水文地质探查

1、第三章 水文地质探查,第一节 水文地质物探 第二节 水文地质化探 第三节 水文地质钻探,第一节 水文地质物探,物探即地球物理勘探。水文地质物探指利用各种地球物理勘探方法进行水文地质勘查，是水文地质勘查的基本方法之一。 水文地质勘查中常用的物探方法有：视电阻率法、激发极化法、瞬变电磁法、放射性探测等方法，以及电法、放射性、声波、流速等地球物理测井方法。,物探方法之所以能够探明水文地质条件，主要是因为不同类型或不同含水量的岩石，或不同矿化程度的地下水体之间存在物性上(如导电性、导热性、热容量、温度、密度、磁性、弹性波传播速度及放射性等)的差异。可借助各种物探测试仪器，测定出某一方向、某一深度或某一

2、范围内岩石或地下水体的某些物理特征值的变化，从而分析、推断出某一方向和某一深度或范围内的岩层含水性能、地下水体物性的变化。 物探方法成本低、速度快、用途广，是目前水文地质调查中不可缺少的勘查手段。,影响物探方法效果的因素： 探测对象(含水岩层或含水带、或地下水体)与围岩之间存在比较显著的物性差异； 物性差异要有一定的异常幅度，并在所探测的深度内能被目前使用的物探仪器测量出来； 探测对象呈现的异常现象，能与其他自然和人为干扰因素引起的异常现象能很好地区分开来；,探测对象要有一定的规模(厚度或范围)，埋藏深度不能太深，自然和人为干扰因素(地形坡度、切割程度、浮土厚度、工业地电、地下金属管线等)的影

3、响不能太强烈； 开展水文地质物探人员，不仅具有良好的地球物理探测知识、经验，还必须具有较丰富的水文地质知识和经验，否则所探测的资料解释就会与实际的水文地质条件出现偏差或谬误，影响水文地质调查效果，甚至带来不必要的经济财产上的损失。,一、电法勘探 二、水文地质测井 工程物探课程已讲授。,第二节 水文地质化探,水文地质化探是根据地下含水层中水化学组分特征及差异来研究地下水埋藏和运移规律的水文地质勘查方法。 一、水的化学组分 （一）无机组分 根据无机组分在地下水中的分布和含量，可划分为主要组分、微量组分和痕量组分。,（二）有机组分 有机物种类繁多，主要有氨基酸、蛋白质、糖（碳水化合物）、葡萄糖、有机

4、酸、烃类、醇类、醚类、羧酸、苯酚衍生物、胺等。各种不同形式的有机物主要由C、H、O组成，这三种元素占全部有机物的98.5%，另外还存在有少量的N、P、K、Ca等元素。,（三）气体成分 地下水中常见的溶解气体有：O2、CO2、CH4、N2、H2以及惰性气体Ar、Kr、He、Ne、Xe等。 地下水中的气体主要来源于大气，如O2、CO2、N2以及惰性气体等；其次来源于岩层中的生物化学作用，如CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、NH3等；岩层的变质作用可释放出CO2、H2S、H2、CH4、重烃和CO、N2、HCl、HF、NH3、SO2等；放射性衰变作用可形成Rn、He、Ne、Ar等。,研究地下水

5、中的气体成分的意义： 首先，对地下水中气体成分的研究，有助于对地下水起源、成因判别和解释； 其次，水中的气体成分决定着含水层水文地球化学环境的性质； 再者，某些气体成分决定着地下水具有一定的特殊性能，如医疗矿水中的碳酸水和硫化氢水就是由于CO2和H2S在水中的含量较高所决定的。,（四）微生物成分 地下水中重要的微生物主要有三种类型：细菌、真菌和藻类。除光合细菌外，细菌和真菌可以归入还原者一类微生物，它们能把复杂的化合物分解成比较简单的物质，并从中提取能量供其繁衍和代谢之需要。藻类能够利用阳光，把光能转变为化学能贮存起来，因此藻类被归入为生产者一类微生物。不过，在无阳光条件下，藻类只得利用化学能

6、来满足其代谢需要。,二、水的物理化学性质 （一）pH值 pH值是衡量水溶液酸碱性质的一个综合性物理化学指标，它对化学元素在水溶液中的存在形式及地下水与围岩的相互作用有着重要的影响。水溶液的pH值受溶液的化学成分、温度、压力等多种因素的制约。 天然水的pH值一般在6.58.5之间，当pH值过高或过低时，则表示水有可能受到了污染。,（二）氧化还原电位（Eh） 氧化还原电位是表征水体氧化还原状态的综合性物理化学指标，单位为V或mV。 水体的氧化还原条件对元素在其中的存在形态以及元素的迁移、富集和分散有巨大的影响。 水体的氧化还原电位对环境因素的变化很敏感，温度、pH值以及溶解气体含量的变化都会对其造

7、成很大影响。因此，Eh值一般都是在现场进行测定的。,pH值-氧化还原电位-温度测量仪,氧化还原测定仪,（三）总溶性解固体（TDS） 总溶性解固体是指水中溶解组分的总量，它包括了水中的离子、分子及络合物，但不包括悬浮物和气体，单位为mg/L或g/L。总溶性解固体除了可直接测定外，也可根据水质分析结果进行计算，方法是把所有溶解组分（溶解气体除外）的浓度加起来再减去HCO3-浓度二分之一。 矿化度的概念来源于前苏联，是我国过去常用的术语，其含义与总溶性解固体相同。,（四）全盐量 全盐量是指水中各组分的总量，单位是mg/L或g/L。该指标是计算值，它与总溶解固体的区别在于无需减去HCO3-浓度的二分之

8、一。 全盐量在灌溉水质的评价以及河流向海洋输送风化产物的计算中经常用到。,（五）总硬度 水的总硬度反映了水中多价金属离子含量的总和，这些离子包括了Ca2+、Mg2+、Sr2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Ba2+等。与Ca2+和Mg2+相比，其它离子在天然水中的含量一般很少，因此天然水的硬度往往主要是由Ca2+、Mg2+引起的。 硬度通常以CaCO3的mg/L数来表示，其数值等于水中所有多价离子毫克当量浓度的总和乘以50（CaCO3的当量）。,水的总硬度由碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度组成。 碳酸盐硬度是指可与水中的CO32-和HCO3-结合的硬度，当水中有足够的CO32-和HCO3-可

9、供结合时，碳酸盐硬度就等于总硬度；当水中的CO32-和HCO3-不足时，碳酸盐硬度就等于CO32-和HCO3-的毫克当量数之和乘以50，也就是以CaCO3的mg/L数表示的水中CO32-和HCO3-的总量。碳酸盐硬度通常被称为暂时硬度，因为这部分硬度可与水中的CO32-和HCO3-结合，当水被煮沸时即可形成CaCO3沉淀而被除去。,总硬度与碳酸盐硬度之差被称为非碳酸盐硬度或永久硬度，它指的是与水中Cl-、SO42-、NO3-等结合的多价金属阳离子的总量，水煮沸后不能被除去。 水的总硬度随着地区的不同通常有很大的变化，一般情况下地表水的硬度要小于地下水的硬度。地下水的硬度往往反映了它所接触的地层

10、岩性的性质，当表土层较厚且有石灰岩存在时，水的总硬度一般较大，而软水则一般出现在表土层较薄且石灰岩较少或不存在的地方。,德国度，每一度即相当于每升水中含有10mgCaO 水的硬度通用单位为mmol/L，换算关系为:1mmol/L=2.804德国度（d），那么1德国度=3.5666mg/L CaCO3,（六）溶解氧 溶解氧指溶解于水中的游离氧。天然水中的溶解氧主要来源于空气中的氧气，故溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度有密切的关系。一般情况下空气中氧的含量变化不大，故水温是影响溶解氧含量的主要因素，水温愈低水中溶解氧的含量愈高。在一个大气压下，0时大气氧在淡水中的溶解度是14.6mg/L，3

11、5时的溶解度则大约为7mg/L。,溶解氧是水中有机物进行氧化分解的重要条件，当大量有机物污染水体时，水体的溶解氧可被急剧地消耗，如其消耗速度超过氧气从空气中进入水体内的速度，则水中地溶解氧就会不断地降低，甚至接近于零而呈缺氧状态。此时水中的厌氧生物就会大量繁殖，有机物发生腐败，使水产生臭味。因此，溶解氧的含量可作为判断水体是否受到有机污染的间接指标。 由于溶解氧参与了水中有机物的氧化分解活动，所以在同一地表水体不同断面上测定水中溶解氧的含量，对于说明水体地自然净化状况具有重要意义。,雷击高压线导致鱼塘停电 因缺氧数万斤鱼遭殃,（七）生化需氧量（BOD） 生化需氧量是指在有氧条件下，水体中的有机

12、物在被微生物分解的生物化学过程中所消耗的溶解氧量，以mg/L表示。BOD的测定实质上是一个氧化过程，在该过程中把一定量的有机物氧化为二氧化碳、水和氨气所需氧的量是确定的。 BOD测试中的氧化反应是生物活动的结果，其完成的程度是由温度和时间所决定的。为了使测定的BOD值具有可比性，通常采用20下培养5天的测定结果来标定BOD，并将其记为BOD5。,（八）化学需氧量（COD） 化学需氧量是指在一定条件下，采用强化学氧化剂氧化水中有机物所需消耗的氧量，单位为mg/L。在COD的测定过程中，无论有机物能否被生物所分解，它都被氧化剂氧化成了二氧化碳和水，因此COD一般要大于BOD。 COD测定的最大缺点

13、就是它不能对生物可降解与生物不可降解的有机质进行区分，而且它不能提供可降解有机物在天然条件下达到稳定状态的任何速度信息。优点是测定所需的时间短，只需要三个小时，所以在很多情况下都用COD来代替BOD。,（九）总有机碳（TOC） 总有机碳是水中各种形式有机碳的总量，以mg/L表示。 TOC可通过测定高温燃烧所产生的二氧化碳来确定，也可用有关测试仪器进行测定。 由于燃烧法的测定程序较为繁琐，而且难以排除无机碳的干扰，而仪器测试法又比较昂贵，所以在以往的水质分析结果中，TOC的资料很少。,（十）碱度（Alk） 碱度是指水中能与强酸作用的重碳酸盐、碳酸盐、氢氧化物、有机碱及其他弱酸强碱盐的总含量，是表

14、征地下水中和酸能力的一个综合性指标。 天然水的碱度主要由水中的弱酸盐类所引起，当然弱碱和强碱对其也有一定的贡献。 虽然很多物质都对天然水的碱度有影响，但水的碱度主要由三类物质所引起，这些物质是氢氧化物、碳酸盐和重碳酸盐。,（十一）酸度（Acidity） 酸度是表征地下水中和碱能力的一个综合性指标。 组成水中酸度的物质可归纳为三类： 强酸，如HCl、HNO3、H2SO4等； 弱酸，如CO2、H2CO3、HCO3-及各种有机酸等； 强酸弱碱盐，如FeCl3、Al2（SO4）3等。 水中这些物质对强碱的总中和能力称为总酸度。总酸度则表示了中和过程中可与强碱反应的全部H+数量，其中包括了已电离的和将要

15、电离的两部分。已电离的H+数量称为离子酸度，其负对数值即等于水溶液的pH值。,三、水文地质化探方法 （一）图示法 1. 圆形图示法（饼图法） 把圆形分为两半，一半表示阳离子，一半表示阴离子，其浓度单位为meq/L，某离子所占的扇形的大小，按该离子毫克当量占阴或阳离子毫克当量总数的比例而定。圆形的大小按阴阳离子总毫克当量数大小而定。这种图示法可以用于表示一个水点的水化学资料，也可以在水化学平面图或剖面图上表示。,2. 柱形图示法 柱型分两半，一半为阴离子，一半为阳离子，以毫克当量或毫克当量百分数表示。 柱子的高度与阳离子或阴离子的毫克当量总数成比例。通常是表示6种离子，如超过6种可把性质相近的放

16、在一起，如Na+K等。这种图示可表示一组数据，其优点是简明清晰。,3. 多边形图示法图 这种图示法经常用于油田水化学成分的研究，效果较好。,4.三线图示法,Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征,三线图最大的优点，能把大量的水分析资料点绘在图上，依据其分布情况可以解释许多水文地球化学问题。 三线图示法是最有实用价值的一种图示法，许多研究论文都使用它。,（二）数学分析法 1. 库尔洛夫法 为了简明地反映水的化学特点，可采用化学成分表示式即库尔洛夫式，将阴阳离子分别标示在一条横线上下，均按毫克当量百分数自大而小的顺序排列，小于10的离子不予表示。横线前依次表示气体成分、特殊成分及矿化

17、度（以字母M为代号），三者单位均为g/L，横线后以字母t表示水的摄氏温度。,2. 模糊聚类分析法 有些事物或多或少的存在“亦此亦彼”的模糊现象。 对事物按照一定要求进行分类的方法称为聚类分析，它是一种多元统计分类方法之一。 步骤：选择要评价的有关指标和标准，求隶属度并构建模糊矩阵，确定权重值；进行模糊运算；根据水平截集进行聚类分析和评价。,聚类判别矿井突水及应用,第三节 水文地质钻探,水文地质钻探是水文地质勘查的基本方法之一，是查明水文地质条件、地下水赋存状态及含水层富水性、隔水层分布及其性能的一种最重要、最直接、最可靠的勘探手段，是进行各种水文地质试验的必备工程，也是水文地质物探、水文地质化

18、探、水文地质测绘成果所作地质结论的检验方法。,一、水文地质钻探的基本任务 验证水文地质遥感解译、地面测绘、物探等手段所取得的认识，研究地质、水文地质剖面，以确定或查明含(隔)水层的数目、层位、厚度、埋藏深度、分布状况、空隙性及隔水层的隔水性等。 测定各个含水层中的地下水位(包括初见水位和静止水位)及其动态变化。 测定含水层在垂直和水平方向上的透水性和含水性的变化。,测定各个含水层之间、地下水与地表水之间的水力联系以及断层的导水性。 按规程要求取水样，分析研究地下水的物理性质和化学成分。 按规程要求采取岩样和土样，分析研究岩石的水理性质、物理性质和力学性质。 进行水文地质试验(主要指抽水试验)，

19、测定钻孔涌水量和含水层的水文地质参数，为计算评价地下水允许开采量、矿坑涌水量等提供依据。,二、水文地质钻孔的分类 1、水文地质勘探孔 为查明水文地质条件、按水文地质钻探要求施工的勘探孔，主要用于水文地质普查。 主要获取地层的岩性、地质构造和含水层的埋藏深度、厚度、性质及富水性等资料。钻探要求满足岩芯采取率、校正孔深、测量孔斜、简易水文地质观测、数据编录和封孔等六项指标。,2、水文地质试验孔 用于进行抽水、注水、压水、流速流向和连通等试验的钻孔，主要用于初勘阶段。 在初步掌握地层岩性、地质构造等资料的基础上，着重了解地下水的水量、水位、水质、水温等资料，要求进行分层观测、分层抽水，单孔或群孔抽水

20、等。,3、水文地质观测孔 用作地下水动态观测或在抽水试验中用作观测地下水位（特殊的包括水质、水量、水温）变化的钻孔。 主要用于测定地下水埋深和水位的历时变化，来了解区域地下水的分布和变化规律。,4、探采结合孔 在水文地质勘查中既能达到勘查目的、取得所需水文地质资料，又能作为开采井的钻孔。 主要用于已定水源地的水文地质勘探阶段。在已取得水文地质资料的基础上，结合工农业生产开采水源的需要布置钻孔。通过钻探进一步取得水文地质资料后即可作为开采井使用。钻探既要满足获得有关水文地质资料的要求，又要满足开采生产井对水质、水量、卫生防护等的要求。,三、水文地质钻孔的结构 水文地质钻孔的结构主要包括开孔直径、

21、换径次数、终孔直径和钻孔深度。不同类型钻孔其结构稍有差异。 勘查孔一般采用直径146 mm的套管做为孔口管，直径127 mm的套管做为必要的护孔套管。采用直径110 mm钻头取芯钻进至终孔，直径91mm的孔径只做为备用孔径，在特殊情况下才用它补取岩芯。在满足水文地质钻探质量指标的前提下，在设计钻孔结构时还要考虑抽水试验对钻孔直径的要求。,观测孔钻孔直径多为150-200 mm，滤水管直径为50-108 mm。 探采结合孔是在完成勘探任务以后，扩孔成井或在开始就采用大口径取芯钻进一次成井。一般多采用直径146 mm滤水管。 供水井的钻井直径较大，一般多为400-500mm。,根据钻孔深度的不同可

22、分为： 浅井的孔深在l00m以内，其含水层主要是第四系砂卵石、砂层，钻孔直径多为500mm左右，钻孔结构可采用一径成井。 中深井的孔深在100-300m之间，一般可采用一径（或二径）成井，下一种或两种口径的井管，井管直径多为200-300mm。 深井的孔深超过300m，一般可采用两径或三径成井，下两种直径的井管。,四、水文地质钻孔的钻进方法,五、成孔工艺 成孔工艺是指钻孔完成后，所进行的换浆、下管、洗井等工艺过程。,六、观测与编录 水文地质钻探成果质量的高低，还取决于钻探过程中观测与编录的质量。一个水文地质钻孔，即使设计和施工都是正确的，但观测和编录草率，也必然达不到高质量的成果。因而在钻探过

23、程中，必须作好岩芯观测和水文地质观测，并对两者进行认真地编录。,（一）岩芯描述和采取率 在水文地质钻探过程中，要求每次提钻后立即对岩芯进行编号、仔细观察描述、测量和编录。 1. 岩芯地质描述 对岩芯观察描述的内容与地表岩石露头描述的内容基本相同，但有两点值得注意： 一是注意对地表见不到的现象进行观察和描述，如未风化地层的孔隙、裂隙发育及其充填胶结情况、地层厚度、地下水活动痕迹（溶蚀或沉积）、地表未出露的岩层和构造等。,二是注意分析和判别由于钻进所造成的一些假象，把它们从自然现象中区别出来，如某些基岩层因钻进而造成的破碎擦痕、地层的扭曲、变薄、缺失和错位，松散层的扰动、结构的破坏等。 2. 岩芯

24、采取率 研究岩芯采取率可判断坚硬岩石的破碎程度及岩溶发育强度，进而分析岩石的透水性和确定含水层位。,式中的Ku为岩芯采取率；L0为所取岩芯的总长度，m；L为本回次进尺长度，m。 一般在基岩中要求Ku不得小于70，在构造破碎带、风化带和裂隙、岩溶带中，Ku不得小于50。,3. 裂隙率及岩溶率 基岩的裂隙率或岩溶率，是用来确定岩石裂隙或岩溶发育程度以及确定含水段位置的可靠标志。钻探中通常只作线状裂隙率统计，可用下式计算： 式中的y为线裂隙率或线岩溶率；bi为L段内在平行岩芯轴线上测得的裂隙或岩溶的总宽度，m；L为统计段长度，m，Ku 为L段内的岩芯采取率。 用岩芯来测定裂隙率或岩溶率是比较困难的，因为富含裂隙水或岩溶水段常为裂隙或岩溶