综合物探方法预测松散含水层涌水量技术研究.doc

年 月， 文 章 编 号 ：（）：综合物探方法预测松散含水层涌水量 技 术 研 究武毅 ，刘 国 辉，潘 和 平，昌 彦 君，查 恩 来（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 ，河 北 保 定 ，；石家庄经济学院 ，河 北 石 家 庄 ，；中国地质大学 地球物理与空间信息学院 ，湖 北 武 汉 ，）摘要 ：正确评价地下水资源量是一项重要的工作 。 本文通过引入综合物探技术 ，分 析 松 散含水层的地球 物理参数的响应特征 ，结合水文测井资料估算水文地质 参数及其对地面物探相关参数的校正 ，基 于 支 持 向 量回 归 机 技 术 ，建立了松散含水层涌水量预测模型 。 通 过 示范区涌水量预测结果与实际抽水试验结果对比 ，验 证了该项技术的可行性 ，为地下水资源量评价提供了一种新技术 。关 键 词 ：松 散 含 水 层 ；涌 水 量 ；支 持 向 量 机 ；预 测 模 型 ；综 合 物 探中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：收 稿 日 期 ： ， ，（ ， ，；， ，；， ，）： ， ， ， ， ：； ； ； ；基 金 项 目 ：国土资源部公益性科研专项 ：含水层含水量预测综合物探技术研究 （编 号 ：）资 助 。作 者 简 介 ：武 毅 （），男 ，博 士 ，教授级高级工程师 ，主要从事水工环地球物理勘查技术的应用研究 。：发 利 用 量 迅 速 增 加 。目 前地下 水 开采已超过每年 亿 立 方 米 ，约 占 全 国 总 供 水 量 的 ，全 国 有多 个 城 市 开 采 利 用 地 下 水 ，正 确 评 价 地 下 水 资 源 量 及 其 可 采 量 ，已成为合理开 发 利用地 下水 资 源 ，保 障 人 民 生 活 质 量 ，支 持 社 会 经 济 发 展 、维 持 生 态 环 境 建 设 等 方 面 的 重 要 工 作 内 容 之 一，。长 期 以 来 ，地 下 水 资 源 量 评 价 使 用 费 工 费 时 的 大 型 抽 水 试 验 方 法 ，其 存 在 的 问 题 有 ：一 是 需 长 时 间 大 量 抽 取 地 下 水 ，一 方 面 造 成 宝 贵 的 地 下 水 资 源 浪 费 ，另 一 方 面 工 作 效 率 低 ；二 是 现 有 的 经过抽 水试 验方法确定 的水文 地 质参数还存在许 多 争 议 ，其 准 确 性 如 何 ，是 否 符 合 实 际 ，都 是 需 要 进 一 步 探 讨 的 科 学 问 题 ；三 是 在 区 域 地 下 水 资 源 评价工 作中 仅靠有限井 孔的抽 水 试验资料来进行 判 断 突 显 样 本 量 偏 少 ，不能全面客观 反 映地下水 资 源 分 布，。 针 对 上 述 问 题 ，结 合 多 年 来 地 球 物理技 术在 水文勘探和 水文地 质 调查中的应用效 果 ，以 及 对 松 散 含 水层空间结构几 何 参数 （埋 深 、 厚 度 等 ）和 地 球 物 理 响 应 特 征 （电 阻 率 、激 电 参 数 、 弹 性 参 数 等 ）关 系 的 研 究，特提出利用少 量 的 已 知 水 源 区 的 综 合 地 球 物 理 数 据 和 抽 水 试 验 资 料 ，基 于 支 持 向 量 回 归 机 技 术 建 立 松 散 含 水 层 （单 孔 单 位 ）涌 水 量 预 测 模 型 。配 合 模 型 的 建 立 ，需 要 通过地 面综 合物探技术 查明松 散 含水层精细结构 和 通 过测井技术准 确 估算 水 文 地 质 参 数。 该预测 模型 用于地下水 资源量 评 价可代替或部分 代 替 抽 水 试 验 ，不仅能获取全区涌水 量 连续分布 值 ，避 免 求 取 水 文 地 质 参 数 不 准 确 ，而 且 可 以 达 到 节 约 资 金 ，避 免 大 量 水 资 源 浪 费 ，提高工作效率的 目 的 。相 关 性 ，其 骨 架 电 阻 率 与 含 水 层 颗 粒 大 小 、形 状 、结 构 、有 效 孔 隙 度 有 关 。对 于 松 散 含 水 层 而 言 ，鉴于一般组成松 散 层 的 骨 架颗粒多为高阻性造岩类 矿 物 ，其骨架颗粒越大 ，则 将 导 致 骨 架 电 阻 率 变 大 ，相 应 的 有 效 孔 隙 度 增 大 ，渗透系数又与有效孔 隙 度 具 有 明 显 的 相 关 性 ，必 然 使 渗 透 系 数 增 大 。这一因果关系 为 利 用 含 水层电阻率进行预测其涌 水 量 奠 定 了 物 质 基 础 ，电阻率又可称为含水层涌 水量预测的基 本 地 球 物 理要素 。）激 电 参 数由于外电场 作 用 下 松散含水层内的固体离子 导体颗粒表面 将 产 生 所 谓 的 “薄 膜 极 化 ”效 应 ，其 颗 粒 度 越 大 ，则 充 、放 电 速 度 变 慢 ，导 致 激 发 极 化效 应 也 就 愈 大 ，对应于颗粒间缝隙大而有效孔隙 度 也 大 ，相 应 的 释 水 系 数 （给 水 度 ）就 越 大 ；相 反 ，粘 土 颗 粒 度 越 小 ，则 充 、放 电 速 度 越 快 ，导 致 激 发极 化 效 应 也 就 变 小 ，对应于颗粒间缝隙极小而有 效 孔 隙 度 很 小 ，相 应 的 释 水 系 数 （给 水 度 ）就 越 小 ；故激电参数与 涌 水 量 之 间仍存在着相关性 。这 种相关性致使含 水 层 与 隔 水层之间存在着明显的激 电 性 差 异 ，从 而 为 激 发 极 化 法 圈 定 地 下 含 水 层 ，评价其富水性提 供 了 必 要 的物质基础 。通 常 表 征 含水 层 涌 水 量 的 激 电 参 数 包 括 ：极 化 率 、半 衰 减 时 、衰 减 度 、激 发 比 等 。 表 为 某 地 电 性 参 数 与 涌 水量 相 关 分 析 ，表 明各项含水层的电测参数及解释 厚度与单孔单 位 涌 水 量 具有密切相关性 。表 电性参数与涌水量相关分析 电 阻 率半 衰 时偏 离 度极 化 率厚 度相 关 系 数显 著 性 系 数松散含水层涌水量 预 测 的 地球 物 理 要 素2.2弹 性 要 素含 水 层 纵 波 速度与孔隙度成反比 ，同 时 又 与 骨 架 介 质 和孔隙液体纵波速度有关 。 第 一 ，相 同成分和结构的 土 层 中 含 水与不含水间存在着明显 的 纵 波 速 度 差 异 ；第 二 ，对 于 饱 和 状 态 下 的 含 水层 ，在 骨 架 介 质 纵波速度和孔隙水或流体纵波速 度 一 定 的 条 件 下 ，其富水性与孔隙度间存在着明 2.1电 性 要 素松 散 含 水 层 的 涌 水 量 主 要 与 其 颗 粒 特 征 ，孔 隙 度 和 渗 透 系 数 有 关 。而该地 层 主要由两类物质 组 成 ，即 固 体 颗 粒 骨 架 和 骨 架 孔 隙 内 的 水 体 ，一 般 粒 径 的 大 小 和 级 配 比 影 响 孔 隙 度 和 渗 透 系 数 。其电 性 特 征 （主 要 指 电 阻 率 、激 电 参 数 ）又 主 要 决 定工 程 地 球 物 理 学 报 （）第 卷显 的 负 相 关 关 系 。 另 外 ，含 水 层 密 度 与 孔 隙 度 也呈 负 相 关 性 ，由 此 可 见 ，其纵波 阻 抗与孔隙度呈负 相 关 系 。综 合 上 述 讨 论 可 知 ：利用浅层地震 勘 探 获 得 的 含 水 层 的 弹 性 参 数 ，将 对 地 下 含 水 层 的 富 水 性 有 很 好 的 反 映 。同 水 文 地 质 单 元的物探方法技术体系 ，着 重 考 虑地 面 物 探 技 术 对地层的分辨能力 ，提 高 有 效 性 和 工 作 效 率 。 鉴 于目前松散含水 层 埋深多小于 ，将其分为浅层和 中 深 层 地 下 水 。 浅 层 地 下 水 以 直 流 电 法 、激 发 极 化 法 为 主 ，瞬变电磁法或核 磁 共 振 法 为 辅 ；中深层地下水以音频大地电磁法 （电 导 率 成 像 系 统 ）与 浅 层 地 震 为 主 ，瞬 变预测模型所需关键技术 电 磁 法 为 辅 。 值 得 一 提 的 是 要 针 对 工 作 区 特 点 ，利用综 合物 探预测 松散含 水 层涌水量除了掌 握 上 述 含 水 层 涌 水 量 对 应 的 地 球 物 理 要 素 外 。尚 需 采 用 精 细 查 明松散含水层空 间 几何特征 ，准 确 估算准 确的 水文地质参 数以及 合 适的预测模型等 个 关 键 技 术 。3.1 精 细 查 明 松 散 含 水 层 空 间 几 何 特 征 技 术准确查 明松 散含水 层埋深 与 厚度的空间几何 特 征 是 正 确 预 测 涌 水 量 的 关 键 因 素 之 一 ，因 此 ，要 根 据 工 作 区 的 水文地质特点和 环 境条件 ，结 合 各 种 地 面 物 探 技 术的应用条件与 使 用范围 ，优 选 不优 选 数 据 处 理 方 法 ，尤其是瞬变电磁法选择合理 的数据处理方 法 更 能 准 确地划分含水层的空间几 何 特 征 。本次研 究 工 作 开展了视纵向电导一维反 演 技 术 精 细 定 位含水层有效厚度方法研究 ，取 得了 明 显 效 果。 图 为 试 验 区 瞬变电磁法数据 一 般 解 释 处 理 后 的 视 电 阻 率 断 面 图 （图 ）与 采 用 视 纵 向 电 导 一 维 反 演 技 术 处 理 结 果 （图 ）的对 比 ，显 然 可 见 ，采 用 视 纵向电导一维反演技术大 大提高了地层 的 分 辨 能 力 。图 瞬变电磁法视电阻率断面（）与视纵向电导一维反演断面（） （） （）3.2准 确 估 算 水 文 地 质 参 数 技 术估 算 水 文 地 质 参 数 采 用 水 文 测 井 技 术 ，主 要 解 决 两 个 方 面 的 问 题 。一是划 分 含水层岩性及厚 度 ，二 是 估 算 水 文 地 质 参 数 ，包 括 泥 质 含 量 、孔 隙 度 、矿 化 度 、渗 透 率 等。）划 分 含 水 层 岩 性 及 厚 度不同粒 度的 岩性地 层在测 井 曲线上都有不同 的 测 井 幅 值 ，按 照 测井读数的相对 大 小和明 显的 形 态 特 征 ，采 用 判 别 分析的方法划分含水 层 岩 性 及 厚 度 ，其 基 本 思 想 是 ：假定对所研究的对 象（总 体）在 抽 样前已有一定的认识 ，常 用 先 验 概 率 分 布 来 描 述 这 种 认 识 ，然 后 基 于 抽 取 的 样 本 再 对先验认识作 修 正 ，得 到 后 验 概 率 分 布 ，再 作 各 种统 计 判 断 。在 研 究 地 区 样 本 数 据 给 定 的 情 况 下 ，找 出 含 水 地 层 划 分 的 规 律 ，根 据 测 得 曲 线 对 未 知地 区 的 含 水 层 进 行 划 分 。 在 没 样 本 的 情 况 下 ，可 根据该地区地 质 等 综 合 资料进行少量数据的人工 分 层。测 井 法 。估 算 地 下 水 矿 化 度 时 ，首 先 利 用 自 然 电岩性厚度与估 算 水 文 地 质参数实例 。图 北京潮白河水源地水文测井数据划分岩性厚度与估算水文地质参数 ，3.3合 适 的 预 测 模 型 技 术可用于 预测 的含水 层涌水 量 的技术方法有回 归 分 析 法 、层 次 分 析 法 、特 征 分 析 法 、统 计 分 析 法 、 模 糊 数 学 法 以 及 神 经 网 络 理 论 等 。为 了 克 服 目 前 建立在 传统 统计学基础 上的预 测 模型需要大训练 样 本 ，或 可 出 现 局 部极小和过学习 导 致推广 能力 差 等 缺 陷 ，同 时 针对预测涌水量与地球物理要素 组成的输入量 呈 非 线 性 关系以及建模只需小样本 等 特 点 ，特 引 入 支 持 向 量 机 （简 称 ）的 方 法 来 建 立 松 散 含水层涌水量预测模型 。 是 一 种基 于 统 计 学 习 理论和核函数技术的学习机 ，一 是利用结构风险 最 小 化 原 理设计具有最大余量的最 工 程 地 球 物 理 学 报 （）第 卷优 分 类 面 ；二 是 希 望通过某种非线 性 映射将 低维 输 入 空 间 中 的 样本映射到高维 空 间 ，在 新 的 样 本 空间内 利用 核技术实现 原空间 中 的非线性可分问 题 。根 据 统 计 学 习 理 论 ，要 解 决 学 习 问 题 首 先 要 定 义 一 个 风 险 函 数 ，把学习看作是 从 函数集 中估 计 最 小 化 如 下 的 风 险 泛 函 的 函 数 的 过 程 。本 次 工 作 采 用 不 敏 感 损 失 函 数 作 为 风 险 函 数 。具 体 数 学关 系 式 和 实 施 方 法 可 参 考 文 献 。根据含 水层 涌水量 预测地 球 物理参数要素可 知 ，地 面 物 探 方 法 所提供的电性参 数 以及弹 性参 数 与 决 定 涌 水 量 的 孔 隙 度 、渗 透 系 数 等 水 文 地 质 参 数 有 着 密 切 的 关 系 。 因 此 ，预测的具体实 现 方 法 是 根 据 综 合 物探技术的测试 数 据 ，分 析 得 出 影 响 地下水 涌 水 量的因素为半衰时 、电 阻 率 、层 厚 度 、自 然 电 位 、密 度 、水 位 、伽 玛 值 、声 波 速 度 。 以这 个影响 因子 作为支 持向量 回 归机模型的输入 向 量 预 测 区 域 含 水 层 涌 水 量 。 由 此 ，区 域 含 水 层涌 水 量 预 测 问 题 就 转 化 为 由 个 输 入 和 个 输 出 的 支 持 向 量 机 的 函 数 回 归 问 题 。在 建 模 预 测 中 应 注 意 以 下 个 方 面 的 要 点 。）不同尺度勘 查时综合 物探方法的选择 ：针 对 不 同 类 型 的 水 文 地 质 条 件 ，用 户 应 结 合 实 际 条件 灵 活 选 择 物 探 方 法 组 合 ，不 必 拘 泥 于 下 文 中 给 定 的 最 优 化 物 探 方 法 组 合 ，只 要 能 获 得 对 应 涌 水 量预测模型的 输 入 特 征 参量即可 。）典 型 地 区 验 证 钻 孔 的 选 择 ：验 证 钻 孔 必 须 选在勘查区具 明 显 标 志 层地段且具有全局性 。深度 也 应 贯 穿 所 有松散含水地层 ，只 有 这 样 才 能 保 证对测区含水 层 有 着 较 为客观的反映 。如 果 测 区 内 具 有 不 同 的 水 文 地 质 单 元 ，则 应 保 证 每 个 地 质 单 元 至 少 有 一 试 验 钻 孔 ，能 保 证 地 面 物 探 反 演 约 束的客观性及 成 果 的 代 表性 。）含 水 层 涌 水 量 预 测 模 型 训 练 库 样 本 ：基 于 支 持 向 量 回 归 机 的 预 测 模 型 ，尽 管 是 建 立 在 统 计学习的理论基 础 上 ，仅 需 小 样 本 学 习 训 练 建 模 ，但 实 践 表 明 ，其 建 模所需训练样本大小会直接影响 预 测 模 型 的 质 量 ，输入样本的地球物理要素的数 量 、类 别 及 质 量 ，将 影 响 预测模型的鲁棒性和推广 能 力 。因此训练 样 本 量 也不能太小且所具有一定 的代表性和可 靠 性 。在 实 际 工 作 中 ，一般能收集利 用 的已 知 抽 水综合物探技术预测 松 散 含 水层涌水量流程及预测模型 试 验 孔 较 少 ，也 不 可 能 布 置 大 量 的 试 验 钻 探 工 作 ，4.1技 术 流 程首 先 ，根 据 勘 查 目 的 、精度 及 所需的水文地质 参 数 ，选 定 相 应 最 佳 组 合 的 综 合 物 探 方 法 ，由 已 知 的 水 文 地 质 资 料 给 出含水层空间结构几何特征 。 依 据 地 面 物 探 解 释 成 果 ，在 典 型 含 水 层 地 区 可 布 置 一 定 数 量 的 水文地质验证钻孔 ，一 方 面 利 用 钻 孔 揭 露 的 地 下 含水层结构的准 确 信息 ，作 为 过 孔 地 面 物 探 资 料 的 约 束 条 件 ，对 地 面 物 探 勘 查 结 果 进 行 验 证 与 校 正 ，以 提 高 其 反 演 精 度 和 可 靠 性 ，另 一方面 开展 了地球物理 测井工 作 并估算含水层的 水 文 地 质 参 数 。其 次 ，结 合 实 际物探方法所能提供 的 地 球 物 理 预 测 参 数 ，选 定 相 应 的 预 测 输 入 特 征 量 ，调 用 同 输 入 特 征 量 类 型的模型训练集库 ，建 立 相 应 的 预 测 模 型 。有 条 件 的 情 况 下 ，可 对 工 区 内 已 有 井 孔 进 行 抽 水 试 验 ，将其抽水试验和过孔 地 面物探成 果 自 建 预 测 模 型 训 练 集 或 对 原 有 模 型 训 练 集 充 实 ，以 便 对 预 测 模 型提供更多的区 域 地下含 水层 的 预 测 信 息 ，提 高 预 测 精 度 。最 后 ，利 用 所 建预测模型对全区综 合 物 探 提这就要求我们 最 大 限 度 地收集测区已有抽水试验 井 孔 资 料 ，还 要 收集同一水文单元内的邻域已有 抽水试验井孔 资 料 。视 可以利用已知训练样本的 多 少 再 决 定 对 预测模型的训练集进行重建 ，还 是 添 加 充 实 ，或 是 利用系统自带训练集库构造预测 模 型 。4.2 预 测 模 型基 于 上 述 分 析 ，针对研究对象 的 尺度 及 精 度 要 求 和 地 球 物 理预测要素间的关系 ，建 立 了 种预 测 模 式 。对 于 不 同 的 预 测 模 型 ，分 别 确 定 了 其输 入 特 征 量 。模 型 一 ：输 入 特 征 量 为 含 水 层 的 反 演 电 阻 率 、隔水层的反演 电 阻 率 、含 水 层 厚 度 、含 水 层 层 数 和井 孔 孔 径 。该模 型 主 要 用于对精度要求不高的区 域性水资源或 深 部 水 资 源调查 。模 型 二 ：输 入 特 征 量 为 含 水 层 的 反 演 电 阻 率 、隔 水 层 的 反 演 电 阻 率 、视 极 化 率 、含 水 层 的 半 衰时 、含 水 层 厚 度 、含 水 层 层数和井孔孔径 。该 模 型 主 要 用 于 对 精 度 要 求 较 高 ，探 测 深 度 要 求 不 高 的电 阻 率厚 度电 阻 率半 衰 时 极 化 率 衰 减 度厚 度电 阻 率半 衰 时 极 化 率 衰 减 度 表 训 练 数 据 集 涌 水 量 隔 水 层第 一 层第 二 层电 阻 率厚 度电 阻 率半 衰 时极 化 率衰 减 度厚 度电 阻 率半 衰 时极 化 率衰 减 度模 型 三 ：输 入 特 征 量 为 含 水 层 的 反 演 电 阻 率 、隔 水 层 的 反 演 电 阻 率 、激 发 比 、半 衰 时 、含 水 层 厚 度 、含 水 层 层 数 和 井 孔 孔 径 。 该模型主要用 于 对 精 度 要 求 较 高 ，探 测 深 度 要 求 不 高 的 水 资 源 调 查 。模 型 四 ：输 入 特 征 量 为 含 水 层 的 反 演 电 阻 率 、 隔 水 层 的 反 演 电 阻 率 、激 发 比 、半 衰 时 、波 速 、含 水 层 厚 度 、含 水 层 层 数 和 井 孔 孔 径 。 该 模 型 主 要 用 于 对 精 度 要 求 较 高 ，深 度 较 深 的 水 资 源 调 查 。地 电 磁 法 、瞬 变 电 磁 法 以 及 电 阻 率 测 井 、自 然 电 位测 井 、自 然 伽 玛 测 井 、声 波测井以及井径测井等方 法 。选 择 已 知 孔 （钻 孔 孔 径 ，揭 示 该 区 域 含 水 层 层 数 个），通 过 综合物探方法确定含水层 厚度和相应的 地 球 物 理 参 数 （见 表 ）以 及 训 练 数 据 集（表 ）。利 用 上述建立的训练数据集，选择预测模型三对两个未 知 孔 进 行 涌 水 量 预 测 结 果 见 表 。 预 测 结果表明，预测值与实际抽水值相对误差 。预 测 效 果 分 析表 预 测 结 果 分 析为验证 所建 综合物 探方法 预 测松散含水层涌 水 量 模 型 的 预 测 效 果 ，选定北京潮白 河 水源为检 验 区 。该 区 主 要 是 第 四 系 孔 隙 水 。在 潮 白 河 冲 洪 积 扇 的 中 上 部 地 区 ，砂 卵 石 裸 露 ，大气降水及河流 入 渗 条 件 良 好 ，是 平 原 区 地 下 水 的 主 要 补 给 区 。 含 水 层 为 单 、双 层 砂 卵 石 ，富 水 条 件 好 ，调 蓄 能 力 强 ，地 下 水 资 源 非 常 丰 富 ，为 北 京 主 要 供 水 水 源地。本 次 采 用 的 物 探 方 法 包 括 激 电 测 深 、音 频 大井 号实 际 涌 水 量预 测 值相 对 误 差 另 外 ，为 了 验 证 各 种 预 测 模 型 的 应 用 效 果 ，采用 两 口 井 的 信 息 做 样 本 训 练 ，预 测 其 他 四 口 井 的涌 水 量 ，结 果 见 表 。从 表 和 表 预 测 结 果 分 析 ，预 测 结 果 与 实 际抽水涌水量 拟 合 误 差 小于 ，且 绝 大 部 分 小表 利 用 井 和 井 做样本的拟合结果 计算涌水量与拟合结果 井 号实际抽水涌水量 模 型 一模 型 二模 型 三模 型 四涌 水 量拟 合 结 果涌 水 量拟 合 结 果涌 水 量拟 合 结 果涌 水 量拟 合 结 果 工 程 地 球 物 理 学 报 （）第 卷于 ，说 明 选 择 合 理 的 特 征 向 量 和 预 测 模 型 能够实现 利用 综合物探技 术预测 松 散含水层涌水量 的 目 的 。量 西 部 探 矿 工 程 ，（）： 李