遥感技术在地下水资源勘查中的应用

  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 ，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。World Geoscience 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。

 

  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  裂隙发育程度）、岩性（包括破碎程度和含水性）、地表水补给条件和植被覆盖等要素密切相 关，而遥感图像在揭示地貌类型、断裂构造及植被方面具有特别的优势。通过编制水文地质 下垫面图，并结合多年降水量及入渗系数等水文地质参数分析，可估算出地下水天然补给量； 综合分析遥感信息与常规调查资料，可以圈定出基岩地区相对富水区段，从而获得比较满意 的找水效果。

 

  在岩溶石山地区，遥感图像可以清晰反映各种岩溶地貌和地质构造特征，展示地表径流 的分布和走势，从而可用以揭示地表水与地下水之间的空间关系，推测地下暗河的展布，为 进行岩溶发育规律的研究和寻找地下富水地段提供直观依据。

 

  2.2.2 主要应用实例

 

  近十多年来，我中心利用多种遥感数据在西北及其它地区开展过一系列水文地质调查和 地下水勘查工作，其中主要有：新疆阿克苏地区航空遥感水文地质普查；甘肃酒泉地区航空 红外线找水试验；内蒙河套东部地区古河道分布及耕地盐碱化程度调查；大连地区沿海航空 红外扫描成像淡水泉点调查；河南许昌热红外扫描影像水文地质解译；国土卫星资料京津唐 地区水资源评价及合理开发应用试验研究；长江中下游河道变迁遥感调查；中朝界河鸭绿江 河床演变遥感对比研究；机载合成孔径雷达图像在探测沙漠腹地故河道中的应用试验研究； 中巴地球资源卫星数据在塔里木盆地北缘矿产和地下水资源调查评价中的应用；塔里木盆地 地下水资源和生态地质环境遥感调查；西南岩溶石山地区石漠化遥感调查与演变分析等。这 些工作均取得了重要成果，例如：

 

  2.2.1 青海柴达木盆地水文地质调查  利用遥感图像圈定了地下水的富水地段，并初步确定了该地区地下水的埋藏深度和地下 水水质的等级，划分了从山前到盆地中心盐湖区的补给带、径流带、溢出带、盐壳发育带、 卤水溢出带、盐湖化学沉积带等六个分带；在成都平原地区，利用遥感资料成功地划分出了 强富水区、富水区、中等富水区和弱富水区，用计算机分类处理方法结合钻孔、水文测试数 据资料，分别计算出了地下水天然补给量及开采资源量；在京津唐地区水资源评价中，利用 遥感图像进行水文地质要素解译，编制了水文地质下垫面图，结合经验数据和公式，进行了 水资源评价，并提出了水资源的进一步开发利用意见。

 

  2.2.2 塔里木盆地地下水资源和生态地质环境遥感调查  针对塔里木盆地近几十年来由于水资源无序开发和低效利用现象严重，塔里木河干流输 水量逐年减少，下游约400km 河道断流，尾闾台特马湖干涸，大片胡杨林死亡，区域环境日 趋恶化的现实情况，利用上世纪80 年代的MSS 图像和2000 年前后的TM/ETM、中巴地球资 源一号卫星数据和航空遥感图像，进行了地下水补给及水系分布特征、第四纪沉积物特性、 植被覆盖和土地利用类型等要素的解译；采用遥感数字图像处理方法重点提取了地下水溢出 带与天然露头、地下水类型、含水岩组富水性、冲积平原、古河道、含水断裂构造等反映浅 层地下水特征的地质要素。在此基础上分析了塔里木盆地浅层地下水的分布规律；圈定了 5m 以浅的浅层地下水的分布范围；认为区内的地下水主要集中在塔里木河冲积平原、冲积 平原与南天山山前倾斜平原的交界地带，其次是山前平原区内，北部山地区和南部塔克拉玛 干沙漠区则很少。其中，第四系松散岩类空隙水是区内浅层地下水分布的主体，含水层主要 为全新世冲积层；上更新统洪积层具有多层结构的含水特点；地下淡水和微咸水主要分布于 山前细土平原区；全新世风积层的浅层地下水贫乏。

 

  2.2.3 岩溶石山地区地下水资源勘查与生态环境评价  2002 年我中心在中国地质调查局“西南地区地下水资源勘查与生态环境地质调查评价” 实施项目中承担了“石漠化现状遥感调查与演变分析”工作项目，选用1990 年前后和2000 年左右两期TM/ETM 卫星数据，进行了我国西南和中南8 个省（市、区）约76 万km2 岩溶石 山分布地区的石漠化现状遥感调查演变趋势分析，采用计算机自动识别和自动成图技术，编 制了工作区“碳酸盐岩分布图”、“岩溶地貌分类图”、“石漠化现状图”和“石漠化演变趋势。