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    针对我国当前地下水勘查和监测中存在的常规分层勘查效率低、垂向探测不精细及水文地质参数不准确等问题,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心(以下简称“水环中心”)在借鉴和吸收国内外相关研究基础上,通过多年不断探索和改进,研发了具有完全自主知识产权的地下水分层勘查新技术。该技术结合一孔同径分层成井、含水层可控性封隔、单孔多层自动化监测等主要技术手段,形成了“分层成井—分层洗井—分层抽水—分层采样—分层监测”地下水分层精细勘查新模式,提高了水文地质勘探工作效率,达到精细刻画水文地质参数的目的,对科学评价合理开发地下水资源具有十分重要的意义,为科学研究、生产实践、行政管理等提供了重要技术支撑。

    该技术优势特点包括:一是能够实现“一孔多层”勘探孔分层采样及实时监测,可自动高效获取精确水文地质参数;二是该技术施工成本低、占地面积小、维护费用低;三是在工程施工方面,相比于传统丛式水文地质孔或一孔多次变径钻孔,可提高工程效率至少50%。基于上述特点,该技术已广泛应用于我国多个省区的水文地质勘查、煤田水害精细勘查、锂钾矿分层刻画等领域,并受到专家学者一致好评。

    创新研发历程和技术构成

    作为水文地质调查重要的技术手段,水文地质钻孔发挥着重要作用,传统的水文地质钻孔不能满足水文地质精细化勘查要求。为实现水文地质精细化勘查,准确评价地下水资源量,并根据地方需求制定地下水合理开发方案,服务地方社会经济建设,水环中心依托水文地质调查项目,组建了以水文地质、钻探、监测仪器等多学科科研工作者为核心的研发团队,针对封隔成井、分段洗井、分层抽水和监测等方向开展重点攻关和示范,通过十多年的技术积累和迭代,形成一整套成熟完整的地下水分层勘查技术,研发了满足108-325毫米井径的系列化产品,包括封隔器、特种潜水泵、变频调流设备、井下监测设备、自动传输设备及数据抗干扰设备,可应用井深1000米以内的分层成井、分段洗井、分层抽水和分层观测等工作。

     

    地下水分层勘查器具实物图

    一是分层成井。在细颗粒地层或钻孔结构不稳定地层分层成井过程中,传统的多层水文地质钻孔易出现钻孔事故率高、砾料回填高度测量不准确、施工效率低等问题,研发封隔注浆分层成井技术,将成井工艺改进为钻进→下管→全孔填砾→洗井→封隔注浆分层止水,突破性地去除了“分层填砾和止水”这一钻孔事故高发阶段,使得分层成井更加简单安全,大幅降低钻孔分层成井事故率,适用于1000米以内多层水文地质钻孔分层成井。

    二是分层洗井。针对传统洗井方法(活塞、空压机、潜水泵)对富水性极强的大厚度含水层洗井效果不彻底,获得水文地质参数不准确的问题,研发双封隔器分段振荡洗井技术,通过封隔器将钻孔某一含水层段进行封隔,并针对该目的层进行强力振荡洗井,使勘探孔含水层出水能力无限接近其真实值,可提高含水层富水性评价精度。

    三是分层抽水。钻孔抽水试验是获取含水层水文地质参数重要的技术手段。针对传统分层抽水方法工序繁琐、成本高、分层数量有限及参数不准确等问题,开展新型分层抽水技术研究,在有效完成分层止水的钻(井)孔内,根据不同层位、不同厚度、不同深度的含水层,将上、下两个封隔器下至井内指定位置启封,从而将目的层段与两端非目的层段隔离,利用潜水泵或取样装置对目的层段进行抽水和采集水样,同时利用设置在目的层段上部、下部和中间的传感器持续测量对应层段地下水压力和温度变化,通过数据可视化装置进行观测和记录,进而获取目的层段相关水文地质参数。

    四是分层监测。混合监测不能真实反映各含水层特性。分层监测技术可根据钻孔分层数量及改建要求,将分层勘探孔改建为连续多通道多层监测井或巢式监测井,实现分层水文地质参数动态长期实时监测。

     

     

    地下水分层抽水技术示意图

     

    分层监测技术示意图

    成果转化应用

    助力高精度水文地质调查。2014-2018年,地下水分层勘查技术支撑开展“黑河流域1:5万水文地质调查”国家地质调查项目,先后在黑河流域实施多层水文地质孔达40眼以上,最大分层数量为5层,均采用地下水分层勘查技术与设备进行分段振荡洗井、分层抽水试验和分层采样,获得了高精度的水文地质参数,深化了对区域水文地质条件的认识。一是为大厚度含水层非完整井水文地质参数计算方法及计算公式的厘定提供了基础;二是佐证了大厚度强富水含水层在洗井彻底情况下,单位涌水量随含水层厚度增加而增大的水文地质认识。

    服务煤矿水害精细勘查。自2016年至今,地下水分层勘查技术先后应用于陕西长武亭南煤业、陕煤榆北煤业、彬长孟村矿业、黑龙江龙煤双鸭山矿业等矿区水文地质勘查,通过进行分层抽水试验和分层观测,对煤矿分层涌水量进行预测,为煤矿水害精细勘查提供了技术支持,有效保证了煤矿正常生产安全。

    支撑新疆罗布泊钾盐矿资源评估。首次使用地下水分层勘查新技术对罗布泊钾盐矿卤水地区含水层进行分层抽水、取样和测试,在新疆罗布泊卤水地区实现区域盐矿精细调查,查明各个含水层的涌水量和盐量,为新疆罗布泊钾盐矿储量精确评估提供了强有力的技术支撑。

     
    地下水分层精细勘查新模式助力高精度水文地质调查

    在世界“第三极”青藏高原,在荆棘遍布的深山老林,矗立着一座座孤独寂寞的钻塔,中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心(简称“长沙中心”)钻探人用沾满泥浆的臂膀,抱起一根根沉甸甸的钻杆,将钻取的岩心小心翼翼地放入岩心箱。这些日常工作的缩影,彰显着他们对平凡岗位的执着和坚守。他们与大山为伍、与密林为伴,爬冰卧雪、翻山越岭,足迹遍布祖国大地。三尺机台是他们踏梦出征、书写忠诚的舞台。他们用青春探寻地层的繁华,用岁月镌刻资源的画轴。

    这支钻探团队具有深厚的历史底蕴,沐浴着改革的春风,与原黄金部队偕行,是金矿勘查获取地下实物资料的重要力量。团队在原部队时期主要从事小口径矿产地质岩心钻探施工任务,四十余年来,累计进尺10万余米,用实际行动践行“地质报国”的赤诚初心;2018年转制改革后,他们由传统地质找矿拓展到“山水林田湖草沙”一体化调查。为适应业务发展新形势新要求,他们胸怀“国之大者”,锚定“为国找大矿、找好矿”目标,按照“进军中深部、拓展多领域”总体思路,抢抓机遇、主动作为,积极组建水文、地热、深部油气等钻探队伍,以培训实操为抓手,以项目实施为平台,钻探综合技术水平和支撑服务能力全面提升,核心竞争力显著增强。

    党建引领  凝心聚力谋发展

    团队组建之初,钻探骨干流失严重,人员结构不合理、人才力量薄弱的问题十分突出,加之任务转型拓展,需要熟悉新装备,提升新能力。团队发挥党支部战斗堡垒作用,坚持以党建为引领,认真落实“三会一课”制度,遇到重大事项和急难险重任务,就会召开支委会、党员大会,群策群力、集智攻关,全力攻克转型发展过程中遇到的“瓶颈”难关。为解决人员思想不稳定的问题,党支部通过“摆事实、讲道理”,疏通思想“症结”,化压力为动力,并积极开展“我为群众办实事”实践活动,及时解难帮困,让团队干工作没有后顾之忧。为加快提升专业技术能力,团队发挥党员领头雁作用,组建以专业技术干部、机长为主体的授课交流团队,加大钻探基础理论与实操训练频度,并积极开展“师带徒”“结对子”帮扶,浓厚团队学习氛围,团队整体技术水平得到有效提升,一大批钻探班员顺利成长为钻探机长和班长。为加强先进典型引领,党支部努力培塑“学习强能、担当作为、求实创新、敬业奉献”的团队文化,将榜样力量转化为爱岗敬业、奋发向上的不竭动力,团队所在党支部被中央和国家机关工委评为“四强”党支部,1人被中心评为“最具学习力”先锋人物。

    攻坚克难  转型拓展求突破

    2021年,团队首次承担江西省赣州市宁都县找水打井任务。面对全新业务领域,他们毫无头绪、压力巨大,团队负责人鼓励大家说:“革命老区面临水资源短缺‘瓶颈’,作为地质勘探的‘国家队’‘中央军’,我们责无旁贷。只要我们发挥好自身专业优势,宁都的老百姓用水难题将迎刃而解。”团队开始翻阅大量调查报告和文献,总结研究先进施工工艺方法,以找红层区地层隐伏破碎构造和不同地层接触构造形成导水、储水含水层为靶向,因地制宜采用空气潜孔锤快速钻进工艺及复杂破碎地层跟管钻进技术,在旱垴、南必蔬菜基地实施水文水井5口,孔孔出水,总出水量近1600吨/天,解决了当地1650亩蔬菜灌溉用水和1200余名村民饮用水需求,进一步巩固拓展脱贫攻坚成果,有效支撑赣州市宁都县革命老区乡村振兴。5口水井移交当地政府的竣工仪式上,长沙中心向南必村党支部书记询问出水、用水情况,书记激动地说道:“感谢长沙中心酷暑天气给咱老区人民找水,甘甜的井水,喝在嘴里,甜在心里。这是促进我村产业发展的‘经济之水’,也是带领村民奔小康的‘致富之水’”。

    在水文水井成功实施的基础上,钻探团队成员不断总结经验,创新工作方法,以浙南诸河流域地下水资源调查评价项目为依托,建立了一套从钻探成井、测井、洗井、抽水试验、水样采集、保护装置安装、井口高程点建设到自动化监测系统安装及调试完整的地下水监测井监测体系,先后在浙南地区实施地下水监测井28口,有效保障国家地下水监测工程实施,为浙南地区合理开发利用地下水资源、监测地下水污染、有效防治地质灾害以及解决生态环境问题等提供了科学依据。

    2023年,长沙中心承担地热资源预可行性勘查地热钻探项目,工作区地层为胶结性差、水敏性强的红砂层。针对其红砂层易引发孔底压力剧增、钻具磨损严重等问题,钻探团队不断加强地层研究,创新工作方法,采用钻井液离心固控技术、空气潜孔锤钻进扩孔和胶塞固井技术,有效减少废浆排放,降低环境影响,提高钻进效率和固井质量。项目历时65天顺利竣工,终孔孔深1500.8米,实现地热钻井施工新领域零的突破。

    攀过一山,再登一峰。鄂鹤页3井,是该中心组建深部油气钻井队伍实施的第一口页岩气参数井,设计井深2300米,旨在初步查明鄂西鹤峰地区二叠系页岩气储层发育情况,助力鄂西地区页岩气开发。受领任务之初,面对全新的业务领域以及更加突出的安全风险隐患,团队发扬湖湘子弟“敢为天下先”的精神,立即组建以钻探业务骨干、机长为主的技术攻关小组,积极学习先进经验,因地制宜优化完善钻井施工设计。项目启动后,团队建立起标准化、精细化、科学化管理机制,落实工程进度“一日一报、一周一会”制度,做好保障工作,全面提升钻探施工效率。面对井内漏失、坍塌掉块、易跑斜等复杂情况,项目技术骨干反复研究地质资料,集中研讨,制定科学对策。团队众志成城、团结协作,历时65天,成功钻至目的层二叠系栖霞组并成功点火,终孔深度2326米,标志着该中心在深部油气钻井领域初步形成战斗力和生产力,实现了从传统矿产地质钻探向水文地质钻探、工程地质钻探、地热钻探、大口径深部油气钻井等领域拓展转型。

    开拓创新  接续奋斗谱新篇

    创新是推动地质调查现代化的“驱动力”。团队着力发挥科技创新“引擎”作用,加强地质科技自主创新,打造科技创新高地,赋能业务高质量发展。近年来,团队累计发表学术论文10余篇,获批专利10余项(发明专利2项),为钻探施工转型发展奠定了坚实基础。

    雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。在新一轮找矿突破战略行动的“主战场”上,团队将始终保持着“冲锋”姿态,踔厉奋发、笃定前行,立足深部钻探重大需求,按照中国地质调查局党组“三步走”“三级跳”战略目标,不断巩固拓展转型发展成果,建实建强深部钻探“国家队”,打造支撑地质找矿亮点名片,用青春热血致敬伟大的新时代,用一串串沉甸甸的成果为中华人民共和国75周年华诞献礼!

     
     
     
    三尺机台铸忠诚 提质强能谱新篇

    近日,自然资源部中国地质调查局武汉地质调查中心承担的“环北部湾南宁、北海、湛江1∶5万环境地质调查”项目,在广东湛江东海岛成功实施了我国南部沿海地区第一眼巢式监测井,实现了单孔4层地下水的分层监测,成井深度达到290米,是目前自然资源部中国地质调查局成井深度最大的多层监测井。 

    新技术新工艺的应用是提升地质调查能力和水平的重要举措,是引领区域地质调查的重要支撑。巢式分层监测技术是自然资源部中国地质调查局水文地质环境地质调查中心在高密封性能监测管材研发和成井工艺完善后推出的地下水分层监测新技术。巢式监测井具有占地面积小、施工成本低、施工效率高、成井深度大等优点。因之前巢式监测井仅应用于我国北方地区,为探索巢式监测井在南方地区的适用性和推广这一地下水监测井新技术,武汉地调中心“环北部湾南宁、北海、湛江1∶5万环境地质调查”项目组在湛江市新技术开发区东海岛东南村部署施工了一眼巢式监测井。该井下入4根PVC-U监测专用井管,井管采用丝扣连接,连接处有O型圈,密封性能良好,还具有耐腐蚀、寿命长、不污染水质等优点。通过分层填砾、分层止水、分层洗井以及分层采样,实现了在单孔中4层地下水的分层监测和取样。

    在施工过程中,水环中心钻探室解伟全程进行技术指导,针对沿海细颗粒地层制定了完备的成井工艺方案,确保了该监测井的顺利实施。实施分层洗井后,水温、水位、电导率、氧化还原电位等现场测试结果表明,该监测井分层止水效果良好,完全达到了预期目标。目前,该井采集的第一批地下水样品已送往实验室做进一步分析。

    湛江东海岛巢式监测井的成功实施,实现了南方地区大埋深含水层单孔多层监测的目标,为南方地下水监测网络的建设提供了新的技术方法,标志着环北部湾地下水监测网络的初步建成,联合北海大冠沙和海南洋浦地区的地下水分层监测基地,将实现环北部湾地区地下水的分层同步监测。

     施工现场

    完井后的监测孔 

     
    我国南方第一眼巢式监测井成功完井

     

    兴国县和平村打出日出水量200立方米的水井

    中国地质调查局总工室、水环部对扶贫水井进行核查

    开栏的话

    水文地质调查服务干旱缺水区饮水安全、土地质量地球化学调查成果服务特色农业发展、地质找矿带动商业矿产资源勘查开发、地质灾害调查服务城镇化建设、地质遗迹调查服务旅游资源开发——自然资源部中国地质调查局瞄准脱贫区资源环境突出问题,发挥专业技术优势,走出了一条以找水打井、防灾减灾、特色农业、地质旅游、矿产资源开发利用等为主的“地质调查+”特色扶贫之路。

    今年是脱贫攻坚决战决胜之年。中国地质调查局聚焦尚未脱贫摘帽的市县,精准对接需求,在自然资源部定点扶贫六县、乌蒙山集中连片特困地区、“三区三州”等重点地区安排项目126个,将地质调查支撑服务脱贫攻坚作为今年工作的重中之重。

    从今天起,本版开设《“地质调查+”支撑服务脱贫攻坚》专栏,对地质调查支撑服务脱贫攻坚取得的成果,以及在科学技术、运行机制等方面的创新经验进行系列报道。

     

    4月26日,从江西省贫困县脱贫退出新闻发布会上传来喜讯,江西省兴国县正式退出贫困县序列。

    兴国,一片神圣的红色土地,孕育了肖华、陈奇涵等56位共和国开国将军。受制于“八山半水一分田”的恶劣自然条件,兴国县有36 个村在2017年被列为深度贫困村,农业用水和百姓安全饮水难以保障。

    老区人民的难和痛,是自然资源系统干部职工放不下的牵挂。2016年以来,自然资源部中国地质调查局坚决贯彻落实自然资源部党组部署要求,发挥自身专业技术优势,部署地质调查支撑服务赣南脱贫攻坚找水打井项目,组织中国地质调查局水文地质环境地质调查中心(以下简称“水环中心”)等单位分头实施。水环中心在牵头负责的兴国县采用“突击队+常规队”的组合形式,三进兴国找水打井。经过3年努力,共实施探采结合井55眼,总涌水量2.1万立方米/天,直接解决了4.4万余人的安全饮水问题和3000亩现代农业灌溉用水问题,为25万余人提供安全饮水水源,并发现170余处特色矿泉水,圈定4处地热靶区和23处应急水源地。

    西霞村有了幸福泉

    水环中心在兴国扶贫找水的第一站在西霞村。这里,600多户、3000多人散居在一个个山旮旯,没水吃是他们自祖辈定居于此就面临的“老大难”。

    “虽然家家户户打了小水井,但水量严重不足,有时仅能抽10分钟,干旱季节更是没水可抽。”村支部书记汤秋生说,“水少不说,水质还不好。从井里打出来的水,烧开后一会儿便出现黄色沉淀物,用这种水煮的饭都是黄褐色的。”

    听说村里来了帮忙找水的地质队,村民们纷纷前来一探究竟。烟农吕常琳对找到水充满期待:“烟叶是我们的主要收入。要是用水有保证,烟叶的产量肯定能上去,品质也会提高,今后的好日子也就有希望了。”

    “我在这生活了80多年,从来没有人打到过水,我看你们也很难。”也许是因为以前期盼一次、失望一次,一位老者摇着头说。

    绝不能让西霞村人民再次失望!望着村民们期盼的眼神,水环中心的领导和找水队员们在心里立下了誓言。

    可随后的调查让他们发现,西霞村找水之难远超预想:西霞村虽有发现,西霞村找水之难远超预想:西霞村虽有 山有沟,但坡小沟短、汇水有限,且沟内均为泥质含量高的致密岩石,根本不蓄水。即使有着丰富找水经验的“黄金搭档”李伟和朱庆俊,在西霞村野外踏勘后也皱起了眉头。

    “越难越需要我们冲上去。”在突击队长张福存的带领下,大家每天在西霞村看山看石看图纸,在无数次野外走访、物探实践和资料修改中,寻找地下水脉的所在。为了将地表植被、地表干燥对电信号的干扰降到最低,队员们到山下背土来铺,拎盐水一点点灌,平常只需很短时间就能完成的100多个探测点却用了两个多小时。

    队员们的辛苦,换来的是对地下水脉的准确把握。依据这些地质资料设计实施的两个钻孔,出水量稳定在1000吨/天,而且打出的还是极其罕见的锂型矿泉水。2017年1月9日,西霞村老俵们早早地来到钻机旁,看着清冽甘甜的水流渐喷渐大,幸福的笑容洋溢在脸上。那位对找水不抱希望的老者也向突击队竖起了大拇指。

    汤秋生说:“我们吃水不愁了,300亩烟叶可以正常栽种了。烟叶产量提高了,老百姓的收入就增加了。以后我们还可以发展蔬菜种植,那我们村脱贫就更没有问题了!”

    西霞村的水源问题虽然解决了,但是如何让老百姓真正喝得上,还需要团队重点思考和努力攻克。找水团队采取和县政府联建供水工程的办法,建设了高位蓄水池,形成了自流式供水系统,并在水井口增加了除氟设备,直接为石坳子、汤屋村的1200余人送上优质饮用水,同时解决了2000多亩耕地灌溉用水。通过预留的输水口,还可解决附近3个行政村约8000人的饮用水问题。

    水脉现身靠创新

    红层区,地貌陡峭不汇水、地层泥质含量高不富水、构造紧闭不导水、深部地下水不循环,再加上丹霞地貌勘查场地狭小,且水田与电力线沿沟分布,物探勘查多种方法受限,被称为“找水禁区”。兴国县正处于这样的地区。

    为破解找水难题,水环中心组建了一支年轻有朝气、思维活跃、负责任、能坚守、有担当的“战队”,并要求做到“地方政府哪里有需求,就去哪里开展工作”。

    这支“战队”融合了地质、遥感、物探、钻探等多专业技术人才,通过水文地质条件分析和遥感线性构造解译,聚焦缺水村组找水方向及找水靶区;根据工作场地条件及找水目的层,确定最适宜的物探勘查方法组合;利用数据采集现场人工干预去噪,适时调整仪器数据采集频度和供电强度,降低物探勘查结果的多解性,准确刻画含水层或构造空间特征;根据极化率、半衰时、金属离子等富水性参数的匹配关系,结合视电阻率响应特征综合判断含水层富水性,从而确定最佳井位。多专业、多技术、多方法的深度融合和创新使用,推动他们在兴国县实现了缺水区找水的一个又一个突破。

    地处兴国盆地北部的高多村,傍依319国道与S223省道和泉南高速,区位优势明显。2016年,兴国县农业综合开发办公室对高多村1000余亩土地进行高标准农田改造,发展以蔬菜、瓜果为主的现代生态农业产业,联结贫困户200户,用工120余人,打造“现代农业+土地入股+农民就业”产业精准扶贫的典范,2017年被列入兴国县六大攻坚战30个重点项目之一。

    2017年10月,兴国县委副书记、县长陈黎获知由于受缺水问题影响,该项目进度迟滞不前,遂向水环中心找水团队发出帮助找水的请求。找水团队紧急会商后认为,解决扶贫产业项目基地缺水是助力地方脱贫攻坚的重要发力点。

    扶贫产业基地位于红层砂泥岩分布区,园区内已人工挖掘水井5眼,仅1眼井出水,水量40吨/天。项目组集结水文地质、水文物探技术人员,经过综合对比分析地质结构、地下水赋存运移规律等,结合激电曲线,最终确定钻孔孔位2处,备选孔位1处。为了不耽误蔬菜的及早种植,找水团队多方协调钻机,采用气动潜孔锤钻进工艺,1天内完成了2眼井的钻探施工,合计涌水量500吨/天。

    在兴国这片土地上,找到水已实属不易,更可贵的是,水环中心还找到了优质的水源。比如,为会昌县矿泉水厂实施的2眼锶型矿泉水探采结合井,解决了投产水量不足的问题,避免了2000万元投资损失;为宁都县小布镇实施的井口水温34℃、每天290吨的自流优质偏硅酸型热井,丰富了宁都县小布镇全国十大特色旅游小镇的品牌内涵,助推小布镇成功获批国家4A级旅游景区……

    “170余处矿泉水点、而且是稀有的锌型矿泉水、锂型矿泉水,将为兴国发展水产业提供新动能。20多口水井、20多处乡镇供水水源地,让我们规模化发展特色农业也将不再受困于水。”陈黎信心满满地说。

    2019年1月,陈黎千里迢迢赶赴河北保定,将亲笔题写的“足迹印兴国,甘泉泽千秋”锦旗,亲手交到水环中心主任文冬光的手上。

    使命始终担肩上

    2019年9月9日,中国地质调查局召开局党组会议,全面贯彻落实党中央决策部署和部党组工作要求,以高度的政治自觉将赣州四县摆在地质调查支撑服务精准脱贫攻坚工作的核心位置,精准对接地方党委和政府需求,聚焦找水打井等重点工作任务,在项目、资金、人才、装备等方面提供充分保障,加大力度、加快步伐、提高效率,全力支撑赣州四县如期完成脱贫摘帽目标。

    2019年9月11日,中国地质调查局组织总工室、水环部,以及南京地质调查中心、武汉地质调查中心、水环中心等单位,赶赴赣州四县精准对接需求,在对需求点实地调研、摸排的基础上,制订了“精准锁定需求、区分轻重缓急、一点一策、分县包干”的工作方案。

    9月21日,水环中心党委抽调水工环精干力量,配置先进仪器设备,成立了以中心副主任李铁锋为队长的找水打井突击队再次驰援兴国县,对44个缺水需求村组开展了逐点踏勘、逐村核实,确定了14个急需开展工作的需求点。这14个需求点,或地处找水禁区的红层区,或是条件复杂的灰岩区,或是场地狭小的变质岩区,都是“难啃的硬骨头”。

    梅窖镇寨脑村是梅窖镇人口最多的村组。该村村民大多引山泉水或自挖浅井作为生活用水,常出现季节性饮水困难。作为解决该村安全饮水问题的圩镇自来水管网延伸工程,取水水源为流经该镇的梅窖河,也经常出现水质不稳定、季节性缺水问题。 长期以来,梅窖镇一直致力于寻找安全稳定的补充水源,但受隐伏岩溶复杂地质条件影响,或因溶洞发育塌孔无法实施,或因水量较小几近干孔,安全稳定集中供水问题迟迟未能解决。

    2019年10月14日,水环中心与梅窖镇进行了深入需求对接,确定了在该镇集中供水取水点和蓄水池之间开展勘查工作。通过遥感解译初选工作靶区、地面调查确定构造特征和地层展布、综合物探靶向定位,确定了2处孔位。为解决岩溶地层钻进困难问题,找水打井队采用潜孔锤跟管钻进施工,2眼钻孔先后成井,单孔试抽水量均在1000立方米/天以上。

    但出水的喜悦很快就被水中泥沙含量高的现实问题冲淡。

    面对水量丰富却历经一周抽水洗井均无法获得清澈地下水的问题,找水突击队积极探索,反复讨论出水泥沙含量高的原因,从钻井工艺、管材使用、成井工艺到抽水方案,多方核查、多次论证、反复研讨,尝试创新应用飞管止砂、多层包网、填砾过滤等工艺,选择合适含水层段进行成井,最终成功克服泥沙量大的问题,获得清澈的地下水供水水源,总出水量达每天2140立方米,完全解决了寨脑村6863人的安全饮水问题,同时也为梅窖镇集中供水提供了补充水源,让2万余人有了清洁饮用水。

    在2019年“不忘初心、牢记使命”主题教育中,水环中心党委将“发挥水工环技术优势,助力老区可持续发展”纳入主题教育调研活动内容,成立了以中心党委书记张发旺为组长、副主任李铁锋为副组长的调研组,再一次深入革命老区兴国县开展“两不愁、三保障”需求调研和服务对接,以实际行动努力践行“为民服务解难题”主题教育目标。

    2019年11月30日,兴国县有关负责同志与水环中心调研组就发挥水工环技术优势、助力兴国脱贫攻坚可持续发展进行了座谈,就如何利用水环中心专业技术优势服务兴国经济发展达成了共识,并签订战略合作协议,再一次为兴国打赢脱贫攻坚战注入了一针“强心剂”。

    3年多时间里,水环中心赣南扶贫找水团队闯关夺隘、攻坚克难,为赣南老区兴国人民带来“水”的希望。让希望之水润泽赣南兴国的万物生灵,让老区经济腾飞的福泽滋润每一位老区人民的心田!

    水润将军县

    自2015年开工建设,至2018年底,国家地下水监测工程建设完成,共建成层位明确的国家级地下水专业监测站点10168个,全部安装了一体化地下水自动监测设备,实现了全国主要平原盆地和人口活动经济发展区的地下水监测数据自动采集、实时传输和多源解析。

    在工程建设过程中,遇到了很多承压-自流井,这些井的承压水头高出井管口,地下水不断向外涌出,导致无法安装井口保护装置和自动化监测设备。

    为解决承压-自流监测井密闭式处理和自动化监测这一行业难题,达到控制监测井自流,实现监测井的自动封水通气,满足水位监测、水样采集、清孔洗井等目的,自然资源部中国地质调查局所属的地质环境监测院会同水文地质环境地质调查中心,经过多次研究讨论、设计改进和野外试验,针对实际存在的管径管材不同、设备类型不一和季节性承压等复杂情况,成功研发了自流监测井密封技术。通过在井管口安装包含取水阀、智能压力控制阀及双补芯密封接头在内的法兰式密封装置,有效的解决承压水在有压无压转化过程的连续监测、冬季防冻、水样采集和洗井清淤问题。

    目前,此项技术已经在新疆、湖南、云南等12个省(区)的多个国家级地下水监测井成功应用,推动了地下水自动化监测技术进步。

     

     
     
    承压-自流监测井密封技术研发成功并推广应用

    2018年,根据自然资源部中国地质调查局党组部署,自然资源部中国地质调查局岩溶地质研究所抽调水文地质调查、石漠化治理与生态修复、地质遗迹调查等方面专业技术人员,通过组织实施二级项目“滇黔桂岩溶区土地质量地球化学调查”,在贵州省丹寨县开展地质调查工作,支撑服务丹寨县脱贫攻坚,取得了一系列重要成果。

    一是火龙果生态产业辐射推广种植试验获得成功。以丹寨县土地质量地球化学、水文地质、环境地质、生态地质等综合地质调查为基础,依托岩溶所开发的岩溶石山火龙果栽培管理技术和培育的火龙果新品种,在丹寨县甲石村建立生态产业扶贫示范区,开展火龙果生态产业辐射推广种植试验与示范。试验面积3亩,共3750株,为贫困户技术培训100人次。

    为解决山区气温相对较低、光照不足、可耕地资源少、居民贫困等问题,创新火龙果嫁接霸王花育苗—大苗种植—大棚防冻—灯光补光—反光膜补光—花果兼收火龙果种植系列技术与模式,开发亚热带贫困山区当年见效—高效种植—快速推广—生态与经济效益俱佳的火龙果特色生态产业与品牌,构建科研单位+企业+政府+合作社+农户的火龙果生态产业开发模式。火龙果年产量约7500斤/亩,年产值达到6.1万元,第一年净收益1.5万元/亩,以后每年净收益达到5.5万元/亩,单位面积经济效益比原来的传统耕种方式增加20-70倍,直接受益贫困人口1400人。据调查,丹寨县全县可辐射推广种植火龙果10万亩,仅火龙果生态产业1项,潜在年经济效益就可达60亿元,助推丹寨县20多万农民脱贫致富。

    二是解决重点缺水区饮用水问题。针对丹寨县甲石村、城望村、瑶货寨、兴仁村等重点缺水地区,采用引蓄水、提蓄水、地下水探采结合井3种开发利用方式,引进新型水箱材料——玻璃钢增强纤维水箱新技术,实施引蓄水示范工程4处,百米以上的大口径探采结合孔2眼,成功解决近5000人饮水问题、5000亩耕地灌溉用水,节约成本200万元,人均增加年经济效益1000元,为丹寨县重点缺水地区生态农业产业转型、脱贫攻坚工作提供了水源保障和方向。

    下一步,将通过实施重点地区1:5万、1:1万地质遗迹调查和金汞矿矿山环境地质调查工作,查明县域内地质遗迹点的分布特征,评估矿山地质环境问题的影响程度,为申报国家级地质公园和国家级矿山地质公园提供技术支持,支撑服务丹寨县地质旅游开发,助力丹寨县脱贫攻坚。

    挂满果实的火龙果大棚 

     

    丹寨县窑货村ZK01洗井-抽水试验 

     
     
    地质调查有力支撑服务丹寨县脱贫攻坚

    叶成明,男,54岁,大学本科,专业技术三级,水环中心主任工程师。专业方向:水工环地质钻探与成井工艺

    解决资源环境问题或基础地质问题情况:

    主持开展了海域天然气水合物试采防砂工艺试验研究,为我国首次海域天然气水合物试采防砂工作提供了有效指导,也为解决制约天然气水合物开采的防砂瓶颈问题奠定了基础。主持研发了PVC-U井管等系列新型成井管材,解决了传统成井管材因腐蚀损坏引起的地面沉降、水质污染等环境问题。主持研发了水文地质勘探孔(井)分层洗井与分层抽水技术,解决了因洗井不彻底而影响水资源评价精度,以及获取分层地下水水文地质参数难的问题。主持研发了可显著提高基岩水井出水量的压裂增水技术,为缺水地区解决人畜饮水问题,提供了成本低、安全环保的技术方法。 

    实现转化应用和有效服务情况:

    研究提出的泥质粉砂水合物储层试采出砂规律、防砂机理、防砂精度理论及防砂工艺措施已服务于我国首次海域天然气水合物试采工程。PVC-U井管、大通径连续多通道管、地下水采样器具等已在国内大规模推广应用,部分产品还应用到国外。基岩水井压裂增水技术,除应用于缺水山区供水管井增产外,还成功应用到难采钾盐卤水井、地热井增产领域。水文地质勘探孔(井)分层洗井与抽水技术,已服务于1:5水文地质调查工作。地质调查安全生产管理保障系统已服务于地调局及局属28家单位,并推广应用到全国100多家地勘单位。 

    促进科学理论创新和技术方法进步情况:

    探索出了泥质粉砂天然气水合物储层开采的出砂规律和防砂机理,提出了防砂精度理论,实现了泥质粉细砂储层天然气水合物开采防砂理论的创新。PVC-U井管、全塑贴砾过滤器、大通径连续多通道管等系列新型成井管材填补了国内同类产品的空白。研发的地下水定深采样器、惯性泵等一批地下水采样器具,打破了国外产品垄断的局面。浅层低渗透性含水层水平水井开采技术、基岩水井水力压裂增水技术、水文地质勘探孔(井)分层洗井与分层抽水技术等填补了国内同类研究的空白。 

    促进人才成长和团队建设情况:
          建立了一支由12人组成的水工环地质钻探、成井工艺与材料、地下水采样器具研究与开发团队。1人入选中国地质调查局首批优秀地质人才。初步建成了由5名核心成员组成的海域天然气水合物开采防砂技术研究团队。为水工环地质钻探、安全生产培训9次,培训人员695人次 。

    叶成明

    近日,自然资源部中国地质调查局水文地质环境地质调查中心“一种双封隔器分层抽水装置”实用新型专利获国家知识产权局授权,专利号为ZL201721742572。

    “一种双封隔器分层抽水装置”可实施分层成井技术(核心技术是分层止水技术)、分段洗井技术、分层抽水与采样技术等,主要是针对同一钻孔在不同含水层或含水岩组的孔段,精准获取各含水层相关的水力学参数等,实现了“一孔同径,分层抽水”,缩短施工周期,提高施工效率,便捷获取到水文地质参数。

    地下水分层抽水系统已在甘肃、河北、河南等9个省得到应用推广,应用单位达到18家,应用的科研及地质调查项目达到22个,为分析地下水水化学变化特征以及水资源的合理利用提供了科学依据,为实现水资源可持续利用提供了技术支撑。

    “一种双封隔器分层抽水装置”获国家专利授权

    近日,地调局武汉地调中心“环北部湾南宁、北海、湛江1∶5万环境地质调查”项目,在广西北海施工完成了我国南方第一口连续多通道地下水分层监测井,成功实现了单孔6层地下水的分层监测,该井连续多通道管外径105毫米、通道通径大于30毫米,成井深度147米。

    监测井位于北海市银海区海景大道北侧,距海岸线约70米,采用“地下水多层监测井钻探成井工艺”,在一个钻孔内安装一根连续多通道管材,通过分层填砾、止水成井,在单孔中最多可实现7层地下水的监测和取样。该工艺采用的多通道管材是高密度聚乙烯材料连续挤出的7通道连续管,在井管与钻孔环状间隙间采用了以膨润土为原材料的新型止水粘土球,并在洗井后为监测井安装了孔口保护装置。与传统单管、丛式、巢式地下水监测井工艺相比,该工艺具有建井少、占地小、施工成本低、施工效率高等优点。在施工过程中,地调局水环中心解伟教授三次亲临现场指导,通过工艺改进成功克服了地层松散易垮塌的施工技术难题,最终高质量地完成了该井施工任务。实施空压机洗井后,电导率、氧化还原电位等现场测试结果表明,分层止水效果好,完全达到项目预期目标。目前,该井获取的第一批地下水样品已送往实验室作进一步分析。

    该连续多通道地下水分层监测井,不仅在南方地区成功实现了地下水单孔多层分层取样监测的目标,还为南方地下水监测网络的建设提供了新的技术方法,这一工艺将在北海地下水监测等南方地下水监测网建设中得到广泛应用和推广。

    连续多通道井管下管施工现场

    完井后的监测孔

    我国南方第一口连续多通道地下水分层监测井成功完井
      历时近两个月,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心“河西走廊黑河流域1:5万水文地质调查”项目组圆满完成5层水文地质孔分层抽水试验,该抽水试验是目前国内外最为复杂的地下水分层抽水试验。本次抽水试验目的是通过大厚度含水层抽水试验,分析验证适合的求参方法,解决了非完整井试验难以计算含水层参数的难题,大大提高了水文地质勘查精度。

      该抽水试验对相关设备及器具要求极高。首先,要求抽水主孔和观测孔内的分层止水效果可靠,因此需要研发封隔器、过电缆遇水膨胀橡胶筒以及止水串三种分层止水器具。其次,要求抽水主孔和观测孔内下入自动水位、水温监测探头,进行实时观测。最后,抽水设备流量波动量要求控制在3%之内。

      项目组技术人员通过多次试验,不畏挑战,自主创新完成了以下四项技术,确保了HQ26孔分层抽水试验圆满完成。

      首先成功研发过电缆遇水膨胀橡胶筒。常规膨胀橡胶筒到达止水效果需要浸水7个昼夜,这无形之中会极大延长工作周期。自今年1月-5月,技术人员对膨胀橡胶配方进行优选,进行了将近20次的室内外试验与改进,终于研发出浸水48小时即能达到止水要求的过电缆遇水膨胀橡胶筒,极大提高了工作效率,缩短工作周期15天。

      其次成功研制新型过电缆封隔器。项目前两年使用的过电缆封隔器是从芯管内部穿过电缆线,直接造成芯管阻水、整体不协调、提下过程中容易磕碰电缆等问题。技术人员对过电缆封隔器的芯管结构、电缆位置、定位方式、密封方式以及气管线快速连接方式进行整体优化设计,并与专业厂家合作研制抗高压特种防水电缆,最终成功研制出新型过电缆封隔器,封隔器结构更加合理,容易组装和拆卸,便于检修和保养。该封隔器在本次抽水试验过程中发挥了极为重要的作用。

      第三成功控制潜水泵流量的波动。柴油发电机组发出的电压不稳定,直接造成潜水泵流量波动值高达4%-6%。技术人员通过与水泵厂家进行研究攻关,研制了耐磨损、抗拉强度高、性能稳定的QJ250型不锈钢潜水泵,配备质量优良的变频控制柜,成功将潜水泵流量波动值控制在0.5%以内,得到了水文地质专家的高度评价。

      第四是首次使用管内分层止水串。止水串由止水膨胀橡胶筒、自动监测探头、Φ146管材组成,在Ⅳ、 Ⅴ层分层抽水试验结束后,将止水串下入井内,对Ⅳ、 Ⅴ层进行分层止水和分层观测,抽水试验全部结束后,再将止水串打捞出来并采集数据。经过多轮的集中研讨与试验,成功完成管内分层止水串的起下工作,实现数据采集。

      技术创新是成功实施分层抽水试验的坚实基础,没有以上的技术创新,就不会取得本次分层抽水试验的成功。下一步,我们将全面系统总结本次分层抽水试验的成功经验,开始编写《多层水文地质孔分层抽水试验应用指南》,把同径分层抽水试验技术以及双封隔器分段振荡洗井技术尽快在水文地质调查项目中推广开来,为水文地质调查迈向新高度提供可靠的技术支撑。

    科技创新引领水文地质调查迈向新高度

    经过两年的技术攻关和野外应用示范,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心研发的可视化分层抽水自动监测仪器日趋成熟,目前已经完成“黑河流域重点地区水文地质调查”、“三江平原农田水文地质调查”、“漳卫河流域重点地区水文地质调查”等地质调查项目的水文地质钻探分层洗井、分层抽水试验监测,获取了大量精确的实验数据。


    该套设备具有以下技术特点:一是具有量程宽、精度高、采样频率可调、自动化程度高的优点;二是可实时存储及显示监测数据,能够监测井下其他设备是否运行正常;三是设备体积小,容易与封隔器、泵管等设备配合使用,最大监测深度可达500米,能够满足分层抽水试验工作需要。四是设备价格低廉,采用外部供电方式克服了国外同类产品电量耗尽设备报废的缺点,大大提高了设备的性价比。


    具有自主知识产权的可视化分层抽水自动监测技术符合新形势下水文地质调查的要求,监测获取的分层洗井及抽水试验数据有助于不同深度、多层位地下水含水层水文地质参数的精细刻画,为水资源评价提供可靠技术参数,是水文地质调查工作的一项新技术。


    防水接头野外制作

    传感器、放水接头

    设备下井

    地表实时监测设备

    监测数据曲线图

    分层抽水自动监测技术助力水文地质调查工作

    黑河流域重点地区水文地质调查项目钻探工作的主要任务是结合水文地质测绘、水文地质物探资料,查明黑河流域地下水含水层的水文地质结构、补给、径流、排泄等水文地质条件和水量、水质、水温等参数,为科学利用、合理开发黑河流域水资源提供可靠的水文地质基础资料。

    目前,黑河流域重点地区水文地质调查项目钻探施工正有条不紊的向前推进,完成钻孔13眼,含多层观测井6眼,单层观测井7眼,成井深度2420米。为满足水文地质勘探孔钻探施工及抽水试验要求,项目组总结出一套一井同径,封隔洗井、分层抽水,实时监控的钻探方案,采用多项新技术和新方法,大幅提高了洗井效率,解决了分层止水难题,极大地提升了大厚度地下水含水层水文地质参数的研究精度。

    一是分段封隔、振荡洗井。黑河冲洪积区中上部是极强富水区,此次调查中还发现了涌水量大于10000m3/d的极强富水含水层,采用传统方法洗井(空压机洗井、活塞洗井、水泵洗井等)很快就会“水清砂净”,但钻孔单位涌水量往往小于周边机井。为此,项目组经过反复研究、探索,发明、采用了双封隔器对勘探孔进行分段封隔、分层洗井的新方法,在洗井时同时启、封上下封隔器,通过强力震荡彻底洗井,达到最大限度提高单位涌水量的目的。

    二是成功实现多层水文地质勘探孔管内止水。在钻孔抽水试验结束后,把管内止水器具下入井管内止水位置,对上、下含水层地下水进行分隔,使井管内的水不再是混层水,成井后可对不同层位含水层地下水进行独立开发利用或水位、水质的长时间监测。该项技术对于利用同一井孔分别获取不同层位含水层地下水参数、开展水文地质精细研究具有十分重要的意义。

    三是成功利用物探测井方法测量多层水文地质勘探孔回填砾料和粘土球的高度。当多层水文地质勘探孔分层止水位置较深(≥150m)时,准确测量填砾或止水回填高度是决定成井质量好坏的关键环节。项目组通过反复试验,成功将物探测井方法用来准确测量多层勘探孔止水填砾的高度,测量结果高效、准确。此方法对于止水位置较深、观测层数较多的水文地质勘探孔的成井质量具有重要意义。

    采用封隔器进行分层洗井和抽水试验

    管内止水示意图

    管内止水器具

    管内止水井管安装实物图

    物探测井新应用

    多项钻探新技术助力黑河流域重点地区水文地质调查