CN111722298B - 一种地下水埋藏类型综合判定方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种地下水埋藏类型综合判定方法：通过利用井水位对气压的阶跃响应函数、井水位潮汐波的频谱分析、垂直流或水平流状态下井水位的相位超前或滞后、水化学离子反映的水—岩平衡状态来综合评价地下水的埋藏类型。利用本申请提供的地下水埋藏类型综合判定方法，只需要采集≥2天的井水位、气压数字化观测整点值资料，并对水位观测井取一次水样，进行水化学离子组分分析，就能综合评价这些井孔的地下水埋藏类型。整体判断过程时效性强，简便易操作，且联合多种分析方法，提高了对地下水埋藏类型的判断准确性。

Description

一种地下水埋藏类型综合判定方法

技术领域

本申请涉及地震地下水监测技术领域，尤其涉及一种地下水埋藏类型综合判定方法。

背景技术

地下水观测井，是用以观测地下水位或监测地下水开采量、水质、水温等的水井。在地震系统、石油、水利等多种需要观测地下水位的系统中，建设有大量的地下水观测井。

地震系统内的水位观测井大都是上世纪70年代以来相继改建和新建的，且在成井时也仅是定性的从地下水种类、成因、补给区与分布区的关系和动态特征等方面进行了类型的区分。经过多年的地质、环境变化，水位观测井的类型大都发生变化，前期资料不再准确。同时，新建的地下水位观测井以及从石油、水利和国土等部门移交过来的地下观测井，大都缺少水位观测井的类型资料。

以上提到的地下水位观测井需要准确判断其地下水埋藏类型，以便认识地下水的成因及补给关系，进一步提升地下水监测的有效性和科学性。

发明内容

本申请提供了一种地下水埋藏类型综合判定方法，以解决准确判断地下水位观测井的地下水埋藏类型的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请实施例公开了一种地下水埋藏类型综合判定方法，包括采集待测观测井至少48h的水位、气压和理论固体潮的整点值数据；

利用所述整点值数据计算水位对气压的滞后时间与水位对气压的阶跃响应函数之间的关系函数，并利用所述关系函数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果；

将水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第二定量分析结果；

利用维尼迪柯夫调和分析方法得到相位滞后参数，利用所述相位滞后参数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第三定量分析结果；

采集所述待测观测井的水样，并对所述水样进行水化学成分分析，通过Na-K-Mg三角图，得到化学分析结果，所述化学分析结果为未成熟水、部分平衡水或完全平衡水；

结合所述第一定量分析结果、所述第二定量分析结果、所述第三定量分析结果和所述化学分析结果，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型。

可选的，利用所述整点值数据计算水位对气压的滞后时间与水位对气压的阶跃响应函数之间的关系函数，并利用所述关系函数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果，包括：

利用所述整点值数据中的水位和气压整点值数据，建立水位变化与滞后时间关系式，并计算气压单位脉冲响应函数；

利用所述气压单位脉冲响应函数，通过累加求和计算水位对气压的阶跃响应函数；

结合所述水位变化与滞后时间关系、所述水位对气压的阶跃响应函数，建立水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数的关系式，得到：A(i)＝ae^bi+c (1),式(1)中，A(i)为井水位对气压的阶跃响应函数，i代表滞后时间；

如果a＜0，分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果为承压水；

如果a≥0，则第一定量分析结果为非承压水或半承压水。

可选的，将水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第二定量分析结果，包括：

将所述水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，其中所述主要分量包括：M₂波、O₁波、K₁波、S₂波和N₂波；

如果，所述M₂波、所述O₁波、所述K₁波、所述S₂波和所述N₂波的振幅在所述频谱中均明显，且所述M₂波的振幅最显著，则所述第二定量分析结果为承压水；

如果，所述M₂波、所述K₁波和所述S₂波的振幅在所述频谱中明显，且S₂波的振幅最显著，则所述第二分析结果为半承压水；

否则，所述第二分析结果为非承压水。

可选的，利用维尼迪柯夫调和分析方法得到相位滞后参数，利用所述相位滞后参数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第三定量分析结果，包括：

利用偶数字滤波器和奇数字滤波器，作用于所述整点值数据中的固体潮观测信息，取得观测相位与理论相位之差，得到相位滞后参数；

如果所述相位滞后参数为正数，则所述第三定量分析结果为承压水；

否则，所述第三定量分析结果为非承压水或半承压水。

可选的，结合所述第一定量分析结果、所述第二定量分析结果、所述第三定量分析结果和所述化学分析结果，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型，包括：

当所述第一定量分析结果、所述第二定量分析结果、所述第三定量分析结果均为承压水时，或所述化学分析结果为完全平衡水时，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为承压水；

当所述第一定量分析结果和所述第三定量分析结果均为非承压水或半承压水，且所述第二定量分析结果为非承压水、所述化学分析结果为未成熟水时，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为非承压水；

否则，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为混合水。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种地下水埋藏类型综合判定方法：通过利用井水位对气压的阶跃响应函数、井水位潮汐波的频谱分析、垂直流或水平流状态下井水位的相位超前或滞后、水化学离子反映的水—岩平衡状态来综合评价地下水的埋藏类型。利用本申请提供的地下水埋藏类型综合判定方法，只需要采集≥2天的井水位、气压数字化观测整点值资料，并对水位观测井取一次水样，进行水化学离子组分分析，就能综合评价这些井孔的地下水埋藏类型。整体判断过程时效性强，简便易操作，且联合多种分析方法，提高了对地下水埋藏类型的判断准确性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种地下水埋藏类型综合判定方法流程图；

图2为本申请实施例中水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数间的关系曲线示意图；

图3为本申请实施例中某一观测井的频谱分图示意图；

图4为本申请实施例中化学分析三角图分析图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

结合图1所示，为本申请实施例提供的一种地下水埋藏类型综合判断方法，包括：

S100：采集待测观测井至少48h的水位、气压和理论固体潮的整点值数据。

利用仪器采集数字化观测井点的水位和气压整点值数据，并结合三次样条插值和一般多项式分段拟合值对仪器没有记录到的数据进行缺数补齐。另外，利用EIS2000软件整理准备观测井的理论固体潮整点值。

S200：利用所述整点值数据计算水位对气压的滞后时间与水位对气压的阶跃响应函数之间的关系函数，并利用所述关系函数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果。

具体包括：利用所述整点值数据，建立水位变化与滞后时间关系式，并计算气压单位脉冲响应函数。

在不考虑其他因素(譬如，补给和排泄等)，水位的变化可表示为：

式(2)中，i为滞后时间；m是选择的最大滞后时间(一般情况下，仅进行气压校正时，最大滞后时间为7h；进行气压和固体潮同时校正时，最大滞后时间为12h)；△W(t)为t时刻的水位变化量；a(i)为滞后i时刻的气压单位脉冲响应函数，由BETCO程序得到；△B(t-i)为t-i时刻的气压变化量；β(i)为固体潮响应系数；△ET(t-i)为t-i时刻的固体潮变化量。

利用所述气压单位脉冲响应函数，计算水位对气压的阶跃响应函数。水位对气压的阶跃响应函数可表示为：

式(3)中，A(i)为水位对气压的阶跃响应函数，可由气压单位脉冲响应函数a(i)累加求和得到。

结合所述水位变化与滞后时间关系、所述水位对气压的阶跃响应函数，建立水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数的关系式，得到：

A(i)＝ae^bi+c (1),

式(1)中，A(i)为井水位对气压的阶跃响应函数，i代表滞后时间。如图2所示，本申请实施例中水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数间的关系曲线。

如果a＜0，则分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果为承压水。如果a≥0，则第一定量分析结果为非承压水或半承压水。

S300：将水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第二定量分析结果。

具体包括：将水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，其中所述主要分量包括：M₂波、O₁波、K₁波、S₂波和N₂波。M₂波为月亮主半日波，O₁波为月亮主日波，K₁波为太阳主日波，S₂波为太阳主半日波，N₂波为月地距离的逐月变化造成的月亮半日波。

如果，所述M₂波、所述O₁波、所述K₁波、所述S₂波和所述N₂波的振幅在所述频谱中均明显，且所述M₂波的振幅最显著，则所述第二定量分析结果为承压水。如果，所述M₂波、所述K₁波和所述S₂波的振幅在所述频谱中明显，且S₂波的振幅最显著，则所述第二分析结果为半承压水。

否则，所述第二分析结果为非承压水。

如图3所示，为某一观测井的频谱图。通过频谱分析得知该观测井的第二分析结果为承压水。

S400：利用维尼迪柯夫调和分析方法得到相位滞后参数，利用所述相位滞后参数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第三定量分析结果。

利用偶数字滤波器和奇数字滤波器，作用于所述整点值数据中的固体潮观测信息，取得观测相位与理论相位之差，得到相位滞后参数；如果所述相位滞后参数为正数，则所述第三定量分析结果为承压水；否则，所述第三定量分析结果为非承压水或半承压水。

具体方法如下：地球的潮汐现象是太阳对地球和月亮对地球的两种起潮力的合力作用产生并可以预测和精确测量到的一种自然现象。当地壳内应变积累到一定程度，力学状态明显改变时，介质物性发生变化，潮汐波就会发生明显的变化。保加利亚学者维尼迪柯夫提出了一种采用数字频率滤波器对观测数据进行滤波的方法以取得日波或半日波中的波群观测振幅与理论振幅之比(振幅比或潮汐因子)以及观测相位与理论相位之差(相位滞后)，此种方法称为维尼迪柯夫调和分析法。

式(4)中，δ是井水位潮汐因子；Δh/c为水位观测值；Δg为固体潮理论值。

在实际对地下流体固体潮的分析研究中，通常采用维尼迪柯夫调和分析法求解出各井孔固体潮效应的各个参数值。固体潮观测值可表示为

式(5)中，y(t_j)为时间观测序列；h_i是角频率为ω_i的潮汐波观测振幅；

为角频率为ω_i的初相位；T_j为观测序列中央时刻的时间间隔；Φ(t_j)为t_j时刻的零点漂移。

利用维尼迪柯夫设计的偶数字滤波器和奇数字滤波器作用于连续48h的固体潮观测整点值，经过数学变换后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子和相位滞后、残差矢量等参数，提取所需的全日波、半日波的固体潮信息。

S500：采集所述待测观测井的水样，并对所述水样进行水化学成分分析，通过Na-K-Mg三角图，得到化学分析结果，所述化学分析结果为未成熟水、部分平衡水或完全平衡水。

在地下水循环过程中，水化学成分可以有效地揭示流域内地表水和地下水之间的转化关系。其中，如图4所示，Na-K-Mg三角图常用来评价水—岩平衡状态和区分不同类型的水样。优点是同时判断出大量水样的平衡状态，能把混合水和平衡水很好地分开。样品被分成3类：(1)“未成熟水”范围内，表明其为浅层的地下水，主要接受大气降水的补给，循环周期相对较快，水—岩之间尚未达到离子平衡状态，水岩作用仍在进行；(2)“部分平衡水”的范围内，表明其地下水的补给来源中除了大气降水的补给外，还有较深层地下水的混入，水—岩反应相对较弱，水流系统相对较为稳定，不易受到干扰；(3)“完全平衡水”范围内，说明水-岩反应较为充分，补给来源主要来自于深层地下水，大气降水补给少。三线图是地下水水质类型、成因及来源分析的重要手段之一。

S600：结合所述第一定量分析结果、所述第二定量分析结果、所述第三定量分析结果和所述化学分析结果，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型。

当所述第一定量分析结果、所述第二定量分析结果、所述第三定量分析结果均为承压水时，或所述化学分析结果为完全平衡水时，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为承压水；

当所述第一定量分析结果和所述第三定量分析结果均为非承压水或半承压水，且所述第二定量分析结果为非承压水、所述化学分析结果为未成熟水时，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为非承压水；

否则，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为混合水。

综上所述，本申请提供了一种地下水埋藏类型综合判定方法：通过利用井水位对气压的阶跃响应函数、井水位潮汐波的频谱分析、垂直流或水平流状态下井水位的相位超前或滞后、水化学离子反映的水—岩平衡状态来综合评价地下水的埋藏类型。利用本申请提供的地下水埋藏类型综合判定方法，只需要采集≥2天的井水位、气压数字化观测整点值资料，并对水位观测井取一次水样，进行水化学离子组分分析，就能综合评价这些井孔的地下水埋藏类型。整体判断过程时效性强，简便易操作，且联合多种分析方法，提高了对地下水埋藏类型的判断准确性。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (4)

1.一种地下水埋藏类型综合判定方法，其特征在于，包括：

采集待测观测井至少48h的水位、气压和理论固体潮的整点值数据；

利用所述整点值数据，计算水位对气压的滞后时间与水位对气压的阶跃响应函数之间的关系函数，并利用所述关系函数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果；

将水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第二定量分析结果；

利用维尼迪柯夫调和分析方法得到相位滞后参数，利用所述相位滞后参数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第三定量分析结果；

采集所述待测观测井的水样，并对所述水样进行水化学成分分析，通过Na-K-Mg三角图，得到化学分析结果，所述化学分析结果为未成熟水、部分平衡水或完全平衡水；

当所述第一定量分析结果、所述第二定量分析结果、所述第三定量分析结果均为承压水时，或所述化学分析结果为完全平衡水时，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为承压水；

当所述第一定量分析结果和所述第三定量分析结果均为非承压水或半承压水，且所述第二定量分析结果为非承压水、所述化学分析结果为未成熟水时，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为非承压水；

否则，综合判断所述待测观测井的地下水埋藏类型为混合水。

2.根据权利要求1所述的地下水埋藏类型综合判定方法，其特征在于，利用所述整点值数据计算水位对气压的滞后时间与水位对气压的阶跃响应函数之间的关系函数，并利用所述关系函数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果，包括：

利用所述水位整点值数据和气压整点值数据，建立水位变化与滞后时间关系式，并计算气压单位脉冲响应函数；

利用所述气压单位脉冲响应函数，通过累加求和计算水位对气压的阶跃响应函数；

结合所述水位变化与滞后时间关系、所述水位对气压的阶跃响应函数，建立水位对气压的滞后时间与阶跃响应函数的关系式，得到：A(i)＝ae^bi+c(1),式(1)中，A(i)为井水位对气压的阶跃响应函数，i代表滞后时间；

如果a＜0，分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第一定量分析结果为承压水；

如果a≥0，第一定量分析结果为非承压水或半承压水。

3.根据权利要求1所述的地下水埋藏类型综合判定方法，其特征在于，将水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第二定量分析结果，包括：

将所述水位整点值数据进行傅里叶变换得到水位的频谱分析结果，利用所述频谱的主要分量的频率特性分析所述待测观测井的埋藏类型，其中所述主要分量包括：M₂波、O₁波、K₁波、S₂波和N₂波；

如果，所述M₂波、所述O₁波、所述K₁波、所述S₂波和所述N₂波的振幅在所述频谱中均明显，且所述M₂波的振幅最显著，则所述第二定量分析结果为承压水；

如果，所述M₂波、所述K₁波和所述S₂波的振幅在所述频谱中明显，且S₂波的振幅最显著，则所述第二定量分析结果为半承压水；

否则，所述第二定量分析结果为非承压水。

4.根据权利要求1所述的地下水埋藏类型综合判定方法，其特征在于，利用维尼迪柯夫调和分析方法得到相位滞后参数，利用所述相位滞后参数分析所述待测观测井的埋藏类型，得到第三定量分析结果，包括：

利用偶数字滤波器和奇数字滤波器，作用于所述水位整点值数据中的固体潮观测信息，取得观测相位与理论相位之差，得到相位滞后参数；

如果所述相位滞后参数为正数，则所述第三定量分析结果为承压水；

否则，所述第三定量分析结果为非承压水或半承压水。

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