電法勘探找水技術(shù)方法研究與實(shí)際應(yīng)用

【摘要】多年來(lái)，應(yīng)用電法勘探找水技術(shù)對(duì)阜新地區(qū)地下水資源進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，采用激發(fā)極化法、電阻率法分區(qū)測(cè)量，共測(cè)792個(gè)測(cè)深點(diǎn)，1056條電剖面，控制面積280 Km2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了示范和推廣應(yīng)用研究，發(fā)明了“一種找水方法”，獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。用電測(cè)參數(shù)評(píng)價(jià)地下水資源主要應(yīng)用模糊聚類(lèi)劃分地下水富水性分區(qū)；應(yīng)用灰色聚類(lèi)法確定地下水所屬分區(qū)類(lèi)別。應(yīng)用地面電阻率與地下水涌水量建立回歸方程，預(yù)測(cè)單井涌水量；應(yīng)用地面電阻率與地下水礦化度建立回歸方程，預(yù)測(cè)地下水水質(zhì)。在電法勘探找水的基礎(chǔ)上進(jìn)行了打井驗(yàn)證，共打井508眼，成井率100%，新增節(jié)水灌溉面積2112hm2，增收380.16萬(wàn)元，為4300戶(hù)村民安裝了自來(lái)水，節(jié)省勘探費(fèi)811.80萬(wàn)元，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到1191.96萬(wàn)元。達(dá)到了“在貧水區(qū)尋找富水帶，在高礦化區(qū)尋找低礦化帶”的良好的水文地質(zhì)效果。

【關(guān)鍵詞】電法勘探；找水；聚類(lèi)分析；最佳井位；成井率；回歸方程；富水性；分區(qū)

1. 引言

阜新位于遼寧省西北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°01'-122 °56'，北緯41°41'-42°56'。全區(qū)東西長(zhǎng)220Km，南北寬120Km，地形分布為四山五丘一平原，屬于干旱半干旱氣候區(qū)。年平均降雨量400-500mm，集中到6-8月，占全年的70-80%。蒸發(fā)強(qiáng)度為1500-2000mm。水資源開(kāi)發(fā)系數(shù)為0.051-0.25，水資源有效利用系數(shù)為0.042-0.25，因地區(qū)而異。阜新山丘區(qū)近0.9萬(wàn)Km2，基本上屬于貧水區(qū)。平原區(qū)面積較小僅0.1萬(wàn)Km2，地下水資源較少。在過(guò)去幾十年的打井實(shí)踐中，已經(jīng)認(rèn)為淺部水資源貧乏，深部水資源較少，再加上氣候干旱等自然條件，在本區(qū)內(nèi)打井，成井率很低。雖然在本區(qū)內(nèi)就行了水文地質(zhì)普查，但勘察精度較低，局部水文地質(zhì)情況不清。從1984年開(kāi)始了電法勘探找水的研究，多年來(lái)應(yīng)用電法勘探技術(shù)對(duì)阜新地區(qū)地下水進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用激發(fā)極化法、電阻率法分區(qū)測(cè)量，共測(cè)792個(gè)測(cè)深點(diǎn)，1056條電剖面，控制面積280 Km2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了示范和推廣應(yīng)用研究，發(fā)明了“一種找水方法”，已經(jīng)獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。應(yīng)用地面電阻率與地下水涌水量建立回歸方程，預(yù)測(cè)單井涌水量；應(yīng)用地面電阻率與地下水礦化度建立回歸方程，預(yù)測(cè)地下水水質(zhì)；應(yīng)用模糊聚類(lèi)劃分地下水富水性分區(qū)；應(yīng)用灰色聚類(lèi)法確定地下水所屬分區(qū)類(lèi)別。在電探的基礎(chǔ)上進(jìn)行了打井驗(yàn)證，共打井508眼，成井率100%，取得了良好的水文地質(zhì)效果。

2. 一種找水方法

2.1步驟。一種找水方法，按如下步驟依次進(jìn)行： A、踏勘富水地段，選取探測(cè)目標(biāo)； B、以選取探測(cè)目標(biāo)為原點(diǎn)，采用電子自動(dòng)補(bǔ)償儀或積分電位儀，布設(shè)十字剖面，追索目的層段； C、采用電子自動(dòng)補(bǔ)償儀或積分電位儀，用電測(cè)深對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)所有井進(jìn)行測(cè)試； D、發(fā)現(xiàn)異常用電測(cè)深定位，先在異常點(diǎn)處布設(shè)十字電測(cè)深，再用五極電測(cè)深進(jìn)行地質(zhì)分層，確定含水層層位及最佳井位柱狀圖； E、根據(jù)井旁測(cè)深資料建立預(yù)測(cè)數(shù)字模型，尋找最佳富水區(qū)。

2.2所屬領(lǐng)域。

（1）電法勘探是根據(jù)巖石的導(dǎo)電性不同來(lái)判斷地下水賦存情況，它具有方法簡(jiǎn)單、速度快、容易學(xué)習(xí)和掌握、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。電探同鉆探相比可省投資90%以上。主要解決的問(wèn)題是：劃分第四系含水層、隔水層并求其埋深及厚度；進(jìn)行基巖裂隙水調(diào)查，查明構(gòu)造裂隙水位置及產(chǎn)狀；測(cè)定地下水的水位、補(bǔ)給關(guān)系及咸淡水分界面，測(cè)定地下水的流速、流向及滲透系數(shù)和含水層涌水量等等。

（2）本發(fā)明屬水文地質(zhì)領(lǐng)域，特別涉及一種用電測(cè)參數(shù)找水方法。其特點(diǎn)是：踏勘富水地段，選取探測(cè)目標(biāo)；以選取探測(cè)目標(biāo)為原點(diǎn)，布設(shè)十字剖面，追索目的層段；用電測(cè)深對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)所有井進(jìn)行測(cè)試；發(fā)現(xiàn)異常用電測(cè)深定位；根據(jù)井旁測(cè)深資料建立預(yù)測(cè)數(shù)字模型，尋找最佳富水區(qū)。本方法操作簡(jiǎn)便，能在貧水區(qū)尋找富水帶，可用于水文地質(zhì)領(lǐng)域。

2.3方法。一種找水方法主要有：電剖面法（復(fù)合四極對(duì)稱(chēng)剖面、聯(lián)合剖面）、電測(cè)探法（四極對(duì)稱(chēng)電測(cè)深、三極電測(cè)深、聯(lián)合電測(cè)深）。到一地區(qū)后，先在基巖出露及其附近進(jìn)行水文地質(zhì)踏勘，用地質(zhì)力學(xué)的方法分析構(gòu)造的位置、性質(zhì)和富水狀況，初步選出適宜打井的地點(diǎn)，布置十字電測(cè)剖面，發(fā)現(xiàn)異常位置，再布置電測(cè)深，依測(cè)深曲線解釋資料定井。在基巖覆蓋地區(qū)，同樣先作水文地質(zhì)踏勘和調(diào)查，了解民井和其它工程開(kāi)挖的基巖情況，為布置電測(cè)工作打好基礎(chǔ)。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查分析的結(jié)果，先用電剖面掃面，根據(jù)電性異常，圈出含水裂隙的位置、走向和范圍，推斷有意義的異常帶（點(diǎn)），布置電測(cè)深，了解巖石裂隙深部發(fā)育狀況，結(jié)合地下水的埋深確定井位。

3. 聯(lián)合剖面法

極距選擇及曲線特征： AO=BO>3-5倍的覆蓋層厚度，CO=7-10AO，MN=10-20m=點(diǎn)距。在安山巖、玄武巖、砂頁(yè)等基巖地區(qū)，聯(lián)合剖面法低阻正交點(diǎn)以及低阻異常的基巖裂隙含水特征具有10種形態(tài)。

3.1低阻正交點(diǎn)。低阻正交點(diǎn)，如圖1。多為斷層帶，且延伸較深，構(gòu)成陡立低阻薄層。出現(xiàn)了幅度較明顯，兩支分離好的低阻正交異常。當(dāng)?shù)妥鑵^(qū)較寬，并且異常升降幅度大時(shí)，如圖2。這反映了裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，范圍寬闊。這種情況定井時(shí)，要定在正交點(diǎn)上。

3.2ρsA、ρsB同時(shí)下降，呈低阻凹斗異常。這種情況有兩種反映，第一種是在覆蓋層薄或斷層破碎帶窄，多是只有一個(gè)測(cè)點(diǎn)視電阻率最低，如圖3。它呈尖底異常。這時(shí)定井，要定在尖底上；第二種是在覆蓋層厚時(shí)，則有兩個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)，電阻率最低，呈平底凹斗異常如圖4。這種情況定井時(shí)，定在幾個(gè)最低點(diǎn)的中間位置上。

3.3ρsA、ρsB同時(shí)降低的寬闊低阻區(qū)段。ρsA、ρsB同時(shí)降低的寬闊低阻區(qū)段，如圖5。種情況多為斷層帶或大的裂隙破碎帶。若異常帶左右兩支，升降幅度大，說(shuō)明裂隙發(fā)育強(qiáng)烈。這種情況定井時(shí)，要定在低阻區(qū)中心最低處。

3.4ρsA、ρsB同時(shí)下隆呈窄條狀。ρsA、ρsB同時(shí)下隆呈窄條狀，如圖6。這種情況反映了巖層層間發(fā)育好，但不寬闊。用不同極距測(cè)量時(shí)，窄條內(nèi)出現(xiàn)了正交點(diǎn)，表明巖石極破碎。若小極距出現(xiàn)正交點(diǎn)，說(shuō)明異常埋藏的淺。反之，大極距出現(xiàn)正交點(diǎn)，異常帶埋藏的深。這種情況定井時(shí)，多作幾個(gè)不同極距剖面，打在有正交點(diǎn)的位置上。若交點(diǎn)不好，就打在低阻點(diǎn)上。

3.5低阻凹斗的前后又出現(xiàn)了不明顯的正交點(diǎn)。低阻凹斗的前后又出現(xiàn)了不明顯的正交點(diǎn)，如圖7。種不明顯的正交點(diǎn)是裂隙帶窄，發(fā)育淺，電性與圍巖差異不大，或是電極距和測(cè)線選擇方向不當(dāng)，也可能是受不均勻體的影響致使正交點(diǎn)偏離。所以定井時(shí)，仍要定在凹斗異常最低處。

3.6低阻正交點(diǎn)成麻花狀出現(xiàn)。低阻正交點(diǎn)成麻花狀出現(xiàn)，如圖8。這種情況，曲線正、反連續(xù)相交或凹斗，交點(diǎn)連續(xù)出現(xiàn)，對(duì)于這種曲線，我們認(rèn)為是斷層破碎帶的反映，但因破碎帶寬，帶內(nèi)巖石由于受構(gòu)造作用，軟硬變化大而頻繁，從而造成了曲線反復(fù)相交，這種情況定井時(shí)，一般是定在第一個(gè)出現(xiàn)正交點(diǎn)的位置上，有時(shí)也可定在凹斗最低處。

3.7高阻正交點(diǎn)。高阻正交點(diǎn)，如圖9。這種情況一般是巖脈的反映，也有的是地下水埋藏的較深，上部干裂隙電阻率高所致。

3.8ρsA、ρsB左右兩支近似對(duì)稱(chēng)，分離較好的低阻正交點(diǎn)。左右兩支近似對(duì)稱(chēng)，分離較好的低阻正交點(diǎn)，如圖10。這種情況往往是兩盤(pán)巖層電性差異不大的斷層裂隙或較厚的低阻巖脈的反映。

4. 電測(cè)深法

對(duì)曲線異常解釋?zhuān)罕仨氃谝巴夤ぷ髻|(zhì)量可靠的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在解釋前，要了解和收集所在地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，收集以往物探找水的資料和已知井的柱狀資料，并對(duì)已知資料進(jìn)行整理分析研究，在這個(gè)基礎(chǔ)上再進(jìn)行曲線異常解釋?zhuān)琄、H型曲線具有高中找低、低中求高、高中求高的含水層特征。

4.1高中找低。

（1）高中找低即在第四系松散層主要巖性大體相同的情況下，富水巖層電阻率較之不富水巖層顯著降低。這種特征反映在視電阻率斷面圖上，ρs等值線在水平方向上明顯地劃分出高低阻區(qū)，低阻區(qū)可考慮布井。

（2）高中求低即在高阻區(qū)下伏含水和不含水的砂礫石層在電測(cè)深曲線上以明顯的高低阻區(qū)電性層呈現(xiàn)出來(lái)。一般地講，不含水砂礫石層反映在K型曲線高阻段；含水砂礫石反映在H型曲線前支低阻段。因此，在高阻區(qū)中，尋找在曲線的橫坐標(biāo)上，K特征點(diǎn)埋深小，H特征點(diǎn)埋深大的低阻段，則是含水層厚度較大的富水最佳部位。

4.2低中求高。

（1）低中求高即在可能富水的低阻區(qū)中，含水砂礫石層的厚度大小也直接影響著含水巖組電阻率的高低變化。因此，在低阻區(qū)中，尋找在電測(cè)深H型曲線上電阻率相對(duì)高的地段，則是含水砂礫石厚度增大、富水最佳部位。

（2）低中找高即在第四系松散層中的粘性土和砂礫石電阻率有較大差異，前者低、后者高。反映在視電阻斷面圖上，ρs等值線也是在水平方向上可劃分出高低阻區(qū)。低阻區(qū)是貪水區(qū)，高阻區(qū)則為富水區(qū)。

（3）亞砂土、亞粘土和下伏玄武巖與含水砂礫石層，在電測(cè)深曲線上反映為明顯的高低阻電性層。亞砂土、亞粘土反映在H前支低阻段，為非含水層。玄武巖與砂礫石反映在H或K高阻段，為含水巖組。

4.3高中求高。高中求高即H段含水層電阻率增高，說(shuō)明含水巖組厚度相對(duì)加大，富水性更好的特征。

5. 地下水資源評(píng)價(jià)

地下水資源計(jì)算方法主要應(yīng)用模糊聚類(lèi)劃分地下水富水性分區(qū)；應(yīng)用灰色聚類(lèi)法確定地下水所屬分區(qū)類(lèi)別。應(yīng)用地面電阻率與地下水涌水量建立回歸方程，預(yù)測(cè)單井涌水量；應(yīng)用地面電阻率與地下水礦化度建立回歸方程，預(yù)測(cè)地下水水質(zhì)。

5.1模糊聚類(lèi)劃分地下水分區(qū)。

（1）應(yīng)用分地下水富水性分區(qū)，可使電測(cè)深曲線解釋實(shí)現(xiàn)定量化，提高了解釋精度和成井率。模糊數(shù)學(xué)是研究和處理客觀存在的不精確的模糊現(xiàn)象的一種數(shù)學(xué)方法，模糊聚類(lèi)分析是模糊數(shù)學(xué)中模糊性度量的一種形式，它是把模糊性問(wèn)題按一定要求和規(guī)律進(jìn)行分類(lèi)的方法。

（2）設(shè)有n個(gè)待分類(lèi)的樣本：x1，x2，x3，…，xn。每個(gè)樣本均具有S種屬性。我們將這些屬性定量化，即用數(shù)學(xué)來(lái)描述它們的屬性，于是對(duì)于每個(gè)樣本就對(duì)應(yīng)著一組描述它的各種屬性的一組數(shù)：y1，y2，y3，…，yj，…，ys（其中yj表示描述樣本第j個(gè)屬性的數(shù)）。我們稱(chēng)這組數(shù)為樣本的S個(gè)指標(biāo)。不同的xij表示第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)。這樣，n個(gè)樣本x1，x2，x3，…，xn的各種指標(biāo)可以用表1中的形式來(lái)表示。

由表1可見(jiàn)，樣本xi可以由行距離（xi1，xi2，…，xis）來(lái)描述。為了刻劃樣本之間接近的程度，我們用絕對(duì)值減數(shù)法或相關(guān)系數(shù)法來(lái)計(jì)算模糊矩陣[rij]。根據(jù)絕對(duì)值減數(shù)法公式：

建立模糊相容關(guān)系，通過(guò)模糊矩陣的合成運(yùn)算：

R·R=R2

R2·R2=R4

…

（3）可以求得Rn-1·Rn-1一定是模糊等價(jià)關(guān)系，我們可以利用它來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。將我們所測(cè)得的電參數(shù)代入上述公式，就得到我們所需要的數(shù)學(xué)模型。

5.1.1電阻率法應(yīng)用實(shí)例。勘探區(qū)面積20hm2，僅有一眼供水井。干旱季節(jié)大片禾苗枯萎，為尋找富水帶，我們?cè)跍y(cè)區(qū)開(kāi)展了對(duì)稱(chēng)四極電阻率測(cè)探工作。根據(jù)井旁測(cè)深資料統(tǒng)計(jì)，該區(qū)水位以上地層電性參數(shù)大致為：①黃土狀亞砂土（Q1），ρs值為120-150Ω·m；②卵石細(xì)砂含水層（Q3），ρs值為200-250Ω·m；③亞粘土層（Q2），ρs值為75-80Ω·m；局部ρs值為更小，其值隨土層顆粒大小而異。根據(jù)本區(qū)K型曲線的特點(diǎn)，可知地層自上而下ρs①<ρs②>ρs③。可以認(rèn)為第二層厚度與第一層度大得多時(shí)將不存在等值現(xiàn)象。則第二層橫向電阻的變化必將引起地下電流場(chǎng)分布的改變，曲線形態(tài)也有差異。當(dāng)電測(cè)深曲線十分相似時(shí)，它們的橫向電阻一定近似相等。因此，我們選定ρ12，h12，Rt三個(gè)特征參數(shù)作為相似因子，建立模糊矩陣。ρ12為代替層Q2點(diǎn)視電阻率；h12為代替層Q2點(diǎn)橫坐標(biāo)；Rt為含水層橫向電阻，即ρ12（h12-Rt）；h1-為第一層厚度。 在該區(qū)選8條測(cè)深曲線為給定樣本，即：s1，s2，…，s8，建立模糊建立模型。用量板解釋所得的特征參量見(jiàn)表2。

根據(jù)絕對(duì)值減數(shù)法公式建立模糊相容關(guān)系，得到模糊矩陣如下：