振法使用儀器進(jìn)行探測(cè)，省時(shí)省力，結(jié)果一目了然，在野外沒(méi)有觀測(cè)井的情況下可以使用，不需要在進(jìn)行打孔，即可得到地下水含水層厚度、含水量、層位、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。該方法抗干擾能力差，由于核磁共振需要磁場(chǎng)，不宜在高壓線周圍或者雷雨天氣使用，會(huì)造成磁場(chǎng)異常，影響測(cè)量結(jié)果，且儀器價(jià)格較為昂貴，但比打井所耗費(fèi)的人力物力要少。

1.5 地震勘探

地震勘探是利用具有彈性的土壤和巖石在受到人工地震波的作用下，由于其彈性性質(zhì)的不同，會(huì)形成不同的界面，使傳過(guò)來(lái)的地震波發(fā)生折射和反射，通過(guò)地震波向外傳播的速度來(lái)探測(cè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及含水界面的物探方法[17]。地震勘測(cè)可分為折射波法和反射波法，按照地震探測(cè)的深度又可以分為深層地震法和淺層地震法，常用高分辨率淺層地震法[18]。地震勘探法可以用來(lái)確定潛水面埋藏深度，劃分巖層結(jié)構(gòu)、確定風(fēng)化層的厚度等方面，具有勘探深度大，探測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2 荒漠區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)獲取方法優(yōu)綜合比較與權(quán)衡遴選

2.1 荒漠區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)獲取方法綜合比較

前面分別詳述了地下水埋深數(shù)據(jù)獲取方法的原理、特點(diǎn)，在實(shí)際探測(cè)荒漠區(qū)地下水埋深的時(shí)候，應(yīng)在熟悉這些地下水埋深測(cè)定方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況的基礎(chǔ)上，綜合考慮技術(shù)操作便利性、數(shù)據(jù)精度和儀器設(shè)備價(jià)格、勞動(dòng)力成本等因素，多角度權(quán)衡比較與遴選更科學(xué)、合理的技術(shù)方案。根據(jù)測(cè)定精度、操作便利性、經(jīng)濟(jì)性、耗費(fèi)人力物力以及使用條件等5個(gè)指標(biāo)，分別對(duì)5種在荒漠區(qū)可以使用的地下水埋深數(shù)據(jù)獲取方法做了綜合細(xì)分比較，具體情況見表3。

表3 地下水埋深測(cè)定方法的綜合比較

2.2 荒漠區(qū)地下水埋深數(shù)據(jù)獲取方法權(quán)衡遴選

在荒漠區(qū)已有觀測(cè)井，使用觀測(cè)井實(shí)測(cè)法測(cè)定地下水埋深是最便宜且準(zhǔn)確度最高的方法，所需要的儀器少，操作簡(jiǎn)單；若沒(méi)有觀測(cè)井，重新打井或者鉆孔因耗費(fèi)的人力物力較多，可以考慮其他的方法，尤其在一些地形條件復(fù)雜，交通不便利的情況下，一般不建議采用觀測(cè)井的方法，由于不能使用探地雷達(dá)和土壤阻抗系數(shù)法，可根據(jù)儀器設(shè)備條件采用核磁共振、地震探測(cè)方法的一種，充分利用速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是核磁共振所需的儀器價(jià)格較為昂貴，在資金比較充足時(shí)可以考慮該方法。如果測(cè)定同質(zhì)沙地中的地下水埋深，在沒(méi)有觀測(cè)井的情況下，可以使用土壤阻抗測(cè)定儀來(lái)進(jìn)行探測(cè)，該方法技術(shù)操作便利、數(shù)據(jù)精度較高、儀器設(shè)備價(jià)格低廉，具有成本低、速度快的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

在荒漠區(qū)已有觀測(cè)井，使用觀測(cè)井實(shí)測(cè)法測(cè)定地下水埋深是最便宜且準(zhǔn)確度最高的方法；土壤條件復(fù)雜，無(wú)觀測(cè)井時(shí)，不宜使用探地雷達(dá)和土壤阻抗系數(shù)法，應(yīng)采用核磁共振、地震探測(cè)方法的一種；如果測(cè)定同質(zhì)沙地中的地下水埋深，在沒(méi)有觀測(cè)井的情況下，使用土壤阻抗測(cè)定儀來(lái)進(jìn)行探測(cè)更為便捷，數(shù)據(jù)精度也高。