CN113916193A - 一种反演推算含水层水文地质参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反演推算含水层水文地质参数的方法，通过地下水位观测仪器对井孔水位连续监测，并对监测数据进行频谱分析，明确井孔水位响应的力源并结合水文地质参数建立井孔水位对力源响应的理论模型，由井孔水位响应的理论模型对监测到的井孔水位周期性响应频谱特征拟合配线获得含水层水文地质参数，本发明方法解决了抽水试验和微水试验等场地实验方法存在人为干扰和成本较高无法实现连续监测的问题，同时避免了观测场地环境因素的限制，从而实现对含水层水文地质参数连续动态监测。

Description

一种反演推算含水层水文地质参数的方法
技术领域
本发明涉及一种获取含水层水文地质参数的方法，属于水文地质、工程地质和采矿工程的综合应用技术领域，尤其涉及一种反演推算含水层水文地质参数的方法。
背景技术
在进行含水层水文地质参数测定时常常采用抽水试验和微水试验法。
抽水试验获取含水层水文地质参数：通过抽水或注水，使得井孔内水位发生变化，通过观测和记录井孔水位随时间的动态变化数据，与相应理论数学模型的标准曲线拟合，进而计算井孔所揭露的含水层的渗透系数和储水系数等水文地质参数。
抽水试验法缺点：一、抽水试验测定渗透系数时，往往会对含水层水文地质条件造成一定的扰动，可能会从含水层中抽出泥沙，从而无法有效获得没有扰动情况下的含水层水文地质参数，使水文地质参数的测定不能有效反映含水层的“自然”状态，尤其是对于一些需要获取非扰动情况下的水文地质参数实际应用与科学试验；二、对于某些工程或项目，可能存在试验周期、试验期间电力供应、以及出于地质环境安全考虑不适合大量抽取地下水等的限制；三、由于抽水试验往往成本较高，因而很难实现对含水层水文地质参数长时间的连续动态监测。
微水试验是一种快速求取含水层渗透系数的现场原位试验方法。基本原理是采用瞬时向试验井内注入或抽取一定水量的方式，使井中水位瞬时上升或下降一定高度，通过观测水位随时间变化关系，从而计算渗透系数等水文地质参数。此方法便于单个试验的野外实施、工作周期短、受场地条件限制相对抽水试验小，同时人为取水或注水量相对较小对含水层的扰动强度相对较小。
微水试验法缺点：一、由于缺乏统一的试验要求及技术标准，试验设备不完善，数据处理繁琐测定得到的渗透系数偏差较大；二、试验引起的水位变化影响范围有限，因而获得的水文地质参数仅代表井孔附近小范围内的含水层；三、虽然对人力劳动工作量需求小，但依然无法实现且连续试验以此获得水文地质参数的动态监测实验数据不连续。
综合市面上含水层水文地质参数监测存在以下问题待解决：1.采用抽水试验和微水试验时可能造成的人为干扰会抽出泥沙，从而无法有效获得非没有扰动情况下的含水层水文地质参数，使水文地质参数的测定不准确；2.人力物力成本，且成本较高，且无法实施连续的水文地质参数的监测；3.避免环境因素的限制，例如试验周期、试验期间电力供应、出于地质环境安全、试验要求及技术标准和试验影响范围有限等。
发明内容
针对上述技术背景中的问题，本发明目的是提供一种含水层水文地质参数反演推算的方法，通过地下水位观测仪器对井孔水位连续监测，通过对井孔水位并进行频谱分析，明确井孔水位周期性响应的力源，并结合水文地质参数建立井孔水位响应的理论模型，利用由井孔水位响应的理论模型对与监测获得的井孔水位周期性响应频谱特征参数进行拟合配线获得含水层水文地质参数，解决了抽水试验泥沙干扰和成本较高的问题，同时通过地下水位观测仪器连续准确的监测避免了野外场地环境因素的限制，可实现非干扰情况下的高精度的、连续的含水层。水文地质参数的动态监测。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种反演推算含水层水文地质参数的方法，包含以下步骤：步骤一：通过地下
水位观测仪器对井孔水位进行连续采样监测；步骤二：对连续监测的井孔水位数据进行频谱分析得出井孔水位周期性响应频谱特征；步骤三：由井孔水位周期性响应频谱特征并参考水文地质资料明确引起井孔水位响应的力源，并确立井孔水位响应的理论模型；步骤四：将井孔水位周期性响应频谱特征
与井孔水位响应的理论模型拟合配线；步骤五：获得含水层水文地质参数。进一步的，步骤二中，井孔水位周期性响应频谱特征包含振幅谱和相位谱。
进一步的，步骤二中，通过对连续观测获得的井孔水位数据进行频谱分析获得
水位的振幅谱和相位谱，从而从井孔水位的频率域实现含水层水文地质参数的反演。
进一步的，步骤三中，利用天然的天然力源影响下的井孔水位动态变化数据，
天然力源包括大气压、固体潮和海潮，结合井孔水位受到力源影响的响应理论模型，利用拟合配线法通过对振幅谱和相位谱的拟合，获得更多约束下的水文地质参数反演估计值。
进一步的，步骤五中，含水层水文地质参数包含水文地质渗透系数和储水系数。进一步的，步骤五中，仅通过利用地下水位观测仪器连续的高频的井孔水位观
测数据，即可通过对比获得连续的含水层的水文地质参数，从而实现对含水层水文地质参数的连续监测，以此满足工程上的特殊需求。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中通过地下水位数字化观测仪器对井孔水位连续监测并进行频谱分析，明确井孔水位响应的力源，并结合水文地质参数建立井孔水位对力源响应的理论模型，由井孔水位响应的理论模型对与监测的井孔水位周期性响应频谱特征拟合配线获得含水层水文地质参数，杜绝了抽水试验和微水实验过程中泥沙、检测环境、采样不连续和试验要求及技术标准不统一等因素的影响。
(2)本发明中建立理论模型后只需通过地下水位观测仪器对井孔水位进行连续采样即可获得含水层的水文地质参数，井孔水位可通过地下水位观测仪器全自动化监测，无需人员值守，观测数据还能实时通过无线传输，数据的获取节约了大量的人力物力和财力成本。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的反演推算方法流程图；
图2为本发明实施例二提供的川06井1991-2007年井孔水位变化曲线；
图3为本发明实施例二提供的存在明显的潮汐特征的井孔水位以及井孔处体应变的潮汐频率段的振幅谱；
图4为本发明实施例二提供的利用实测井孔水位数据经过频谱分析获得的两个主要周期的某井孔水位响应的振幅和相位随时间变化规律；
图5为本发明实施例二提供的井孔水位的振幅和相位受到周期性的固体潮汐作用下的井孔水位响应模型；
图6为本发明实施例二提供的利用振幅和相位计算得到的含水层的渗透系数和储水系数。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一
如图1所示，一种反演推算含水层水文地质参数的方法，包含以下步骤：
步骤一：通过目前水文和地震部门常用的水位数字化观测仪器对井孔水位进行高频采样监测，采样频率根据设定可达每小时60-3600次；步骤二：对连续监测的井孔水位数据进行频谱分析得出井孔水位周期性响应频谱特征；步骤三：由井孔水位周期性响应频谱特征并参考水文地质资料明确引起井孔水位响应的力源，并确立井孔水位响应的理论模型；步骤四：将井孔水位周期性响应频谱特征与井孔水位响应的理论模型拟合配线；步骤五：获得含水层水文地质参数。步骤二中，井孔水位周期性响应频谱特征包含振幅谱和相位谱。
步骤二中，通过对连续观测获得的井孔水位数据进行频谱分析获得水位的振幅谱和相位谱，从而从井孔水位的频率域实现含水层水文地质参数的反演。
步骤三中，利用天然的天然力源影响下的井孔水位动态变化数据，天然力源包括大气压、固体潮和海潮等，结合井孔水位受到力源影响的响应理论模型，利用拟合配线法通过对振幅谱和相位谱的拟合，获得更多约束下的水文地质参数反演估计值。
步骤五中，含水层水文地质参数包含水文地质渗透系数和储水系数。
步骤五中，仅通过利用地下水位观测仪器连续的高频的井孔水位观测数据，即可通过对比获得连续的含水层的水文地质参数，从而实现对含水层水文地质参数的连续监测，以此满足工程上的特殊需求。
实施例二
具体的案例数据。
本案例收集了某井1991年1月-2007年6月之间川06井的水位观测的小时值数据进行分析，绘制的水位变化曲线见图2。由图2可知：该井水位观测质量较好，能够清晰记录到潮汐变化(一种典型的周期性变化)，a)井孔水位变化时间序列；b)去趋势井孔水位时间序列(展示出典型的井孔水位潮汐现象)。
通过对连续观测获得的井孔水位数据进行频谱分析，可以有效获得井孔水位周期性响应的不同周期的振幅(详见图3)。通过对井孔水位和体应变潮汐数据的振幅谱进行对比分析，可以有效确定井孔水位变化主要受到体应变潮汐的影响。
后续分析中，可以选取振幅最大的且几乎不受气压(潮汐)影响的M2和O1 波作为主要分析的潮汐分波。M2和O1波的振幅和相位随时间变化规律入图4所示：利用实测井孔水位数据经过频谱分析获得的两个主要周期(分别为0.5175 和1.0758天)的某井孔水位响应的振幅和相位随时间变化规律。
图5表明井孔水位的振幅和相位可以通过描述受到周期性的固体潮汐作用下的井孔水位响应模型来描述。这进一步说明井孔水位受到周期性的变形的影响，且可以通过理论来反演获得水文地质参数。
如图6所示，含水层渗透系数和储水系数并不是常量，会随着时间出现变化。水文地质参数的变化意味着之前传统的方法不能有效研究含水层水文地质参数随时间变化规律。
同时，如图1所示，一种利用井孔水位连续观测数据反演含水层水文地质参数的方法流程，上述实例是利用本方法的一个特例，实际上，本方法可以适用于其他频率段的周期性水位变化。
以上，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种反演推算含水层水文地质参数的方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：通过地下水位观测仪器对井孔水位进行连续采样监测；步骤二：对连续监测的井孔水位数据进行频谱分析得出井孔水位周期性响应频谱特征；步骤三：由井孔水位周期性响应频谱特征并参考水文地质资料明确引起井孔水位响应的力源，并确立井孔水位响应的理论模型；步骤四：将井孔水位周期性响应频谱特征与井孔水位响应的理论模型拟合配线；步骤五：获得含水层水文地质参数。
2.根据权利要求1所述的一种反演推算含水层水文地质参数的方法，其特征在于，步骤二中，井孔水位周期性响应频谱特征包含振幅谱和相位谱。
3.根据权利要求1所述的一种反演推算含水层水文地质参数的方法，其特征在于，步骤二中，通过对连续观测获得的井孔水位数据进行频谱分析获得水位的振幅谱和相位谱，从而从井孔水位的频率域实现含水层水文地质参数的反演。
4.根据权利要求1所述的一种反演推算含水层水文地质参数的方法，其特征在于，步骤三中，利用天然的天然力源的影响下的井孔水位动态变化数据，天然力源包括大气压、固体潮和海潮，结合井孔水位受到力源影响的响应理论模型，利用拟合配线法通过对振幅谱和相位谱的拟合，获得更多约束下的水文地质参数反演估计值。
5.根据权利要求1所述的一种反演推算含水层水文地质参数的方法，其特征在于，步骤五中，含水层水文地质参数包含水文地质渗透系数和储水系数。
6.根据权利要求1所述的一种反演推算含水层水文地质参数的方法，其特征在于，步骤五中，仅通过利用地下水位观测仪器连续的井孔水位观测数据，即可通过对比获得连续的含水层的水文地质参数，从而实现对含水层水文地质参数的连续监测，以此满足工程上的特殊需求。
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