способ определения засоленности грунтов и/или уровня грунтовых вод и их минерализации

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАСОЛЕННОСТИ ГРУНТОВ И/ИЛИ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД И ИХ МИНЕРАЛИЗАЦИИ, включающий измерение электрического сопротивления в местах расположения наблюдательных скважин и по данным химических анализов проб, отобранных из этих скважин, установление корреляционной зависимости между электрическим сопротивлением и степенью засоленности грунтов и/или минерализацией грунтовых вод, электропрофилирование исследуемого участка и определение по корреляционной зависимости степени засоленности грунтов и/или минерализации грунтовых вод, а по скачку величины электрического сопротивления их уровня, отличающийся тем, что электрическое сопротивление определяют по интенсивности электромагнитного поля при бесконтактном электромагнитном профилировании и дистанционном зондировании, а уровень грунтовых вод определяют по расхождению величин электрического сопротивления, полученных в результате измерений в одной и той же точке по простиранию и перпендикулярно простиранию структур грунтов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к мелиорации земель, и может быть использовано для контроля мелиоративного состояния орошаемых земель.

Известен способ определения засоленности грунтов, минерализации грунтовых вод и их уровня, основанный на бурении скважин различной глубины с отбором проб грунтов и грунтовых вод с установлением содержания в них солей химическим путем (Методическая рекомендация по контролю за мелиоративным состоянием орошаемых земель. М. ВНИИГиМ, 1982 г.).

Недостатками этого способа являются большая трудоемкость и малая производительность полевых и лабораторных работ, а также невозможность картирования минерализации исследуемых участков из-за высокой изреженности сети наблюдательных скважин.

Наиболее близким по техническому решению является способ определения засоленности земель и уровня и минерализации грунтовых вод, основанный на измерении их электрического сопротивления методами вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). При этом первоначально по данным химических анализов проб минерализованных вод и засоленных грунтов, взятых из скважин в ключевых точках исследуемого участка, устанавливают корреляционные зависимости между электрическим сопротивлением и степенью засоленности грунтов и минерализации грунтовых вод. (Н.Н. Шарапанов, Г.Я. Черняк, В.А. Барон. Методика геофизических исследований при гидрогеологических съемках с целью мелиорации земель. М. Недра, 1974).

Недостатками этого способа являются относительно невысокая производительность, т.к. этот способ является точечным и требует заглубления питающих и приемных элементов. Кроме того, влажность грунтов и их гранулометрический состав существенно влияет на точность измерений с помощью электрического поля.

Устранить недостатки известного способа позволяет предлагаемый способ определения засоленности почв и грунтов и/или уровня грунтовых вод и их минерализации, включающий измерение их электрического сопротивления в местах расположения наблюдательных скважин и по данным химических анализов проб, отобранных из этих скважин, установление корреляционной зависимости между электрическим сопротивлением и степенью засоленности грунтов и/или минерализации грунтовых вод, электропрофилирование исследуемого участка и определение по корреляционной зависимости степени засоленности грунтов и/или минерализации грунтовых вод, а по скачку величины электрического сопротивления их уровень, в котором электрическое сопротивление засоленных грунтов и/или минерализованных вод определяют по интенсивности электромагнитного поля при бесконтактном электромагнитном профилировании и дистанционном зондировании.

Сущность способа заключается в том, что для создания в грунте электромагнитного поля не требуется заглубления излучающей и приемной антенны способ является бесконтактным, что существенно снижает трудоемкость и повышает производительность исследований.

На интенсивность электромагнитного поля почти не влияет ни влажность, ни гранулометрический состав, что способствует повышению точности измерения.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью генератора через излучающую антенну создают в грунте электромагнитное поле заданной частоты, а приемник, настроенный на эту же частоту, через приемную антенну фиксирует интенсивность электромагнитного поля. Так как при выполнении исследований не требуется заземления антенн, измерения могут проводиться в движении. Глубина исследований грунтов зависит от их гранулометрического состава и в общем случае равна половине расстояния между излучающей и приемной антеннами. Для точного установления глубины исследований на заданной частоте на участке работ проводят параметрические измерения на скважинах с известным геологическим разрезом (например, уровнем грунтовых вод). Количественную интерпретацию результатов этих измерений проводят эмпирическим методом, предложенным В.А. Шемшуриным. Метод довольно прост и позволяет достичь большой точности в определении УГВ. Этот метод заключается в том, что в конкретном геологическом разрезе обычно существует достаточно уверенная и однозначная связь между абсциссой характерных точек кривых _и и глубиной залегания подошвы электрического горизонта. На полученных в результате параметрических измерений кривых находят характерные точки, связанные с глубиной залегания грунтовых вод и по отношению глубины залегания воды h и разноса r, на котором появилась характерная точка, определяют коэффициент глубинности k_h(k_h= h_г/r)

Для определения глубины исследования достаточно разнос r умножить на коэффициент k_h(h_г=k_n r).

Работы по определению засоленности почв и грунтов и/или уровня грунтовых вод их минерализации осуществляют методами дистанционного зондирования и электромагнитного профилирования. Дистанционное зондирование предназначено для изучения геологического разреза, а электромагнитное профилирование для изучения геологических пород на определенной, заранее заданной глубине.

Работы методом электромагнитного профилирования выполняют на одном постоянном расстоянии (разносе) между приемной и генераторной антеннами, которое зависит от глубины исследования. С таким разносом проводят исследования по профилю. Работы можно производить в движении, что резко увеличивает объем исследований.

При дистанционном зондировании одна из антенн (обычно генераторная) остается на месте, а другая (приемная) удаляется или приближается, и на разносах, которые заранее выбраны, делаются замеры.

Определение электрического сопротивления грунтов электромагнитными методами осуществляют несколькими вариантами: с помощью вертикального, горизонтального и наклонного магнитных диполей. Наиболее распространенный измерение магнитного поля вертикального магнитного диполя. Сущность измерений заключается в следующем:

Возбуждают магнитное поле вертикального магнитного диполя и на выбранных расстояниях по профилю измеряют потенциал этого поля, который измеряют с помощью ортогональных рамок. При этом сначала измеряют вертикальную составляющую Н_z электромагнитного поля, а затем рамку переворачивают на 90^о и измеряют радиальную составляющую Н_r. Сопротивление грунтов определяют через отношение этих составляющих Н_z/H_r.

Н_z/H_r= /rf где сопротивление грунтов, Ом;

r разнос, км;

f рабочая частота, Гц.

Так как при работе ортогональными рамками имеется строго два фиксированных положения при измерениях, процесс измерения значительно облегчается и убыстряется. Кроме того, его легко автоматизировать, (пат. РФ N 1769266), поэтому этот способ измерений нашел широкое применение.

Определение засоленности почв и грунтов зоны аэрации производят методами дистанционного зондирования и электромагнитного профилирования. На опытном участке проводят параметрические измерения на скважинах солевой съемки. По результатам измерений строят корреляционную зависимость f(C%) для каждой глубины исследования. Этот график является тарировочным при определении засоленности грунтов. При этом точность определений очень высока, так как при засоленности грунтов более 0,3% (начало засоления) и влажности более 10% на интенсивность электромагнитного поля почти не влияют влажность и грансостав грунтов.

Минерализацию грунтовых вод определяют также с помощью дистанционного зондирования и электромагнитного профилирования. В первом случае определяют минерализацию грунтовых вод по глубине, во втором по профилю. На основе параметрических измерений, выполненных на наблюдательных или разведочных скважинах с известной минерализацией подземных вод, строят корреляционную зависимость f(м г/л) для участка работ, по которой затем определяют минерализацию вод при выполнении производственных работ.

Уровень грунтовых вод определяют с помощью дистанционного зондирования на основе изучения анизотропии горных пород. Как известно, анизотропия горных пород связана с их неоднородностью, и поэтому распространение электромагнитных волн будет неодинаковым в зависимости от направления измерений вдоль падения геологических структур или поперек.

Обычно для определения анизотропии горных пород проводят исследования методом кругового зондирования. Для этого генераторную рамку устанавливают в точках наблюдения и измерительные линии разносят вокруг нее по выбранным азимутам, через 30, 45 или 60^о. Первый разнос 0^онаправляют по простиранию геологических структур. После вычислений Ом строят круговую диаграмму сопротивлений. Из центральной точки на миллиметровке откладывают значения измеренных сопротивлений по разносам. Сопротивления одинаковых разносов соединяют линиями. Так получают круговые диаграммы. В однородных анизотропных средах получают эквивалентные круговые диаграммы, в неоднородных анизотропных средах круговые диаграммы получаются вытянутыми в направлении простирания плоскости анизотропии и принимают эллиптическую форму. Таким образом, кажущееся сопротивление, измеренное в крест простирания пород меньше, чем измеренное вдоль простирания. Это явление, обусловленное сильным увеличением плотности тока вдоль слоистости, носит название "парадокс анизотропии". Это наиболее яркий и известный показатель анизотропии. Наибольшее влияние анизотропии на электромагнитные измерения наблюдается в обводненных грунтах. Круговая диаграмма в этом случае вытягивается в сторону падения водовмещающих пород. Из-за этого на разносах, приуроченных к грунтовым водам, кажущиеся (эффективные) сопротивления получаются выше, чем на разносах в необводненных грунтах, т. е. образуется как бы скачок сопротивлений. В то же время, на разносах, направленных по азимуту 90^о скачков не наблюдается. Поэтому кривые, измеренные простиранию и в крест простирания геологических структур и совмещенные на одном графике, в точке обводнения пород расходятся и идут параллельно друг другу до тех пор, пока не закончится интервал обводненных грунтов. В необводненных грунтах они снова совмещаются. По всей видимости, этот эффект должен наблюдаться и в угольных и рудных телах, где анизотропия пород очень высока.

Определение уровня грунтовых вод в связи с вышеизложенным в предлагаемом способе осуществляют следующим образом.

Вначале разнос ориентируют по простиранию структур. Затем, не изменяя положения генераторной антенны разнос поворачивают на 90^оотносительно первоначального и ориентируют в крест простирания структур. Обе кривые, полученные в результате измерений, строят на одном графике. При наложении второй кривой на первую на границе грунтовых вод наблюдается расхождение кривых, что является достоверным признаком обводненности грунтов. Точки начала расхождения кривых являются характерными точками кривых, по которым, используя метод В.А. Шемшурина, определяют глубину залегания грунтовых вод.

На фиг. 1 показаны карреляционные зависимости между электрическим сопротивлением Ом и степенью засоленности С% грунтов и минерализацией грунтовых вод М г/л. На фиг. 2 показана диаграмма содержания солей в грунте в метровом слое, полученная электромагнитным профилированием грунтов. На фиг. 3 представлены графики сопротивлений измеренных в одной и той же точке наблюдения. Одна кривая (1) измерена по простиранию обводненных грунтов, другая в крест простирания (2). Угол между разносами 90^о.

П р и м е р. Способ определения засоленности почв и грунтов и/или уровня грунтовых вод и их минерализации с помощью бесконтактного электромагнитного профилирования и дистанционного зондирования осуществляли в Бухарской области Узбекистана. На участке работ были проведены опытнометодические исследования, включающие параметрические измерения на скважинах солевой съемки и на наблюдательных скважинах для установления корреляционных зависимостей =f(С% ) и f(М г/л). По результатам работ были построены эти зависимости (фиг. 1). Коэффициент корреляции равен 0,95, что свидетельствует о высокой точности определения засоленности почв и грунтов. Для изучения распространения солей по профилю в метровом слое были проведены работы по электромагнитному профилированию. Исследования проводились в движении (пешеходный вариант), с разнесением излучающей и приемной антенн на 2 м (см. фиг. 2). Определение глубины залегания грунтовых вод проводили методом дистанционного зондирования. В точке определения УГВ проводили замеры по простиранию пластов и затем в крест простирания. Угол между разносами составлял 90^о. Обе кривые строили на одном графике (см. фиг. 3). Как видно из графика, на разносе 5,5 м (h=2,8 м) кривые разошлись и дальше располагались параллельно друг другу до разноса 25 м (h=12,5 м), где они снова совместились. Интервал от 5,5 м до 25 м является обводненным, что было подтверждено разведочным бурением.

Исследования показали высокую эффективность применения электромагнитного способа при контроле мелиоративного состояния орошаемых земель.