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。

多支气枪组成的巨大“震源”，被投入南极的海水之中，声波按照大约每10秒一次的频率透过海水穿入海底1000米左右深度的地层，反射形成的信号再由电缆“捕捉”，最终形成一幅海底地质构造的详尽图谱——这就是今年元旦以来，我国科考船“海洋六号”在南极海域开展的多道地震勘探工作。截至目前，该项科考任务已经完成过半，总体进展顺利。

地震勘探是通过人工激发地震波，研究地震波在地层中的传播情况，以查明地下地质构造和岩石性质特征的一种先进勘探方法。近两年来，我国海洋多道地震调查技术取得长足进展。

这是“海洋六号”第一次在南极海域开展多道地震勘探。如果把海底比作人体，多道地震就如同给地球“做CT”，可以深入到海底，探测出海底的“骨骼”或“内脏”，从而更加真实的再现数百乃至数千米的海底地质构造。“海洋六号”船执行的中国第33次南极科考航次，采用了先进的数字地震技术，以4个高压气枪为一组震源，每隔10秒向海水中发射高压气体“气炮”，产生震动，从而将形成的地震波向海底传播，通过各地层反射后，再有拖带在船尾的一条长约1200米的数字电缆对这些反射信号进行捕捉采集，然后经过处理，形成一幅关于南极海底以下1000米左右深度的地层结构图。

海洋地震勘探是广州海洋地质调查局的拿手活。电缆道数越长，震源能量越强，可以探测到的海底地层也就越深。针对南极海域的特点，本次“海洋六号”南极科学考察，设计采用96道地震接收电缆，震源为540立方英寸的多道地震参数组合，可以了解南极半岛附近海域海底以下大约1000米左右深度的海底地层结构。

这不仅考验着地震技术的应用，也对导航定位精度提出了很高的要求。作为南极海域的新兵，剧烈频繁变化的天气、寒冷的气温与水温、陌生的海域，给“海洋六号”带来了重重挑战。1月4日下午，后甲板科考人员在每隔15分钟一次的巡查中发现，震源与电缆搅合在一起，其后对地震设备进行回收检修后，又相继发现了枪阵联接松动、地质缆断裂等问题。

“海洋六号”南极航次调查部门长关晓春介绍说，南极作业海域海况不是太好，海浪大，浪高有时达到3米，经过这些天的工作，枪阵、电缆等水下设备在海水中工作的时间长了，容易出问题，有些设备的联接也松动了。不过没关系，这些情况能妥善处理好。

多年来，广州海洋地质调查局在我国近海和太平洋持续开展相关调查，积累了丰富的调查经验，培育了一支成熟的海洋科考作业队伍，此时发挥了巨大作用，科考队员们在海上随时可以检修设备、排除故障。

南极气候多变，即使现在正是南半球的初夏，风雪也是说来就来，坚硬的雪粒将人们的工作服敲打的劈啪作响，手指露在外面很快就被冻僵。科考队员们将气枪回收，进行抢修。甲板上的积雪也给人们的行动和设备的移动造成了困难。但时间极为宝贵，人们必须在恶劣的海况中争取每一分每一秒。

首席科学家助理、航次技术负责赵庆献告诉记者：根据气象预报，明天海况将变得很差。目前，经过5天的连续奋战，科考工作就要暂告一段落了。到现在为止，多道地震、浅层剖面和多波束测量等工作已经完成三分之二，可以说，给下一步的工作开了一个好头，为顺利完成科考任务奠定了基础。

4日深夜，最后一次检修完成。下一步，“海洋六号”船将驶向南极半岛附近的麦克斯维尔湾，在那里避风，等待下一个南极作业的时间“窗口”。