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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)計學方法將地震數(shù)據(jù)與鉆孔滲透系數(shù)相關聯(lián)，通過調(diào)整地下水模型的水動力邊界條件，使該模型與多個鉆孔觀測到的水頭相符，使用粒子追蹤來模擬示蹤劑到達時間，模型計算所得的示蹤劑到達時間與現(xiàn)場觀測結果基本一致?

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？往哪動？

就成了評估污染風險的重要問題。

德國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-水動力模型，成功地模擬了在德國北部的Belau試驗場進行的野外示蹤實驗。
 

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造特性，而是需要詳細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力學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)域可能主導整個區(qū)域地下水流動狀態(tài)。

為彌補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)，作為間接測量資料，兩者相結合，可以克服在獲取地下環(huán)境特征以描述地下水流動與遷移溶質(zhì)運移過程中所遇到的一些主要問題。

Belau環(huán)境研究實驗場成立于1990，其研究項目主要為淺層冰川沉積物中的小尺度流動和輸運過程以及地球化學參數(shù)的波動。研究開始以來約完成了13個鉆孔的鉆探。

鉆孔被設置為多級測井（M）、全屏蔽測井（B）和測壓計（D）。5個多級測井可通過永久取樣裝置在含水層不同深度進行取樣。為了確定含水層的水動力學特性，鉆探過程中每米提取600個土壤樣品，并識別地質(zhì)序列變化。取約300個樣品測定粒度分布并計算水動力傳導系數(shù)。

根據(jù)Piotrowski (1994)，該場地的沉積層是European Elster, Saale 和 Weichsel冰期的冰川沉積物。作為一個主要的地下不整合構造，一個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個湖泊之一—與該通道對齊。第四系底下沉積層可根據(jù)水動力學性質(zhì)分為兩個主要的含水層系統(tǒng)-I和II。

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

為描述實驗場小尺度水流和輸運過程，Rumohr (1995)進行了一個自然示蹤劑梯度實驗。示蹤劑實驗自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，下游所有多級井進行采樣對示蹤劑注射進行跟蹤。

使用一維方法計算流速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性，繪制與平流運輸相關的示蹤劑到達時間曲線。

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行了一次地震層析成像，獲得了鉆孔之間的地震波速度結構分布。

將高分辨率層析成像數(shù)據(jù)和水動力學鉆孔數(shù)據(jù)相結合，是將地下構造的非均勻性納入局部水文地質(zhì)場地模型的基礎。

接著，根據(jù)對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)相結合，并應用于層析成像，其成果即為B9和M7之間的高分辨率滲透系數(shù)結構。

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

通過地震層析成像進行研究的區(qū)域大致位于計算的地下水流動網(wǎng)格的中間。為將水動力學數(shù)值分配給層析成像區(qū)域以外的邊緣區(qū)域，對地震波速等級進行了外推。雖然這些外部區(qū)域影響整個流態(tài)，但關注的焦點僅限于由層析成像圖像覆蓋的區(qū)域。根據(jù)地震波速等級分布，使用SPP方法，生成一個孔隙度分布成果和多個模式下的滲透系數(shù)場成果

上述案例基于地震-水動力模型，成功地模擬了一次場地實驗。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)計學方法將地震數(shù)據(jù)與鉆孔滲透系數(shù)相關聯(lián)，通過調(diào)整地下水模型的水動力邊界條件，使該模型與多個鉆孔觀測到的水頭相符，粒子追蹤被用于模擬示蹤劑到達時間，模型計算所得的示蹤劑到達時間與現(xiàn)場觀測結果基本一致。

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

翻譯：王雷

參考文獻：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.