荒漠區地下水埋深數據獲取方法研究

劉秉儒, 牛宋芳

(1.寧夏大學 西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 寧夏 銀川 750021)

地下水作為荒漠區水資源的重要組成部分，是干旱半干旱地區最重要的自然資源之一，在荒漠植物的生長中發揮著不可替代的作用[1-4]。地下水的水位分布及其水質變化導致植被退化、沙漠化、土壤鹽漬化等環境問題[5-7]，影響著區域農業生產和生態環境的可持續發展。因此，快速、準確地獲取地下水埋深(潛水面距地面的距離)[8]，對于定量分析其對植被的影響尤為重要。地下水埋深測定由最初觀測井(鉆井)實測法發展到20世紀60—70年代廣泛應用的地下水位計法(分浮子式和壓力式)，隨著物理和電子信息技術的發展，為了更精準的測定地下水埋深，探地雷達法、核磁共振得到更為廣泛的應用，在勻質土壤生境中土壤阻抗系數法也得到廣泛的應用。但是很多試驗研究中對于地下水埋深獲取的方法描述比較簡略，無法對剛涉足的研究者提供幫助。本文通過分析幾種地下水埋深的測定方法、原理及優缺點及適用情況，最后綜合操作便利性、精度和儀器設備價格等因素，分析、遴選出獲取荒漠區地下水埋深數據的幾種快速、準確的技術、方法，旨在為研究荒漠區植物與地下水埋深關系、地下水資源查找提供技術參考。

1 獲取地下水埋深的幾種方法及特點

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。地下水埋深數據的獲取，最簡單直接的方法就是通過布設觀測井或鉆孔后直接測量，而最常用的探測方法就是物探，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、激發電極法，地球物理測井法及地震勘探，具有成本低、速度快的優點，還有一些是新的探測技術，如核磁共振，探地雷達等。下面介紹幾種在荒漠區進行野外試驗時可能用到的方法。

1.1 觀測井(鉆井)實測法

觀測井實測法是利用修建的觀測地下水或檢測地下水開采量、水質、水溫等的地下觀測井，或者現場進行打井、鉆孔，之后再使用一些儀器測量地下水埋深。這種方法可以直接測出地面與地下潛水面之間的距離。觀測井法是最常用的、傳統的測量地下水埋深的方法，可以用儀器人工測量、讀數，也可以直接用儀器自動測量，測量儀器的主要優缺點及適用情況[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勢草本之間的關系是根據現有監測井的位置布設監測帶進行地下水埋深的觀測。但是如若在沒有觀測井的地方，則需要使用鉆孔器鉆孔后進行測量，耗費大量的時間、人力及物力。

表1 觀測井測量地下水埋深的方法

1.2 土壤阻抗系數法

土壤阻抗系數法是通過測定土壤的阻抗系數來確定地下水埋深的一種方法。每種物質都有其不同的阻抗系數，而土壤阻抗系數是指當電流通過土壤時，土壤對其阻礙的能力[11]，它會受土壤質地、含水含鹽量以及土壤溫度等方面影響。土壤阻抗系數法僅適用于與同質沙地中，因為在那樣的環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，可通過對土壤阻抗系數進行室內分析后得到地下水埋深。

由上述可知，通過測定同質沙地中的土壤阻抗系數就可確定地下水位的相關狀況，因此，土壤阻抗系數的確定成為該方法的技術難點和關鍵點。測定土壤阻抗系數的方法目前有三種，兩點法、三點法和四點法(圖1)[11]，其中應用最廣的是四點法，具體原理及優缺點詳見表2。

表2 土壤阻抗系數法測定地下水埋深的方法

圖1 土壤阻抗系數的測定方法示意圖

由于測量的是同質沙地，不同厚度的土層之間土壤阻抗的變化是十分平緩的，當到達地下水面的時候，土壤阻抗系數會迅速下降，這個下降的拐點所對應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所對應分層點的位置確定為地下水埋深[12]。

影響土壤阻抗系數的各種因素的復雜性和不確定性，使確定土壤阻抗系數成為該方法的技術難點和關鍵點。目前對于土壤阻抗系數的測量方法介紹還不多，許多科研工作者無法準確把握這些計算公式和方法，下面以沙質林地為例，對土壤抗阻系數的測量方法與過程進行詳細說明，為應用土壤抗阻系數研究沙質林地水分生態提供方法與基礎[12-13]。利用土壤的阻抗系數來確定地下水埋要用到土壤阻抗測定儀，常見的土壤阻抗測定儀是根據Wenner法原理設計的典型四點法儀器(圖2)[11]，該方法廣泛應用于地球物理科學和土壤科學，成為最普遍的土壤阻抗測量方法。當電流通過電極在土壤中傳導時，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Wenner法測量土壤阻抗系數原理，圖2中P1，P2點的電壓分別為：(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，通過儀器的讀數直接讀出來，因此，可以得出Wenner法計算土壤抗阻系數的公式：

ρ=2πaR

式中：ρ——土壤阻抗系數的平均值(Ω-m)；a——兩電極P1，P2之間的距離(m)；R——測量儀器的讀數(Ω)。

使用土壤阻抗測定儀操作時，在0—10 m內，電極P1，P2每次向測定儀兩側移動0.5 m(前兩次每次移動距離為0.25 m)，在10—20 m時,每次移動1 m，>20 m時每次移動2 m；而C1，C2每次同時向兩側移動的距離為P1～P2距離的2倍。同時在電極移動的過程,每次電極插入土壤的垂直深度應隨著兩電極水平距離的增大而有所加深， 水平a在0—20 m 內插入的深度為10 cm左右，>20 m后以20—30 cm為宜。每移動一個位置測定一個電阻值，分別記錄。

該方法測量結果較為準確，但具有很大的局限性，只適用于均質土壤中，如朱教君等[12]在探究地下水埋深的季節變化時使用土壤阻抗法測到的地下水埋深與觀測井法測到的數據之間并無顯著差異。

圖2 四點法土壤阻抗系數示意圖

1.3 探地雷達法

探地雷達法[14]是利用電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，用一個天線發射電磁波至地下，在遇到地下目標或地層的界面后進行反射，由另一個天線接收反射波，由于地下水和土壤之間由于電磁特性差異較大，介電常數和電導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，可以用探地雷達探測出土壤與地下水的界面，再通過第一次發射電磁波和接收反射波的時間，距離和第二次發射電磁波的時間和距離，通過計算得出地下水埋深。此方法在測試前需要了解測試區的地形變化以及地表結構，對操作者的電磁波反射特性的分析能力及地質條件的認識依賴性較強[14]。由于自然環境中地表結構的差異和環境狀況的不同，在進行正式測量前，需要進行多次的試驗，才能進行之后的探測工作，測定前的準備工作繁瑣。

1.4 核磁共振

核磁共振技術是當今世界最先進的技術，采用此方法可以直接探查地下水。原理是通過測量地層水中的氫核來直接找水，在地磁場的恒定磁場下氫核會產生宏觀磁矩M。當施加與地磁場方向不同的一個外磁場時，就會使氫核磁矩偏離磁場方向，一旦外磁場消失，氫核將繞地磁場旋進，其磁矩方向恢復到地磁場方向，通過施加具有拉莫爾圓頻率的外磁場，再測量氫核的共振信號，可以得到不同激發脈沖矩下對應的核磁共振信號振幅和橫向弛豫時間，經過反演，可以得到地面以下不同深度的土壤含水量，進一步可以確定地下水埋深[15]。核磁共振信號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行探測，省時省力，結果一目了然，在野外沒有觀測井的情況下可以使用，不需要在進行打孔，即可得到地下水含水層厚度、含水量、層位、滲透系數等水文地質參數。該方法抗干擾能力差，由于核磁共振需要磁場，不宜在高壓線周圍或者雷雨天氣使用，會造成磁場異常，影響測量結果，且儀器價格較為昂貴，但比打井所耗費的人力物力要少。

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，由于其彈性性質的不同，會形成不同的界面，使傳過來的地震波發生折射和反射，通過地震波向外傳播的速度來探測地質結構及含水界面的物探方法[17]。地震勘測可分為折射波法和反射波法，按照地震探測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確定潛水面埋藏深度，劃分巖層結構、確定風化層的厚度等方面，具有勘探深度大，探測精度高的優點。

2 荒漠區地下水埋深數據獲取方法優綜合比較與權衡遴選

2.1 荒漠區地下水埋深數據獲取方法綜合比較

前面分別詳述了地下水埋深數據獲取方法的原理、特點，在實際探測荒漠區地下水埋深的時候，應在熟悉這些地下水埋深測定方法的原理、優缺點及適用情況的基礎上，綜合考慮技術操作便利性、數據精度和儀器設備價格、勞動力成本等因素，多角度權衡比較與遴選更科學、合理的技術方案。根據測定精度、操作便利性、經濟性、耗費人力物力以及使用條件等5個指標，分別對5種在荒漠區可以使用的地下水埋深數據獲取方法做了綜合細分比較，具體情況見表3。

表3 地下水埋深測定方法的綜合比較

2.2 荒漠區地下水埋深數據獲取方法權衡遴選

在荒漠區已有觀測井，使用觀測井實測法測定地下水埋深是最便宜且準確度最高的方法，所需要的儀器少，操作簡單；若沒有觀測井，重新打井或者鉆孔因耗費的人力物力較多，可以考慮其他的方法，尤其在一些地形條件復雜，交通不便利的情況下，一般不建議采用觀測井的方法，由于不能使用探地雷達和土壤阻抗系數法，可根據儀器設備條件采用核磁共振、地震探測方法的一種，充分利用速度快、精度高的優點，但是核磁共振所需的儀器價格較為昂貴，在資金比較充足時可以考慮該方法。如果測定同質沙地中的地下水埋深，在沒有觀測井的情況下，可以使用土壤阻抗測定儀來進行探測，該方法技術操作便利、數據精度較高、儀器設備價格低廉，具有成本低、速度快的優點。

3 結 論

在荒漠區已有觀測井，使用觀測井實測法測定地下水埋深是最便宜且準確度最高的方法；土壤條件復雜，無觀測井時，不宜使用探地雷達和土壤阻抗系數法，應采用核磁共振、地震探測方法的一種；如果測定同質沙地中的地下水埋深，在沒有觀測井的情況下，使用土壤阻抗測定儀來進行探測更為便捷，數據精度也高。