遥感技术在地下水资源勘查中的应用

1航空物探与遥感技术在地下水勘查中的应用熊盛青唐文周刘浩军（中国国土资源航空物探遥感中心，北京，100083）摘要：综合航空物探方法是地下水勘查中行之有效的方法，具有快速、高效、成本低、便于大面积工作、发现和区分目标能力较强等特点，近年在世界各地干旱区地下水勘查中得到广泛应用，取得了良好效果。我国从20世纪80年代开始利用航空电磁测量和航空磁测在江苏连云港等地区进行圈定地下淡水、划分咸淡水界限、寻找地下热水等工作，均取得较好的结果。2002年我国引进了国际上先进的直升机航空电磁测量系统。航空物探将会在我国地下水勘查中发挥越来越重要的作用。采用遥感技术，通过对遥感图像反映的地形、地貌、岩性、第四纪沉积物、地质构造、水系、地表覆盖等水文地质要素的解译分析，可进行水文地质填图和地下水资源评价。随着多光谱、热红外、微波等遥感新技术、新方法的发展和日益完善，遥感在地下水勘查中的应用技术将更加成熟，并发挥出越来越大的作用。关键词：地下水、勘查、航空物探、航空电磁测量、遥感技术、图像1航空物探勘查地下水的应用1.1地下水勘查中的航空物探方法简介航空物探是把地球物理勘探技术与航空技术结合的一门新技术，是一种获取并研究岩石圈，特别是与地壳有关的多种地球物理场信息的方法手段。利用安装在飞机上的物探设备测量天然地磁场、放射性和人工发射的电磁场，通过数据处理与分析，推断出地表及地下地质体、构造等分布特征。常见方法包括航空磁测、航空电磁测量和航空放射性测量。航空磁测主要通过测量地磁场，推断地下地质构造，一般探测深度较大，可达数公里或更大，用于了解控制水文地质环境的地质构造，间接寻找地下水和地下热水。而航空放射性测量利用水体对放射性能量的吸收呈现低值异常，据此可用于寻找浅层地下水。航空电磁测量利用含水层和不含水层，以及不同含盐度水的电阻率（或电导率）的差别，通过电磁测量，转换成电阻率（或电导率）的空间分布，从而确定不同含盐度的地下水的赋存，是地下水勘查的主要航空物探方法。航空电磁测量按激发场形式的不同可分为频率域和时间域航空电磁测量两种，根据发射和接收线圈的安装方式分为固定翼和直升机吊舱式两种。由于人工激发电磁场的方式不同，各种航空电磁法的探测深度相差较大。实际工作中可根据地质任务、测区水文地质和地形等条件选择不同的方法。固定翼频率域航空电磁测量方法，效率高，成本低，但要求工作地区地形起伏较小，探测深度较浅，一般为几十米；直升机吊舱式频率域航空电磁测量，探测深度较大，一般可达100m左右，对工作地区地形要求较低，但工作效率稍低，相应成本增高；且要求工作地区地形起伏较小；直升机吊舱式时间域航空电磁测量探测深度200m左右固定__________________________第一作者简介：熊盛青，男，1963年8月出生，博士，中国国土资源航空物探遥感中心副主任、总工程师，教授级高级工程师，博士生导师。长期从事航空物探、遥感技术应用研究和技术管理工作。翼时间域航空电磁测量探测深度最大，可达200-300m，甚至达600-700m，但工作成本与固定翼时间域方法相比探测深度要小一些，但工作成本和对地形起伏要求都较低，是一种很有发展前景的方法，不过目前还正在研制之中，尚未用于生产测量。当前国外主要采用直升机吊舱式频率域电磁系统和固定翼时间域航空电磁系统；我国主要采用固定翼频率域航空电磁测量系统，2002年新引进的直升机吊舱式频率域电磁系统，正在试验之中。1.2航空物探在地下水勘查中的主要应用以往，航空物探主要用于地质找矿和填图、油气勘查等工作。近年来，由于航空物探工作效率高，成本较低，便于大面积工作，尤其随着测量精度的提高，发现和区分目标能力增强，越来越得到水文勘查工作者的青睐。近几年，在世界各地干旱地区找寻地下水勘查中，航空物探方法技术得到广泛应用。在国外，如美国、澳大利亚、非洲和亚洲等一些国家，在找水工作中，尤其是在沙漠干旱地区的找水工作中，航空物探发挥了重要作用，取得了良好的效果。我国从20世纪80年代中期开始，利用航空电磁测量和航空磁测在江苏连云港、河2北南宫、辽宁大连等地区进行圈定地下淡水、划分咸淡水界限等工作，均取得较好的结果，但总体上讲，应用潜力尚未得到充分发挥，且与国外有较大差距。1.2.1国外应用实例由于近年来航空电磁测量在系统硬件和处理解释软件方面都取得了显著进展，利用航空电磁测量进行水文地质勘查的工作日益增多，已成为水文地质勘查工作的重要组成部分。1.2.1.1利用DIGHEM系统寻找浅层淡水及地热水DIGHEM系统是频率域直升机吊舱系统。在纳米比亚干旱地区，用该系统进行了寻找浅层淡水测量，通过用5个频率电磁数据转换的电导率-深度图像（CDI）表明，高阻体与淡水体吻合较好，并且利用多条CDI剖面立体地查明了淡水体的空间分布特征。另外，富含矿物质的地热水通常显示良导特性，当其上涌到浅部时，在航电异常图上显示高电磁响应，因此，航空电磁测量在地热水勘查方面也能发挥一定的作用，DIGHEM公司在这方面也作了一些工作。1.2.1.2利用QUESTEM系统进行水文地质勘查及土地调查近几年，在西澳大利亚地区利用时间域航空电磁系统进行了大量测量，主要用于解决水文地质和土地管理问题，比如水资源评价、土地含盐度评价以及预测和处理，并与GIS技术结合为农业规划服务。在澳大利亚已把航空电磁-磁测量作为政府土地管理工作的一个重要部分，在昆士兰和维多利亚等地，也为解决水文地质调查和农业规划进行了大量航空电磁-磁测量。WorldGeoscience公司公布了许多实例，显示了应用航空时间域电磁系统（QUESTEM）获得的数据能够通过转换的电导率填图监测含盐度。在澳大利亚西部干旱地区，利用频率域航空电磁测量在圈定古河道、寻找浅层淡水方面取得较好效果。1.2.1.3利用GEOTEM系统及航空物探综合测量进行地下水调查美国地调局于1997年和1999年在亚利桑那州南部圣佩德罗河谷一带进行了航空地球物理测量飞行。测量使用的是总场磁力仪和60道时间域GEOTEM航空电磁（AEM）系统。通过对磁数据进行欧拉反褶积处理，得到了磁源深度，结合重力数据，推断了圣佩德罗河谷下面的基底起伏和构造。通过电导率深度转换（CDT）推断出了沿飞行线的次级水平导体，推论这个导体是地下水。为提高解释的可靠性，他们尽量对照附近水井的电测井资料来校准电导率深度转换。通过对比表明，探测深度可达400m,在150m深度以浅，电导率深度转换值与电测井曲线吻合，从150m到大约400m深度两者曲线基本吻合。1.2.2国内应用实例1.2.2.1在江苏连云港地区区分咸淡水界限并寻找地下淡水体该地区大部分为第四纪覆盖，仅在东北部有少量老地层出露。航空电磁测量采用520Hz、2020Hz、8020Hz三种频率测量异常的实、虚分量，经解释推断对全区划分了咸淡水界限、圈定了多个地下淡水体的范围，并推断了新构造运动引起的浅断裂。经验证，推断圈定的该地区南岗地下淡水体的范围与地质调查的结果一致。1.2.2.2在河北南宫地区寻找古河道中的淡水体该地区位于河北南部海河流域冲积平原上，全部为第四纪覆盖，盐碱地发育，地下赋存有古河道淡水。利用航空电磁测量520Hz、2020Hz、8020Hz三种频率测量异常的实、虚分量值，经解释推断圈定了地下古河道淡水范围。1.2.2.3在山东黄河口地区划分咸淡水界限并圈定地下淡水体范围航空电磁测量采用520Hz、2020Hz、8020Hz三种频率测量异常的实、虚分量，同时进行了高精度航空磁测和航空伽玛能谱测量。利用航空电磁测量的结果，圈出了海侵的程度和分布界限；按照电阻率的高低，划分了强海侵、中强海侵、中等海侵、中弱海侵、弱海侵、浅部弱海侵深部非海侵和非海侵几种类型区，并提出了在海侵边界附近形成了上咸下淡的双层结构的过渡区。这种推断结果部分已得到水文地质成果的佐证；依据不同频率电磁异常的范围、电磁响应的强弱变化规律，以及结合当地水文地质情况，推断了黄河口地区地下浅层淡水远景区的分布，圈定了浅部淡水、半咸水与咸水的界限，并在淡水中划分出三种级别的浅层淡水远景区。经对部分异常地面查证，表明利用航空电磁测量寻找浅层3淡水是有效的，而且可以寻找咸水层下的淡水体。利用高精度航空磁测的结果研究推断了黄河口地区的基底构造和断裂构造，并通过分析地下热水的分布规律，结合区内已知地下热水的情况，建立了寻找地下热水远景区模型，认为强度较高、梯度较大的区域磁力高反映基底埋深相对较浅，区域磁场梯度较陡多反映居里等温面相对隆起，因此地温梯度也较高，且区域磁力高边缘的梯度带多反映较大规模的深断裂，有利于地下水深循环和正常热传导，而断裂交汇部位对形成地下热水有利，因此区域性基底隆起和具有一定活动性规模较大的深断裂是形成地下热水的两个不可缺少的条件。依据这个模型圈定了四片地下热水远景区。2遥感技术在地下水勘查中的主要作用过去的40多年里在地质应用领域，遥感方法以其宏观、形象、快速、经济和短周期提供多时相数据等技术优势，为地质工作者了解地质体与地质现象的时空分布特征和相互关系，推断地质作用过程和运动现状，预测矿产的前景和地质灾害的发生等提供了大量真实信息，为促进地质工作的发展做出了积极贡献。其中在水文地质、工程地质与环境地质等领域也取得了一系列令人鼓舞的成果。2.1地表水资源现状调查与动态变化分析地下水的形成及赋存状态与地表水资源有着极其密切的关系。在调查地表水资源方面，可以非常方便地利用水体明显区别于其它地物的特殊光谱特性，直接从遥感图像上提取水体信息；利用不同时相的遥感数据，经计算机几何纠正、叠加配准等处理，可以定量地提取江河、湖泊水体的动态变化信息，从而推测江河、湖泊岸线的演变规律；根据江河、湖泊水量的变化和对地下水的补给关系分析地下水位的可能变化趋势。在1998年长江、嫩江和松花江发生特大洪水期间，我中心及时获取了1998年8月14日、17日加拿大雷达卫星（Radarsat）的SAR数据，与洪水区1996年美国陆地卫星（Landsat）TM数据进行配准、叠加，形成多光谱与微波的叠合图像。利用水体吸收微波的特性，在叠合图像上提取了洪水泛滥的信息。编制成的长江沙市至安庆段及嫩江、松花江齐齐哈尔至哈尔滨段的洪水灾情遥感影像图十分清晰直观，为有关部门及时了解洪水的总体态势、洪水淹没范围，进一步部署灾情评估、抗灾救灾及灾后重建工作提供了重要依据。与此同时，还利用航空、航天遥感资料，结合常规调查资料，研究分析了长江中下游的河道变迁现状和演变规律。鸭绿江是我国和朝鲜的界河。由于两国人民长期以来友好相处，分界线一直未正式勘定。但是，河流是一种始终处于动态中的地质体，受地质、地貌、水文、气候和河流本身弯曲状态等因素的控制，河水会不断地冲蚀某侧河岸，而在另一侧发生堆积，致使岸线不断变动，主航道中心线（国际公认的分界依据）经常漂移，河道中的岛屿与心滩范围不断变化而其归属产生异议。鸭绿江的情况也是如此，因而中朝两国之间为此常有一些争议。我中心曾按原地质矿产部的部署，利用多时相的航空和航天遥感图像，对鸭绿江近30多年来的江岸变迁情况进行了分析，发现了许多一直未被有关部门觉察和重视的问题，为维护我国的领土权益，更好地利用鸭绿江的水资源和水力资源提供了重要资料。2.2地下水资源勘查2.2.1应用概况遥感图像能够真实反映地表地形、地貌、岩性、第四纪沉积物、地质构造、水系、植被覆盖等水文地质要素的空间展布特性及相互联系。在地下水勘查中运用遥感技术对勘查区各类地质要素进行解译和提取，并结合多学科、多信息的综合分析，可以对区域的水文地质条件和地下水的分布特征得出系统、客观的结论。对第四纪松散层中的孔隙潜水来说，其水文地质条件通常与地貌、第四纪地质、新构造和植被覆盖等要素有着极为密切的联系。利用遥感图像上的色调、形态、纹理、结构等影像特征提取这些要素，对于圈定相对富水地段、判断含水层的层位和各种边界条件具有良好的效果。在此基础上，综合常规勘探资料，可以较准确地评价地下水资源。4对于基岩裂隙水、岩溶水来说，其水文地质条件与地貌（含微地貌）、断裂构造（包括裂隙