RU2048749C1

RU2048749C1 - Method for determining salinization of soils and/or level and mineralization of ground water

Info

Publication number: RU2048749C1
Authority: RU
Inventors: Б.А. Спешков
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им.А.Н.Костякова
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: agriculture. SUBSTANCE: investigated area is profiled electrically by a non-contact method and remotely sounded. The degree of salinization is found by correlation of measured electric resistance at a given point and the data of sample analyses at reference points. Ground water level is determined by divergence of electrical resistance values registered at one point along the course and perpendicularly to the course of ground structures. EFFECT: higher efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к мелиорации земель, и может быть использовано для контроля мелиоративного состояния орошаемых земель. The invention relates to agriculture, in particular to land reclamation, and can be used to control the reclamation state of irrigated lands.

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.). A known method for determining salinity of soils, salinity of groundwater and their level, based on drilling wells of various depths with sampling of soil and groundwater with the establishment of the salt content in them chemically (Methodical recommendation for monitoring the reclamation state of irrigated lands. M. VNIIGiM, 1982 g.).

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. The disadvantages of this method are the high complexity and low productivity of field and laboratory work, as well as the inability to map the mineralization of the studied areas due to the high thinness of the network of observation wells.

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). Closest to the technical solution is a method for determining salinity of the land and the level and salinity of groundwater, based on the measurement of their electrical resistance by vertical electric sounding (VES). In this case, initially, according to chemical analysis of samples of saline water and saline soil taken from wells at key points of the studied area, correlation dependencies between electrical resistance and the degree of salinity of soils and salinity of groundwater are established. (NN Sharapanov, G.Ya. Chernyak, V.A. Baron. Methods of geophysical surveys during hydrogeological surveys with the aim of land reclamation. M. Nedra, 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. The disadvantages of this method are the relatively low productivity, because this method is a point and requires deepening of the supply and receiving elements. In addition, soil moisture and their particle size distribution significantly affects the accuracy of measurements using an electric field.

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. To eliminate the disadvantages of this method allows the proposed method to determine the salinity of soils and soils and / or the level of groundwater and their salinity, including measuring their electrical resistance at the locations of the observation wells and according to chemical analysis of samples taken from these wells, establishing a correlation between the electrical resistance and the degree of salinity of soils and / or salinity of groundwater, electrical profiling of the studied area and determination by correlation constant depending on the degree of salinity of soil and / or groundwater salinity, and jump on the electric resistance of the level in which the electrical resistance of saline soils and / or saline water is determined by the intensity of the electromagnetic field when the electromagnetic contactless profiling, and remote sensing.

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. The essence of the method lies in the fact that to create an electromagnetic field in the soil does not require deepening of the emitting and receiving antennas, the method is non-contact, which significantly reduces the complexity and increases the productivity of research.

На интенсивность электромагнитного поля почти не влияет ни влажность, ни гранулометрический состав, что способствует повышению точности измерения. The intensity of the electromagnetic field is almost not affected by humidity or particle size distribution, which helps to increase the accuracy of the measurement.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

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 ρ_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).Using a generator through an emitting antenna, an electromagnetic field of a given frequency is created in the ground, and a receiver tuned to the same frequency, through a receiving antenna, records the intensity of the electromagnetic field. Since grounding antennas is not required when doing research, measurements can be made in motion. The depth of soil research depends on their particle size distribution and in the general case is equal to half the distance between the emitting and receiving antennas. To accurately establish the depth of research at a given frequency at the site of work, parametric measurements are carried out in wells with a known geological section (for example, the level of groundwater). A quantitative interpretation of the results of these measurements is carried out by the empirical method proposed by V.A. Shemshurin. The method is quite simple and allows to achieve great accuracy in the determination of GW. This method consists in the fact that in particular geological section usually there is quite confident and unambiguous relationship between the abscissa of the characteristic points _and curves ρ and depth of sole electrical horizon. On the curves obtained as a result of parametric measurements, characteristic points are found associated with the depth of groundwater and the ratio of the depth of water h and the separation r, at which the characteristic point appeared, determine the depth coefficient k _h (k _h = h _g / r)
To determine the depth of the study, it is enough to multiply the separation r by the coefficient k _h (h _g = 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. Work to determine the salinity of soils and soils and / or the level of groundwater for their mineralization is carried out by remote sensing and electromagnetic profiling. Remote sensing is designed to study the geological section, and electromagnetic profiling to study geological rocks at a certain, predetermined depth.

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. Work by electromagnetic profiling is performed at one constant distance (separation) between the receiving and generating antennas, which depends on the depth of the study. With such a spacing conduct research on the profile. Work can be done in motion, which dramatically increases the volume of research.

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. During remote sensing, one of the antennas (usually the generator one) remains in place, and the other (receiving one) moves away or approaches, and measurements are taken at the spacings that are preselected.

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.Determination of the electrical resistance of soils by electromagnetic methods is carried out in several ways: using vertical, horizontal and inclined magnetic dipoles. The most common measurement of the magnetic field of a vertical magnetic dipole. The essence of the measurements is as follows:
The magnetic field of a vertical magnetic dipole is excited and, at selected distances along the profile, the potential of this field is measured, which is measured using orthogonal frames. First, the vertical component H _{z of the} electromagnetic field is measured, and then the frame is turned 90 ^° and the radial component H _r is measured. Soil resistance is determined through the ratio of these components H _z / H _r .

Н_z/H_r=

/r·f где

сопротивление грунтов, Ом;
r разнос, км;
f рабочая частота, Гц.H _z / H _r =

/ r · f where

soil resistance, Ohm;
r spacing, km;
f operating frequency, Hz.

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. Since when working with orthogonal frames there are strictly two fixed positions during measurements, the measurement process is much easier and faster. In addition, it is easy to automate, (US Pat. RF N 1769266), so this method of measurement has found wide application.

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.The salinity of soils and soils in the aeration zone is determined by remote sensing and electromagnetic profiling. At the experimental site, parametric measurements are carried out at the salt survey wells. According to the measurement results build a correlation dependence

f (C%) for each depth of study. This graph is a calibration chart for determining soil salinity. Moreover, the accuracy of the determinations is very high, since with salinity of soils of more than 0.3% (the beginning of salinization) and humidity of more than 10%, the humidity and granular composition of soils are almost not affected by the intensity of the electromagnetic field.

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.Groundwater mineralization is also determined using remote sensing and electromagnetic profiling. In the first case, the salinity of groundwater is determined by depth, in the second by profile. Based on parametric measurements performed on observation or exploratory wells with known groundwater salinity, a correlation dependence is constructed

f (m g / l) for the site of work, which then determines the salinity of the water when performing production work.

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. Groundwater level is determined using remote sensing based on the study of rock anisotropy. As is known, the anisotropy of rocks is related to their heterogeneity, and therefore the propagation of electromagnetic waves will be unequal depending on the direction of measurements along the incidence of geological structures or across.

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.Usually, circular sounding studies are carried out to determine rock anisotropy. To do this, the generator frame is installed at the observation points and the measuring lines are carried around it in selected azimuths, after 30, 45 or 60 ^about . The first dressing ^of 0 is sent along the strike of geological structures. After calculations

Ohms build a pie chart of the resistances. From the center point on the graph paper, the values of the measured resistances by spacing are laid. Resistances of the same spacing are connected by lines. So get pie charts. In homogeneous anisotropic media, equivalent pie charts are obtained; in inhomogeneous anisotropic media, pie charts are extended in the direction of the anisotropy plane and take an elliptical shape. Thus, the apparent resistance measured in the cross strike of the rocks is less than that measured along the strike. This phenomenon, due to the strong increase in current density along the layering, is called the "anisotropy paradox." This is the most striking and well-known indicator of anisotropy. The greatest influence of anisotropy on electromagnetic measurements is observed in flooded soils. The pie chart in this case extends towards the fall of the water-bearing rocks. Because of this, the apparent (effective) resistances on the distributions confined to the groundwater are higher than on the distributions in non-irrigated soils, i.e., a jump in resistance is formed. At the same time, offsets, aimed at an azimuth ^of 90 jumps are observed. Therefore, the curves measured by the strike and cross of the strike of geological structures and combined on one graph at the point of watering the rocks diverge and run parallel to each other until the interval of waterlogged soils ends. In irrigated soils, they are combined again. Most likely, this effect should be observed in coal and ore bodies, where the anisotropy of the rocks is very high.

Определение уровня грунтовых вод в связи с вышеизложенным в предлагаемом способе осуществляют следующим образом. The determination of the groundwater level in connection with the foregoing in the proposed method is as follows.

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.Initially, the spacing is oriented along the strike of the structures. Then, without changing the position of the generator antenna, the spacing is rotated 90 ^° relative to the initial one and oriented to the strike strike of the structures. Both curves obtained as a result of measurements are built on the same graph. When the second curve is superimposed on the first at the boundary of the groundwater, a discrepancy of the curves is observed, which is a reliable sign of water cut of the soil. The points of the beginning of the divergence of the curves are characteristic points of the curves along which, using the method of V.A. Shemshurin, determine the depth of groundwater.

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.In FIG. 1 shows the correlation between the electrical resistance

Ohm and salinity C% of soils and salinity of groundwater M g / l. In FIG. 2 shows a diagram of the salt content in the soil in the meter layer, obtained by electromagnetic soil profiling. In FIG. 3 shows resistance graphs

measured at the same observation point. One curve (1) is measured along the strike of flooded soils, the other at the strike cross (2). The angle between the spacing 90 ^about .

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.PRI me R. The method for determining the salinity of soils and soils and / or the level of groundwater and their mineralization using non-contact electromagnetic profiling and remote sensing was carried out in the Bukhara region of Uzbekistan. On the site of work, experimental methodological studies were carried out, including parametric measurements on salt survey wells and on observation wells to establish correlation dependencies

= f (C%) and

f (M g / l). Based on the results of the work, these dependencies were constructed (Fig. 1). The correlation coefficient is 0.95, which indicates a high accuracy in determining salinity of soils and soils. To study the distribution of salts along the profile in the meter layer, work was carried out on electromagnetic profiling. The studies were carried out in motion (pedestrian option), with a transmitter and receiver antennas spaced 2 m apart (see FIG. 2). The determination of the depth of groundwater was carried out by remote sensing. At the point of determination of the groundwater level, measurements were made along the strike of the strata and then to the strike cross. The angle between the spacing was 90 ^about . Both curves

built on one graph (see Fig. 3). As can be seen from the graph, at a spacing of 5.5 m (h = 2.8 m), the curves diverged and were further parallel to each other to a spacing of 25 m (h = 12.5 m), where they were combined again. The interval from 5.5 m to 25 m is flooded, which was confirmed by exploratory drilling.

Исследования показали высокую эффективность применения электромагнитного способа при контроле мелиоративного состояния орошаемых земель. Studies have shown the high efficiency of using the electromagnetic method in monitoring the reclamation state of irrigated lands.

Claims

METHOD FOR DETERMINING THE SALTINITY OF SOILS AND / OR THE LEVEL OF UNDERGROUND WATERS AND THEIR MINERALIZATION, including measuring electrical resistance at the locations of observation wells and using chemical analysis of samples taken from these wells, establishing a correlation between electrical resistance and the degree of salinity of soils and / or mineralization of soils water, electric profiling of the studied area and determination by the correlation dependence of the degree of salinity of the soil and / or mineralization of the soil water, and the jump in the magnitude of the electrical resistance of their level, characterized in that the electrical resistance is determined by the intensity of the electromagnetic field with non-contact electromagnetic profiling and remote sensing, and the groundwater level is determined by the discrepancy between the values of electrical resistance obtained from measurements in the same the same point along strike and perpendicular to strike of soil structures.