CMT监测井在黑河流域地下水监测中的应用

王明明，卢 颖，解 伟

1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051 2.石家庄经济学院，河北 石家庄 050031

CMT监测井在黑河流域地下水监测中的应用

王明明1，卢 颖2，解 伟1

1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051 2.石家庄经济学院，河北 石家庄 050031

以CMT监测井在黑河流域的应用为基础，通过对监测数据和采集的水样进行分析，了解了黑河流域地下水水位动态变化，掌握了黑河流域地下水水化学垂向分布规律，为合理利用黑河流域水资源提供了科学依据。

CMT监测井;成井工艺;地下水监测;黑河流域

地下水监测是水文监测的基本内容，对于正确认识和掌握地下水动态变化规律、合理开发和利用地下水资源、防治和减轻地下水污染及相关的地质灾害等具有重要意义[1]，而作为监测地下水最有效的手段，监测井在监测和研究地下水方面一直发挥着重要作用。

近年来，多层监测井技术凭借其施工成本低、占地面积小、维护方便等优势受到越来越多国内外学者的青睐，在美国、加拿大、英国等国家地下水监测与研究中发挥着重要的作用，与此同时，中国也对多层监测井技术以及自动化的无线监测装置[2]进行了研究和应用，致力于提升国内地下水监测技术水平，改善地下水监测公益性服务功能。

多层监测井亦称人造多层采样系统，其基本特征是通过一根独立的具有多通道或阀门的管子在一个钻孔中实现地下水的分层监测和采样，即通过单孔实现多个地下水含水层的监测和采样，以Waterloo多层监测系统、Westbay多层监测系统、连续多通道(CMT)多层监测系统最具代表性[3]。

Waterloo多层监测系统由Solinst公司研发，采用标准组件，安装方便，填砾、止水简单，可监测8个目的层，在美国、加拿大等国地下水监测、污染调查中应用广泛，最大安装深度为230 m[4]，但监测通道小、施工成本高以及需要使用进口采样器和水位计等因素严重制约着Waterloo系统的推广和应用。

Westbay多层监测系统由Westbay公司研制，该系统设计精密、性能可靠，可监测多层地下水，无层数限制、无井深限制，能够一次性获得含水层压力、水质、渗透性等水文地质工作所需的全部参数，在国外地下水监测中发挥着重要作用，其最大成井深度为2 203 m，监测层数达40层以上[5]。通过学习和探索，国内也建成2眼Westbay监测示范井[6]，但其施工技术过于复杂，施工成本一次性投入过高，维护和取样不便，现阶段并不适合在国内推广。

CMT多层监测系统由Waterloo大学的在校研究生Murray Einarson发明，随后授权Solinst公司在全球范围内生产和出售CMT系统，该系统采用连续方式挤出的带有7个通道的高密度聚乙烯管，可监测7个目的层，无接头，环保清洁，成井工艺简单，填砾和止水方便，施工成本相对较低[7-8]。目前，已在北京、天津、黑河流域等地建成CMT监测井数十眼，在地下水监测和污染场地治理方面发挥着重要作用[9]。

通过对多层监测井的施工技术、施工成本以及多层监测井在国内实际应用的研究，发现Westbay监测井和Waterloo监测井施工技术过于复杂，施工成本过高，取样和维护较为不便，对施工人员的技术水平要求也较高，而CMT监测井成井工艺简单，施工成本较低，比较符合中国现阶段水文钻探的技术水平，适合在国内推广和应用。

本文以CMT监测技术为研究对象，将其应用于黑河流域地下水监测工作中，并结合实际监测数据进行了水文地质分析。

1 CMT监测井技术原理

1.1 CMT监测井井管

在引进加拿大Solinst公司CMT地下水监测技术的基础上，结合国内现有的水文钻探设备与工艺、地下水监测仪器等因素，自主生产了Φ70、Φ105CMT监测井井管及其配套器具，为CMT监测井在国内的推广和应用奠定了基础。

CMT监测井井管以高密度聚乙烯(HDPE)为主要原料，通过挤出机一次挤压成型，包含7个通道，中间无接头，环保清洁(图1)。

图1 CMT监测井井管材料

1.2 新型止水材料

多层监测井止水要求高，环状间隙小，需要使用水化时间长，粒径小、膨胀率高，对水质影响小的止水材料。新型止水材料以膨润土为主要原料，通过制球机制成杏核状，粒径约为15 mm，水化时间长，膨胀率高，不污染水质，可以应用于间隙小、止水要求高的多层监测井，具体参数见表1。

表1 新型止水材料参数

1.3 CMT监测井分层技术原理

图2为CMT多层监测井分层技术原理示意图。监测管内部由隔塞分隔成7个通道，定位标准线所在位置为1号通道，依次顺时针编号，中间为7号通道，监测最深层地下水。根据测井曲线和施工设计，确定监测窗口位置，接着在对应的通道上加工监测窗口，窗口下部用胶塞封闭，外部包不锈钢滤网，使用卡箍固定。在监测窗口加工结束后进行下管，并根据监测含水层的划分围填砾料和黏土球实现监测井的分层。

图2 分层技术原理示意图

1.4 CMT监测井成井工艺

成井工艺是决定CMT监测井成井质量的关键，其成井工艺流程如图3所示。主要分为以下几个步骤：成井准备工作、安装井管、填砾止水、洗井、安装保护装置。其中，安装井管和填砾止水是CMT监测井成井的关键。

图3 CMT监测井成井工艺流程

2 CMT监测井在黑河流域的实际应用

作为中国西北地区第二大内陆流域，黑河流域的生态环境对人类活动和经济发展有着深远的影响。为合理利用黑河水资源和协调用水矛盾，国务院于2001年批准实施了黑河分水计划[10-11]，随着黑河分水计划的实施，下游地区的生态环境明显好转，水资源供需矛盾得到缓解，额济纳植被覆盖明显增加，地下水水位回升，但却对中游地区产生一定的负面效应，地下水水位下降，水质恶化，植物生长受到抑制，土壤盐碱化加重[12]。

为合理利用黑河水资源，长期获得该流域的地下水水文地质信息，研究黑河流域地下水化学垂向分布特征，了解矿化度和主要离子浓度随着深度的变化规律，探讨蒸发作用对浅层水化学组分的影响，在黑河干流布设了多眼CMT监测井，详见图4。

注：底图源自国家测绘地理信息局网站(http://map.sbsm.gov.cn/mcp/index.asp)下载的1:400万河流水系版中华人民共和国底图。审图号为GS(2008)1304号。下载日期为2015-05-06。

2.1 张掖盆地地下水水化学垂向分布特征研究

CMT监测井D5、D6均位于张掖平原堡，D5距黑河约2 km，D6距黑河约100 m，通过这两眼CMT监测井对张掖盆地地下水水化学垂向分布特征进行研究。对D5、D6监测井采集的水样进行矿化度和离子浓度测定，结果详见表2、表3。

表2 CMT监测井D5矿化度和离子浓度 mg/L

表3 CMT监测井D6矿化度和离子浓度 mg/L

由表3可知，D6水样的TDS均低于D5，说明黑河河水对D6的补给作用影响更为明显。TDS变化为309.78～496.48 mg/L，1层水化学类型为SO4-Ca-Mg型水，第6层为Mg-Na-Ca-SO4型水，其余监测层为Mg-Ca-SO4型水，其水样中化学组分变化幅度均在0.2 mmol/L以内。根据第6层水化学数据，Na+与SO42-上升而Ca2+下降，说明该层地下水受溶滤作用和阳离子交换作用的双重影响，极少量的长石类矿物的溶解(例如斜长石(NaAlSi3O8)的水解反应和Na+与Ca2+之间的离子交换使地下水化学特征变化。该区域地下水在7～60 m范围内无明显分层特征，地下水主要以水平运动为主。

2.2 额济纳盆地和鼎新谷地地下水水化学垂向分布特征研究

CMT监测井D8、D9分别位于额济纳旗、鼎新黑河大桥，代表了黑河下游河水地下水排泄区和入渗补给区地下水垂向的分异特征，通过选取以上两眼CMT监测井对额济纳盆地、鼎新谷地盆地地下水水化学垂向分布特征进行研究。

对D8、D9监测井采集的水样进行矿化度和离子浓度测定，获得以下数据，见表4、表5。

表4 CMT监测井D8矿化度和离子浓度 mg/L

表5 CMT监测井D9矿化度和离子浓度 mg/L

根据表4、表5的水化学数据可以看出，D8、D9与中游地区(D5、D6)地下水化学特征在垂向上既有相似性，也存在明显差异，相似性主要表现在第一层地下水均具有较高TDS值，说明地下水化学特征的控制因素中蒸发作用占主导地位，差异性主要体现在随深度增加，地下水中宏量离子的变化趋势并不相同。

由表4可以看出，监测井D8与D5水化学特征垂向变化中TDS更为接近，一般来说，随着深度的增加，地下水更新速度减慢，水岩相互作用得到加强，但D8监测数据显示，7种宏量组分均随深度的增加而下降，这说明中深层地下水顶托补给是该地区的浅层地下水的重要补给方式，深部的低矿化度淡水顶托补给浅层地下水，将地层中的易溶盐组分源源不断的搬运至地表并沉积下来。

3 结论

1)作为一种新型多层监测井，CMT监测井成井工艺简单，占地面积小，施工成本和维护费用都相对较低，无论是成井材料还是成井工艺，都比较适合国内现有的技术水平，可以广泛应用于地下水监测。同时，通过对CMT监测井采集水样的水化学分析，可以从侧面反映出CMT监测井的分层有效性和数据准确性。

2)通过CMT监测井在黑河流域的实际应用，得出张掖盆地平原堡地区地下水化学作用以溶滤作用为主，在垂向上存在明显分异；额济纳盆地地下水化学作用和张掖盆地平原堡地区类似，地下水中各主要离子含量、TDS随深度增加而下降；鼎新谷地地下水主要受黑河下游地下水入渗补给，此外，由于受到地层中砂砾石与黏土互层影响，中层水TDS出现明显升高。

[1] 肖航.浅议地下水监测[J].河南水利与南水北调,2013,12:24-25.

[2] 史云.地下水污染自动监测与无线传输技术方法[J].水文地质工程地质,2000(5):108-109.

[3] 郑继天,王建增,蔡武田,等.地下水污染调查多级监测井建造及取样技术[J].水文地质工程地质,2009(3):128-131.

[4] 叶成明,李小杰,郑继天,等.国外地下水污染调查监测井技术.探矿工程(岩土钻掘工程),2007(1):57-58.

[5] 唐立强,赵伟玲.国内外一孔多层监测井建设技术方法与应用[J].节水灌溉,2013(5):47-48.

[6] 林沛,夏孟,刘久荣,等.一井多层地下水监测井施工关键技术与设备[J].技术应用，2012,7(1):38-39.

[7] 郑继天,冉德发,叶成明,等.地方病区地下水监测井建造及取样技术[J].中国地质,2010,37(3):835-839.

[8] 王建增,郑继天,李小杰,等.连续多通道管监测井成井技术[J].探矿工程,2008,8:15-18.

[9] 潘德元.多通道地下水监测技术应用示范[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2014,11(41):1-4.

[10] 席海洋,冯起,程玉菲,等.黑河流域地下水研究进展综述[J].水文,2008,28(5):61-65.

[11] 李元红,孙栋元,胡想全,等.黑河流域水资源管理模式研究[J].水资源与水工程学报,2013,24(2):62-65.

[12] 丁宏伟,郝明林,曹炳媛,等.黑河中下游水资源开发中出现的环境地质问题[J].干旱区研究,2000,17(4):11-16.

Application of CMT Monitoring Well on Monitoring Groundwater in Heihe River Basin

WANG Mingming1，LU Ying2，XIE Wei1

1.Centre for Hydrogeology and Environmental Geology, CGS, Baoding 071051, China 2.Shijiazhuang University of Economics, Shijiazhuang 050031, China

It adopts new structure for well completion, which can monitor multiple aquifers from single well, collect water samples from different aquifers and analyze water quality. On the basis of application of Continuous Multi-channel Tubing monitoring well in HeiheRiver basin and analysis of the data from monitoring and water samples, the paper got dynamic variation of water level and mastered vertical distribution of hydrochemistry about groundwater in HeiheRiver basin, which might offer scientific basis for utilizing water resources in HeiheRiver basin rationally.

Continuous Multi-channel Tubing monitoring well；well completion technology；groundwater monitoring；Heihe River basin

2015-08-28；

2016-01-04

自然科学基金“黑河流域地表水与地下水相互转化的观测与机制研究”(91025019)

王明明(1990-)，男，山西运城人，硕士，助理工程师。

X832

A

1002-6002(2016)06- 0141- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.23