一种利用直流充电法测定地下水流速和优势流向的方法与流程

本发明涉及地质测量
技术领域：
，尤其涉及一种利用直流充电法测定地下水流速和优势流向的方法。
背景技术：
：地下水流速流向是含水层的重要参数，获取地下水流速流向对于查明煤矿生产过程中的水害问题、研究核废料处置场水文地质条件、研究滑坡滑动面的水文地质参数有重要意义。传统的采用示踪法测定地下水流速流向费时费力，成本较高，利用电法测定时最有效、最经济的方法之一。《直流充电法技术规程》(dz/t0186-1997)中提供了利用直流充电法测定地下水流速流向的操作方法，但实际操作过程中存在一些问题，本测量方法是对该方法的改进。技术实现要素：本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种利用直流充电法测定地下水流速和优势流向的方法。本发明通过以下技术方案来实现上述目的：本发明包括以下步骤：(1)测量之前选择地下水可能的排泄区域为一个条件试验孔，以分析确定现场试验的工作方案和试验条件；(2)根据测量场地的水文地质条件或者勘查目的确定不同的测量区，每个测量区域分别选取3个近于等边三角形的测量钻孔，选取3个钻孔的目的是充分利用三个钻孔的测量结果的矢量位移确定测量区的地下水优势流向和流速；(3)每个钻孔测量电极的布置方法为：以钻孔为中心，按照0°30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°12个方位用测绘仪器定出12条测线，每条测线设立与钻孔距离为2m、5m、10m、15m、20m、25m的电极，每条环形测线测量电极距均等一致。即每条环形测线共12个测点，每个钻孔单次共72个测点；(4)激电仪的电极布置：充电电极a应置于井内待测含水层位置；b极理论上应置于“无穷远”处，实际其离井口的距离不小于待测含水层深度的20倍以上；测量电极n固定设置在与事先估计的水流方向相反的方向上，离开井口的距离取待测含水层的深度；当井内有较长的金属套管时，把固定电极至井口的距离增加2～3倍，另一测量电极m则沿事先布置的各个测线和测点移动；(5)电极m测量时沿由近到远的环形测线绕圈移动，比如：先测定距离钻孔半径为2m的环线，再测定距离钻孔半径为5m的环线，以此类推；(6)在加水加盐前，先观测一至两次正常场等电位线，当井周围介质均匀和各向同性时，正常等电位线是以钻孔为中心的圆；当周围介质不均匀或各向异性时，正常等电位线可能是椭圆或其他形状的封闭曲线；(7)测出正常等电位场后，按一定的水头向钻孔中注入清水，记下加水时间t1，隔一定时间(记录每次测量开始时间)，按前述相同的方法测量，绘制电位等值线图，当测量多次后(测量次数根据条件试验确定)，在测量范围内含水层已形成近同心圆状饱和圈，电位等值线图已接近重合，其流速不明显，此时转入下一阶段测量，若钻孔中水位、水量充足则不需要注入清水，直接转入下一步加饱和盐水；(8)结束加清水测试后，将清水换成饱和盐水，记下加盐水时间t2，按相同条件加入钻孔中，然后以前述相同的方法测量，绘制电位等值线图；(9)每个测区内相互联系的不同测量钻孔，应先测定地下水流出方向(地下水位相对低)的试验孔，防止地下水位相对高的上游钻孔加水或加盐后对下游钻孔产生影响；测量时间间距的确定根据《直流充电法技术规程》可按2～6h的间隔(视地下水的流速而定)进行等电位线观测。本发明的有益效果在于：本发明是一种利用直流充电法测定地下水流速和优势流向的方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、利用条件试验确定各条件下含水层(试验层)的电位、电阻变化特征以及地貌和地层岩性对电位、电阻的影响；根据条件试验确定后续的测量方案更加可靠；2、在测区内布置3个钻孔综合判断地下水流速流向，可信度高；3、以钻孔为中心，12个方位布置电极，通过m极的测量电位并制作电位等值线图，可选取不同电位线、不同对比方案得出多组流速流向数据，增加了数据量，减少误差；4、创新点：本测量方法引入用于统计岩层裂隙的玫瑰花图，将不同电位线、不同测量次数统计的地下水流向以5°为一个区间，统计数量，然后输入裂隙玫瑰花图软件，形成流向玫瑰花图，即可判断出地下水的优势流向。5、创新点：本测量方法利用数理统计方法来计算地下水流速，即分别计算多个流速数据的平均值、变异系数、标准偏差，再利用置信水平分析地下水流速范围，得出的地下水流速范围可信度高。6、本方法适用于埋藏不深(几米到几十米)且矿化度低的含水层。附图说明图1是本发明的钻孔分布示意图；图2是本发明的电极布置图；图2中黑点表示电极；图3是本发明的流向判断示意图；图4是本发明的某钻孔加水第一次与自然状态5mv等电位线移动距离；图5是本发明的某钻孔加水第二次与加水第一次50mv等电位线移动距离；图6是本发明的某钻孔加盐第一次与加水最后一次50mv等电位线移动距离；图7是本发明的流向判断玫瑰花图；图8是本发明的矢量相加示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：基本原理：充电法测定地下水流速流向的原理是当将食盐(nacl)溶解于钻孔中的地下水时，较高浓度的盐水沿地下水流动方向形成电导率较高的地下水含盐水带，初始阶段该高导电带的中心和井轴一致，随着地下水的流动，高浓度盐水导电带沿地下水流动方向扩展较快，其浓度高盐水中心同时也向地下水流动方向移动。因此，当向井中的地下水充电时，在地表所观测到的等位线也将随时间向水流方向逐渐位移，形成一个类似箭头的高盐浓度前锋带。根据此带位移的方向和速度可以用来确定地下水的流速和判断流向。当钻孔中无水时，可利用人工加水再加盐的方法，利用同样的原理可判断人工充水条件下的地下水的优势流动方向和确定人工充水条件下的地下水实际流速。测线布置及测量原则：1)本方法的测量仪器为数字直流激电仪或者高密度电法仪2)正式测量之前，先选取一个条件试验孔，以分析确定现场试验的工作方案和试验条件。条件试验孔一般选择地下水可能的排泄区域。条件试验的目的：进行若干次原始状态、加水状态、加盐状态条件试验，以确定各条件下含水层(试验层)的电位、电阻变化特征以及地貌和地层岩性对电位、电阻的影响；根据条件试验，确定试验钻孔含水层试验方案及其相关注意事项。3)根据测量场地的水文地质条件(补径排条件、水文地质单元)或者勘查目的确定不同的测量区，每个测量区域分别选取3个近于等边三角形的测量钻孔(图1)。选取3个钻孔的目的是充分利用三个钻孔的测量结果的矢量位移确定测量区的地下水优势流向和流速。4)每个钻孔测量电极的布置方法为：以钻孔为中心，按照0°30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°12个方位用测绘仪器定出12条测线，每条测线设立与钻孔距离为2m、5m、10m、15m、20m、25m的电极，每条环形测线测量电极距均等一致。即每条环形测线共12个测点，每个钻孔单次共72个测点(图2)。电极距与测点数量可根据测量过程中的实际情况做修改，如现场的含水层渗透系数较大，则可适当增加电极距或者增加电极数量。5)激电仪的电极布置方法与《直流充电法技术规程》(dz/t0186-1997)相同。具体为：充电电极a应置于井内待测含水层位置；b极理论上应置于“无穷远”处，实际其离井口的距离不小于待测含水层深度的20倍以上；测量电极n固定设置在与事先估计的水流方向相反的方向上，离开井口的距离取待测含水层的深度。当井内有较长的金属套管时，把固定电极至井口的距离增加2～3倍，另一测量电极m则沿事先布置的各个测线和测点移动。6)电极m测量时沿由近到远的环形测线绕圈移动，比如：先测定距离钻孔半径为2m的环线，再测定距离钻孔半径为5m的环线，以此类推。7)在加水加盐前，先观测一至两次正常场等电位线。当井周围介质均匀和各向同性时，正常等电位线是以钻孔为中心的圆；当周围介质不均匀或各向异性时，正常等电位线可能是椭圆或其他形状的封闭曲线。8)测出正常等电位场后，按一定的水头向钻孔中注入清水，记下加水时间t1，隔一定时间(记录每次测量开始时间)，按前述相同的方法测量，绘制电位等值线图。当测量多次后(测量次数根据条件试验确定)，在测量范围内含水层已形成近同心圆状饱和圈，电位等值线图已接近重合，其流速不明显，此时转入下一阶段测量。若钻孔中水位、水量充足则不需要注入清水，直接转入第9)步加饱和盐水。9)结束加清水测试后，将清水换成饱和盐水，记下加盐水时间t2，按相同条件加入钻孔中，然后以前述相同的方法测量，绘制电位等值线图。10)每个测区内相互联系的不同测量钻孔，应先测定地下水流出方向(地下水位相对低)的试验孔，防止地下水位相对高的上游钻孔加水或加盐后对下游钻孔产生影响。如图1中，应先测定zk2和zk3，最后测定zk1。11)测量时间间距的确定根据《直流充电法技术规程》可按2～6h的间隔(视地下水的流速而定)进行等电位线观测。具体测量时间间隔根据条件试验确定。单孔优势流向确定判断地下水流向有2种方法，分别叙述如下：(1)根据过滤电场形成的原理，即地下水运动中，下方将集中较多的正离子，形成水流下游为较高电位，水位上游为低电位，这样在地下水流动方向上，上下游两测点见的电位差极大，而在垂直流向方向上，由于水流变化速度甚缓，所以两点间的电位差值为极小，几乎为零。基于这种原理，测量自然电场后绘制的电位等值线图应为椭圆形，椭圆长轴方向为地下水优势方向。(2)加清水或加盐水一段时间后，观测到的异常等电位线通常是向某一方向延长的椭圆或其他形状的封闭曲线。异常等电位线相对于正常等电位线偏离最大的方向或异常等电位线中心o′相对于正常电位线中心o移动的方向，或者r2相对于r1的位移方向，就是地下水优势流向，如图3。此处判断方法与《直流充电法技术规程》相同。为了保证测试结果的可靠性，本测量方法可设计不同的对比方案：加水测量等电位线与自然状态测量等电位线对比；加水之间等电位线对比；加盐测量等电位线与加水测量等电位线对比；加盐之间等电位线对比。示例：如图4、图5、图6为某钻孔不同对比方案的等电位线移动图(其他对比方案略)，利用不同对比方案电位线偏移方向可得出多组地下水流向数据。本测量方法引入用于统计岩层裂隙的玫瑰花图，将不同电位线、不同测量次数统计的地下水流向以5°为一个区间，统计数量，然后输入裂隙玫瑰花图软件，形成流向玫瑰花图，即可判断出地下水的优势流向。例如某钻孔的地下水流速流向测量成果见表1，表中共66组流速流向数据，以5°一个区间，统计流向数据见表2，将表2数据输入玫瑰花图(图7)即可判断地下水的优势流向为北偏东15-25°，该统计过程均可通过excel软件实现，既方便又准确。表1某钻孔地下水流速流向测量结果表表2某钻孔流向统计结果表角度区间计数角度区间计数角度区间计数0-50120-1250240-24505-100125-1300245-250010-155130-1351250-255015-2015135-1401255-260020-255140-1450260-265025-309145-1500265-270030-357150-1550270-275035-400155-1600275-280040-450160-1650280-285045-500165-1700285-290050-550170-1750290-295055-601175-1800295-300060-650180-1850300-305065-700185-1900305-310070-750190-1950310-315075-801195-2000315-320080-850200-2052320-325085-900205-2103325-330090-950210-2150330-335095-1002215-2201335-3400100-1050220-2251340-3450105-1105225-2300345-3500110-1153230-2352350-3550115-1202235-2400355-3600单孔流速确定同理，选取不同的等电位线进行对比，计算等电位线移动距离，再除以测试间隔的时间，即得地下水流速。所用公式为：式中：ν——地下水实际流速；δl——等电位线移动距离；δt——测试时间间隔。利用不同对比方案的等电位线移动图(其他对比方案略)可得出多组流速数据。本测量方法利用数理统计方法来计算地下水流速，即分别计算多个流速数据的平均值、变异系数、标准偏差，再利用置信水平分析地下水流速范围。根据统计学原理，置信分析公式如下：如表1中66个流速数据，其平均值为5.24，变异系数为1.41，标准偏差为7.40，考虑置信度为95％时，置信区间为1.78，则流速范围为5.24±1.78m/d，即3.46-7.02m/d。5测区地下水流速和优势流向判断利用矢量求和方法判断测区地下水流速和优势流向在测区内，利用统一测区3个钻孔分别测定地下水流速流向，在平面图上给出每个孔的流速流向矢量图，利用作图法求出流速流向矢量的和，即得出测区内的地下水流速和优势流向。判断过程中还需考虑现场水文地质条件。本技术优缺点：1、利用条件试验确定各条件下含水层(试验层)的电位、电阻变化特征以及地貌和地层岩性对电位、电阻的影响；根据条件试验确定后续的测量方案更加可靠；2、在测区内布置3个钻孔综合判断地下水流速流向，可信度高；3、以钻孔为中心，12个方位布置电极，通过m极的测量电位并制作电位等值线图，可选取不同电位线、不同对比方案得出多组流速流向数据，增加了数据量，减少误差；4、创新点：本测量方法引入用于统计岩层裂隙的玫瑰花图，将不同电位线、不同测量次数统计的地下水流向以5°为一个区间，统计数量，然后输入裂隙玫瑰花图软件，形成流向玫瑰花图，即可判断出地下水的优势流向。5、创新点：本测量方法利用数理统计方法来计算地下水流速，即分别计算多个流速数据的平均值、变异系数、标准偏差，再利用置信水平分析地下水流速范围，得出的地下水流速范围可信度高。6、本方法适用于埋藏不深(几米到几十米)且矿化度低的含水层。本方法依据充电法测试数据判断地下水流速流向，在复杂的地质-水文地质条件下，必然具有一定的不确定性，因此在进行流速流向分析时，需结合钻孔周边地形、地貌、地层岩性及水文地质条件，特别是要重点考虑原始地形和基岩面对钻孔周边地下水运移的控制作用。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页12