基于瞬變電磁法的東平縣飲用水水源地滲透系數(shù)研究

侯恩光,段建筑,張升弟,楊會清,張 芹,岳 超,譚秀翠

1.泰安市水文局,山東 泰安 271018

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

山東省作為農(nóng)業(yè)大省、經(jīng)濟大省，也是水資源消耗大省，水資源匱乏是重要的省情，由于水資源供需矛盾突出，水資源利用以地下水為主，地下水開采利用程度較高[1]。為適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展和水資源供求狀況變化，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，有必要查清地下水水資源狀況，開展地下水資源評價。地下水資源評價中存在很多的不確定性因素，包括時間、空間上的不均一性，模型方面，參數(shù)方面等[2]，其中水文地質(zhì)參數(shù)確定的正確與否，直接影響到地下水資源評價的效果及水資源量評價的精度，因此合理確定水文地質(zhì)參數(shù)，對于地下水資源量合理評價及持續(xù)開發(fā)利用都具用重要的現(xiàn)實意義。

抽水試驗是確定水文地質(zhì)參數(shù)的主要方法[3]，這種方法測試精度高，但范圍有限，資金耗費大，試驗過程繁瑣，對于埋深大、滲透性較弱的含水層，抽水試驗難以實施。此外，微水試驗[4,5]、震蕩實驗[6]是簡便且相對快速測定水文地質(zhì)參數(shù)的野外試驗方法。Archie 提出孔隙率與電阻率經(jīng)驗公式，通過實踐證明電阻率與滲透系數(shù)之間有很強的相關(guān)性[7,8]，進而采用水文地質(zhì)物探方法推求含水層滲透系數(shù)被證明是行之有效的。喻永祥和吳吉春[9]從電流場和滲流場的相似性出發(fā)，研究電阻率和滲透系數(shù)之間的關(guān)系，采用高密度電阻率成像法推求張家港大新和塘橋兩處滲透系數(shù)。郝紅兵等[10]采用大地電磁測深法、高密度電阻率法查明日喀則地區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)和特征，評價水文地質(zhì)參數(shù)。Kazakis 等[11]采用電阻率數(shù)據(jù)估算希臘北部Anthemountas 盆地復(fù)雜的孔隙含水層系統(tǒng)的水力參數(shù)。水文地質(zhì)物探因其具有非破壞性、效率高、信息豐富等技術(shù)優(yōu)勢，能很好地反映地下介質(zhì)物理性質(zhì)的空間差異性，已經(jīng)成為獲取水文地質(zhì)參數(shù)的一個重要手段。本文采用物探法中的瞬變電磁法對東平縣飲用水水源地進行探測，獲取各測線電阻率成像剖面數(shù)據(jù)，插值形成數(shù)據(jù)體，通過數(shù)據(jù)反演得到監(jiān)測斷面滲透系數(shù)空間分布，分析結(jié)果可為地下水資源評價提供可靠的水文地質(zhì)參數(shù)，為東平縣飲用水水源地地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供有效保障。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

東平縣飲用水水源地位于東平縣城區(qū)，大清河北岸，東平湖東部，水源地共有開采井15 眼，水井位置見圖1。東平縣飲用水水源地位于東平東部溶蝕-剝蝕丘陵與山前傾斜平原的接觸地帶，屬丘陵地貌類型，主要由寒武系灰?guī)r組成，地形坡度10～20°。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候，具有四季分明的特點。全年平均氣溫13.4 ℃，多年平均降水量605.17 mm（1989 年-2014 年）。東平縣飲用水水源地不是一個獨立的水文地質(zhì)單元，位于蘆泉屯單斜巖溶水水文地質(zhì)單元和汶泗河沖洪積扇孔隙水水文地質(zhì)單元的交接地帶。根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，東平縣城水源地地下水類型劃分為3 類，見表1，其空間分布見圖2。本次物探試驗在位于焦村西北的新水廠1號、2 號、3 號井處開展，出水量50～140 m3/h，上覆第四系坡洪積孔隙含水巖組，水位埋深10～12 m，受大氣降水及季節(jié)影響顯著，地下水位起伏大；下伏碳酸鹽巖類夾碎屑巖巖溶裂隙水，構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，水位埋深1～30 m 不等。

表1 地下水類型劃分Table 1 Classification of groundwater types

圖1 東平縣飲用水水源地概況圖 Fig.1 OverviewofdrinkingwatersourcesinDongpingCounty

圖2 東平縣飲用水水源地水文地質(zhì)圖Fig.2 HydrogeologicalmapofdrinkingwatersourcesinDongpingCounty

2001 年在東平縣梯門鄉(xiāng)蘇莊一帶進行視電阻率聯(lián)合剖面和激化率電測深[12]，共完成聯(lián)合剖面6條，激電測深點19 個，供電極距為AB/2=5、7、10、14、20、28、38、50、65、80、100、130、170、220、280、350、500 m。其中II-II′剖面布設(shè)8 個測深點，從測深曲線分析，見圖3（a），Z14 點電阻率曲線異常明顯，極化率高。通過水文地質(zhì)鉆探，查明該點主要含水層巖性為灰?guī)r，含水層厚度7.3 m，底板埋深19.5 m，地下水位埋深12.21 m，涌水量724 m3/d，結(jié)合該點水文地質(zhì)柱狀圖可以看出，當厚層灰?guī)r內(nèi)存在斷裂或構(gòu)造裂隙時，破碎的巖石裂隙被水充填后，其電阻率值明顯下降，電阻率在1～10 Ω·m，與構(gòu)造裂隙兩側(cè)較完整的巖石電阻率有明顯區(qū)別。

圖3 II-II′剖面各測深點電阻率分布Fig.3 Resistivity distribution of II-II′profil e

1.2 研究方法

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是將接地導(dǎo)線或不接地回線向地下發(fā)射脈沖電流，一次場關(guān)斷后，測量地下介質(zhì)感應(yīng)生成的二次場隨時間的變化，水文地質(zhì)體所感應(yīng)生成的二次場電流越大，異常越明顯，瞬變電磁法對含水的高導(dǎo)地層反應(yīng)靈敏[13]。在同一深度處，不含水巖層表現(xiàn)為相對高阻反應(yīng)，富水區(qū)表現(xiàn)為相對低阻反應(yīng)。根據(jù)相關(guān)理論，地面瞬變電磁法二次場視電阻率的計算公式[14]：

式中，ρ為視電阻率；μ0為磁導(dǎo)率；S為發(fā)射框面積；N為發(fā)射框匝數(shù)；s為接收框面積；n為接收框匝數(shù)；t為衰減時間；V/I為歸一化二次場感應(yīng)電壓。

本次瞬變電磁法探查儀器為中煤科工集團重慶研究院最新生產(chǎn)的YCS40 型瞬變電磁儀。通過“TEM 數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng)”讀取YCS40 瞬變電磁儀格式數(shù)據(jù)并進行視電阻率計算，形成三維觀測數(shù)據(jù)體。對所有探測測線進行處理，形成各測線的反演電阻率成像剖面數(shù)據(jù)文件，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)通過插值形成數(shù)據(jù)體，沿所需方向及深度做切片處理，形成探測方向測線色譜斷面圖。對于滲透系數(shù)的反演，主要根據(jù)測量的電阻率與抽水試驗得到的滲透系數(shù)建立擬合方程，大量實踐結(jié)果證明電阻率與滲透系數(shù)之間有很強的相關(guān)性（表2）。根據(jù)東平縣飲用水水源地水文地質(zhì)條件及YCS40 型瞬變電磁儀監(jiān)測的電阻率數(shù)據(jù)格式，采用禹祥裕、夏建平在南京東郊巖溶水源地建立的擬合方程進行滲透系數(shù)的反演，并將反演結(jié)果與抽水試驗結(jié)果進行比較，驗證其可靠性。

表2 電阻率與滲透系數(shù)經(jīng)驗公式Table 2 Empirical formula for resistivity and permeability coefficient

2 結(jié)果與分析

2018 年10 月，在東平縣飲用水水源地新城供水廠開展物探試驗，在水井附近共布置4 條測線，通過TEM 數(shù)據(jù)解釋系統(tǒng)，得到視電阻率剖面圖，見圖4，可以看出瞬變電磁法在研究區(qū)域有5 m 深的勘探盲區(qū)，主要是因為一次場脈沖發(fā)射后進行關(guān)斷，形成關(guān)斷延時，造成TEM 數(shù)據(jù)采集不能從0時刻開始，而0 時刻的電阻率為0 Ω·m，數(shù)據(jù)反演后將0 時刻對應(yīng)的地表電阻率值賦予第一個采樣深度所對應(yīng)的反演電阻率值，這樣就在0 時刻到第一個采樣之間造成假電阻率，形成TEM 勘探的盲區(qū)[22]。4 個測線剖面，電阻率取值范圍在0.11～87.26 Ω·m 之間，剖面2 因地下布設(shè)有通信光纜，影響信號傳輸，導(dǎo)致視電阻率剖面異常，剖面1、3、4 在埋深10 m 左右均形成了較為明顯的低阻區(qū)，電阻率低于10 Ω·m，與蘇莊物探結(jié)果的灰?guī)r含水層電阻率取值基本一致，可判斷該埋藏深度為主要的富水區(qū)。

圖4 東平縣水源地電阻率剖面示意圖Fig.4 Resistivity profile of drinking water sources in Dongping Count

根據(jù)水源地附近宿城站地下水位觀測數(shù)據(jù)顯示，如圖5 所示，站點空間位置見圖1。2006-2018年地下水位平均埋深4.14 m，2018 年平均埋深4.62 m，可見低阻區(qū)為含水層的主要分布層位。y

圖5 2006-2018 年宿城站地下水位埋深動態(tài)曲線Fig.5 Dynamic curve of groundwater depth at Sucheng station from 2006 to 2018

根據(jù)文獻14 中的經(jīng)驗公式，采用視電阻率反演滲透系數(shù)，其剖面分布見圖6，可以看出，除剖面2 異常外，另外3 個剖面在埋深10 m 左右的位置，滲透系數(shù)均相對較大，數(shù)值范圍在20～30 m/d之間。

圖6 東平縣水源地滲透系數(shù)剖面示意圖Fig.6 Permeability coefficient profile of drinking water sources in Dongping County

根據(jù)東平縣飲用水水源地周邊抽水試驗成果資料，抽水試驗點空間分布位置見圖1。含水層頂板深度24.4 m，底板深度37.0 m，含水層厚度12.6 m，滲透系數(shù)K=21.71 m/d，與物探試驗成果比較接近?？梢?，采用瞬變電磁法勘測含水層剖面電阻率，進而反演滲透系數(shù)是比較可靠的。

3 討論

對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，研究基礎(chǔ)薄弱的區(qū)域，物探法對于快速查明地層結(jié)構(gòu)、地下水賦存條件等方面有較為顯著的優(yōu)勢，其中瞬變電磁法因具有施工便捷快速、受地形影響小、探測深度大、對含水體反應(yīng)敏感等優(yōu)點，已成為水文地質(zhì)條件研究的主要手段之一[23]。但是瞬變電磁法因關(guān)斷延時限制，存在數(shù)據(jù)勘探盲區(qū)[22]，因地下分布的鐵器、電力裝置會產(chǎn)生瞬變電磁響應(yīng)[14]，進而干擾探測結(jié)果。這些都是在實際應(yīng)用中需要注意的問題。為解決物探資料多解性問題，提高勘探精度，在試驗條件允許的情況下，建議采用綜合勘探法，劉樹才等[24]采用瞬變電磁法與地震勘探的方法為山東某煤礦合理布置巷道和編制采區(qū)防治水預(yù)案提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

本文采用物探法中的瞬變電磁法反演東平縣飲用水水源地水文地質(zhì)參數(shù)，主要得到以下結(jié)論：

1）YCS40 型瞬變電磁儀在東平縣飲用水水源地有5 m 左右的勘探盲區(qū)，該儀器不適用于淺層水文地質(zhì)條件的研究；

2）東平縣飲用水水源地，視電阻率在0.11～87.26Ω·m，不含水巖層表現(xiàn)為相對高阻反應(yīng)，富水區(qū)表現(xiàn)為相對低阻反應(yīng)，主要含水層視電阻率在1～10 Ω·m，與歷史物探數(shù)據(jù)基本一致；

3）東平縣飲用水水源地，含水層滲透系數(shù)20～30 m/d，與抽水試驗成果比較接近，驗證了瞬變電磁法反演水文地質(zhì)參數(shù)的可靠性，可在該區(qū)域相同水文地質(zhì)條件區(qū)域進行參數(shù)的反演，為地下水資源的評價提供技術(shù)支撐。