基于瞬变电磁法的东平县饮用水水源地渗透系数研究

侯恩光,段建筑,张升弟,杨会清,张 芹,岳 超,谭秀翠

1.泰安市水文局,山东 泰安 271018

2.山东农业大学水利与土木工程学院,山东 泰安 271018

山东省作为农业大省、经济大省，也是水资源消耗大省，水资源匮乏是重要的省情，由于水资源供需矛盾突出，水资源利用以地下水为主，地下水开采利用程度较高[1]。为适应经济社会发展和水资源供求状况变化，实现水资源可持续利用，有必要查清地下水水资源状况，开展地下水资源评价。地下水资源评价中存在很多的不确定性因素，包括时间、空间上的不均一性，模型方面，参数方面等[2]，其中水文地质参数确定的正确与否，直接影响到地下水资源评价的效果及水资源量评价的精度，因此合理确定水文地质参数，对于地下水资源量合理评价及持续开发利用都具用重要的现实意义。

抽水试验是确定水文地质参数的主要方法[3]，这种方法测试精度高，但范围有限，资金耗费大，试验过程繁琐，对于埋深大、渗透性较弱的含水层，抽水试验难以实施。此外，微水试验[4,5]、震荡实验[6]是简便且相对快速测定水文地质参数的野外试验方法。Archie 提出孔隙率与电阻率经验公式，通过实践证明电阻率与渗透系数之间有很强的相关性[7,8]，进而采用水文地质物探方法推求含水层渗透系数被证明是行之有效的。喻永祥和吴吉春[9]从电流场和渗流场的相似性出发，研究电阻率和渗透系数之间的关系，采用高密度电阻率成像法推求张家港大新和塘桥两处渗透系数。郝红兵等[10]采用大地电磁测深法、高密度电阻率法查明日喀则地区地下水含水层结构和特征，评价水文地质参数。Kazakis 等[11]采用电阻率数据估算希腊北部Anthemountas 盆地复杂的孔隙含水层系统的水力参数。水文地质物探因其具有非破坏性、效率高、信息丰富等技术优势，能很好地反映地下介质物理性质的空间差异性，已经成为获取水文地质参数的一个重要手段。本文采用物探法中的瞬变电磁法对东平县饮用水水源地进行探测，获取各测线电阻率成像剖面数据，插值形成数据体，通过数据反演得到监测断面渗透系数空间分布，分析结果可为地下水资源评价提供可靠的水文地质参数，为东平县饮用水水源地地下水资源可持续开发利用提供有效保障。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

东平县饮用水水源地位于东平县城区，大清河北岸，东平湖东部，水源地共有开采井15 眼，水井位置见图1。东平县饮用水水源地位于东平东部溶蚀-剥蚀丘陵与山前倾斜平原的接触地带，属丘陵地貌类型，主要由寒武系灰岩组成，地形坡度10～20°。气候属于暖温带大陆性半湿润季风气候，具有四季分明的特点。全年平均气温13.4 ℃，多年平均降水量605.17 mm（1989 年-2014 年）。东平县饮用水水源地不是一个独立的水文地质单元，位于芦泉屯单斜岩溶水水文地质单元和汶泗河冲洪积扇孔隙水水文地质单元的交接地带。根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征，东平县城水源地地下水类型划分为3 类，见表1，其空间分布见图2。本次物探试验在位于焦村西北的新水厂1号、2 号、3 号井处开展，出水量50～140 m3/h，上覆第四系坡洪积孔隙含水岩组，水位埋深10～12 m，受大气降水及季节影响显著，地下水位起伏大；下伏碳酸盐岩类夹碎屑岩岩溶裂隙水，构造裂隙较为发育，水位埋深1～30 m 不等。

表1 地下水类型划分Table 1 Classification of groundwater types

图1 东平县饮用水水源地概况图 Fig.1 OverviewofdrinkingwatersourcesinDongpingCounty

图2 东平县饮用水水源地水文地质图Fig.2 HydrogeologicalmapofdrinkingwatersourcesinDongpingCounty

2001 年在东平县梯门乡苏庄一带进行视电阻率联合剖面和激化率电测深[12]，共完成联合剖面6条，激电测深点19 个，供电极距为AB/2=5、7、10、14、20、28、38、50、65、80、100、130、170、220、280、350、500 m。其中II-II′剖面布设8 个测深点，从测深曲线分析，见图3（a），Z14 点电阻率曲线异常明显，极化率高。通过水文地质钻探，查明该点主要含水层岩性为灰岩，含水层厚度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，结合该点水文地质柱状图可以看出，当厚层灰岩内存在断裂或构造裂隙时，破碎的岩石裂隙被水充填后，其电阻率值明显下降，电阻率在1～10 Ω·m，与构造裂隙两侧较完整的岩石电阻率有明显区别。

图3 II-II′剖面各测深点电阻率分布Fig.3 Resistivity distribution of II-II′profil e

1.2 研究方法

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是将接地导线或不接地回线向地下发射脉冲电流，一次场关断后，测量地下介质感应生成的二次场随时间的变化，水文地质体所感应生成的二次场电流越大，异常越明显，瞬变电磁法对含水的高导地层反应灵敏[13]。在同一深度处，不含水岩层表现为相对高阻反应，富水区表现为相对低阻反应。根据相关理论，地面瞬变电磁法二次场视电阻率的计算公式[14]：

式中，ρ为视电阻率；μ0为磁导率；S为发射框面积；N为发射框匝数；s为接收框面积；n为接收框匝数；t为衰减时间；V/I为归一化二次场感应电压。

本次瞬变电磁法探查仪器为中煤科工集团重庆研究院最新生产的YCS40 型瞬变电磁仪。通过“TEM 数据处理与解释系统”读取YCS40 瞬变电磁仪格式数据并进行视电阻率计算，形成三维观测数据体。对所有探测测线进行处理，形成各测线的反演电阻率成像剖面数据文件，以此数据为基础通过插值形成数据体，沿所需方向及深度做切片处理，形成探测方向测线色谱断面图。对于渗透系数的反演，主要根据测量的电阻率与抽水试验得到的渗透系数建立拟合方程，大量实践结果证明电阻率与渗透系数之间有很强的相关性（表2）。根据东平县饮用水水源地水文地质条件及YCS40 型瞬变电磁仪监测的电阻率数据格式，采用禹祥裕、夏建平在南京东郊岩溶水源地建立的拟合方程进行渗透系数的反演，并将反演结果与抽水试验结果进行比较，验证其可靠性。

表2 电阻率与渗透系数经验公式Table 2 Empirical formula for resistivity and permeability coefficient

2 结果与分析

2018 年10 月，在东平县饮用水水源地新城供水厂开展物探试验，在水井附近共布置4 条测线，通过TEM 数据解释系统，得到视电阻率剖面图，见图4，可以看出瞬变电磁法在研究区域有5 m 深的勘探盲区，主要是因为一次场脉冲发射后进行关断，形成关断延时，造成TEM 数据采集不能从0时刻开始，而0 时刻的电阻率为0 Ω·m，数据反演后将0 时刻对应的地表电阻率值赋予第一个采样深度所对应的反演电阻率值，这样就在0 时刻到第一个采样之间造成假电阻率，形成TEM 勘探的盲区[22]。4 个测线剖面，电阻率取值范围在0.11～87.26 Ω·m 之间，剖面2 因地下布设有通信光缆，影响信号传输，导致视电阻率剖面异常，剖面1、3、4 在埋深10 m 左右均形成了较为明显的低阻区，电阻率低于10 Ω·m，与苏庄物探结果的灰岩含水层电阻率取值基本一致，可判断该埋藏深度为主要的富水区。

图4 东平县水源地电阻率剖面示意图Fig.4 Resistivity profile of drinking water sources in Dongping Count

根据水源地附近宿城站地下水位观测数据显示，如图5 所示，站点空间位置见图1。2006-2018年地下水位平均埋深4.14 m，2018 年平均埋深4.62 m，可见低阻区为含水层的主要分布层位。y

图5 2006-2018 年宿城站地下水位埋深动态曲线Fig.5 Dynamic curve of groundwater depth at Sucheng station from 2006 to 2018

根据文献14 中的经验公式，采用视电阻率反演渗透系数，其剖面分布见图6，可以看出，除剖面2 异常外，另外3 个剖面在埋深10 m 左右的位置，渗透系数均相对较大，数值范围在20～30 m/d之间。

图6 东平县水源地渗透系数剖面示意图Fig.6 Permeability coefficient profile of drinking water sources in Dongping County

根据东平县饮用水水源地周边抽水试验成果资料，抽水试验点空间分布位置见图1。含水层顶板深度24.4 m，底板深度37.0 m，含水层厚度12.6 m，渗透系数K=21.71 m/d，与物探试验成果比较接近。可见，采用瞬变电磁法勘测含水层剖面电阻率，进而反演渗透系数是比较可靠的。

3 讨论

对于水文地质条件复杂，研究基础薄弱的区域，物探法对于快速查明地层结构、地下水赋存条件等方面有较为显著的优势，其中瞬变电磁法因具有施工便捷快速、受地形影响小、探测深度大、对含水体反应敏感等优点，已成为水文地质条件研究的主要手段之一[23]。但是瞬变电磁法因关断延时限制，存在数据勘探盲区[22]，因地下分布的铁器、电力装置会产生瞬变电磁响应[14]，进而干扰探测结果。这些都是在实际应用中需要注意的问题。为解决物探资料多解性问题，提高勘探精度，在试验条件允许的情况下，建议采用综合勘探法，刘树才等[24]采用瞬变电磁法与地震勘探的方法为山东某煤矿合理布置巷道和编制采区防治水预案提供了科学依据。

4 结论

本文采用物探法中的瞬变电磁法反演东平县饮用水水源地水文地质参数，主要得到以下结论：

1）YCS40 型瞬变电磁仪在东平县饮用水水源地有5 m 左右的勘探盲区，该仪器不适用于浅层水文地质条件的研究；

2）东平县饮用水水源地，视电阻率在0.11～87.26Ω·m，不含水岩层表现为相对高阻反应，富水区表现为相对低阻反应，主要含水层视电阻率在1～10 Ω·m，与历史物探数据基本一致；

3）东平县饮用水水源地，含水层渗透系数20～30 m/d，与抽水试验成果比较接近，验证了瞬变电磁法反演水文地质参数的可靠性，可在该区域相同水文地质条件区域进行参数的反演，为地下水资源的评价提供技术支撑。