自然电场法在水文地质调查中应用

自然电场法在水文地质调查中的应用

摘要：自然电场法是地球物理方法中最古老的方法之一，由于其操作简便、工作效益高等特点，近年来被广泛应用于水文地质调查。本文通过对自然电场法的方法原理介绍，结合工程实例，说明了该方法的应用效果，值得在水文地质调查中大力推广。

关键词：地球物理自然电场渗漏水文地质调查

1、概述

我国现有大量的水利工程由于经过了多年的运营，出现了不同程度的渗漏问题，不仅造成了水库库容损失等直接经济损失，还对工程的安全构成了极大的威胁。因此，有必要通过进行必要的水文地质调查，来准确具体确定的渗漏部位，查找地下水渗漏通道，以便对存在渗漏隐患的水利工程进行除险加固提供资料和依据。

很多地球物理方法被应用于水文地质调查，如水利部建设了水利工程隐患的试验场，开展了高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法等多种地球物理方法，所用这些工作为地球物理方法进行水利工程的水文地质调查提供了指导，但同时我们也一直在寻求一种准确、快速、简便的方法来广泛进行水文地质调查。自然电场法是地球物理方法中最古老的方法之一，由于其不需要向地下供电，只需直接测量地表两点间的自然电位，易于开展工作，效率也高，所以近年来自然电场法被广泛应用于水文地质调查。

2、方法原理

在自然界中，当地下水在裂隙或裂缝中渗流时，固体颗粒表面对

水溶液中的负离子具有选择性的吸附作用，因此流动的水中正离子的浓度相对增大，这样固体颗粒表面或带有相反电荷的水溶液在流动过程中要维持动态平衡，从而形成了一定的电位差。这种由水的渗透过滤作用而产生的电场，称为过滤电场(或渗透电场)。结合地层情况分析可知，副坝坝址区地下存在渗透电场，在地面两点间存在着天然电流场，可通过观测地面两点的自然电位差来测定。一般来说，渗漏通道形成后产生过滤电场，在其上方呈现出低电位异常(相对于正常场)。

自然电场法包括电位观测法及梯度观测法两种，电位观测法是通过仪器及不极化电极测出某一条剖面或某几条剖面上的电位曲线图，测量时将n极置于无穷远处某一自然电场稳定的区域内，将m 极在剖面上按照一定的距离依次移动，测出该剖面上的自然电位变化情况，通过分析电位曲线图，可以推测地下水渗流情况。一般来说，在渗漏通道上方的自然电位曲线呈现出低电位异常。梯度观测法是将不极化电极m极和n极保持一定的间隔距离，沿着剖面线向一个方向依次移动，同时测出其电位差，通过分析实测的点位数据来确定地下水的渗透流向。由于梯度观测法容易受到外界的干扰，实测误差较大，野外一般采用电位观测法进行。

“8”字形电场法是电位观测法中的一种，也称为环形电位观测法，测试时利用仪器和不极化电极在每一测点的8个方向上观测其自然电位值，将观测的电位值△v按一定比例标在图上，用曲线连接起来，成一个椭圆，即“8”字形电位图。因为在地下水运动方

向上产生的电位差大，所以椭圆的长轴方向即地下水的流向。将所有测点标在同一张平面图上，可看出测区不同地段的地下水流向。综上所述，我们既可以利用自然电场法在地表测出地下水的流向，同时也可以通过利用测试资料来分析地下水的渗漏通道。所以，自然电场法很早便被应用于水利行业水坝和水库的渗漏探测，也被应用于进行区域水文地质调查。

3、应用实例

韩家园水库位于河北省石家庄市西南约15km处。该库始建于1956年，总库容0.046亿m3，经过多年运行，目前水库存在严重的坝基渗漏，需进行除险加固，为了进一步查明副坝坝址区地下水渗漏情况，对副坝坝址区采用了自然电场法进行地球物理勘探。

3.1工区地形、地质概况

水库位于太行山东麓，地貌单元属太行山山前冲、洪积平原，地形起伏较大。副坝坝顶高程约115～116m，桩号0+000附近坝肩为基岩大部裸露的剥蚀残丘，约在桩号0+650以后为现代新建生活居住小区。副坝坝址区地层情况据以往地质勘探资料为：粉质粘土(在局部地段夹有一薄层砾砂)、中砂、卵石、砂岩，层位较连续稳定。

3.2工作布置

本次工作采用自然电场电位观测法，具体布置为：在坝轴线、坝轴线上游60m及坝轴线下游60m各布置1条剖面，点距5m，每条剖面长250m；为了进一步了解副坝坝址区下游地下水流向，还根据现场地表情况，在坝轴线下游进行了20个点的“8”字形电场法观测。

本次测试工作使用仪器为重庆地质仪器厂产ddc 5型电法仪，不极化电极为该厂生产的cu～cuso4不极化电极。野外工作之前，对仪器、不极化电极均进行了检查，使其处于良好状态，基点选择在电场稳定、湿润均匀、接地条件良好的地点。为保证野外数据采集质量，野外观测过程中对于变化较大(突变)的测点实时进行重复观测。

3.3成果分析

由图1可知：每条剖面上都存在2处低电位异常，分别为坝轴线桩号0+650～0+740、桩号0+820～0+890段，坝轴线上游60m桩号0+680～o+720、桩号0+840～0+880段，坝轴线下游60m桩号0+680～0+750、桩号0+830～0+885段，其对应的位置即为坝址区地下水渗漏点，依据各段低电位异常峰值的大小可以明确的看出，在坝轴线剖面上的异常峰值较大，说明在坝轴线上地下水流速较大。综合3条剖面分析可知，在该段(副坝桩号0+650～0+900段)地下存在2

条集中渗漏带，其位置如图所示。

将“8”字形电场观测法得出的数据分别绘制成“8”字形电位图，为了便于整体分析，将所有的“8”字形电位图按照其大概位置放在一张平面图上，见图2，由图可知，20个“8”字形电场电位图的长轴方向较为一致，均指向e90°，所以判断在该区域内地下水的流向为e90°方向。

4、结语

根据理论及实践研究，我们可以得出以下结论：

(1)自然电场法虽然是地球物理方法中最古老的方法之一，但用于测定地下水流向的方法理论十分成熟，而且由于易于开展工作，效率也高，所以近年来被广泛应用于水文地质调查。

(2)由于地下水的渗漏，将产生稳定的自然电场，其异常峰值的大小与渗漏通道里的压力有关，对于同一个基点而言，异常值越大，表明地下水的渗漏速度较大。

(3)自然电场法只能确定地下水渗漏方向，通过区域性的勘探，可以初步确定地下水的渗漏通道及集中渗漏带，但对于地下水的具体流速值是无法准确确定的，前人有根据异常峰值得出地下水流速的经验公式，实践证明存在较大的误差。随着方法技术的进步，尤其是仪器设备的高速发展，已经出现了很多专门测试地下水流速的精密仪器。

(4)自然电场法是通过测定地下水渗漏形成电场的电位异常来推断地下水渗流方向的，在不同的季节，在上游库水位不同的情况下，自然电场测试的结果有可能存在不一致，所以，分析利用自然电场成果资料时应结合相关的区域地质资料等综合分析。