单孔多层地下水监测井设计与建设

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1、甄习春1 ,朱中道1 ,卢豫北2 ,侯春堂3 ,刘永生3 ,段琦3(11 河南省地质环境监测院 ,郑州450016 ; 21 河南省郑州地质工程勘察院 ,郑州450003 ;31 中国地质环境监测院 ,北京100081)摘要 : 文章设计并建设了黄淮平原松散岩类孔隙水地区单孔井深 350m、多层 (4 层) 地下水示范监测井 ,实现了单孔多层井孔设计 、施工工艺 、管材以及地下水自动监测技术集成等重大突破 ,为类似地区单孔多层地下水监测井建设提供了技 术示范 ,为国家地下水监测工程的实施提供了重要技术依据 。关键词 : 单孔多层 ; 地下水 ;监测井 ;中图分类号 : P641174文献标识码

2、 : A文章编号 : 100023665 (2008) 0520046204补给量为11874 8 108 m3 a ,中深层地下水资源补给量为11117 4 108 m3 a ;浅层地下水可采资源量为01833 2我国地下水监测井多以单井或一组不同深度的群井组成 ,大多为历史时期的勘探孔或开采井 ,存在的主 要问题是投资大 、施工周期长 、占地多 、不便于管理 ,也 不方便监测井的保护等 。监测井的管材多采用钢管或 铸铁管 ,这种材料易腐蚀 ,维护难度大 、使用寿命较短 。 为了解决上述问题 ,在黄淮海平原地区开展了单孔多层地下水示范监测井建设 ,力求在监测井的成井工艺 、 管材使用和地下水

3、自动监测技术集成上有所创新 ,为 国家地下水监测工程的实施提供参考依据 ,推进全国 地下水监测网络建设 。108 m3 a , 中 深 层 地 下 水 可 采 资 源 量 为 11117 4 108 m3 a ; 深 层 矿 泉 水 的 可 采 资 源 量 为 01413 5 10834 3m a ,超深层矿泉水可采资源量为 130175 10 m a近年来 ,由于郑州市区违规凿井现象严重 ,造成地下水 过量开采 ,地下水年开采量约 0185 108 m3 ,地下水水 位平均以 210ma 的速度在下降 ,中深层地下水降落漏2 1斗面积近 400km。2 监测井设计211位置选择 监测井位置的

4、选择主要考虑了以下几个方面 : 一是具有区域水文地质单元代表性 : 郑州市位于黄淮海 冲积平原冲积扇顶部 ,松散层厚度超过 600 m ,含水层在垂向上表现为下粗上细及多个沉积韵律的特征 ,可 以作为黄淮海平原地下水系统的代表性控制点 ; 二是监测资料具有实用性 : 监测井位于郑州市区浅层地下 水和中深层地下水降落漏斗的边缘 ,示范监测井的布1 区域环境条件单孔多层地下水示范监测井位于郑州市区西南 部 。郑州是一个水资源严重缺乏的城市 ,人均水资源 占有量为 198m3 ,占有量不足全省的 12 、全国的 110 , 水资源短缺已成为郑州市经济社会可持续发展的主要 制约因素 。地下水类型以松散

5、岩类孔隙水为主 ,依含 水层的埋藏深度和开采条件分为浅层 、中深层 、深层和 超深层地下水 ,浅层地下水化学类型以 HCO3 CaMg 型为主 ,中深层地下水以 HCO3 Ca 、HCO3 Ca Na 型 为主 ,达矿泉水标准 ,深层地下水水温一般 2540 , 属低 温 矿 泉 地 热 水 资 源 , 超 深 层 地 下 水 水 温 40 48 ,属温热矿泉地热水资源 。市区浅层地下水资源2设符合DZ/ T0133 1994 地下水动态监测规程 ,可以有效监测郑州市不同地下水开采层的动态变化 ,为 地下水资源的合理利用 、监督管理与保护提供可靠依据 ;三是有利于开展地下水开发利用和保护的科学

6、研 究 :监测井所在的郑州地下水均衡试验场在我国“六五”“、七五”期间进行了大量基础性的水文地质研究工作 ,积累了长序列的研究资料 ,并已列入国家地下水监 测工程重点建设的地下水均衡试验基地 ,单孔多层地下 水示范监测井建设可以与试验设施相结合 ,在地下水资源的合理利用和保护研究方面实现突破 ;四是施工条件便利 :不需征地 ,水电路施工条件便利 ,维护方便 。收稿日期 : 2007210219 ; 修订日期 : 2008208212基金项目 : 中国地质环境监测院国家财政专项“国家级地质环 境监测与预报”项目作者简介 : 甄习春 (19632) ,男 ,学士 ,教授级高级工程师 , 主要 从事

7、水文地质 、环境地质研究 。E2mail :zhenxch696 1631com212 技术路线目前 ,我国单孔多层地下水监测井建设处于起步 阶段 ,其设计是以实现单孔多层地下水监测为目标 ,重 点突破单孔多层监测井的设计 、施工 、成井 、材料等成套技术 ,主要遵循“成本低 、耐腐蚀 、使用寿命长 、维护 保养方便”等原则 ,进行了前期研究和论证工作 :(1) 研究不同水文地质条件下单孔多层地下水监 测井建设的可行性 。我国水文地质条件复杂 ,特别是北方缺水地区 ,地下水开发利用程度较高 ,地下水开发深度可达千米 ,地层复杂 ,含水层位多 ,成井技术难度 大 。建立单孔多层地下水监测井是否可

8、行 ,在郑州地 区监测深度控制在哪些范围 ,控制几层监测等都需要 研究和论证 。(2) 在单孔多层地下水监测井建设过程中的钻探 、 扩孔 、变径 、下管 、止水 、洗井 、无套管成井技术等方面 进行试验研究 ,力求在施工和成井工艺上有所创新 。(3) 研究论证无套管一次成井技术和新材料应用 , 如采用 PVC2U 等新材料作为井管等 , 从成本 、工期等 方面论证其经济性 。为全面监控郑州市浅层 、中深层和深层地下水的 动态特征并便于对比 ,单孔多层地下水示范监测井设 计井深为 350m ,全孔取芯并录井 。其中 0180m 钻井 口径为 600mm ,180350m 为 450mm 。采用裸

9、孔下入 4 根监测管分层成井方案 ,设计初期考虑观测管材料为球墨铸铁 (规格 DN100 ,外径 118mm) 或 PVC2U 管 ,暂定 小于 150 m 的观测管采用 PVC2U 管 ,大于 150 m 的观 测管采用球墨铸铁管 ;设计审查时根据专家意见 ,将监 测管材料定为 PVC2U 管 ,滤水管为 PVC2U 铣缝式 。213 风险分析该监测井首次在国内组织实施 ,尽管钻井深度只 有 350m ,但是采用 PVC2U 管材在无井壁保护管的情况 下 ,分别在同一眼井内成井 4 次尚属首次 。所以该项 目存在的风险主要有以下几方面 :(1) 由于 PVC2U 管材密度仅 1145kgm3

10、 ,与泥浆密 度差较小 。所以 ,监测管在井内不容易下到位 ,并且目 前采用该管材成井没有成功经验可借鉴 。(2) 成井过程中若泥浆参数不合理和其他措施不 力时 ,很可能出现井管挤毁事故 , 特别是 PVC2U 管材 铣缝后强度降低 。(3) 钻井口径大 ,地层松散 ,分 4 次成井 ,在成井过 程中有井壁坍塌的风险 。为了避免上述风险的发生 ,在成井过程中必须严格从设备 、钻探施工和事故处置 、抗风险预案做到缜密 考虑和部署 ,确保工程万无一失 。3 施工技术与成井工艺311钻探设备目前 ,国内外还没有施工单孔多层地下水监测井的专门设备 ,本次选择红星 - 400 型钻机和 TBW - 85

11、050 泥浆泵作为监测井的主要钻探设备 ,钻具和钻探辅助设备选择与常规水文水井一样 。312钻探工艺为保证岩芯采取率 ,选择 127mm 单管合金取芯 钻头 ,采用正循环泥浆钻井工艺 。本次粘土层岩芯采取率达 95 % ,砂层岩芯采取率为 6518 % ,平均岩芯采取率为 8014 % 。扩孔采用正循环泥浆钻进工艺 ,由于该井上下口 径不同 ,先用 450mm 三牙轮钻头和钻具组合钻进至设计井深后 ,再用 600mm 合金钻头和钻具组合钻进 至 200m ,最后用 450mm 三牙轮钻头划眼并下入井底进行彻底冲孔换浆 。313管材通过调研 ,选用江阴市星宇塑胶有限公司生产的110mmPVC2U

12、 给水用硬聚氯乙烯管作为监测井管材 。国产 PVC2U 管材在深度超过 150m 的井中应用几乎是空白 ,为此进行了管材和连接扣拉力试验 、液压试验 、落锤冲击试验和抗弯曲变形等专门试验 ( 表 1) 。要求 PVC2U 给水用硬聚氯乙烯管规格为外径 110mm 、单根管长 6m ,井管材料技术参数应达到 :(1) 监测井管采用丝扣连接方式 ,其拉力破坏极限 不小于18 000N ;(2) 滤水管采用 PVC2U 铣缝式 ,其缝宽为 1mm ,孔 隙率 10 %以上 。表 1 单孔多层地下水监测井 PVC2U 管材技术指标Ta ble 1 Technique data of PVC2U tub

13、es and pipes f or a single2hole multi2layer groundwater monitoring well外径(mm)壁厚(mm)密度( kgm3 )冲击试验( TIR %)液压试验(MPa)密封试验(MPa)规格参数11071211455423136314成井工艺滤料选择河南嵩山产天然石英滤料 , 规格为 2下 :比重为 1115112 ,粘度为 2535 ,失水小于 30 ,切力为 510 ,p H 为 810 。为防止塌孔 ,主要采取了以下技术措施 :一是从钻 井到成井整个过程中必须采取优质低固相泥浆 ,作好泥浆处理和净化工作 。采用必要的泥浆净化设备

14、和 “Z”型泥浆循环槽 。二是成井过程中注意泥浆的漏失 和损耗 ,及时进行回灌 ,确保井内压力平衡 。在成井前 不能使用清水换浆 。下管分 4 次采用钻机提吊法由深到浅依次下入 ,管材连接通过管箍丝扣连接 ,管箍外径为 140mm 。 止水根据孔内空间的大小 ,选择合适的滤料和黏土球直径 ,投滤料和黏土球的体积要计算精确 ,工序不能出错 。当 4 套井管全部下完和成井后 , 选择空压机分 4 次分别洗井至水清沙净 ,然后取 4 组水样进行水质测 试 。成井结果见表 2 。表 2 单孔多层地下水示范监测井成井结果表Ta ble 2 Well completion results of a sin

15、gle2hole multi2layer demonstration groundwater monitoring well图 1 单孔四层示范监测井地下水埋深动态曲线图Fig. 1 Change in depth to groundwater level at a single2hole f our2layer demonstration monitoring well图 2 单孔四层示范监测井地下水水温动态曲线图Fig. 2 Change in groundwater temperature at a single2 hole f our2layer demonstration monit

16、oring well 层位监测井水位与水温监测数值基本一致 ,变化幅度较小 ,充分说明单孔四层地下水示范监测井的分层止水效果显著3 。5 结语511主要技术创新通过该示范监测井项目的实施 ,使我国单孔多层 地下水监测技术方面取得了一些突破 :(1) 填补了国内单孔多层地下水监测井的一项空 白 。成功地完成最大井深 350m 单孔多层地下水监测 井建设 ,成为目前我国监测井深度最大 、观测含水层最 多的单孔多层地下水监测井 。(2) 首次采用“无套管成井工艺”,解决了 PVC2U 管 材下井困难和容易挤毁的问题 ,实现了单孔多层监测井 施工中分层下管 、分层止水和分别成井的技术创新 。(3) 在

17、 井 管 材 料 应 用 上 实 现 突 破 。本 次 选 用 的 PVC2U 管材具有重量轻 、成本低 、耐腐蚀 、不结垢等特 点 。通过该项目的实施 , 证明在 400m 以内的多层监测井 中 采 用 PVC2U 管 材 作 为 监 测 井 管 是 可 行 的 PVC2U 管材连接技术和 PVC2U 滤水管的加工等方面 具有创新 。512推广应用前景成井深度(m)含水层位置 (m)滤水管长度 (m)水位埋深(m)水温( )井 号9010198102701034810721078101751519615256102631031910332156101810121012104010075110

18、9417893124181019152015211012344 监测方案单孔多层地下水监测井施工完成后 ,对采到的岩 芯登记和压缩存放 ,进行自动化监测试运行 。地下水 自动化监测主要是依靠科技进步 ,更新与改进传统的 地下水动态监测手段 、方法与设备 ,逐步实现监测资料 的处理 、整理 、分析 、传输和监测成果发布的及时性 、自 动化 、信息化和智能化 。在单孔多层地下水监测井中安装四套水位水温遥 测 、自动记录混合系统 ( XY 型) 分站仪器 , 仪器探 头位置分别在井口下 7610m 、17910m 、25510m 、32010m 处 ,监测传输频率设置为 2 次/ 天 。通过 200

19、7 年 1 月22 日2 月 28 日的调试运行 ,水位 、水温动态基本稳定 (图 12) ,分站 、主站运行良好 。 根据单孔四层地下水监测井的水位 、水温动态变化曲线 ,1 # 代表浅层地下水 ,2 # 代表中深层地下水 ,3# 、4 # 基本代表深层地下水 。分别与郑州市区就近浅 层 、中深层 、深层地下水动态比较 ,与该监测井附近各监测井建设采用“无套管成井工艺”,平均每米监测井可节约成本 943 元 。管材方面 ,采用 PVC2U 管材 每米可节约成本近 100 元 。单孔多层地下水监测井体 现了节约用地 、节省资金 、缩短施工周期和便于管理等众多优点 ,还解决了井管腐蚀问题 ,因此

20、具有广阔的推 广应用前景 。参考文献 :1姚兰兰 ,任倩 ,豆敬峰 ,等. 郑州市地下水动态监测报告 R . 郑州 :河南省地质环境监测院 ,2006.DZT0133 - 94 地下水动态监测规程 S .国标准出版社 ,1994.北京 : 中23杨昌生 ,田廷山 ,甄习春 ,等. 国家级单孔多层地下水示范监测井建设报告 R .北京 : 中国地质环境监测院 ;郑州 :河南省地质环境监测院 ,20071Design and construction of single2holemulti2layer groundwater monitoringZHEN Xi2chun1 , ZHU Zhong2d

21、ao1 , LU Yu2bei2 , HOU Chun2tang3 , L IU Yong2sheng3 , DUAN Qi3(11 Henan Institute of Geo2Environmental Monitoring , Zhengzhou450016 , China ;21 Zhengzhou Geological Engineering Investigation Institute , Zhengzhou 450003 , China ;31 China Institute of Geo2Environmental Monitoring , Beijing 100081 ,

22、China)Abstract : The design and construction of a demonstration monitoring well with a single hole depth of 350 m for multi2layer (four layers) groundwater was conducted in unconsolidated sediments in the Huanghe2Huaihe plain on the basis of the survey and study of multi2layer monitoring technique f

23、or groundwater . The work has made significant breakthroughs on the design of a single2hole multi2layer well hole , construction technology tubes and pipes and integration of groundwater automatic2monitoring technique etc . The results provide technical demonstration for the establishment of a singl

24、e2hole multi2layer groundwater monitoring well for the similar areas and also provide important technical bases for the implementation of national groundwater monitoring projects.Key words : single2hole multi2layer ; groundwater ; monitoring well责任编辑 :汪美华(上接第 41 页)Study on transf orming relationship

25、 a mong surface water , precipitationand groundwater along Fenhe River in Ta iyuan BasinHOU Xin2wei ,L I Xiang2quan ,CHEN Hao( Institute of Hydrogeology and Environmental Geology , Chinese Academy of Geological Sciences , S hijiazhuang 050061 , China)Abstract : With analyzing geochemical characteris

26、tics of surface water and groundwater including isotope information , a research work was carried out to investigate transforming relationship among surface water , precipitation and groundwater along Fenhe River in Taiyuan Basin. The results indicated that the recharge source of mainstream in Fenhe

27、 comprised of groundwater and precipitation , but the ratio of two sources changed along the river , in which groundwater was the main source of recharge in the up stream but the ratio decreased in downstream , where the main source of recharge alternated into precipitation.Key words : Fenhe river ;precipitation ; groundwater ; transform责任编辑 :汪美华