水文地質(zhì)

遙感技術(shù)在地下水資源勘查中的應(yīng)用

  1 航空物探勘查地下水的應(yīng)用
 
  1.1 地下水勘查中的航空物探方法簡(jiǎn)介
 
  航空物探是把地球物理勘探技術(shù)與航空技術(shù)結(jié)合的一門新技術(shù),是一種獲取并研究巖石 圈,特別是與地殼有關(guān)的多種地球物理場(chǎng)信息的方法手段。利用安裝在飛機(jī)上的物探設(shè)備測(cè) 量天然地磁場(chǎng)、放射性和人工發(fā)射的電磁場(chǎng),通過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析,推斷出地表及地下地質(zhì) 體、構(gòu)造等分布特征。常見方法包括航空磁測(cè)、航空電磁測(cè)量和航空放射性測(cè)量。 航空磁測(cè)主要通過(guò)測(cè)量地磁場(chǎng),推斷地下地質(zhì)構(gòu)造,一般探測(cè)深度較大,可達(dá)數(shù)公里或 更大,用于了解控制水文地質(zhì)環(huán)境的地質(zhì)構(gòu)造,間接尋找地下水地下熱水。而航空放射性 測(cè)量利用水體對(duì)放射性能量的吸收呈現(xiàn)低值異常,據(jù)此可用于尋找淺層地下水
 
  航空電磁測(cè)量利用含水層和不含水層,以及不同含鹽度水的電阻率(或電導(dǎo)率)的差別, 通過(guò)電磁測(cè)量,轉(zhuǎn)換成電阻率(或電導(dǎo)率)的空間分布,從而確定不同含鹽度的地下水的賦 存,是地下水勘查的主要航空物探方法
 
  航空電磁測(cè)量按激發(fā)場(chǎng)形式的不同可分為頻率域和時(shí)間域航空電磁測(cè)量?jī)煞N,根據(jù)發(fā)射 和接收線圈的安裝方式分為固定翼和直升機(jī)吊艙式兩種。由于人工激發(fā)電磁場(chǎng)的方式不同, 各種航空電磁法的探測(cè)深度相差較大。實(shí)際工作中可根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、測(cè)區(qū)水文地質(zhì)和地形等 條件選擇不同的方法。固定翼頻率域航空電磁測(cè)量方法,效率高,成本低,但要求工作地區(qū) 地形起伏較小,探測(cè)深度較淺,一般為幾十米;直升機(jī)吊艙式頻率域航空電磁測(cè)量,探測(cè)深 度較大,一般可達(dá)100m 左右,對(duì)工作地區(qū)地形要求較低,但工作效率稍低,相應(yīng)成本增高; 且要求工作地區(qū)地形起伏較小;直升機(jī)吊艙式時(shí)間域航空電磁測(cè)量探測(cè)深度200m 左右固定 ,中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心副主任、總工 程師,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事航空物探遙感技術(shù)應(yīng)用研究和技術(shù)管理工作。
 
  翼時(shí)間域航空電磁測(cè)量探測(cè)深度最大,可達(dá)200-300m,甚至達(dá)600-700m,但工作成本與固 定翼時(shí)間域方法相比探測(cè)深度要小一些,但工作成本和對(duì)地形起伏要求都較低,是一種很有 發(fā)展前景的方法,不過(guò)目前還正在研制之中,尚未用于生產(chǎn)測(cè)量。當(dāng)前國(guó)外主要采用直升機(jī) 吊艙式頻率域電磁系統(tǒng)和固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng);我國(guó)主要采用固定翼頻率域航空電磁 測(cè)量系統(tǒng),2002 年新引進(jìn)的直升機(jī)吊艙式頻率域電磁系統(tǒng),正在試驗(yàn)之中。
 
  1.2 航空物探在地下水勘查中的主要應(yīng)用
 
  以往,航空物探主要用于地質(zhì)找礦和填圖、油氣勘查等工作。近年來(lái),由于航空物探工 作效率高,成本較低,便于大面積工作,尤其隨著測(cè)量精度的提高,發(fā)現(xiàn)和區(qū)分目標(biāo)能力增 強(qiáng),越來(lái)越得到水文勘查工作者的青睞。近幾年,在世界各地干旱地區(qū)找尋地下水勘查中, 航空物探方法技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)外,如美國(guó)、澳大利亞、非洲和亞洲等一些國(guó)家,在 找水工作中,尤其是在沙漠干旱地區(qū)的找水工作中,航空物探發(fā)揮了重要作用,取得了良好 的效果。我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代中期開始,利用航空電磁測(cè)量和航空磁測(cè)在江蘇連云港河北南宮、遼寧大連等地區(qū)進(jìn)行圈定地下淡水、劃分咸淡水界限等工作,均取得較好的結(jié)果, 但總體上講,應(yīng)用潛力尚未得到充分發(fā)揮,且與國(guó)外有較大差距。
 
  1.2.1 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例
 
  由于近年來(lái)航空電磁測(cè)量在系統(tǒng)硬件和處理解釋軟件方面都取得了顯著進(jìn)展,利用航空 電磁測(cè)量進(jìn)行水文地質(zhì)勘查的工作日益增多,已成為水文地質(zhì)勘查工作的重要組成部分。
 
  1.2.1.1 利用DIGHEM
 
 
  1.2.1.2 利用QUESTEM 系統(tǒng)進(jìn)行水文地質(zhì)勘查及土地調(diào)查  近幾年,在西澳大利亞地區(qū)利用時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)進(jìn)行了大量測(cè)量,主要用于解決水 文地質(zhì)和土地管理問(wèn)題,比如水資源評(píng)價(jià)、土地含鹽度評(píng)價(jià)以及預(yù)測(cè)和處理,并與GIS 技術(shù) 結(jié)合為農(nóng)業(yè)規(guī)劃服務(wù)。在澳大利亞已把航空電磁-磁測(cè)量作為政府土地管理工作的一個(gè)重要 部分,在昆士蘭和維多利亞等地,也為解決水文地質(zhì)調(diào)查農(nóng)業(yè)規(guī)劃進(jìn)行了大量航空電磁- 磁測(cè)量。World Geoscience 公司公布了許多實(shí)例,顯示了應(yīng)用航空時(shí)間域電磁系統(tǒng)(QUESTEM) 獲得的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)轉(zhuǎn)換的電導(dǎo)率填圖監(jiān)測(cè)含鹽度。在澳大利亞西部干旱地區(qū),利用頻率域 航空電磁測(cè)量在圈定古河道、尋找淺層淡水方面取得較好效果。
 
  1.2.1.3 利用GEOTEM 系統(tǒng)及航空物探綜合測(cè)量進(jìn)行地下水調(diào)查  美國(guó)地調(diào)局于1997 年和1999 年在亞利桑那州南部圣佩德羅河谷一帶進(jìn)行了航空地球物 理測(cè)量飛行。測(cè)量使用的是總場(chǎng)磁力儀和60 道時(shí)間域GEOTEM 航空電磁(AEM)系統(tǒng)。通過(guò) 對(duì)磁數(shù)據(jù)進(jìn)行歐拉反褶積處理,得到了磁源深度,結(jié)合重力數(shù)據(jù),推斷了圣佩德羅河谷下面 的基底起伏和構(gòu)造。通過(guò)電導(dǎo)率深度轉(zhuǎn)換(CDT)推斷出了沿飛行線的次級(jí)水平導(dǎo)體,推論 這個(gè)導(dǎo)體是地下水。為提高解釋的可靠性,他們盡量對(duì)照附近水井的電測(cè)井資料來(lái)校準(zhǔn)電導(dǎo) 率深度轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)比表明,探測(cè)深度可達(dá)400m,在150m 深度以淺,電導(dǎo)率深度轉(zhuǎn)換值與 電測(cè)井曲線吻合,從150m 到大約400m 深度兩者曲線基本吻合。
 
  1.2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例
 
  1.2.2.1 在江蘇連云港地區(qū)區(qū)分咸淡水界限并尋找地下淡水體  該地區(qū)大部分為第四紀(jì)覆蓋,僅在東北部有少量老地層出露。航空電磁測(cè)量采用520Hz、 2020Hz、8020Hz 三種頻率測(cè)量異常的實(shí)、虛分量,經(jīng)解釋推斷對(duì)全區(qū)劃分了咸淡水界限、 圈定了多個(gè)地下淡水體的范圍,并推斷了新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的淺斷裂。經(jīng)驗(yàn)證,推斷圈定的 該地區(qū)南崗地下淡水體的范圍與地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果一致。
 
  1.2.2.2 在河北南宮地區(qū)尋找古河道中的淡水體  該地區(qū)位于河北南部海河流域沖積平原上,全部為第四紀(jì)覆蓋,鹽堿地發(fā)育,地下賦 存有古河道淡水。利用航空電磁測(cè)量520Hz、2020Hz、8020Hz 三種頻率測(cè)量異常的實(shí)、虛 分量值,經(jīng)解釋推斷圈定了地下古河道淡水范圍。
 
  1.2.2.3 在山東黃河口地區(qū)劃分咸淡水界限并圈定地下淡水體范圍  航空電磁測(cè)量采用520Hz、2020Hz、8020Hz 三種頻率測(cè)量異常的實(shí)、虛分量,同時(shí)進(jìn) 行了高精度航空磁測(cè)和航空伽瑪能譜測(cè)量。利用航空電磁測(cè)量的結(jié)果,圈出了海侵的程度 和分布界限;按照電阻率的高低,劃分了強(qiáng)海侵、中強(qiáng)海侵、中等海侵、中弱海侵、弱海 侵、淺部弱海侵深部非海侵和非海侵幾種類型區(qū),并提出了在海侵邊界附近形成了上咸下 淡的雙層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)。這種推斷結(jié)果部分已得到水文地質(zhì)成果的佐證;依據(jù)不同頻率電 磁異常的范圍、電磁響應(yīng)的強(qiáng)弱變化規(guī)律,以及結(jié)合當(dāng)?shù)厮?a href="http://m.yue-wei.com.cn/t/地質(zhì).html" >地質(zhì)情況,推斷了黃河口地 區(qū)地下淺層淡水遠(yuǎn)景區(qū)的分布,圈定了淺部淡水、半咸水與咸水的界限,并在淡水中劃分 出三種級(jí)別的淺層淡水遠(yuǎn)景區(qū)。經(jīng)對(duì)部分異常地面查證,表明利用航空電磁測(cè)量尋找淺層淡水是有效的,而且可以尋找咸水層下的淡水體。
 
  利用高精度航空磁測(cè)的結(jié)果研究推斷了黃河口地區(qū)的基底構(gòu)造和斷裂構(gòu)造,并通過(guò)分析 地下熱水的分布規(guī)律,結(jié)合區(qū)內(nèi)已知地下熱水的情況,建立了尋找地下熱水遠(yuǎn)景區(qū)模型,認(rèn) 為強(qiáng)度較高、梯度較大的區(qū)域磁力高反映基底埋深相對(duì)較淺,區(qū)域磁場(chǎng)梯度較陡多反映居里 等溫面相對(duì)隆起,因此地溫梯度也較高,且區(qū)域磁力高邊緣的梯度帶多反映較大規(guī)模的深斷 裂,有利于地下水深循環(huán)和正常熱傳導(dǎo),而斷裂交匯部位對(duì)形成地下熱水有利,因此區(qū)域性 基底隆起和具有一定活動(dòng)性規(guī)模較大的深斷裂是形成地下熱水的兩個(gè)不可缺少的條件。依據(jù) 這個(gè)模型圈定了四片地下熱水遠(yuǎn)景區(qū)。
 
  2 遙感技術(shù)地下水勘查中的主要作用  過(guò)去的40 多年里在地質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域,遙感方法以其宏觀、形象、快速、經(jīng)濟(jì)和短周期提 供多時(shí)相數(shù)據(jù)等技術(shù)優(yōu)勢(shì),為地質(zhì)工作者了解地質(zhì)體與地質(zhì)現(xiàn)象的時(shí)空分布特征和相互關(guān) 系,推斷地質(zhì)作用過(guò)程和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)狀,預(yù)測(cè)礦產(chǎn)的前景和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生等提供了大量真實(shí)信 息,為促進(jìn)地質(zhì)工作的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。其中在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域 也取得了一系列令人鼓舞的成果。
 
  2.1 地表水資源現(xiàn)狀調(diào)查與動(dòng)態(tài)變化分析  地下水的形成及賦存狀態(tài)與地表水資源有著極其密切的關(guān)系。在調(diào)查地表水資源方面, 可以非常方便地利用水體明顯區(qū)別于其它地物的特殊光譜特性,直接從遙感圖像上提取水體 信息;利用不同時(shí)相的遙感數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算機(jī)幾何糾正、疊加配準(zhǔn)等處理,可以定量地提取江 河、湖泊水體的動(dòng)態(tài)變化信息,從而推測(cè)江河、湖泊岸線的演變規(guī)律;根據(jù)江河、湖泊水量 的變化和對(duì)地下水的補(bǔ)給關(guān)系分析地下水位的可能變化趨勢(shì)。
 
  在1998 年長(zhǎng)江、嫩江和松花江發(fā)生特大洪水期間,我中心及時(shí)獲取了1998 年8 月14  日、17 日加拿大雷達(dá)衛(wèi)星(Radarsat)的SAR 數(shù)據(jù),與洪水區(qū)1996 年美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat) TM 數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、疊加,形成多光譜與微波的疊合圖像。利用水體吸收微波的特性,在疊 合圖像上提取了洪水泛濫的信息。編制成的長(zhǎng)江沙市至安慶段及嫩江、松花江齊齊哈爾至哈 爾濱段的洪水災(zāi)情遙感影像圖十分清晰直觀,為有關(guān)部門及時(shí)了解洪水的總體態(tài)勢(shì)、洪水淹 沒范圍,進(jìn)一步部署災(zāi)情評(píng)估、抗災(zāi)救災(zāi)及災(zāi)后重建工作提供了重要依據(jù)。與此同時(shí),還利 用航空、航天遙感資料,結(jié)合常規(guī)調(diào)查資料,研究分析了長(zhǎng)江中下游的河道變遷現(xiàn)狀和演變 規(guī)律。
 
  鴨綠江是我國(guó)和朝鮮的界河。由于兩國(guó)人民長(zhǎng)期以來(lái)友好相處,分界線一直未正式勘定。 但是,河流是一種始終處于動(dòng)態(tài)中的地質(zhì)體,受地質(zhì)、地貌、水文、氣候和河流本身彎曲狀 態(tài)等因素的控制,河水會(huì)不斷地沖蝕某側(cè)河岸,而在另一側(cè)發(fā)生堆積,致使岸線不斷變動(dòng), 主航道中心線(國(guó)際公認(rèn)的分界依據(jù))經(jīng)常漂移,河道中的島嶼與心灘范圍不斷變化而其歸 屬產(chǎn)生異議。鴨綠江的情況也是如此,因而中朝兩國(guó)之間為此常有一些爭(zhēng)議。我中心曾按原 地質(zhì)礦產(chǎn)部的部署,利用多時(shí)相的航空和航天遙感圖像,對(duì)鴨綠江近30 多年來(lái)的江岸變遷 情況進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了許多一直未被有關(guān)部門覺察和重視的問(wèn)題,為維護(hù)我國(guó)的領(lǐng)土權(quán)益, 更好地利用鴨綠江的水資源和水力資源提供了重要資料。
 
  2.2 地下水資源勘查
 
  2.2.1 應(yīng)用概況  遙感圖像能夠真實(shí)反映地表地形、地貌、巖性、第四紀(jì)沉積物、地質(zhì)構(gòu)造、水系、植被 覆蓋等水文地質(zhì)要素的空間展布特性及相互聯(lián)系。在地下水勘查中運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)勘查區(qū)各 類地質(zhì)要素進(jìn)行解譯和提取,并結(jié)合多學(xué)科、多信息的綜合分析,可以對(duì)區(qū)域的水文地質(zhì)條 件和地下水的分布特征得出系統(tǒng)、客觀的結(jié)論。  對(duì)第四紀(jì)松散層中的孔隙潛水來(lái)說(shuō),其水文地質(zhì)條件通常與地貌、第四紀(jì)地質(zhì)、新構(gòu)造 和植被覆蓋等要素有著極為密切的聯(lián)系。利用遙感圖像上的色調(diào)、形態(tài)、紋理、結(jié)構(gòu)等影像 特征提取這些要素,對(duì)于圈定相對(duì)富水地段、判斷含水層的層位和各種邊界條件具有良好的 效果。在此基礎(chǔ)上,綜合常規(guī)勘探資料,可以較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地下水資源
 
  對(duì)于基巖裂隙水、巖溶水來(lái)說(shuō),其水文地質(zhì)條件與地貌(含微地貌)、斷裂構(gòu)造(包括  裂隙發(fā)育程度)、巖性(包括破碎程度和含水性)、地表水補(bǔ)給條件和植被覆蓋等要素密切相 關(guān),而遙感圖像在揭示地貌類型、斷裂構(gòu)造及植被方面具有特別的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)編制水文地質(zhì) 下墊面圖,并結(jié)合多年降水量及入滲系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)分析,可估算出地下水天然補(bǔ)給量; 綜合分析遙感信息與常規(guī)調(diào)查資料,可以圈定出基巖地區(qū)相對(duì)富水區(qū)段,從而獲得比較滿意 的找水效果。
 
  在巖溶石山地區(qū),遙感圖像可以清晰反映各種巖溶地貌和地質(zhì)構(gòu)造特征,展示地表徑流 的分布和走勢(shì),從而可用以揭示地表水與地下水之間的空間關(guān)系,推測(cè)地下暗河的展布,為 進(jìn)行巖溶發(fā)育規(guī)律的研究和尋找地下富水地段提供直觀依據(jù)。
 
  2.2.2 主要應(yīng)用實(shí)例
 
  近十多年來(lái),我中心利用多種遙感數(shù)據(jù)在西北及其它地區(qū)開展過(guò)一系列水文地質(zhì)調(diào)查和 地下水勘查工作,其中主要有:新疆阿克蘇地區(qū)航空遙感水文地質(zhì)普查;甘肅酒泉地區(qū)航空 紅外線找水試驗(yàn);內(nèi)蒙河套東部地區(qū)古河道分布及耕地鹽堿化程度調(diào)查;大連地區(qū)沿海航空 紅外掃描成像淡水泉點(diǎn)調(diào)查;河南許昌熱紅外掃描影像水文地質(zhì)解譯;國(guó)土衛(wèi)星資料京津唐 地區(qū)水資源評(píng)價(jià)及合理開發(fā)應(yīng)用試驗(yàn)研究;長(zhǎng)江中下游河道變遷遙感調(diào)查;中朝界河鴨綠江 河床演變遙感對(duì)比研究;機(jī)載合成孔徑雷達(dá)圖像在探測(cè)沙漠腹地故河道中的應(yīng)用試驗(yàn)研究; 中巴地球資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在塔里木盆地北緣礦產(chǎn)和地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中的應(yīng)用;塔里木盆地 地下水資源和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查;西南巖溶石山地區(qū)石漠化遙感調(diào)查與演變分析等。這 些工作均取得了重要成果,例如:
 
  2.2.1 青海柴達(dá)木盆地水文地質(zhì)調(diào)查  利用遙感圖像圈定了地下水的富水地段,并初步確定了該地區(qū)地下水的埋藏深度和地下 水水質(zhì)的等級(jí),劃分了從山前到盆地中心鹽湖區(qū)的補(bǔ)給帶、徑流帶、溢出帶、鹽殼發(fā)育帶、 鹵水溢出帶、鹽湖化學(xué)沉積帶等六個(gè)分帶;在成都平原地區(qū),利用遙感資料成功地劃分出了 強(qiáng)富水區(qū)、富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū),用計(jì)算機(jī)分類處理方法結(jié)合鉆孔、水文測(cè)試數(shù) 據(jù)資料,分別計(jì)算出了地下水天然補(bǔ)給量及開采資源量;在京津唐地區(qū)水資源評(píng)價(jià)中,利用 遙感圖像進(jìn)行水文地質(zhì)要素解譯,編制了水文地質(zhì)下墊面圖,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式,進(jìn)行了 水資源評(píng)價(jià),并提出了水資源的進(jìn)一步開發(fā)利用意見
 
  2.2.2 塔里木盆地地下水資源和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查  針對(duì)塔里木盆地近幾十年來(lái)由于水資源無(wú)序開發(fā)和低效利用現(xiàn)象嚴(yán)重,塔里木河干流輸 水量逐年減少,下游約400km 河道斷流,尾閭臺(tái)特馬湖干涸,大片胡楊林死亡,區(qū)域環(huán)境日 趨惡化的現(xiàn)實(shí)情況,利用上世紀(jì)80 年代的MSS 圖像和2000 年前后的TM/ETM、中巴地球資 源一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空遙感圖像,進(jìn)行了地下水補(bǔ)給及水系分布特征、第四紀(jì)沉積物特性、 植被覆蓋和土地利用類型等要素的解譯;采用遙感數(shù)字圖像處理方法重點(diǎn)提取了地下水溢出 帶與天然露頭、地下水類型、含水巖組富水性、沖積平原、古河道、含水?dāng)嗔褬?gòu)造等反映淺 層地下水特征的地質(zhì)要素。在此基礎(chǔ)上分析了塔里木盆地淺層地下水的分布規(guī)律;圈定了 5m 以淺的淺層地下水的分布范圍;認(rèn)為區(qū)內(nèi)的地下水主要集中在塔里木河沖積平原、沖積 平原與南天山山前傾斜平原的交界地帶,其次是山前平原區(qū)內(nèi),北部山地區(qū)和南部塔克拉瑪 干沙漠區(qū)則很少。其中,第四系松散巖類空隙水是區(qū)內(nèi)淺層地下水分布的主體,含水層主要 為全新世沖積層;上更新統(tǒng)洪積層具有多層結(jié)構(gòu)的含水特點(diǎn);地下淡水和微咸水主要分布于 山前細(xì)土平原區(qū);全新世風(fēng)積層的淺層地下水貧乏。
 
  2.2.3 巖溶石山地區(qū)地下水資源勘查生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)  2002 年我中心在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“西南地區(qū)地下水資源勘查生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)” 實(shí)施項(xiàng)目中承擔(dān)了“石漠化現(xiàn)狀遙感調(diào)查與演變分析”工作項(xiàng)目,選用1990 年前后和2000 年左右兩期TM/ETM 衛(wèi)星數(shù)據(jù),進(jìn)行了我國(guó)西南和中南8 個(gè)省(市、區(qū))約76 萬(wàn)km2 巖溶石 山分布地區(qū)的石漠化現(xiàn)狀遙感調(diào)查演變趨勢(shì)分析,采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)成圖技術(shù),編 制了工作區(qū)“碳酸鹽巖分布圖”、“巖溶地貌分類圖”、“石漠化現(xiàn)狀圖”和“石漠化演變趨勢(shì)。