物探技術(shù)在缺水地區(qū)找水中的應(yīng)用探討

江新

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院 安徽合肥 230000）

物探技術(shù)在缺水地區(qū)找水中的應(yīng)用探討

江新

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院 安徽合肥 230000）

經(jīng)濟(jì)的快速增長，使生產(chǎn)、生活對(duì)能源需求量日益擴(kuò)大，特別是水資源。由于水資源污染和氣候環(huán)境的多變，導(dǎo)致可用水資源急劇減少，進(jìn)而出現(xiàn)水資源短缺現(xiàn)象。物探技術(shù)在缺水地找水中的應(yīng)用，有效緩解了我國水資源短缺問題。本文闡述物探技術(shù)概念，分析缺水地區(qū)特征，探討物探技術(shù)在缺水地區(qū)找水中的應(yīng)用。

物探技術(shù)；缺水地區(qū)特征；技術(shù)適用性

工、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，增大了我國水資源用量，尤其是在干旱、缺水地區(qū)，不僅工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水短缺，人畜用水也難以供給。因此，加強(qiáng)缺水地區(qū)地下水資源找尋、解決缺水問題，是目前發(fā)展的重點(diǎn)。在缺水地區(qū)找水過程中積極應(yīng)用物探技術(shù)，準(zhǔn)確尋找水資源，保證企業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水正常，推進(jìn)民生項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)程。

1 物探技術(shù)概述

物探技術(shù)是指運(yùn)用物理學(xué)原理和技術(shù)，觀察和勘探地球上所出現(xiàn)的各種物理構(gòu)造及其變化規(guī)律，以分析地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)組成、形成及演變?yōu)榛A(chǔ)，研究不同形態(tài)的自然現(xiàn)象及變化規(guī)律，為保護(hù)環(huán)境、監(jiān)測資源、能源提供可靠數(shù)據(jù)信息[1]。物探技術(shù)是一種勘探方法，是借助物理現(xiàn)象分析地質(zhì)特征或地質(zhì)構(gòu)造。但目前物探技術(shù)發(fā)展還不夠成熟、穩(wěn)定，為了保證勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性，工作中應(yīng)采取多種勘查方法相結(jié)合，將結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，并融合地質(zhì)調(diào)查方法和地質(zhì)理論，確保勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

水資源多深藏于地下，肉眼無法分辨水源點(diǎn)，要想準(zhǔn)確掌握地下水資源分布情況，必須清晰理解巖石的地理性質(zhì)。不同種類巖石其密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等物理性質(zhì)也不同，而同一物理性質(zhì)也會(huì)表現(xiàn)出一種或多種物理現(xiàn)象，我們可以借助物理現(xiàn)象了解巖石性質(zhì)。在缺水地區(qū)找水工作中利用物探技術(shù)，能夠清楚記錄地質(zhì)的物理變化情況，掌握地下巖石種類及其分布情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源的有效發(fā)掘和利用。

2 缺水地區(qū)特征分析

由于地區(qū)環(huán)境和地勢(shì)不同，不同缺水地區(qū)呈出不同的特征差異。例如，華北地區(qū)缺水主要原因有：①自然環(huán)境上，該地區(qū)降水少，河流徑流量不多，降雨分布不均勻，且不同季節(jié)降雨量波動(dòng)幅度大；②華北地區(qū)工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，人口多用水量大，居民節(jié)約用水意識(shí)薄弱，造成不同程度的水資源污染和環(huán)境污染。黃土高原地區(qū)缺水，一方面是由于高原地區(qū)植被覆蓋率低，土質(zhì)松散，雨水季節(jié)水土流失嚴(yán)重；另一方面耕作制度不合理，導(dǎo)致植被破壞，能源過度開采，土地沙漠化嚴(yán)重。西北地區(qū)氣候干燥，常年多風(fēng)，且與海洋相距較遠(yuǎn)，地下水資源無法及時(shí)補(bǔ)給。此外，西北地區(qū)牧民較多，過度開墾、放牧，導(dǎo)致西北地區(qū)水資源枯竭。

盡管地區(qū)缺水原因各有不同，但綜合來看主要受自然環(huán)境和人為使用兩個(gè)因素影響。在自然環(huán)境上，受當(dāng)?shù)貧鉁刈兓敖邓植加绊懀孛嫠Y源出現(xiàn)不同程度的蒸發(fā)流失，進(jìn)而影響水資源使用情況。從地勢(shì)特征上來看，海拔高度和泥水沉積的阻礙，影響河流徑流量。中國早期發(fā)展以環(huán)境為代價(jià)，人類活動(dòng)包括工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)發(fā)展，造成不同程度的水資源污染，如海上石油泄漏、工業(yè)廢氣排放，無疑加重了水資源短缺的難題[2]。正確分析水資源短缺原因，有利于科學(xué)治理水資源匱乏問題，為人們尋找新資源，保證日常供水。但水資源短缺問題是一個(gè)時(shí)代性的問題，為了保證用水質(zhì)量，應(yīng)將發(fā)展的重點(diǎn)放在水資源探測技術(shù)應(yīng)用上（如圖1）。

3 物探技術(shù)在缺水地區(qū)找水中的應(yīng)用

3.1 音頻大地電場法

音頻大地電場法以天然電磁場和交變電磁場作為場源，通過測量地面電場分量（Ex），分析巖石電阻率變化情況，進(jìn)而了解地質(zhì)狀況、地質(zhì)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)尋找地下資源、礦藏的目的。經(jīng)過相關(guān)求證得到以下計(jì)算公式：

圖1 中國缺水地區(qū)分布圖

式中：Ex代表電場分量、H代表磁場分量、ρ代表介質(zhì)視電阻率、f代表工作頻率，Ex/Hy表示波阻抗。若同一地區(qū)內(nèi)H變量相對(duì)穩(wěn)定，Ex會(huì)是隨著ρ、x、y的變化而變化。

音頻大地電場法的特點(diǎn)：①所需設(shè)備輕便、工作量小，一般3～5個(gè)人即可以完成勘探；②不易受測量地形影響，能準(zhǔn)確反映地質(zhì)狀況、巖層結(jié)構(gòu)；③可以在短時(shí)間內(nèi)獲取電位差曲線，測量人員根據(jù)曲線分布情況，判定巖層構(gòu)造，包括巖石走向、寬度和傾向，節(jié)約勘查時(shí)間。

3.2 激發(fā)極化法

激發(fā)極化法以巖石、礦石的激電效應(yīng)差異為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)找礦或解決水文地質(zhì)問題。在缺水地區(qū)找水工作中，激發(fā)極化法往往會(huì)與音頻大地電場法相結(jié)合，同時(shí)采用對(duì)稱四極排列法，為勘查提供地電斷面變化數(shù)據(jù)信息。激發(fā)極化法實(shí)際上利用地下供電產(chǎn)生一次場之后，斷開電源觀察二次場，通過二次場衰減快慢推斷地下水源蘊(yùn)藏點(diǎn)及賦存情況。測量中會(huì)得到一些數(shù)據(jù)：MS表示含水因素、r表示偏離度參數(shù)、VSP表示自然電位、ηs表示視極化率、TH表示半衰時(shí)、△U表示電位差，其中視極化率ηs=△U2/△U×100%。

激發(fā)極化法的優(yōu)點(diǎn)：①測量參數(shù)多，但數(shù)據(jù)并不受地形和巖石性質(zhì)影響；②清晰直觀的反映出地下水體深度和藏水點(diǎn)位置；③能夠準(zhǔn)確區(qū)分阻體含水層和其他物質(zhì)。

3.3 核磁共振法

核磁共振技術(shù)是一種可以直接找到水源的方法。核磁共振法使用核磁感應(yīng)系統(tǒng)，通過改變激發(fā)電流脈沖幅值和持續(xù)時(shí)間，探測由淺層到深層的水源蘊(yùn)含情況，快速圈定找水遠(yuǎn)景區(qū)、低阻區(qū)，區(qū)分儲(chǔ)水構(gòu)造。利用核磁共振技術(shù)區(qū)分水質(zhì)，再通過電阻率值大小區(qū)分出咸、淡水。結(jié)合激發(fā)極化法探測數(shù)據(jù)，確定水源污染范圍和程度。

圖2 核磁共振原理

3.4 EH-4電磁法

EH-4電磁法是利用巖石導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性物理特性，對(duì)不同介質(zhì)傳播過程所呈現(xiàn)出來的電磁波進(jìn)行研究，為尋找地下水源提供有效參考數(shù)據(jù)，進(jìn)而求出電阻率，根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)加以靈活運(yùn)用，借助變動(dòng)頻率探測水源。

EH-4電磁法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備輕便，以大地磁場為測量場，不需供電設(shè)備，通過不同頻率信號(hào)探測不同深度，增長供電導(dǎo)線長度就可以進(jìn)行作業(yè)，大大減少了工作強(qiáng)度；②施工時(shí)間、地點(diǎn)不受限制，冬天也可施工。EH-4電磁法，電磁波穿透力較強(qiáng)，可以直接探測到地表深層。EH-4電磁法所使用的儀器配置了人工信號(hào)發(fā)射器，即便是在沙漠地區(qū)也可以作業(yè)；③檢測結(jié)果全自動(dòng)化，無需再人工操作，減少工作量，提高勘探工作的準(zhǔn)確性[3]。

圖2 電磁法原理圖

4 各種物探技術(shù)的適用性

音頻大地電場法所使用設(shè)備輕便，工作方法簡單，提取參數(shù)范圍大，數(shù)據(jù)清晰直觀。音頻大地場法不受時(shí)間、空間，在缺水地區(qū)找水中得到了廣泛的應(yīng)用。利用此技術(shù)快速準(zhǔn)確掌握地層構(gòu)造、傾向、寬度等信息。此方法對(duì)勘探深度有一定的要求，最好保持在30～150m之間，以保證勘查數(shù)據(jù)的可靠性。

激發(fā)極化法用于測量二次場，不受地勢(shì)和圍巖電性影響，可測量參數(shù)多，找水效果十分顯著。將激發(fā)極化法與音頻大地電場法相結(jié)合，可以有效減輕巖石區(qū)找水工作量。

核磁共振法可以快速直接的找到地下水源，縮減勘探過程，大大提高了找水效率。但核磁共振法使用成本較高，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可以使用這種方法。

EH-4電磁法主要用于山前平原或平原區(qū)，不受含水層構(gòu)造裂縫和溶洞極化率影響，能夠準(zhǔn)確反映地下介質(zhì)電阻變化情況。

5 結(jié)語

運(yùn)用不同物探技術(shù)會(huì)有不同效果，但每種技術(shù)都會(huì)存在一定的局限性，在實(shí)際找水工作中，技術(shù)人員要靈活運(yùn)用，根據(jù)自然環(huán)境、地質(zhì)條件，適當(dāng)調(diào)整物探技術(shù)，保證勘查工作的實(shí)效性、可靠性，努力為人們提供優(yōu)質(zhì)水源，保障居民生產(chǎn)、生活，改善我國水資源短缺現(xiàn)狀。

[1]張賽珍，王慶乙，羅延鐘.中國電法勘探發(fā)展概況[J].地球物理學(xué)報(bào)，1994（12）.

[2]霍明遠(yuǎn).地下水資源系統(tǒng)勘查技術(shù)與綜合評(píng)價(jià)方法[J].科學(xué)出版社，1993（03）.

[3]劉文兵，劉葆青，李春芝.電法勘探在水資源勘測及評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].石油儀器，2007（04）.

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2015-12-1