综合物探方法预测松散含水层涌水量技术研究

1、2012年9月CHINESEJOURNAL OFENGINEERING GEOPHYSICSSep. , 2012文章编号：1672 7940 2012 )05 054407 doi：10.3969/j.issn .1672 7 940 .2012 .05 .00 7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J潘和平S昌彦君S查恩来11 .中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定，0 71 05 1；2. 石家庄经济学院，河北 石家庄，050031；3. 中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉,430074）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

2、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：P631文献标识码：A收稿日期：2012 -0 7 -25Prediction on InflowofW ater from LooseAquiferBasedonComprehensiveGeophysical TechniquesWuY

3、 i，LiuG uohui2， Pan Heping3，Chang Yanj un3，ZhaE nlai11 .Centre for H ydrogeology andE nv ironmenta lGeo logy，CGS，B aoding Hebei 071051 > China ；2 . Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang Hebei 05003 1，China ；3 . I nstitute o f Geophysics andGeomatics，hinaUniversity of Geosciences，Wuhan

4、 Hubei 430074, China)Abstract: Cor rect evaluationof thewater resources quantity isavery important job . This paper dealswithanewk indof prediction model on inflowo fw ater fromlooseaquifer， b y introducing com prehen sive geop hysical prospecting technique toanalyze the response chara cteristics of

5、 the geophysical parameters fo r the loose aquifer,andcomb ining hy drogeologica l logging dataw ithcorrected geophysical prospecting parameters，andbasedon the tech niq ueof support vectorm achine . Test of pu mping wate r inade mon st rating area shows the pre dieted in flowo fw ate r is correct， w

6、hich proves the prediction model o n inflowo fwater fro mlooseaquifer is practicable . Itw i lbean e wtool toevaluateof theu nderwaterresour ces quantity .Key words : looseaquifer； inflo w ofw ater ； support vector machine ； prediction model ；om prehensive geophy seal prospecting基金项目：国土资源部公益性科研专项：含水

7、层含水 量预测 综合物探技 术研究 编号：2008 110 75）资助。作者简介：武 毅（963 ）,男，博士，教授级高级工程师，主要从 事水工 环地球物理 勘杳技 术的应用 研究。E mal：fsw i 1 63 co发利用量迅速增加。目前地下水开采已超过每年1 000亿立方米，约占全国总供水量的1/5 ,全国有 400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 12。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

8、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5",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

9、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厂小。 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。2 松散含水层涌水量预测的地球物理要素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

10、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。2 ）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 給水度）就越大；相反， 粘土颗粒度越小，则充、放电速度越快，导致

11、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1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1电性参数与涌水量相关分析Table 1Corielationanalysis between formation electricalparameter a

12、ndwater inflow电阻率半衰时偏离度极化率厚度相关系数0 .8810 .9160 .9340 .9450.826显著性系数0 .9960 .99 90 .9 990 .9990.9892.2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粒径的大小和级配比影响孔隙度和渗透系数。其 层，在骨架介质纵波速度和孔隙水或流体纵波速I - I . I. . I . . ；| . ： J. . I | 'I .电性特征 主要指电阻率、激电参数）又主要决定 度一定

13、的条件下，其富水性与孔隙度间存在着明547工程地球物理学报 Chinese Journal ofEngineering Geophysics)第9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。3 预测模型所需关键技术利用综合物探预测 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 3个关键技术。3.1精细查明松散含水层空间几何特征

14、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 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 600m，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Eh-4电导率成像系统）与浅层地震为主，瞬变 电磁法为辅。值得一提的是要针对工作区特点， 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

15、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1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 图山）与采 用视纵向电导一维反演技术处理结果 图1b）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。-N00-100-2005UU61)()700Pi、i .tncc hip 'Q TTl占50CI )1 00 12 DO-zoo1畑I MP-JOOHUEI2U-= 斗仙1-100p.粧-5UU20n700KOOD111<b)21JG I KO UiQ HDI汕 ICICI

16、 K&i图i瞬变电磁法视电阻率断面q与视纵向电导一维反演断面b)Fig. 1 Apparent resistivity sectional viewofTEM £)and inverted sactional viewby the apparent longitudinal conductance b)形态特征，采用Bayes判别分析的方法划分含水 分层13 ：o3.2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。1）划分含水层岩性及厚度不同粒

17、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II riglics resgrxcdrhitpcnk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2北京潮白河水源地水文测井数据划分

18、岩性厚度与估算水文地质参数Fig. 2Lithostrati graphic classification thickness ty hydrological logging dataand etimatehydrogeology prameters figure at groundwater source legion cfChaobaihe, Beijing3.3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

19、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SVM）的方法来 建立松散含水层涌水量预测模型。SVM是一种 基于统计学习理论和核函数技术的学习机，一是 最小化原理设计具有最大余量的最人弓恻548工程地球物理学报 Chinese Journal ofEngineering Geophysics)第9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

20、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8。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8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8个输入和1个输岀 的支持向量机的函数回归

21、问题。4 综合物探技术预测松散含水层涌水量流程及预测模型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 的水文地质资料给岀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

22、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© 1994-2U13 ChiriB Academic Joumal Electronic在建模预测中应注意以下3个方面的要点。1）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。

23、2 ）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。3）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

24、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 试验孔较少，也不可能布置大量的试验钻探工作， 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 4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

25、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1 353 11.061.150.3 713251.020.930.3 5表3训练数据集Table3 Training set dta涌水量/m3 h_1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34125390 .961 .880 .2642

26、60.971 . 280.3770115 .4343 .720 .850 .6715 .4161.981.480.59351011.3320 .881 .100 .3111 .3140.961 . 380.4338124.7500 .901 .170 .388200.321.450.25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

27、对精度要求较高，深度较深的水资源调查。5 预测效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：14：o本次采用的物探方法包括激电测深、音频大地电磁法、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800mm,揭示该区域 含水层层数2个），通过综合物探方法确定含水层厚度

28、和相应的 地球物理参数 见表2）以及训练数 据集表3）o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4 o预测 结果表明，预测值与实际抽水值相对误差<3.0%o表4预测结果分析Table 4Analysis formof forecasting results井号实际涌水量预测值相对误差57071 .632 .33%3652 .5852 .430.29%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5。从表4和表5预测结果分析，预测结果与实 际抽水涌水量拟合误差小于3 0 %，且绝大部分小表5利用井2和

29、井7做样本的拟合结果Table5 Fitting esuits cf thevell 2andwell 7 samples井号实际抽水涌水量计算涌水量与拟合结果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1718 .5822 .988-14 .5425824 . 16214.7059711 .4 560 .9803927 90 .76510 .0577296 83 .5 15575 .30 115 .83193598.89112 .3806755 9 .3 0518.172276 05 .2 551 1.449 5 838)94- 694 . 9 1 559

30、6 .81 714 .11654563 . 58 718 .8983 949 8.99928 . 19284641 .8877.630867405 60 .67426 . 24 623 .9756143 7 . 3762 1 .99054 99 .28610 .948324 71 .02015 .98986550工程地球物理学报 Chinese Journal ofEngineering Geophysics)第9卷于20%,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。6 结语针对松散含水层的水文地质特点，以综合物 探方法包括地面物探技术精细探测含水层空间 结构几何特征、水文测井资料验证地面物探数据 及估算水文地质参数）所获取的地球物理要素为 主体数据，采用支持向量回归机技术构建预测模 型，经过在试验区的实际应用，证明了该项松散含 水层涌水量的预测技术是可行的。由此，为松散 含水层涌水量的正确评价提供了一种新的手段。致谢参与本项研究的人员还有侯征