CN109991667B - 一种含水层间水力联系的快速判断方法 - Google Patents

Abstract

一种含水层间水力联系的快速判断方法，具体包括：首先在抽水试验前，采用时移瞬变电磁测深技术在研究区域内，按设计的测线布设剖面点，在剖面的每一个测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，得到地下水运移情况变化前的地下水分布电磁响应特征；布设抽水孔和观测孔，观测地下水位初始值，之后在抽水孔内进行抽水试验，分别记录抽水孔和观测孔内的水位；之后再次利用时移瞬变电磁法进行探测，得到地下水运移情况变化后的地下水分布电磁响应特征；最后，通过两次电磁响应特征的差异分析，并采用抽水孔和观测孔内水位作为约束条件，对数据处理的结果进行校正，建立研究区内地下水运移的三维模型，直观判断含水层之间的补给关系。

Description

一种含水层间水力联系的快速判断方法

技术领域

本发明属于水文地质分析技术领域，具体涉及为一种采用地球物理时移瞬变电磁法与抽水试验相结合的思路实现地下水运移规律快速三维可视化判断的方法。

背景技术

近年来，咸水入侵淡水含水层，地下水污染物来源预测及煤矿水害探查等问题一直是各国专家关注的热点，这些问题均涉及到地下水体的分布、运移与含水层间的补给径流关系。因此准确判定地下水体分布与运移规律，提供清晰直观的三维水文地质信息，对于灾害治理与环境保护具有重要的指导意义。

为了了解地下水的运移规律与含水层间水力联系，常规的研究一般集中在抽水试验、地下水数值模拟和水化学特征分析。抽水试验是确定地下水运移和含水层富水性的常用方法。但是，钻孔的成本较高，受限于钻孔的数量，获得的观测数据较少，这样就不能获得三维水文地质信息随时间变化的水头分布情况。而且钻孔本身相当于一个垂向上高渗透性的导水通道，它的存在对水头的观测有一定的扰动。地下水数值模拟在含水层补给量估计方面是有价值的。然而，该结果也依赖于抽水试验。地下水的水化学特征可以一定程度上反映地下水所处的水文地质环境，但同一含水层的水化学成分在不同位置和不同时间可能较大，给岩性变化较大的区域判别含水层间水力联系造成了很大的麻烦。在一些情况下，如果能够采用地球物理方法进行快速探测，并辅以地质条件进行必要的约束，那么地下水的运移规律与含水层间水力联系可以得到更加直观精细的展现，给地下水灾害治理和环境评价提供有力的保障。

发明内容

针对上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种采用地球物理时移瞬变电磁法与抽水试验相结合的思路实现地下水运移规律快速三维可视化判断的方法。

为此，本发明采用以下技术方案：一种含水层间水力联系的快速判断方法，其特征是包括以下步骤：

首先采用时移瞬变电磁测深技术在研究区域内，按设计的测线布设剖面点，在剖面的每一个测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，得到地下水运移情况变化前的地下水分布电磁响应特征；之后根据研究区的水文地质条件布设抽水钻孔和观测孔，在抽水孔内和观测孔内分别观测地下水位初始值，之后在抽水孔内对选定的研究含水层进行抽水试验，待水位稳定后，分别记录抽水孔和观测孔内的水位；再在设计的测线上再次利用时移瞬变电磁法进行探测，为了保证数据的可对比性，本次数据采集采用与前一次完全相同的观测参数，得到地下水运移情况变化后的地下水分布的电磁响应特征；最后，通过两次电磁响应特征的差异分析，并采用抽水孔和观测孔内水位作为约束条件，对数据处理的结果进行校正，就可以构建出研究区内地下水运移的三维模型，根据三维模型可对于地下含水层之间的相互补给关系进行预判；

作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。

所述的时移瞬变电磁测深技术的具体方法为：

在抽水试验前后的测试中，瞬变电磁法采用相同的发射频率，收发距、线框边长等参数，并在剖面的每一个测量坐标上进行多次观测，以确保实验数据的准确性，具体如下：

在地面放置边长为L的发射回线，在回线中心放置小型多砸接收线圈R_x或探头进行测量。这种装置与探测对象有最佳耦合，响应曲线形态简单，时间特性不发生变号现象，具有较高的接收电平、较好的穿透深度及异常便于分析解释的特点。测量完毕后，统一移动发射线框和接收线框到下一个测量点，继续进行测量，最终获得地面剖面上的每一个测点的电磁响应数据，并把所得到的数据形成矩阵，抽水试验前和抽水试验后分别为：V1_ab(t)和V2_ab(t)，其中a、b分别表示观测数据点在平面上的具体位置，a代表行，b代表列；

对测量数据进行计算，可分别得到抽水试验前后的视电阻率数据：

其中M为发送磁矩,q为接收偶极矩,V(t)为观测的感应电压值；

探测深度h由下式决定：

式中：

上述采用时移瞬变电磁测深技术在研究区域内在布置多条测线。

上述抽水试验的具体步骤为：

在研究区域内分别布设一个抽水孔一个观测孔，在抽水试验前，间隔五分钟观测一次，当地下水位基本不发生变化时，记下此时的地下水位，分别为HD0和HO0；

抽水前首先进行洗井，保证含水层孔隙内的堵塞物清洗干净，之后需在抽水孔内进行试抽，对试验段反复进行抽洗，直至孔内出水澄清无沉淀时为止，从而保证抽水试验数据的可靠性；

抽水试验前，选择合适的水泵，控制抽水水量为定值，动水位观测时间在抽水开始后第1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后每隔30min观测一次，直到连续三次观测的地下水位值基本保持稳定为止；观测孔的水位观测频率与抽水孔一致，观测时间与抽水孔同步进行，待水位稳定后，分别记录抽水孔和观测孔内的水位，分别记为HD1和HO1。

上述三维模型的构建具体方法如下：

1)、建立抽水试验前地下水电阻率三维分布矩阵：

将抽水试验前电磁响应数据V1_ab(t)代入到公式(1)和公式(2)中可分别计算出视电阻率和相应的埋深，分别记为ρ1_ab(t)和h1_ab(t)；

选择抽水孔附近的瞬变电磁测点作为标定点1，从ρ1_a1b1(t)中选定出现低阻异常的第一个视电阻率数据作为电阻异常特征标定值ρ1_a1b1(t₁)，与其对应的埋深为h1_a1b1(t₁)，将这个埋深与水位观测值HD0进行关联，设关联系数为η₁，可得

同样，观测孔附近的瞬变电磁测点作为标定点2，从ρ1_a2b2(t)中选定出现低阻异常的第一个视电阻率数据作为电阻异常特征标定值ρ1_a2b2(t₁)，与其对应的埋深为h1_a2b2(t₁)，将这个埋深与水位观测值HO0进行关联，设关联系数为η₂，可得

通过这两个数据，可以得到深度校正系数为

利用深度校正系数对h1_ab(t)数据进行校正，可得深度校正矩阵h1’_ab(t)，最终构建出抽水试验前地下水电阻率三维分布矩阵A1[ρ1_ab(t)，h1’_ab(t)]；2)、建立抽水试验前地下水电阻率三维分布矩阵：

抽水试验之后，地下水的分布发生明显的变化，前面的校正系数将不再适用；将抽水试验后电磁响应数据V2_ab(t)代入到公式(1)和公式(2)中可分别计算出视电阻率和相应的埋深，分别记为ρ2_ab(t)和h2_ab(t)，新的校正系数可分两步进行计算：

首先是抽水孔处的校正系数，记为ξ，选择抽水孔附近的瞬变电磁测点作为标定点3，从ρ2_a1b1(t)中选定出现低阻异常的第一个视电阻率数据作为电阻异常特征标定值ρ2_a1b1(t₁)，与其对应的埋深为h2_a1b1(t₁)，将这个埋深与水位观测值HD1进行关联，

用ξ对h2_ab(t)进行校正，可得抽水试验后，抽水孔附近的视电阻率埋深；

之后是其余位置的水位校正，利用抽水孔与观测孔之间的距离，记为p，两孔的观测水位差值记为ΔH，ΔH＝|HD1-HO1|。此时降深的比例系数记为

可得

分别求取不同瞬变电磁观测数据点到抽水孔位置的距离，构建距离矩阵，记为L_ab；将L_ab分别代入公式(7)中，可以得到每个瞬变电磁观测点处的水位校正值ΔH_ab，最终构建出抽水试验后地下水电阻率三维分布矩阵A2[ρ2_ab(t)，h2′_ab(t)]。

上述地下含水层之间的相互补给关系预判的具体方法为：

以测点距离为横坐标，以探测深度为纵坐标，把每一个测点上进行深度校正后的视电阻率数据画在剖面图中，逐一形成每条测线的剖面图；之后将多条测线的剖面图以测线的距离为横坐标，深度为纵坐标共同展布在一个坐标体系内，形成研究区的三维地下水电性分布图；利用抽水试验前后的三维地下水电性分布图来对含水层的空间展布和之间的水力联系进行很好的判断和表征。

本发明可以达到以下有益效果：本发明提出的方法既节省了布设多个钻孔进行抽水和观测的成本，缩短了生产周期，又提供了精细的三维数据剖面，为实现抽水过程的监测及参数获取，以及更加直观的判断含水层之间的补给关系提供了一种有效的手段。

附图说明

图1为本发明实施例研究区水文地质柱状图。

图2为本发明实施例水文钻孔和时移瞬变电磁测点位置图。

图3为本发明实施例抽水试验前地下水视电阻率三维分布图。

图4为本发明实施例抽水试验后地下水视电阻率三维分布图。

图5位本发明的具体实施步骤对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

实施例1，以内蒙古某矿区的水文地质调查试验为例，根据图5的方法步骤，说明本专利的应用方法和效果。

1)首先分析研究区的水文地质条件，确定待研究的含水层的特征。

本区的标志层为15-1煤层，位于石炭系伊敏组煤系地层上部，稳定连续发育。根据地层年代、岩性、岩石孔隙度、地下水的物理特征及标志层的位置，将区内含水层由上而下划分为第四系孔隙潜水含水层、15-1煤顶板复合含水层和15-1煤底板复合含水层，本次研究未考虑15-1煤底板复合含水层。区内煤层含水量小，含水性差，作隔水层处理。故本区隔水层可分为第四系粘土、粉质粘土类隔水层和白垩系煤系地层泥岩，粉砂岩隔水层。研究区内含水层以砂砾岩、中粗砂岩为主，厚度巨大，渗透性良好，且富水性强；隔水层厚度较小，隔水效果较差，且不连续发育，局部有“天窗”出现。

2)水文钻孔和时移瞬变电磁测点布置

本次抽水试验的研究层位为15-1煤层上部含水层，抽水孔为K1，观测孔为K2，两者相距63m(图2)。为了保证抽水试验结果的可靠性，抽水前期我们进行了大量的准备工作：包括封闭止水、洗井和实验抽水等。在K1中下入200m³/h潜水泵，尽水泵能力进行最大降深抽水。正式抽水试验开始前各孔水位已经恢复至试抽之前近似水位并符合稳定标准。正式抽水持续297h，稳定15h，恢复水位84h。观测间隔为一天一次。水位观测工具为电子水位计，流量采用水表和三角堰箱共同观测。

本次时移瞬变电磁法的测线为南北向布设，网格为20m(线距)×20m(点距)(图2)，采用加拿大凤凰公司的V8多功能电磁仪，并采用与其配套的接收线圈(接收面积为100*100m)。采用大回线装置，回线边长360m×360m。同时，在回线中心观测，发射电流达到10A。因此，实验的基频选择5Hz(最晚观测时间要为37.7ms)。第一次瞬变电磁测量代表了地下含水体的初始状态；抽水试验结束之后即进行了第二次瞬变电磁测量，每次测量都保证在一天内完成。为了保证数据的可靠性，同一位置会进行多次重复观测。

3)抽水试验前地下水视电阻率三维分布

我们均匀选取了测区内五条测线的电阻率-深度断面图并以纵向排列的方式给出。可以发现，抽水试验前，在40-60m和100-150m两个深度范围内，存在两个明显的低阻层，这与该区的第四系含水层和15-1煤上部含水层相对应。两个含水层间有一个明显的高阻层，即第四系隔水层，在全区内范围内该层并不是连续发育。可以看到，L11和L16的两个剖面上第四系隔水层中存在潜在的导水通道(图3)。

4)抽水试验后地下水视电阻率三维分布

抽水试验后，在抽水孔附近一定区域内两个低阻层全部消失。与抽水孔距离增大，两个低阻层的电阻率都有所升高，且上部低阻层升高的幅度更大。两个低阻层的电阻率变化并不是对称分布，表现为电阻率在东部和北部升高的幅度更大。在最边缘的两条测线上两个低阻层形态变化不大，但电阻率都有所升高。这一现象可以解释为，抽水试验后在15-1煤上部含水层形成了一个以抽水孔为中心的降落漏斗。但该漏斗并不是对称分布，这在一定程度上反映了含水层的不同位置渗透系数和给水度的差异。同时，也反映出当15-1上部含水层的水量减少时，第四系含水层中的水会补给下部含水层，两个含水层有较强的水力联系(图4)。因此，我们认为这次野外试验探测到了经历抽水试验之后的显著的电阻率变化，并据此推断出两个含水层之间的相互补给关系。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种含水层间水力联系的快速判断方法，其特征在于包括以下步骤：首先采用时移瞬变电磁测深技术在研究区域内，按设计的测线布设剖面点，在剖面的每一个测量坐标上进行瞬变电磁信号测量，得到地下水运移情况变化前的地下水分布电磁响应特征；之后根据研究区的水文地质条件布设抽水钻孔和观测孔，在抽水孔内和观测孔内分别观测地下水位初始值，之后在抽水孔内对选定的研究含水层进行抽水试验，待水位稳定后，分别记录抽水孔和观测孔内的水位；再在设计的测线上再次利用时移瞬变电磁法进行探测，得到地下水运移情况变化后的地下水分布电磁响应特征；最后，通过两次电磁响应特征的差异分析，并采用抽水孔和观测孔内水位作为约束条件，对数据处理的结果进行校正，构建出研究区内地下水运移的三维模型，根据三维模型可对于地下含水层之间的相互补给关系进行预判；

上述三维模型的构建具体方法如下：

1)、建立抽水试验前地下水电阻率三维分布矩阵：

利用抽水试验前电磁响应数据V1_ab分别计算出视电阻率和相应的埋深，分别记为ρ1_ab(t)和h1_ab(t)；

选择抽水孔附近的瞬变电磁测点作为标定点1，从ρ1_a1b1(t)中选定出现低阻异常的第一个视电阻率数据作为电阻异常特征标定值ρ1_a1b1(t₁)，与其对应的埋深为h1_a1b1(t₁)，将这个埋深与水位观测值HD0进行关联，设关联系数为η₁，可得

同样，观测孔附近的瞬变电磁测点作为标定点2，从ρ1_a2b2(t)中选定出现低阻异常的第一个视电阻率数据作为电阻异常特征标定值ρ1_a2b2(t₁)，与其对应的埋深为h1_a2b2(t₁)，将这个埋深与水位观测值HO0进行关联，设关联系数为η₂，可得

通过这两个数据，可以得到深度校正系数为

利用深度校正系数对h1_ab(t)数据进行校正，可得深度校正矩阵h1’_ab(t)，最终构建出抽水试验前地下水电阻率三维分布矩阵A1[ρ1_ab(t)，h1’_ab(t)]；

2)、建立抽水试验后地下水电阻率三维分布矩阵：

抽水试验之后，地下水分布特征发生明显的变化，前面的校正系数将不再适用；利用抽水试验后电磁响应数据分别计算出视电阻率和相应的埋深，分别记为ρ2_ab(t)和h2_ab(t)，新的校正系数可分两步进行计算：

首先是抽水孔处的校正系数，记为ξ，选择抽水孔附近的瞬变电磁测点作为标定点3，从ρ2_a1b1(t)中选定出现低阻异常的第一个视电阻率数据作为电阻异常特征标定值ρ2_a1b1(t₁)，与其对应的埋深为h2_a1b1(t₁)，将这个埋深与水位观测值HD1进行关联，

用ξ对h2_ab(t)进行校正，可得抽水试验后，抽水孔附近的视电阻率埋深；

之后是其余位置的水位校正，利用抽水孔与观测孔之间的距离，记为p，两孔的观测水位差值记为ΔH，ΔH＝|HD1-HO1|；此时降深的比例系数记为

可得

分别求取不同瞬变电磁观测数据点到抽水孔位置的距离，构建距离矩阵，记为L_ab；将L_ab分别代入公式(7)中，可以得到每个瞬变电磁观测点处的水位校正值ΔH_ab，最终构建出抽水试验后地下水电阻率三维分布矩阵A2[ρ2_ab(t)，h2′_ab(t)]。

2.根据权利要求1所述的一种含水层间水力联系的快速判断方法，其特征在于所述的时移瞬变电磁测深技术的具体方法为：

在抽水试验前后的测试中，瞬变电磁法采用相同的发射频率，收发距、线框边长参数，并在剖面的每一个测量坐标上进行多次观测，以确保实验数据的准确性，具体如下：在地面放置边长为L的发射回线，在回线中心放置多砸接收线圈R_x或探头进行测量；测量完毕后，统一移动发射线框和接收线框到下一个测量点，继续进行测量，最终获得剖面上的每一个测点的电磁响应数据，并把得到的数据形成矩阵，抽水试验前和抽水试验后分别为：V1_ab(t)和V2_ab(t)，其中a、b分别表示观测数据点在平面上的具体位置，a代表行，b代表列；

对测量数据进行计算，可分别得到抽水试验前后的视电阻率数据：

其中M为发射磁矩,q为接收偶极矩,V(t)为观测的感应电压值；

探测深度h由下式决定：

式中：

3.根据权利要求2所述的一种含水层间水力联系的快速判断方法，其特征在于：上述采用时移瞬变电磁测深技术在研究区域内在布置多条测线。

4.根据权利要求1或3所述的一种含水层间水力联系的快速判断方法，其特征在于上述抽水试验的具体步骤为：

在研究区域内分别布设一个抽水孔一个观测孔，在抽水试验前，间隔五分钟观测一次，当地下水位基本不发生变化时，记下此时的地下水位，分别为HD0和HO0；

抽水前首先进行洗井，保证含水层孔隙内的堵塞物清洗干净，之后需在抽水孔内进行试抽，对试验段反复进行抽洗，直至孔内出水澄清无沉淀时为止，从而保证抽水试验数据的可靠性；

抽水试验前，选择合适的水泵，控制抽水水量为定值，动水位观测时间在抽水开始后第1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后每隔30min观测一次，直到连续三次观测的地下水位值基本保持稳定为止；观测孔的水位观测频率与抽水孔一致，观测时间与抽水孔同步进行，待水位稳定后，分别记录抽水孔和观测孔内的水位，分别记为HD1和HO1。

5.根据权利要求4所述的一种含水层间水力联系的快速判断方法，其特征在于上述地下含水层之间的相互补给关系预判的具体方法为：

以测点距离为横坐标，以探测深度为纵坐标，把每一个测点上进行深度校正后的视电阻率数据画在剖面图中，逐一形成每条测线的剖面图；之后将多条测线的剖面图以测线的距离为横坐标，深度为纵坐标共同展布在一个坐标体系内，形成研究区的三维地下水电性分布图；利用抽水试验前后的三维地下水电性分布图来对含水层的空间展布和之间的水力联系进行很好的判断和表征。

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