葉柏壽水文與工程地質
『壹』 國土資源部地質災害防治與地質環境保護重點實驗室
（一）實驗室簡介
國土資源部地質災害防治與地質環境保護重點實驗室，目前是我國地質災害防治領域唯一的國家重點實驗室。現任學術委員會主任為中國工程院王思敬院士，實驗室主任為黃潤秋教授。實驗室立足於為我國地質災害防治和地質環境保護提供全面系統的理論和技術支持，服務於國家重大工程建設和防災減災實踐，圍繞我國尤其是西部地區地質災害防治與地質環境保護提供實際需求服務。
（二）2013年度重要科研成果
1.黏度時變性灌漿材料擴散與固結研究
針對復雜地層岩土體，存在裂縫開度大、封堵困難、漿液凝結時間長、循環凍融壽命低、材料損耗嚴重等突出問題，成都理工大學裴向軍教授帶領團隊啟動了「黏度時變性灌漿材料擴散與固結研究」項目。通過系統研究，在水泥-化學漿液的溶劑化膜理論方面具有突出創新，所研製的具有自主知識產權的注漿擴散測試裝置和開發的SJP系列黏度時變灌漿材料，解決了速凝灌漿材料早期強度高、後期強度低這一國際性難題，並在黏度時變性灌漿材料組成、性能參數及漿液擴散測試方法等方面具有新穎性，取得了十分顯著的社會、經濟效益。項目成果榮獲2013年中國發明專利金獎、四川省科技進步一等獎，主要完成人包括裴向軍、黃潤秋、李正兵、裴鑽、羅建林、袁進科、楊富平、張曉超、焦瑞峰、董秀軍等（圖32）。
圖32 相關項目獲獎情況
2.自主研發了漿液擴散測試裝置，解決了漿液流速、壓力與流量的測試難題以及對漿液擴散的影響
試驗流體生成裝置產生灌注漿液，按設計的灌漿壓力、灌漿量向漿液擴散測試裝置提供實驗流體（圖33）。
圖33 漿液生成裝置
3.研製了SJP型黏度時變性灌漿系列材料，它們分別適用於陡傾寬縫岩體、架空鬆散地層、鹽漬化土、凍土等復雜地層
開發研製的SJP型系列水泥基黏度時變性灌漿材料，以水灰比0.6的水泥漿液為原漿，摻入具有獨立知識產權的高分子材料。可泵期調控5～90min，為常規水泥漿終凝時間縮短了1/5～1/10。3天期強度高出普通水泥漿2.5～4倍，後期強度較普通水泥漿高出20%～30%（圖34）。
本項成果已經推廣應用於水利水電、礦山、鐵道、公路及汶川地震災區恢復重建等數十項重大工程，如雅礱江錦屏一級水電站危岩體及邊坡壩基加固工程（2007～2012年）、大渡河長河壩水電站岩體錨索和固結灌漿加固工程、遂-資-眉高速公路路橋（涵）過渡段加固治理工程、新疆天山公路、甘孜得榮紅岩子高邊坡應急治理工程、九龍斜卡水電站壩基防滲灌漿工程、「九寨•雲頂」項目建築地基加固處理工程、涼山白水河滑坡治理工程、雲南昆明舒鉑廣場基礎工程（2013年）。通過科學控制水泥漿液擴散范圍，減少復雜岩體灌漿用水泥量高達30%～90%，成果在企業的應用累計新增產值達14.7億元，產生利潤1.12億元。研究成果有效控制漿液的使用和排放，達到環境和生態保護的目的。
圖34 SJP型液漿材料實驗數據
『貳』 開封黃河水利學院校有什麼專業
1、水利工程學院
水利水電建築工程、水利水電工程技術 （水利水電工程檢測技術方向)、水利水電工程技術 （水利水電工程施工技術方向)、水利工程、水利工程（城市水利方向）；
工程造價（水利工程造價方向)、建設工程監理（水利工程監理方向）、安全技術與管理、水電站動力設備、水文與水資源工程、水土保持技術、水文與工程地質。
2、土木與交通工程學院
道路橋梁工程技術、土木工程檢測技術、建築工程技術、地下與隧道工程技術、工程造價、道路養護與管理、建築工程技術（建築工程質量與安全管理方向）、給排水工程技術、城市軌道交通工程技術。
3、測繪工程學院
工程測量技術、地籍測繪與土地管理、測繪工程技術、攝影測量與遙感技術、測繪地理信息技術。
4、機械工程學院
機械設計與製造、數控技術（智能方向）、模具設計與製造、機電一體化技術、工業機器人技術、汽車檢測與維修技術、工程機械運用技術。
5、國際教育學院
商務英語（國際會展方向）、土木工程檢測技術（中外合作辦學）、道路橋梁工程技術（中外合作辦學）、建築工程技術(中外合作辦學）、物流管理（中外合作辦學）、工程測量技術（中外合作辦學）。
6、財經系
投資與理財、會計、會計（注冊會計師方向）、會計信息管理。
7、環境與化學工程系
食品加工技術、電廠化學與環保技術、食品質量與安全、應用化工技術、環境工程技術。
8、管理系
市場營銷、電子商務、網路營銷、物流管理。
9、信息工程系
計算機應用技術、計算機網路技術、數字媒體應用技術、軟體技術。
10、自動化工程系
發電廠及電力系統、建築電氣工程技術、電氣自動化技術、電子信息工程技術、應用電子技術。
11、旅遊系
旅遊管理（旅遊電子商務方向）、旅遊管理、酒店管理。
12、藝術系
視覺傳播設計與製作、環境藝術設計。
參考資料來源：網路——黃河水利職業技術學院
『叄』 德州市城區地熱流體的水質特徵及水質評價
馮守濤 吉延梅 王小剛
（山東省魯北地質工程勘察院，德州253015）
作者簡介：馮守濤（1978—），男，助理工程師，主要從事水工環地質勘查工作。
摘要：對德城區現有13 口地熱井的水質分析資料進行統計分析，對本區地熱流體的物理、化學特徵進行了闡述，重點對地熱流體的水質和地熱開發利用過程中的腐蝕與結垢趨勢進行了評價。
關鍵詞：德州；地熱流體；水質評價；腐蝕；結垢
1997年華北石油康海實業公司水井工程大隊，在山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊院內打出德州市第一口探采熱水井，由此揭開了德州市開發利用地熱資源的序幕。到目前為止，德城區已打了13口優質探采結合地熱井，取水層位主要為新近系館陶組下部砂礫岩和古近繫上部的細砂岩，井口水溫為54～58.5℃，主要應用於洗浴、供暖、游泳、醫療保健等領域。
1 地溫場的分布
德州市城區位於新華夏構造體系華北地台遼冀台向斜臨清坳陷的次級構造單元德州凹陷范圍內，德州凹陷位於滄縣、埕寧、魯西三個隆起帶的傾狀交匯處和黃驊、臨清、濟陽三個坳陷帶的收斂部位。其西南與臨清凹陷相通，北與吳橋凹陷相連，西與武城-隆興庄凸起相鄰，東與寧津凸起相接，南與高唐-堂邑凸起相鄰。區內發育有一組北北東向斷裂，其構成了德城區的基底構造輪廓。
根據德州城區100餘口井的溫度資料，德州城區平均地溫梯度在2.7～3.8℃/100m之間，與區域地溫梯度值基本一致，將地溫梯度大於3℃/100m地區定為地熱異常區，則除大院-市府-煙廠一線外，全區均為地熱異常區。其中地溫梯度3.0～3.5℃/100m的熱異常區位於德州凹陷邊緣及武城凸起部位，基岩埋深為1450～1550m；地溫梯度大於3.5℃/100m的熱異常區分布在滄東斷裂帶，中心最大地溫梯度為3.8℃/100m，基岩埋深為1550m。
2 地熱流體特徵
2.1 地熱流體的物理特徵
本區館陶組地熱水，清澈透明，口感咸，色度為5～25度，渾濁度為2～7.5度，無異味，無肉眼可見物，井口平均水溫55.7℃。地熱流體中含有較多的氣體成分，其中游離CO2含量達到5.10mg/L，H2S含量為0.19mg/L，受其影響地熱水抽至孔口時呈淺乳白色，並混雜有許多小水珠，經短時間靜置後變成無色透明。由於Fe3＋含量達到1.52mg/L，地熱水放置一段時間後呈微黃色。
2.2 地熱流體化學特徵
分析結果表明（表1），地熱流體中陰離子以氯離子為主，含量1562.5～1725mg/L，摩爾分數大於74%，陽離子以鈉離子為主，含量2060.89～2251.08mg/L，摩爾分數大於90%，水化學類型為Cl—Na型；總礦化度4772.12～4987.57mg/L。礦化度與水中Cl-、Na＋濃度呈正相關，相關系數rNa＋-礦＝0.76，rCl--礦＝0.44（n＝13）（圖1、圖2）。由於館陶組熱儲層在水平方向上埋藏、分布穩定，地熱水水化學成分基本一致，水化學類型相同。在垂直方向上，館陶組熱儲層與明化鎮組下段熱儲層的水化學類型明顯不同，後者水質類型一般為HCO3—Na型，礦化度較低，兩者具明顯的垂直分帶性。
表1 館陶組熱儲層地熱流體主要化學成分一覽表（平均值）
註：表中數據除pH外，其餘單位為mg/L。
圖1 Cl-與礦化度關系
圖2 Na＋與礦化度關系
3 地熱流體補給來源探討
地熱流體各組分之間的比例系數可以用來判斷地熱流體的成因，常用的比例系數有Cl/Br、γNa/γCl等，經計算德城區館陶組熱儲中地熱流體Cl/Br為884.54、γNa/γCl＝1.18，這些系數都大於海水（Cl/Br為300、γNa/γCl＝0.85），說明本區的地熱流體具有大陸溶濾水的特徵。
德城區館陶組熱儲層地熱流體的δD為-75.05‰～-118.7‰，δ18O為-9.54‰～-12.01‰，根據中國大氣降水直線投點知，δD和δ18O值均在中國大氣降水直線附近，δ18O值略偏離中國大氣降水直線，這是因為地熱流體在運移過程中的分餾作用使18O增加所致。據推測，熱水補給主要來自東南部的泰沂山區或西部的太行山區的大氣降水。地熱水中氚含量很低，一般在（0.50～5.26）±2.97Tu之間，同時經14C測定，該區館陶組地熱水絕對年齡為1.526萬年，這說明地下熱水屬於較古老的雨水。
4 熱儲溫度評價
地球化學溫標建立的基礎是地熱流體與固相圍岩中的礦物，在一定的溫度條件下達到化學平衡，在隨後地熱流體溫度降低時，這個「記憶」仍於保持。我們分別利用TK/Na溫標、TK/Mg溫標、T石英溫標、T玉髓溫標進行了計算，認為只有T玉髓溫標較適用於本區。採用的公式為：
山東省環境地質文集
式中：T玉髓為有蒸氣損失時的熱儲溫度，℃；ρ（SiO2）為地熱流體中 SiO2的質量濃度，mg/L。
經推算館陶組熱儲層的溫度為51.6℃，與實測館陶組熱儲層的溫度（54～58.5℃）比較接近。
5 地熱流體水質評價
5.1 醫療與洗浴用水水質評價
水溫是醫療礦水的重要指標，不同水溫產生不同的治療作用和效果。本區館陶組熱儲層地熱流體的井口溫度為54～58.5℃，為低溫地熱資源的溫熱水，符合醫療熱礦水標准，可用於洗浴、醫療。
本區館陶組熱儲地熱流體中氟含量達到醫療價值濃度標准；偏硼酸、偏硅酸含量達到礦水濃度值標准，可命名為含硼、硅的氟氯化鈉型熱礦水。其他微量元素雖沒有達到命名礦水濃度，但仍具有一定的保健作用。
5.2 漁業用水水質評價
地熱水養魚在地熱直接利用中是十分普遍的，同時也是地熱梯級綜合利用低溫段尾水余熱的有效途徑。從地熱水的水質特點出發，突出主要有害元素的影響，可將氟化物、硫化物、酚、砷及汞作為地熱水養魚的水質控制指標（蔡義漢，2004），在適當與低氟冷水混合使用後，根據地熱水養魚水質評價分級表，本區地熱水作為漁業用水的評價結果為良。
5.3 工業用水水質評價
該地熱水水質中，氯化物、硫酸鹽、鐵離子、礦化度等組分含量高，不適宜於製革、染料、紡織、製糖、澱粉、食品、建築等工業用水。但由於溫度較高，可作為工業供熱。
5.4 灌溉用水水質評價
灌溉水的水質對農作物生長影響很大，將地熱水是否能作為灌溉水的控制項目定為總溶解固體（TDS）、氯化物、碳酸鹽、鈉吸附比（SAR）、硼、砷及氟化物。根據地熱水灌溉水質評價分級表，本區地熱水作為灌溉用水的評價結果為嚴重，不可作為灌溉用水。
5.5 直接排放水質評價
本區地熱水中的有害成分小於地熱水有害成分最高允許排放濃度，可以直接排放到地下管道中，但排放水溫應低於30℃。將氟化物、硫化物、總溶解固體、酚、汞、砷和硼7個項目作為地熱水直接排放水質的控制指標，對地熱水排放水質進行評價分級，並與德城區淺層地下水水質進行比較，本區地熱水直接排放的評價結果為優。
6 地熱開發的腐蝕與結垢趨勢評價
6.1 地熱開發的腐蝕趨勢評價
地熱流體中通常含有7種具有明顯腐蝕作用的化學物質：氯離子、溶解氧、硫酸根、pH值、硫化氫（包括H2S、HS、S2-）、二氧化碳、氨
根據天津地熱研究培訓中心（天津大學）所做的大量分析研究表明（白麗萍等，1992）：當地熱水中氯離子的摩爾分數超過25%時，可用拉伸指數（LI）評價地熱流體的腐蝕趨勢。拉伸指數的表達式為：
山東省環境地質文集
式中：LI為拉伸指數；［ Cl］為氯化物或鹵化物濃度，以等當量的CaCO3表示（mg/L）；［ SO4］為硫酸鹽濃度，以等當量的 CaCO3表示（mg/L）；AIK 為總鹼度，以等當量的CaCO3表示（mg/L）。
經計算本區地熱流體的拉伸指數LI＝19.28，大於10，為強腐蝕性水，對金屬具有強腐蝕性。因此，在工程設計中應考慮地熱流體對金屬的強腐蝕性。
6.2 地熱開發的結垢趨勢評價
根據垢層的化學成分，水垢可分為碳酸鈣垢、硫酸鹽垢和硅酸鹽垢。
6.2.1 碳酸鈣垢結垢趨勢評價
影響碳酸鈣結垢的主要因素有 pH 值、壓力（CO2分壓力）、溫度及共存鹽濃度（總固形物）。根據天津地熱研究培訓中心（天津大學）所做的大量分析研究表明：當地熱水中氯離子的摩爾分數超過25%時，同樣可以採用拉伸指數（LI）判斷地熱水中碳酸鈣結垢趨勢，當拉伸指數LI＞0.5時，不結垢，反之可能結垢。由於本區地熱流體的拉伸指數為19.28，大於0.5，因此，本區的地熱水在開發利用過程不會產生碳酸鈣結垢問題。
6.2.2 硫酸鈣垢結垢趨勢評價
硫酸鈣垢以無水硫酸鈣和二水硫酸鈣（石膏）兩種形式析出，無水硫酸鈣的溶解度比二水硫酸鈣小，但由於動力學的原因，無水硫酸鈣在低於93℃時不會析出。影響硫酸鈣沉積的主要因素為水溫和水中總固形物的含量。地熱流體中硫酸鈣生成趨勢可由石膏（CaSO4·2H2O）的相對飽和度（Sr）定性估算，其表達式：
石膏的相對飽和度
山東省環境地質文集
經計算（圖3），石膏Sr＝0.13＜1，地熱流體為未飽和，不會生成石膏垢。
圖3 低溫地熱水中CaSO4·2H2O的溶解度積
溶解度積按質量表示而不按摩爾表示，並對離子強度和溫度作了修正（Radian Corporation，1979）
6.2.3 硅酸鹽垢結垢趨勢評價
硅酸鹽垢的成分比較復雜，通常含有40%～50%的SiO2、25%～30%鐵和鋁的化合物以及10%～20%的Na2O，地熱流體中硅酸鹽的結垢趨勢可用無定形SiO2的相對飽和度（Sr）的大小來判斷。其表達式為：
無定形SiO2的
經計算，本區地熱水中無定形SiO2的Sr＝0.0013＜1，所以無硅酸鹽水垢生成。
7 結語
德州市城區館陶組熱儲層中的地熱流體，在開發利用過程中存在的主要問題是地熱流體對金屬的強腐蝕問題，在設計地熱系統時，應伴以防腐工程設計，遵循簡便可行、使用壽命長、成本低、經濟性好的原則，在地熱系統中安裝熱交換器，使地熱流體將熱量傳遞給潔凈無腐蝕性的循環水而不直接進入系統，不失為一種較經濟的方法。
參考文獻
白麗萍，孟憲級.1992.地熱水碳酸鈣結垢趨勢的判斷.見：第一屆天津地熱學術研究會論文集.天津：天津大學出版社
蔡義漢.2004.地熱直接利用.天津：天津大學出版社
『肆』 淺談幾種常用電法勘探的原理及優點
岩土體電來阻率測試技術源
實施原理: 由於溫納裝置是等比裝置,且 M N / A B = 1/ 3,所以視電阻率與電位差及電流強度的關系式為:ρ s=k Δ U A M ／ I
該方法較傳統的解釋方法具有快速、准確的特點, 相對於傳統的解釋方法而言更適合工程物探在解決地層劃分和電阻率測試中的應用。另外, 場地的岩土電阻率是工程設計接地裝置的一個重要參數。它的確定對電流盡快地散入大地, 達到足夠小的接地電阻及接地裝置地下部分的合理布局起到十分重要的作用, 它沿地層深度的變化規律是選擇接地裝置型式設計的主要依據。
三維直流電法
該法較傳統直流電法勘探具有信息量大、精度高的優點, 在工程勘察中有較好的應用效果, 同時又拓展了老式電法儀的應用范圍, 延長了老式儀器的經濟使用壽命;但又具有施工量大的缺點,性價比決定其適合於小區域的工程勘察。
高密度電法
高密度電法實際上是集中了電剖面法和電測深法, 其原理與普通電阻率法相同,即以岩石、礦物的電性差異為基礎, 通過觀測和研究人工建立的電流場在大地中的分布規律, 解決水文、環境和工程地質問題, 所不同的是在觀測中設置了高密度的觀測點, 是一種陣列勘探方法。
『伍』 水文水井鑽探技術的現狀
水文地質鑽探是勘探開發地下水的一個重要技術手段，其任務就是在地面水文地質調查的基礎上，進一步查明地下水的埋藏條件、運動規律和含水層的水質、水量以及水溫等水文地質規律，為合理的開發利用、保護或補給地下水提供所需的資料。
新中國成立以來，我國的水文水井鑽探技術經歷了50多年的發展，有了長足的進步，現從工藝與設備兩個方面對其發展現狀作一簡要分析。
2.2.1.1 鑽探工藝
水文水井鑽探工藝技術經歷了無循環靜液柱護壁鋼絲繩沖擊鑽進、清水或普通泥漿正循環回轉鑽進、低固相優質泥漿正循環回轉鑽進、泵吸反循環和氣舉反循環回轉鑽進、多工藝空氣鑽進以及多介質反循環鑽進等階段。目前我國水文水井鑽探工藝呈現如下特點。
（1）循環介質
水基、氣基介質並存，可供選擇餘地大。對水源比較充足地區以水基介質為主，對乾旱缺水地區則以氣基介質為主。根據勘探區不同地層條件可供選擇的主要介質如下：
1）水基鑽井液：清水、普通泥漿、加重泥漿、無固相泥漿、飽和鹽水、各種乳膠液及潤滑鑽井液等。
2）氣基鑽井液：空氣（壓縮空氣）、霧狀氣（氣水混合）、穩定泡沫、膠質泡沫及充氣泥漿（泡沫泥漿）等。
沖洗液在孔內循環方式有3種：正循環鑽進、反循環鑽進（氣舉、雙壁管）、正反循環（混合）鑽進等。
（2）碎岩方法及碎岩工具
碎岩方法經歷了鋼絲繩沖擊鑽進、鑽粒、硬質合金回轉鑽進、牙輪鑽頭回轉鑽進到球齒鑽頭氣動或液動沖擊回轉鑽進等。目前，沖擊鑽進、回轉取心鑽進、回轉全面鑽進、沖擊回轉鑽進等鑽進方法都有應用。在卵礫石地層水井鑽鑿工程中，鋼絲繩沖擊鑽進仍是一種有效的方法。而在水文地質普查孔、水文地質勘探孔鑽探過程中多用回轉取心鑽進和沖擊回轉鑽進方法。在探采結合孔和水井鑽探過程中多用回轉全面鑽進、沖擊回轉鑽進方法。
2.2.1.2 鑽探設備
早期的水文水井鑽探設備多借用岩心鑽探設備，由於鑽進能力不能滿足要求，一般採用小口徑鑽進取心（樣），大口徑分級擴孔成井方法。水井鑽探多採用鋼絲繩沖擊鑽進，靜水壓護壁，撈砂筒排渣的工藝方法。目前使用的水文水井鑽探設備多為專用設備。常用的鑽機除了20世紀50年代至70年代研製的DPP-100型、SPJ-300型、SPJT-300型、SPS-400型SPS-600型和紅星-400型外，多採用新型車裝SPC系列鑽機（鑽深100～600m）、散裝TSJ系列鑽機（鑽深600～2000m）。20世紀80年代至90年代研製的SDY-600型、FD-300型全液壓動力頭車裝鑽機對提高我國的水文水井勘探技術水平及鑽探新工藝的推廣應用起到了極大的推動作用。除此之外有關部門還引進了美國的T4W和 T3W、德國的B3A、法國的R28等型號的車裝全液壓水文水井鑽機。據不完全統計上述鑽機中應用最多的機型是SPJ-300、SPC-300和TSJ-1000型。「九五」期間，由勘探所與濟南探礦廠聯合開發成功SJ-1500型、SJ-2000型轉盤水井鑽機，其最大特點是主卷揚機配備有水剎車及油馬達平衡給進系統，適於鑽進1500～2000m的水文地質孔和800～1500m的水井及地熱井。張家口探礦廠研製成功了SPS2000型水井鑽機，用於1500m深層地下水及淺層地熱的開采。
鑽探用泥漿泵主要有：衡陽探礦機械廠生產的BW系列、石家莊煤探機械廠生產的TBW系列。為了適合深孔泡沫鑽進的需要，吉林大學研製成功了BWZ-250、BWZ-1100型水泵泡沫增壓裝置；為了滿足深孔氣舉反循環鑽進的需要，勘探所與蚌埠空壓機總廠聯合研製成功了WF-5/60C型壓縮機，可滿足3000m以內的氣舉反循環鑽進的需要。
2.2.1.3 成井管材
過去多用水泥管、鑄鐵管和厚鋼管，這些管材笨重、易腐蝕、易結垢，影響水井壽命。現在常用塑料管、橋式鍍鋅濾水管、貼礫濾水管、玻璃鋼管代替。
『陸』 義縣至朝陽至葉柏壽段改造工程什麼時候開工
縣—朝陽—葉柏壽鐵路擴能改造工程的推薦方案為：結合既有線落坡提速改造增建二線方案。鐵路等級為I級，正線數目為雙線，設計速度目標值為120/160公里/小時，牽引種類為內燃預留電化。線路總長173.4公里，其中，朝陽境內有150.4公里。工程投資估算總額為53.9億元。根據項目改造計劃要求，全線將於今年6月開工建設，工期為兩年。
在評審會上，朝陽市就鐵路擴能改造方案相關問題與鐵道部、沈陽鐵路局、省發改委和鐵道設計院進行了匯報和溝通。該市交通局、發改委、鐵道辦等單位參加了會議。據了解，增建二線後，錦承線將封閉李家溝、周家屯、南嶺、大營子、波羅赤、東大道車站。結合已實施的朝陽南站改建、部分貨場搬遷工程，補充研究朝陽站為客運站，朝陽南站為貨運站的方案，由沈陽鐵路局牽頭，並協調落實朝陽站剩餘貨場搬遷工程及11家專用線改接朝陽南站相關事宜。
為做好項目開工前的各項准備工作，該市政府向國省有關部門表示，朝陽各級政府和職能部門將積極協調有關部門，全力支持工程建設。結合本線擴能改造工程的可研情況，該市提出4點建議：原則同意線路走向，盡量減少項目佔地和征地拆遷量；翻建朝陽火車站，保留波羅赤、東大道、大營子站或根據線路走向重新設站；統籌考慮朝陽南站貨場建設，逐步實現朝陽站客貨分離；結合朝陽城鄉總體規劃及現狀，在擴能工程中完成既有平交道口改造為公鐵立交，也就是說，將現有的文化路、黃河路公鐵平交道口配套為公鐵立交。這樣，不僅滿足鐵路線擴能改造需要，也將進一步緩解城市交通在平交道口存在的擁堵狀況。
『柒』 探測與監測
一、礦井物探技術應用
隨著礦井開采深度的增加和開采強度的加大，煤層底板突水的頻率也日益增加，焦作礦區除了加強水文地質預測預報及井下鑽探工作外，還大力開展了物探技術的推廣與應用，先後引進了礦井直流電法儀、無線電波坑透儀、瑞雷波儀、音頻電透儀、加拿大GEONICS公司TEM47瞬變電磁儀、地質雷達和超低頻遙感地質探測儀，應用效果非常顯著。這里主要研究的是礦井物探技術在防治水方面的應用，另外介紹了超低頻遙感地質探測儀的應用，它和其他物探儀器原理差別較大。
礦井物探技術在礦井防治水方面主要用於探測工作面頂、底板含水層貧富水區域劃分；巷道頂底板及側幫構造帶和富水區；巷道掘進頭前方構造帶和富水區；放水孔或底板注漿孔孔位確定；工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶位置；煤層厚度快速探測等。以下就各類物探技術的特點和應用效果加以綜述。
1.直流電法
礦井下通常應用三極測深法和對稱四極測深法。根據探測目的不同，直流電法工作裝置形式有多種形式。三極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B（∞），四極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B。兩種方法M、N均為測量電極，用於探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值；A、B均為供電電極，用於向岩層供電。直流電法一般供電極距越長，供電電場分布范圍越廣，探測深度和兩邊輻射范圍越大。通過對不同地點、不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到研究岩層、礦體或構造等的目的。
直流電法探測是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入穩定電流，觀測大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。
直流電法具有方法靈活、理論成熟、抗干擾能力強、儀器簡便的優點，可用於劃分岩層貧富水區域、探測巷道附近構造破碎帶位置、工作面採煤時的易煤層底板突水地段或確定放水孔孔位等。以下為幾個探測實例。
圖3-23為焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖。直流電法探測結果認為，該工作面切巷往外0～100m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。在生產工程中，實際採煤時到65m處底板發生煤層底板突水，煤層底板突水量達160m3/h。對此及時進行了預測預報，礦井提前採取了防治水措施，該工作面得以安全採煤。該工作面切巷向外0～220m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。通過對地質資料分析也認為，此段L8灰岩可能與下伏L2灰岩甚至O2灰岩導通，煤層底板突水水源補給充分。井下數據採集重復了3次，結果雷同，因此建議此段跳采。焦作煤業集團公司有關領導研究直流電法探測結果後，決定在220m處重開切巷向外採煤，目前已按新方案安全採煤。
圖3-23 焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖
該圖中較深藍色代表低阻區，可以看出低阻區距巷道底板距離較遠，L8灰岩含水層導高較小。直流電法探測結果認為，該工作面採煤時煤層底板不會發生煤層底板突水災害。實際生產過程中採煤非常順利，證明直流電法探測結果是正確的。
圖3-24 焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖
圖3-24為焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖。根據直流電法探測結果，在該工作面低阻異常中心區域布置了4＃放水孔，鑽孔涌水量為82m3/h。
2.無線電波坑透
無線電波坑透儀可以探測工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶等異常體，從而為工作面採煤設計提供依據。無線電波坑透技術的原理主要如下：將發射機和接收機分別放置於採煤工作面兩條相對巷道（運輸巷和回風巷）中，利用發射機發出的無線電波在煤層中傳播時被與煤層電性不同的地質體如斷層、陷落柱、夾矸或其他地質體等吸收，造成衰減系數的差異，從而形成接收信號的陰影區。交替變換發射機和接收機的位置，就可以對陰影區進行交會，從而確定異常體位置和大小。
圖3-25為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，工作面切巷到回風巷43號測點和運輸巷41號測點連線處圈定區域為異常區，結合地質資料分析為薄煤帶。經鑽探驗證確實為薄煤帶，因此根據無線電波坑透探測結果，改變原來設計方案，在回風巷39號點和運輸巷40號點連線處（圖中紅線）重開切巷，再開始生產。
圖3-25 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖
圖3-26為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，圈定的回風巷裡段斷層位置與工作面採煤時實際揭露情況完全吻合。
圖3-26 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖
3.瑞雷波
瑞雷波技術探測優點是快速，全方位，施工靈活，定位誤差小。瑞雷波技術探測的原理主要如下：根據不同頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分（反映不同深度，高頻反映淺，低頻反映深）瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤層和頂、底板岩層及其中的斷層、喀斯特等地質異常體。
圖3-27為焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖。在巷道迎頭瑞雷波技術超前探測時，發現前方20.78～25.28m段為斷裂破碎區，實際鑽探證實為20.35m見斷層，誤差僅為0.43m。
圖3-27 焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖
4.音頻電透
音頻電透視技術是根據CT掃描工作原理，利用兩條相對巷道（如工作面回風巷和運輸巷）交替進行發射和接收，記錄發射電流和接收的一次場電位差，結合工作面幾何參數（寬度、長度等位置關系）計算出每個發射點對應的每個接收點的視電導率值（視電阻率值的倒數），通過多重交會，繪制出工作面內部一定深度范圍內岩層視電導率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內富、導水區域平面分布的位置與特徵。音頻電透視技術是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入音頻范圍內的低頻電流，觀察大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。一般情況下，工作頻率為15Hz時，探測深度大約為工作面寬度的一半，選用的工作頻率越低則電場穿透深度越大。
圖3-28為焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖。音頻電透探測結果認為，該圖中藍線視電導率值為6所圈藍色區域為煤層底板相對富水區，應為煤層底板注漿改造重點區域，需要加密鑽孔；其他區域可少布鑽孔；工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外可以不進行煤層底板注漿改造。實際在煤層底板注漿改造時，布置在高導異常區內的鑽孔平均出水量為86.3m3/h，低導正常區內鑽孔平均出水量是37.5m3/h，前者水量是後者的2倍多。工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外段打了4個鑽孔，平均水量是8.6m3/h，為相對不富水區。鑽探證實揭露情況與音頻電透探測結果相吻合。
圖3-28 焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖
5.瞬變電磁
瞬變電磁儀具有布置靈活、探測方向性強、對低阻區敏感、施工快速的優點，可以全方位探測巷道各個方向或工作面內部的相對富水區位置及形態、頂底板構造破碎區，確定工作面採煤時容易發生煤層底板突水地段、煤層底板注漿改造重點注意區域、放水孔位置等。
圖3-29瞬變電磁技術原理圖可以說明，瞬變電磁技術原理是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，當脈沖結束、發射回線中電流突然斷開後，地下介質中就要激勵起感應渦流場，以維持在斷開電流以前存在的磁場，此二次渦流場呈多個層殼的環帶型，隨著時間的延長，由發射回線附近介質逐步向下及向外擴展，不同時間到達不同深度和范圍。二次渦流場僅僅與地下介質的電性有關，因此利用線圈或接地電極觀測二次場即可了解地下介質的電阻率分布情況，從而達到探測目標體的目的。
圖3-29 瞬變電磁技術原理圖
圖3-30為焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖。在煤層底板L8灰岩中開拓疏水巷時，在迎頭處利用瞬變電磁法，超前探測到迎頭前方33～42m段為相對低阻區，該方法判斷為相對富水區並得到鑽探證實。
圖3-31為焦作礦區瞬變電磁視電阻率斷面圖。利用該方法探測到巷道底板存在隱伏斷裂構造。通過在此布置放水孔，鑽孔涌水量為60m3/h此隱伏斷裂的含水性得到了證實。
圖3-30 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖
圖3-31 瞬變電磁視電阻率斷面圖
圖3-32焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖。在某運輸巷向下幫側（平行岩層傾向）探測距離110m處有無平行運輸巷走向、斷距為25m的斷層（該斷層為原地質勘探報告推斷結論），利用該方法否定了此處該斷層的存在（110m處為相對高阻），並得到鑽探證實。
圖3-32 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖
圖3-33焦作礦區某工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖。該圖為某工作面運輸巷瞬變電磁45°斜下方探測結果。探測時0～430m段已經完成煤層底板注漿改造，大部分區域顯示為相對高阻，但0～100m段下部阻值不高，認為是注漿改造效果差，需補打少量鑽孔；460～590m段因尚未注漿改造，顯示為相對低阻區，為煤層底板注漿改造重點區域。
圖3-33 焦作礦區某工作面運輸巷瞬變電磁視電阻率斷面圖
6.地質雷達
地質雷達是在礦井井下利用電磁波的傳播時間來確定所需探測反射體（斷層、陷落柱、喀斯特等地質異常體）的距離，它是礦井井下用於超前探測的有力工具。
7.超低頻遙感地質探測儀
北京大學課題組在國家863計劃資助下，研製了超低頻遙感地質探測儀，並於2002年5月成功申請專利，該裝置在石油天然氣勘探和水文工程地質勘探領域獲得較好應用。在煤田瓦斯方面，課題組研究成員已經在河南伊川鄭煤集團公司暴雨山煤礦和登封金嶺煤礦，進行了超低頻遙感地質探測試驗，探測曲線解釋基本正確，反映明顯，具有推廣應用價值。之後在鄭煤集團公司大平礦、超化礦進行超低頻遙感地質探測試驗。目前在鄭州礦區和將在焦作礦區應用。
8.綜合應用評述
直流電法技術主要用於劃分岩層貧富水區域，探測巷道附近構造破碎帶位置，工作面採煤時的易突水地段或確定放水孔孔位等。該方法優點是儀器簡便、理論成熟、抗干擾能力強、方法靈活；缺點是井下數據採集時必須保證電極接地條件良好，體積效應影響資料解釋時對異常區具體方位的准確判斷。
無線電波坑透技術主要用於探測工作面內部陷落柱形態，隱伏斷層構造帶位置，富水性區域，夾矸和薄煤帶等地質異常體。該儀器優點是儀器簡便，對異常區定位效果好，施工快速；缺點是同象異質現象明顯，井下數據採集時需斷開測區內電纜，避免電磁干擾，資料解釋時對異常區的定性判斷仍需與地質資料結合。
瑞雷波技術主要用於全方位探測巷道附近的喀斯特、岩層界面及斷層帶、富水區、裂隙發育區等地質異常體。該儀器優點是全方位、快速、定位誤差小、施工靈活；缺點是資料解釋時「定量」易而定性難，較易引起多解性，井下工作時需多次重復探測，提高結果的可靠性，探測深度較淺，一般不超過40m。
音頻電透技術主要用於探測整個工作面富水性的橫向變化情況和頂、底板岩層岩性。該方法優點是井下抗干擾能力較強，儀器精度高；缺點是資料解釋時對異常區的縱深位置不易准確判斷。
瞬變電磁技術主要用於全方位探測巷道各方向或工作面內部的頂底板相對富水區位置及形態、構造破碎區，確定工作面採煤時的易突水地段或放水孔位置，劃定煤層底板注漿改造重點區域等。該方法優點是適用於各種角度和方位探測，探測方向性強，對低阻區敏感，布置靈活，施工高效；缺點是井下工作時需注意盡量避開大的金屬干擾體，在某些理論問題上需要進一步研究。
礦井地質雷達探測技術的最大優點，既是礦井井下超前探測（探距30～40m）的有力工具，又具有施工點面積小，垂直、水平方向探測均可，探測的精度也比較高；缺點是抗干擾差。
物探技術經過幾十年發展，呈現出應用廣泛、技術豐富、儀器多樣的特點，但各種儀器和技術方法都有自己的適用范圍和優缺點。焦煤集團公司在多年推廣應用上述各種物探技術的實踐中，深感應充分了解各種物探儀器和技術的特點，針對性地使用的重要性。
總之，實際應用時應盡可能採用綜合物探手段，優缺互補，相互取長補短，多種方法並用，對目標體做出正確判斷，盡可能消除多解性，這樣才能滿足礦井生產多方面的需求，使得物探工作快速准確向著定性又定量的方向發展。應當指出，礦井物探技術的發展是幾十年來焦作礦區防治水工作者們積極探索的結果，這和前輩們與地測處防治水中心同行們的集體努力分不開。作者參加了部分實驗與研究工作。
二、焦作礦區井下水位監測系統
隨著礦井水平的延伸和采區的推進，目前大量的水文觀測孔被破壞，部分觀測孔因長期銹蝕而失去觀測價值，使一些生產地區沒有地下水水位資料，直接影響著這些地區的安全生產。往往花費幾十萬元施工的水文觀測孔，僅投入使用1～2個月就被破壞。如果在地面施工水文觀測孔，不僅需花費高額的資金，而且地面觀測孔容易遭受人為破壞。因此，建立井下水位監測系統已成為當務之急。
焦作煤業集團公司採取了許多行之有效的防治水措施，其中地下水位觀測系統的建立就是有效的防治水措施之一。地下水位觀測系統為工程技術人員及時准確地掌握地下水水位變化情況，制訂切實可行的防治水措施提供了依據。特別是當煤層底板突水發生後，地下水位動態變化能為准確判斷煤層底板突水水源，預測煤層底板突水水量的變化趨勢，採取相應的防治水措施提供依據。焦作礦區積極開展防治水工作，通過各種途徑同煤層底板突水災害作斗爭，到目前為止，已連續20年未發生淹井事故，礦井涌水量也由過去的650m3/min減少至目前的280m3/min。
1.水位監測系統
（1）水位監測系統在焦作礦區的發展歷史：20世紀80年代中、後期，焦作礦區就開始建立地面水文觀測孔水位遙測監測系統，但儀器供電電源為電池供電，沒有及時更換電池，而使儀器損壞。另外，野外遙測系統也容易遭受破壞。不易保護。因此，該系統沒有得到推廣應用。
20世紀90年代，因地面觀測孔的急劇減少，又缺乏資金在地面施工水文觀測孔，為滿足安全生產的需要，就在井下施工放水測壓孔，以了解地下水位的動態變化。水位的觀測部分礦井使用壓力表，另一部分礦井使用水位自動記錄。水位自動記錄儀雖然比用壓力表觀測井下水位先進得多，但水位自動記錄儀供電電源為充電電池，數據的存儲模塊必須上井後才能傳輸到微機，才能輸出水位數據，使用起來不方便，且使用壽命短。
21世紀初期，隨著信息技術迅猛發展，現代感測技術的日趨成熟，採用先進的自動監測方法已是大勢所趨。焦煤集團公司與煤科總院撫順分院合作，於2001年成功地在演馬庄礦建立起一套井下水位監測系統，該系統將計算機測控技術、計算機網路技術、遠程數據通信技術融為一體，強有力地實現了遠距離的井下水位數據採集、傳輸、實時數據集中監測、處理。該系統克服了以前水位監測系統的缺點，供電電源採用井下防爆供電電源，實現了全自動實時對井下水位進行監測，具有投資少，精度高，使用壽命長，操作方便的優點。
（2）水位監測系統組成及主要功能：系統由主站（地面監測中心站）和N個分站（井下水壓觀測站點）構成。
主站：由計算機、列印機、遠程數據通信設備及系統應用軟體（含系統控制、數據通訊、數據處理等），設在地面監測中心機房。
主站是通過遠程數據通信設備對井下分站進行遠程式控制制，實時獲取井下各觀測點的水壓數據，同步監測井下各水壓觀測點的水壓變化情況。並通過系統應用軟體將水壓數據進行整理、輯錄、顯示。根據需要利用系統應用軟體生成相關數據報表、繪制各類曲線、圖形、列印輸出等，同時還可以在網上，將相關數據傳輸。
分站：由高精度水壓感測器（或高精度壓力變送器）、數據採集器、數據通訊介面、遠程數據通信裝置、防爆電源、安全保護罩等組成。安裝在井下水壓觀測點。
分站完成水壓數據採集，實現水壓數據的遠距離傳輸。分站系統是通過壓力感測器反映水壓變化的物理量轉換為電壓（電流）形式的模擬量。該模擬量經由放大、模數轉換電路處理後再將其轉換為數字信號，通過數據採集器內置計算機系統對該數字信號進行處理並記錄到存儲器中，完成數據採集。與此同時數據採集器內置遠程通信介面設備也在不斷檢測主站信息。當檢測到主站要求發送數據指令信息時則由數據採集器內置計算機控制，通過遠程數據通信設備將數據採集器記錄的水壓數據發送至主站。
（3）系統主要技術指標
主站：硬體配置：intel P4 2.53 G/256 M DDR/80 G/16 倍 DVD/17 英寸液晶/56 K/100 M/A3幅面激光及彩色噴墨列印機；系統運行環境：Windows98 se/windows Me/win dows2000/windows XP；操作方式：全中文菜單式；觀測方式：實時監測；數據記錄方式：自動、手動任選；測量時間間隔：任意設置；暫存數據：≥1000組。
分站：防爆類型：本質安全型；壓力測量范圍：0～10MPa；感測器精度：±0.3%F·S；解析度：2.0cm；通訊距離：＞500m；傳輸速率：＞300pbS；分站個數：1～255（255Max）；環境溫度：0～+40℃。
2.井下水位監測系統使用情況
焦作礦區演馬庄礦於2001年12月建立了井下水位監測系統，由於資金等原因，當時僅設立了兩個分站，即在該礦25采區下山施工兩個測壓孔（L8灰岩含水層），安裝SY1151壓力感測器，SY-1型數據採集器，數據通訊口，防爆電源。水壓數據經通訊電纜傳輸到地面主站，再根據用戶的需要，利用系統應用軟體生成相關數據報表（如日報、月報、年報），繪制各類曲線、圖形（如月曲線圖、月柱狀圖、年曲線圖、年柱狀圖），對水位進行實時監測。通過近幾年的使用，井下水位監測系統具有投資低、操作方便、數據准確可靠，使用壽命長等優點，克服了過去地面觀測孔測水位難，數據不準確，觀測孔易遭破壞等缺點。即使發生淹井事故，井下無供電電源，系統亦能利用本身電池正常工作一個月。2002年5月10日，井下水位監測系統顯示L8灰岩含水層水位下降，就立即與井下聯系，得知25031工作面煤層底板突水，根據井下水位監測系統顯示的水位平穩下降趨勢，且沒有發現L8灰岩含水層水位有反彈現象，判斷該煤層底板突水點水源為L8灰岩，煤層底板突水點涌水量不會急劇增大，對安全生產不會造成大的影響。由此可見，井下水位監測系統能了解地下水位的動態變化，為判斷煤層底板突水水源，採取相應的防治水措施提供依據。
該系統於2003年底已建成投入使用，井下的水文孔資料直接在各礦計算機上顯示。目前焦作煤業集團公司和北京龍軟公司合作，將各礦與集團公司網路聯系起來，只要在集團公司的任何一部上網計算機上，進入水文監測系統網站，就能查閱到各生產礦井下各含水層的水位資料。目前正在進入試運行階段。
可以認為井水位監測系統是一項經實踐證明了的成熟技術。井下水位監測系統具有投資少、操作方便、數據准確可靠、使用壽命長等優點，能夠代替地面水文觀測網。井下水位監測系統具有推廣應用前景。探測和監測技術是高承壓水上採煤水害綜合控制技術的重要組成部分。
『捌』 放射性同位素氚（T）和<sup></sup>C在水文地質中的應用
一些元素同位素的原子核可以自發地以一定的速率進行蛻變，放出某種射線後形成新的原子核，這部分同位素稱為放射性同位素。放射性蛻變是不穩定同位素原子核的一種特性，是由於原子核中中子過剩（即中子數與質子數之比大於1.5）而引起的，其蛻變還具有一定的規律性。
（一）放射性同位素的衰變（或蛻變）定律
根據盧瑟福和索迪的理論，在任一時刻內不穩定同位素原子核（母核）的衰變速率正比於當時尚未衰變的原子數N，當列入一個比例常數（衰變常數λ）之後，就有下列數學式：
水文地球化學基礎
式中：dN/dt——母核原子數的變化速率，此速率隨時間而減小，故在其前面加一負號；
λ——衰變常數，它表示天然放射性同位素在單位時間內衰變機率的大小；
N——當時尚未衰變的母核原子數。
將上式整理與積分後為：
水文地球化學基礎
得-lnN＝λt+C
式中：lN是以e為底的N的對數；C是積分常數，它可以從初始條件t=0時N=N0給出，
故有：
C=lnN0
將其代入上式，則有：-lnN＝λt-lnN0
整理後，
式中：N0——初始放射性母核原子數（即t=0時刻的放射性母核原子數）；
N——t時刻剩餘的放射性母核原子數；
λ——放射性衰變常數；
t——衰變時間；
e——自然對數的底數（e=2.71828182）。
（5-4）式為放射性同位素衰變定律的一般表達式。它表明原始放射性同位素原子核數（N0）的減少是按指數規律進行的。
描述放射性核衰變的特徵值是半衰期。所謂半衰期是指具有一定數目的放射性原子核衰變到一半時所花費的時間，通常以T表示，當t=T時，
水文地球化學基礎
另一個描述放射性核衰變的特徵值是平均壽命。所謂平均壽命是指放射性原子的平均概率壽命，並用τ表示。τ被定義為：
水文地球化學基礎
據前式—dN/dt＝λN，代入則有：
水文地球化學基礎
又知
水文地球化學基礎
即τ＝T/0.6931=1.443T
由此可見，平均壽命τ就等於衰變常數的倒數，它是半衰期T的1.443倍，因此放射性衰變即可用半衰期，也可用衰變的平均壽命來描述，但通常多用半衰期來描述。在水文地質研究中常用的氚的半衰期為12.262年，14C為5568±30年。
在水文地質工作中，可以通過這種衰變作用來計算地下水的年齡。下面僅以在地下水中研究得較好應用得較多的氚（T）和14C這兩種放射性同位素為例加以說明。
（二）放射性同位素氚（T）在水文地質中的應用
氚
水文地球化學基礎
氚的半衰期是12.262年。β-射線的最大能量是0.018MeV（兆電子伏特），最小能量是0.0035MeV。氚在水中以氚水（HTO）形式存在，它是水的組成部分，隨水一起運動。在天然水的循環中不會生成易沉澱的化合物，也不易被吸收，是最理想的天然示蹤劑。
天然水中的氚是用液體閃爍計數方法測定的，一般用兩種單位來度量，即放射性單位和濃度單位。測量放射性的基本單位用貝可（Bq）表示，它的定義為任何放射性核素只要每秒衰變數為1就稱為1個貝可（Bq）。氚的濃度單位用氚單位表示，記作TU（Trit-iumunit）。1TU相當於在1×1018個氫原子中含有一個氚原子，即
水文地球化學基礎
天然水中氚的主要補給來源有兩個：天然氚和人工氚。
天然氚是在大氣層上部由宇宙射線產生的快中子
水文地球化學基礎
人工氚主要由空中熱核試驗產生。據歷史資料，1949—1950年大氣降水中氚的平均濃度為5—10TU。1952年11月美國在低緯區進行的卡賽爾爆炸（核試驗）之後14天，紐約的雨水中氚濃度為1240TU。1953—1963年，由於不斷進行核試驗，使大量人工氚進入空中，氚的濃度均大大超過天然背景值。1963年北半球大氣降水中氚的濃度出現高峰值，可達數千TU。據統計，截止到1968年，由於核試驗人們在大氣圈內拋下了約220kg人工氚，而天然氚僅5—20kg（據R.Coppen,1969）。
大部分氚在同溫層積累，形成氚標記水分子，逐漸擴散到對流層，並以大氣降水的方式到達地面。因此，雨水、地表水和淺層的地下水中都含有一定量的氚。
近20年來積累的大量天然水的氚含量分布資料表明，北半球的大氣降水中氚含量隨緯度增高而增加，而且以每年春末夏初時最高。這是因為在同溫層積累的氚，大多在春末夏初由北半球高緯度地區進入對流層，然後被大氣降水帶至地表的緣故。
河水中氚的含量取決於流域范圍內大氣降水中氚的含量，以及那裡的地質、地理條件。一般說來，河水中的氚含量與當地的大氣降水是相當的，但若在河水的補給量中，循環時間較長的地下徑流占較大比重時，則每年氚含量高峰值的出現時間會有些滯後。
通過對地下水中氚的研究，可以解決下列水文地質問題：
1.計算地下水的年齡
在空中氚原子生成後，很快就同大氣中的氧原子化合生成HTO水分子。然後，HTO與大氣水混合並隨之一起降落到地表，隨普通水分子一起滲入地下，成為地下水的組成部分。由於氚的半衰期為12.262年，其壽命很短，在高空生成到進入地下成為地下水的一部分，在此過程中，氚在不斷地進行衰變。也就是說，氚在水中的濃度在不斷減低，特別是當氚進入地下以後，其濃度隨地下水埋深的增加而減少。這樣，根據氚自身的衰變而在地下水中的濃度不斷減少的事實，客觀上就起到了對地下水的地質計時作用。
用氚法測定地下水年齡稱為氚法測齡。氚法測齡是通過測定地下水中氚含量（濃度）來計算地下水的年齡，其計算公式為：
水文地球化學基礎
式中：t——地下水的年齡（儲留時間）；
A0——補給區降水輸入的氚含量；
A——排泄點地下水輸出的氚含量。
但是由於人工核試驗破壞了氚的自然平衡，再加上含水層的埋藏條件十分復雜，致使降水輸入含水層的氚含量在時間和空間上有很大變化，要想正確地確定原始氚的輸入量（A0）是比較困難的。在我國，缺乏1952年以來降水中氚含量的長期觀測記錄，更難以得到原始氚輸入量的直接數據。此外，含水層中的地下水在徑流過程中還可能發生彌散和混合作用，使地下水的氚含量與地下水儲留時間之間的關系也發生改變。由此可見，式（5-7）的實際應用范圍很小，它僅可以近似地應用於簡單水流的年齡計算，否則必須加以修正。修正的方法有P.Huber等提出的數學模擬法和M.Kusakabe提出的衰減比率法等。另外，還可以用經驗估演算法來大致確定地下水的年齡。據國際原子能委員會（IAEA,1972）同位素水文小組的建議，根據地下水中氚含量的多少，來確定地下水的年齡：
氚含量＜3TU的地下水，從補給區到采樣點大約是20年（1952—1972年）；
氚含量為3—20TU的地下水，含有少量熱核試驗生成的氚，地下水可能是1954—1961年間補給的；
氚含量＞20TU的地下水，是最近形成的。
水中氚含量的多少，與氚的來源有關，也與地區的自然地理及水文地質條件有關。在乾旱少雨地區，大氣中蓄積了一定數量的氚，導致雨水中氚的富集。蒸發作用強的地區，由於蒸發而引起水中同位素分餾減弱，因此有利於氚在地下水中富集。地層岩性同樣也影響著地下水中氚的含量，在黃土狀亞粘土和中、細粒砂岩含水層中氚的含量明顯減少。
氚（T）法測齡只適用於測定淺部的較年輕的地下水，一般只在50年以內的水，而不適於測定時間較久的深部循環水。
2.確定地下水的流向和滲透速度
根據地下水中氚含量資料可作出氚含量的等值線圖（圖5-1），從圖中確定地下水的流向，分析地下水的徑流條件。在某些情況下，若能計算出不同取樣點處地下水的年齡，那麼還可以計算地下水的滲透速度。
3.確定地下水與地表水之間的水力聯系
圖5-11975年5月北京市區地下水氚含量等值線圖
根據地下水中的氚含量及其動態，與地表水（或大氣降水）的資料相對比，可以判斷它們相互間補給關系，研究水的來龍去脈。在某些情況下還可以據此進行補給量的計算。
此外，通過測定氚的含量，還可以研究包氣帶水的運動狀況及解決工程地質中的滲漏問題。
（三）放射性同位素14C在水文地質中的應用
自然界存在著六種碳的同位素（10C、11C、12C、13C、14C、15C），主要有三種，它們的豐度分別為98.89%（12C）;1.108%（13C）;1.2×10-10%（14C）。12C和13C是穩定同位素，14C是碳的一種宇宙射線成因的放射性同位素。自1934年F.N.D.Kurie在耶魯大學首次提出14C的存在跡象以後，迄今，人們已14C有了清楚認識並對其進行了廣泛應用。
14C是由於大氣中N、O、C等穩定同位素原子在宇宙射線所產生的慢中子
水文地球化學基礎
式中：P是由核反應發射出的一個質子。產生的14C原子將很快地被氧化並生成
14C在衰變時，放出一個電子（β-）重新恢復成14N。其反應為：
水文地球化學基礎
式中：β-是β粒子；ν是反微中子；Q是終點能，等於0.156MeV（百萬電子伏特）。
14CO2分子通過光合作用和從根部吸收進入植物組織中。活植物中14C的濃度是通過從大氣中的連續吸收和連續衰變來維持平衡的。草食動物食用植物或者動物通過大氣圈或水圈吸收含碳離子或分子也獲得恆定的14C，所以，整個生物圈中都含有14C。由於大部分CO2溶解在海洋水中，形成含有14C的碳酸鹽和重碳酸鹽，一方面溶解，一方面又釋放CO2，二者相互轉換。在海洋中部分CO2被海洋生物吸收，二者之間又發生交換循環。由於上述情況，所以碳在整個大氣圈—生物圈—水圈中交換循環。
通過對地下水中14C的研究，可以解決下列水文地質問題：
1.計算地下水的年齡
自然界中所有參加碳交換循環的物質都含有14C。但是，如果某一含碳物質一旦停止與外界發生交換，例如生物死亡或水中14C以碳酸鈣形成沉澱，與大氣及水中的二氧化碳不再發生交換，那麼，有機體和碳酸鹽所含14C將得不到新的補充，其原始的放射性14C就開始按照衰變定律而減少。根據放射性衰變定律，就可以計算出含碳樣品脫離交換系統的時間。
為了研究地下水的年齡，還應當明確兩點：
（1）系統應該是封閉的，沒有其它放射性碳的補充。
（2）在關閉時刻，系統14C的放射性比度應該與同期大氣圈中14C的放射性比度相同。
對於植物的遺體來說，關閉系統的概念是很容易理解的，即在它們死亡以後，被埋藏起來，停止了交換，系統也就被關閉起來。對於地下水中的碳酸鹽或重碳酸鹽來說，只有承壓含水層才可能形成關閉系統。因此，計算地下水的年齡，主要是對承壓水而言的。當大氣降水進入地下，儲存在承壓含水層中，可以認為它被關閉起來，構成封閉系統，水中的14C不再得到外界補充。自大氣降水進入地下以後，地下水中的14C就開始衰變。據此，來大致確定地下水的年齡。
具體計算地下水的年齡，可按下式進行：
水文地球化學基礎
式中：t——地下水年齡（儲留時間）；
T——14C的衰半期；
14C法測定地下水的年齡，一般可測得距今500—50000年以內的地下水年齡。
2.確定地下水的滲透速度
使用14C也可以確定地下水的滲透速度。基本方法是沿著地下水的流向選兩個點（a、b），分別取水樣測定其14C的含量，代入下式：
水文地球化學基礎
式中：tb——b點水樣的年齡；
ta——a點水樣的年齡；