单孔多层监测技术在头道沟河流域地下水监测中的应用

郭　伟，奥斯曼·伊斯马伊力，裴晶晶

(新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)



单孔多层监测技术在头道沟河流域地下水监测中的应用

郭伟，奥斯曼·伊斯马伊力，裴晶晶

(新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)

地下水是当前工农业生产和居民生活用水的最主要来源，对其水量、水质、动态变化等情况进行实时监测意义重大。而单孔多层监测技术有效避免了传统勘察孔投资大、工期长等缺点，在当前地下水监测工作中发挥越来越重要作用。以新疆头道沟流域地下水监测为实例，介绍了单孔多层技术的设计、施工、监测方案等内容，为以后类似的施工提供了必要的技术参考。

单孔多层；头道沟；地下水监测；应用

哈密地区位于新疆东部，主要地形为盆地。地下水是该地区居民生活生产用水的主要来源。随着当地经济的发展，对水量需求日益增高，同时当地居民的日常活动也对地下水补给和水质造成了不良影响。水资源已成为当前制约哈密地区经济发展的主要因素之一。监测地下水情况对指导当地工农业生产、维护地区稳定具有重要意义。随着科技进步，很多高新技术也被应用到该项工作中，其中单孔多层监测技术凭着工程投资少、监测结果精确而受到越来越广泛的应用。

图1　单孔多层技术结构原理示意图

1　单孔多层监测技术原理介绍

为了查明地下水水位及化学特征变化规律等情况，需要在区域地下布置监测点，以取得不同地点、不同深度获得的地下水数据。传统做法主要有以下两种：(1)在勘查区范围内设计众多深度不一的井孔，在每个井孔中放置一套单独的监测设备，这种方法最显著的缺点是需要打井孔的数目太多；(2)在一口大直径井孔中将多套监测设备放置在不同含水层。这虽然减少了井孔数目，但是对井孔孔径要求较高，而且其监测层位的数目也受限制[1]。

为了有效避免传统方法的弊端，单孔多层监测技术应运而生。其本质是在一个钻井中完美实现多个分层监测目标，而且该技术对井孔直径要求较小，也不受监测层数的限制。单孔多层监测技术原理图如图1所示。

2　头道沟流域概况

头道沟河位于新疆哈密境内，流域面积为371 km2，通过查找资料得出其多年平均径流量为2 610×104m3。流域内于1956年设置一处国家重要水文站—头道沟水文站。经初步探测得知该区域地下水类型以岩层孔隙水为主，化学类型以HCO3—Ca为主，地下水温度范围在15℃～28℃，水质达到了饮用水标准。为保障该区域居民的正常用水及工农业生产，有关部门决定对头道沟河流域地下水情况进行监测。

3　单孔多层监测技术在头道沟河流域

地下水监测中的具体应用

目前，单孔多层地下水监测技术在我国还处于起步阶段。在应用该技术时在前期需要进行大量的研究论证，遵循的主要原则为：成本小、寿命长、维护保养方便[2]。单孔多层监测技术主要包括井孔和监测方案两个设计内容，下面对其在头道沟流域地下水监测工作中的具体应用进行详细说明。

3.1监测井孔的设计与施工

1)监测井孔设计

在选择监测井位置时主要考虑以下几个问题：(1)能代表某一范围内水文地质条件的主要特征；(2)要求监测资料的实用性较强，即可有效监测不同层位地下水的动态变化情况；(3)有利于后续科研工作的展开；(4)施工条件较好，尽量不占用耕地[3]。

经过测定得知头道沟河流域松散层厚度约为400 m，在垂直方向上，含水层为从上至下颗粒逐步变粗。为了全面准确地监测头道沟河流域浅层、中层、深层地下水情况，设计监测井孔深度250 m，采用全孔取芯形式。其中0～150 m井孔直径设计为600 mm；150～250 m井孔直径设计为450 mm。在每个井孔中下放4根监测管设置到不同层位地下水中。

2)钻井施工

当前我国还没有专业的单孔多层地下水监测施工设备，为降低施工成本，在验证了施工效果满足使用后，本工程设计采用TBW-850型泥浆泵作为钻井设备，其他钻井的辅助设备采用常规水文钻孔便可满足使用要求。

为了保证岩芯的顺利取出，本工程采用规格为Ф130 mm的单管合金取芯钻头，钻井及扩孔工艺均采用正循环泥浆钻进。通过测定，应用该方法可使粘土层岩芯采出率达到96%，沙土层岩芯采出率约为63%，全井孔岩芯的平均采出率约为80.5%。在扩孔施工阶段，由于井孔直径分两个阶段，所以首先使用规格Ф450 mm钻头直接钻到设计深度；之后换用规格Ф600 mm钻头钻至150 m深度；最后再换作Ф450 mm钻头钻入孔底进行冲孔换浆工作。

3)管材选择

在本工程单孔多层监测井施工中，考虑到监测井孔深度较大，初步设计在150 m深度以下采用球墨铸铁观测管；在150 m深度以上采用PVC-U观测管。但经过后期现场试验发现在150 m以下深度，PVC-U管完全满足使用要求，因此从降低施工成本出发，最终决定全部采用PVC-U观测管[4]。要求其拉力极限破坏值大于18 000 N，连接方式为丝扣连接；监测管铣缝宽1 mm，孔隙率大于10%。其他的技术指标见下表1所示。

表1　本工程监测井使用的PVC-U管具体技术指标

4)成井施工

打钻施工完成后就要进行成井作业。本工程井孔滤料为天然石英材料，规格范围为Ф2～5 mm，止水材料为黏土球，利用机器制造，直径规格20～25 mm。泥浆采用低固相钠土，性能指标详见下表2。滤料、黏土球的需求量应计算精确，且投放顺序不得颠倒[5]。

表2　本工程井孔泥浆规格参数

为了防止井孔坍塌，在本次施工中采取了以下防范措施：(1)保证全部过程的泥浆质量达标，使用净化设备和泥浆循环槽；(2)在成井过程中应时刻关注泥浆量变化，及时补充损失掉的泥浆，确保孔内的压力平衡。此外不得在成井前进行清水换浆。

3.2监测方案的设计

本工程采用“钻机提吊法”将四根监测管由深至浅依次下入，利用管箍丝扣连接管材，其中管箍规格为Ф130 mm。下放仪器前应做好调试工作，保证接线、传感器的正常。

为了提高本项目区地下水监测工作的自动化和信息化程度，设计在监测井中按照地下水层位数目安装相应套数的监测系统，具体功能包括水位及水温变化、数据自动记录、信息传递等，传输频率可根据要求设计[6]。本工程设计为3次/d。本项目共设置4个观测井，从浅到深依次为1#、2#、3#(4#)。其测量到的水位和水温数据及变化情况如下图2所示。

图2　单孔四层监测井测量的地下水水位及水温变化线

该系统使用的一般步骤如下：(1)打开系统首先进行洗井及相关测试工作；(2)取出水样对一些指标进行测试；(3)利用安装在监测管中的探头测定地下水压力情况，并绘制分布图；(4)利用压力及取样探头进行垂向干扰试井[7]。

4　结语

头道沟河流域通过应用单孔多层地下水监测技术，较好地获取了相关数据，为后续地下水的开发、居民区建设提供了可靠的指导资料。目前，单孔多层地下水监测技术在我国应用较少，所以相关技术和规范也不完备，主要监测设备也是引进国外的。本项目井孔深度较大，存在一定的技术风险，但只要严格按照设计标准进行施工，便可有效保证工程效果。该技术关键问题是定准地下水层位位置，在安设仪器时要避免邻近水层的干扰。所以技术人员应做好测试工作。

[1]雷欢.加强地下水监测工作的思考[J].地下水.2011，(06)：41-44.

[2]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，(05)：43-45.

[3]甄习春，朱中道.单孔多层地下水监测井设计与建设[J].水文地质工程地质.2008，(06)：56-59.

[4]张宏达，卞振举.单孔多层地下水监测技术在地下水研究中的应用[C].2010中国环境科学学会学术年会论文集(第三卷).2010.

[5]王明明.多层监测井成井工艺与止水材料研究[D].中国地质大学(北京).2015，(05).

[6]赵雁冰.地下水监测研究工作现状分析及对策[J].地下水.2005，(04)：32-35.

[7]林沛，夏孟，刘久荣.一井多层地下水监测井施工关键技术与设备[J].城市地质.2012，(01)：78-82.

2016-03-08

郭伟(1979-)，男，山东菏泽人，工程师，主要从事地下水位和流量对比分析方面的研究。

P641.74

B

1004-1184(2016)04-0079-02