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摘要：使用Geotomographie公司IPG跨孔地震成像系統(tǒng)獲取井間地震波速分布情況，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將地震數(shù)據(jù)與鉆孔滲透系數(shù)相關(guān)聯(lián)，通過調(diào)整地下水模型的水動(dòng)力邊界條件，使該模型與多個(gè)鉆孔觀測(cè)到的水頭相符，使用粒子追蹤來模擬示蹤劑到達(dá)時(shí)間，模型計(jì)算所得的示蹤劑到達(dá)時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果基本一致?

地下水

是指地面以下賦存于土壤和巖石空隙中的水

往往具有

水質(zhì)好、分布廣、便于開采等特征，

是生活飲用水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的重要水源

地下水怎么動(dòng)？往哪動(dòng)？

就成了評(píng)估污染風(fēng)險(xiǎn)的重要問題。

德國(guó)Geotomographie公司的Thomas Fechner等在論文《A hydro-geophysical tomographic approach to model groundwater flow and transport》中，基于地震-水動(dòng)力模型，成功地模擬了在德國(guó)北部的Belau試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的野外示蹤實(shí)驗(yàn)。
 

在小尺度上，平均沉積物性質(zhì)可能不適合用于描述污染物遷移的地下構(gòu)造特性，而是需要詳細(xì)的含水層特征來描繪優(yōu)先水流路徑。此外，河流含水層沉積物的水動(dòng)力學(xué)特性可能在幾十年內(nèi)在小距離上發(fā)生變化，只有少數(shù)高度連通且低阻的區(qū)域可能主導(dǎo)整個(gè)區(qū)域地下水流動(dòng)狀態(tài)。

為彌補(bǔ)疏距鉆孔橫向分辨率差的問題，可以采用地球物理跨孔方法以較高的分辨率來描述地下特征。將鉆孔樣品資料作為直接測(cè)量資料，將具有優(yōu)異的垂直分辨率和“軟”高分辨率的地球物理資料，如層析成像數(shù)據(jù)，作為間接測(cè)量資料，兩者相結(jié)合，可以克服在獲取地下環(huán)境特征以描述地下水流動(dòng)與遷移溶質(zhì)運(yùn)移過程中所遇到的一些主要問題。

Belau環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)場(chǎng)成立于1990，其研究項(xiàng)目主要為淺層冰川沉積物中的小尺度流動(dòng)和輸運(yùn)過程以及地球化學(xué)參數(shù)的波動(dòng)。研究開始以來約完成了13個(gè)鉆孔的鉆探。

鉆孔被設(shè)置為多級(jí)測(cè)井（M）、全屏蔽測(cè)井（B）和測(cè)壓計(jì)（D）。5個(gè)多級(jí)測(cè)井可通過永久取樣裝置在含水層不同深度進(jìn)行取樣。為了確定含水層的水動(dòng)力學(xué)特性，鉆探過程中每米提取600個(gè)土壤樣品，并識(shí)別地質(zhì)序列變化。取約300個(gè)樣品測(cè)定粒度分布并計(jì)算水動(dòng)力傳導(dǎo)系數(shù)。

根據(jù)Piotrowski (1994)，該場(chǎng)地的沉積層是European Elster, Saale 和 Weichsel冰期的冰川沉積物。作為一個(gè)主要的地下不整合構(gòu)造，一個(gè)Elster冰期的冰川通道由北向南貫通。Bornhoeved 湖區(qū)的湖泊—Belau湖是5個(gè)湖泊之一—與該通道對(duì)齊。第四系底下沉積層可根據(jù)水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)分為兩個(gè)主要的含水層系統(tǒng)-I和II。

位于Belau東側(cè)的Belau試驗(yàn)場(chǎng)為調(diào)查上層含水層系統(tǒng)I而建立，該區(qū)域由三個(gè)總厚度約40米的融水層組成。該融水層由Saale-Sander, Wankendorfer-Sander和 Kaluebber-Sander沙質(zhì)沉積層構(gòu)成，其中Kaluebber-Sander在該位置為不飽和層。

為描述實(shí)驗(yàn)場(chǎng)小尺度水流和輸運(yùn)過程，Rumohr (1995)進(jìn)行了一個(gè)自然示蹤劑梯度實(shí)驗(yàn)。示蹤劑實(shí)驗(yàn)自1994年5月2日（零日）開始，至1995年10月共持續(xù)約200天。1小時(shí)內(nèi)約1500g伊紅注入至上游鉆孔B9，注入位置自海拔11m至24m。起始示蹤劑濃度約1g/L，下游所有多級(jí)井進(jìn)行采樣對(duì)示蹤劑注射進(jìn)行跟蹤。

使用一維方法計(jì)算流速Va和縱向彌散系數(shù)D1，為說明示蹤劑穿透曲線與深度的相關(guān)性，繪制與平流運(yùn)輸相關(guān)的示蹤劑到達(dá)時(shí)間曲線。

首先，采用Geotomographie的IPG地震層析成像系統(tǒng)，在鉆孔B9和M7之間，沿平行于地下水流的方向進(jìn)行了一次地震層析成像，獲得了鉆孔之間的地震波速度結(jié)構(gòu)分布。

將高分辨率層析成像數(shù)據(jù)和水動(dòng)力學(xué)鉆孔數(shù)據(jù)相結(jié)合，是將地下構(gòu)造的非均勻性納入局部水文地質(zhì)場(chǎng)地模型的基礎(chǔ)。

接著，根據(jù)對(duì)比分析鉆孔地震波速與滲透系數(shù)數(shù)據(jù)，將上一步所獲得的鉆空間地震波速轉(zhuǎn)換成滲透系數(shù)，使用篩分析方法所獲得的滲透系數(shù)“硬”數(shù)據(jù)與地震資料“軟”數(shù)據(jù)相結(jié)合，并應(yīng)用于層析成像，其成果即為B9和M7之間的高分辨率滲透系數(shù)結(jié)構(gòu)。

建立了包含高分辨率數(shù)據(jù)的水動(dòng)力概念模型。地下水的流向向西，往湖泊方向。如前所述，湖區(qū)附近的水動(dòng)力學(xué)條件是復(fù)雜的，在對(duì)進(jìn)出關(guān)注區(qū)域的水流的不同組分進(jìn)行量化方面有許多不確定之處。

通過地震層析成像進(jìn)行研究的區(qū)域大致位于計(jì)算的地下水流動(dòng)網(wǎng)格的中間。為將水動(dòng)力學(xué)數(shù)值分配給層析成像區(qū)域以外的邊緣區(qū)域，對(duì)地震波速等級(jí)進(jìn)行了外推。雖然這些外部區(qū)域影響整個(gè)流態(tài)，但關(guān)注的焦點(diǎn)僅限于由層析成像圖像覆蓋的區(qū)域。根據(jù)地震波速等級(jí)分布，使用SPP方法，生成一個(gè)孔隙度分布成果和多個(gè)模式下的滲透系數(shù)場(chǎng)成果

上述案例基于地震-水動(dòng)力模型，成功地模擬了一次場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)。使用高分辨率地震層析成像獲取井間地震波速分布情況，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將地震數(shù)據(jù)與鉆孔滲透系數(shù)相關(guān)聯(lián)，通過調(diào)整地下水模型的水動(dòng)力邊界條件，使該模型與多個(gè)鉆孔觀測(cè)到的水頭相符，粒子追蹤被用于模擬示蹤劑到達(dá)時(shí)間，模型計(jì)算所得的示蹤劑到達(dá)時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果基本一致。

此項(xiàng)目的研究成果，為在小尺度上使用地球物理數(shù)據(jù)來模擬和預(yù)測(cè)地下水流量和輸運(yùn)提供了一個(gè)研究思路和方向，具有一定的借鑒意義。

翻譯：王雷

參考文獻(xiàn)：Thomas Fechner.

A hydro-geophysical tomographic approach to model groundwater flow and transport[A]. International Conference on Engineering Geophysics[C]. Al Ain, United Arab Emirates: 2017.