CN111175832B - 一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法 - Google Patents

Abstract

一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，该方法通过在与地下水相连的部位添加易溶的矿物质(如食盐)，并通过2个供电电极发射多个频率的电信号，在至少3个测量电极上开展频率域电磁感应勘探，探测勘探区在添加易溶物质之前和之后电阻率变化情况，采用相关公式对地下水的三维空间的水平流向、流速幅值、流量进行估算，并对地下水是否存在明显的垂向运动进行判断，从而获得地下水的三维流动特性。该方法具有快速、无损、成本低等优势，适用于对上游有出露部位的地下水进行三维空间的水平流向、流速、流量等特性的估算。

Description

一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法

技术领域

本发明涉及一种勘查地球物理领域的估算地下水三维流动特性的频域电磁感应电法，该方法能实现对上游有出露部位的地下水进行水平流向、流速、流量等三维流动特性的估算。

背景技术

目前区域地下水流场主要是考虑区域地势整体高差，对照相关地质环境图集来判别地下水流向，该方法判断的地下水流向精度较低，一般只作为区域上的地下水流场的一种粗略、概略性的判别方法。

局部的地下水的流向等流动特性主要是通过打观测井，加上一些辅助试验来判别。

如常规化学离子示踪法，该方法基本原理是通过观测井将某种化学物质投入到地下水后，溶解成化学离子。若被检测到的试验中有投放的化学离子，即可证明投放点和接收点的地下水是连通的，再根据各个井监测到时间的差，概略估计地下水流向。该方法需要多个观测点或观测井，观测的辅助设施的成本过高。

如等水位线法三点法，该方法确定地下水流向和流速的步骤为： 1)选择不在一条直线上的三个井点分别测定井的高程，分别测出地下水位埋深(井口地面到水面的距离)；2)井口地面高程减去地下水位埋深等于地下水面高程，将三井点准确定位在地形底图上，三点连线做一个三角形，在每条边上内插高程数值，相等高程值连成曲线即是等水位线；3)垂直等水位线方向由高水位到低水位即是地下水流向；4)地下水流向确定后，进行抽水试验，确定含水层参数；5)最后，按照达西定律求出地下水流速值。这种方法需要打大口径抽水井, 对于含水层埋深大时尤为不利。由于含水层的非均质性等原因，致使相关参数都可能存在较大误差，故求出的地下水流速可靠性差。用这种方法求出的地下水流向、水力坡度、渗透系数和流速值都是调查区一定范围内该参数在各点的加权平均值，各参数代表范围较大。该方法的实施需要多个观测井，且观测井越多，精度越高；故辅助设施的成本也过高，但该方法的估算结果精度较高。

如环境同位素年龄法。它是应用氢或碳等环境同位素年龄测定配合地质、水文地质等因素的分析确定地下水的流向流速。如果在区域性地下水流***中知道地下水流的总方向，那么沿水流方向所取的各个样品中同位素年龄的差异便可用来计算区域平均地下水流速·用同位素鉴别并圈定出地下水的年龄古老而流速低的地下水***的区段。该方法精度较高，但同位素年龄测定效率低，难以在现场直接获得地下水的流动特性，另该方法也需要有多个取样点，故辅助设施的费用高。

如自然电场法。该方法是通过测量某个中心不同方位上的自然电位，从而根据自然电位的8字形特征分析地下水的流向。该方法具有成本低、效率高等优势，但无法对地下水的流速和流量等特性进行估算。且自然电场的测量精度较低，抗干扰能力弱。

如充电法。该方法是以揭露地下水的钻孔为中心布置测量电极，通过钻孔投放食盐，并通过钻孔供电，测量等电位点，从而对地下水的流向和流速进行判断。该方法具有精度高的特点，但是该方法在实际勘探中由于需要寻找到等电位点，从而需要进行多个测点的多次勘探以便寻找到真正的等电位点，从而其勘探效率较低，另也导致该方法的环境适应能力较弱，很难满足地形陡峭、植被发育、建筑物多的勘探区的地下水勘探工作。另该方法无法对地下水的流量进行估计。

采用传导电法进行地下水的流动特性的估算，若仅开展某个层位的地下水的流动特性估算，传导电法比较方便，但若开展地下水的三维特征估算，则传导电法需要布置不同位置的供电电极，且若需要对大深度的地下水进行估算时，布置供电电极的工作量较大，且勘探深度限制较多。故传导电法比较适宜开展浅部的地下水的水平流动特性估算。

发明内容：

本发明是基于现有地下水的流动特性的测量方法所具有的优点和缺点的基础上，特别是基于充电法的优缺点基础上，提出的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法。该方法能对地下水的水平流向、水平流速、水平流量等三维水平流动特性进行估算，从而为地下水的三维水平流动特性测定提供了一种新的选择。该方法相对于充电法而言，具有如下的优点：1)工作效率更高，勘探成本低；该方法无需寻找等电位点，仅布置几个固定测量电极，就能获得地下水的水平流动特性；2)可以获得地下水的水平流动三维特性；该方法通过改变供电信号的频率值，从而可以获得不同深度范围内的地下水的流动特性，而不仅仅是对地下水的平面流动特性进行估算；3) 可以获得地下水的时间特性；该方法通过测量不同时间的地下水流动特性，从而可以测量出地下水随着时间变化的流动特性，即可以获得地下水的四维流动特性；4)可以获得地下水的流量特性；该方法由于使用多个频率的供电信号，从而可以获得深度信息，从而可以对地下水的流量特性进行估算。

一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其具体步骤如下：

a)选择需要估算地下水流动特性的勘探区，布置至少3个测量电极(且任意3个测量电极不在一条直线上)和2个供电电极，并获取测量电极和供电电极的坐标，测量电极的坐标为 (CXi,CYi)，供电电极的坐标为(GXk,GYk)；其中i∈[1,n],k∈ [1,2]，n为测量电极的总数量；优选地，所有测量电极以投放易溶矿物质的地下水的出露点的中心部位为中心，等角度、与投放易溶矿物质的地下水的出露点的中心部位相等水平距离的均匀分布。每个供电电极到投放易溶矿物质的地下水出露点的中心部位S的水平距离不小于3倍任一测量电极到投放易溶矿物质的地下水出露点的中心部位S的水平距离；若要获得地下水的更高精度的流动特性，则可以增加测量电极数量，即测量电极数量越多，则勘探精度越高，但需要注意任意3个测量电极不在一条直线上，以便提高测量精度。固体的易溶矿物质一般选用食盐，一方面可以减少污染，另一方面减少勘探成本，第三方面食盐容易获取。

b)通过2个供电电极供电，每次供入的信号为多频信号，测量相邻2个测量电极上的信号；2个供电电极供电时，所有相邻2 个测量电极上的信号同时测量，并换算相应频率f、相应测量电极(i和j号测量电极)、相应测量时刻(t₀)的视电阻率参数

其中i和j为2个测量电极的编号，且i和j不相等； t₀为供电电极供电时，i和j号测量电极上第一次测量信号的时刻；i∈[1,n],j∈[1,n]，n为测量电极的总数量；f为供电信号中单频信号的频率值；所有相邻的测量电极之间的电信号同时测量的主要目的是减少随机干扰，若测量电极数量过多，而电法仪的测量通道数不足以同时测量，则尽量减少滞后时间，以便降低随机干扰的影响程度。通过供电电极上的多频信号优选单频频差为2倍、多个频率调制后的伪随机信号。

c)第一次测量电信号完毕后，立即通过地下水的出露点，向地下水投放无害的、固体的易溶矿物质Z(如食盐)，并保持在测量过程中投放到地下水中的固体的易溶矿物质总存在固体状态的易溶矿物质Z；记录投放无害的、固体的易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位的坐标(Xs,Ys)；S表示该地下水出露点中心部位；之所以要保持在测量过程中的固体易溶矿物质有固体状态存在，是尽量保证地下水中的该种易溶矿物质处于饱和状态，从而尽量保证流动特性的估算精度。

d)投放易溶矿物质Z后，每隔一段时间，通过2个供电电极供电，每次供入的信号为与步骤b)中的信号相同的多频信号，同时测量任意相邻的2个测量电极上的信号，并换算相应频率f、相应测量电极(i和j号测量电极)、相应测量时刻t的视电阻率参数ρ_i,j,t,f；其中i和j为2个测量电极的编号，且i和j不相等；i∈[1,n],j∈[1,n]，n为测量电极的总数量；t为投放易溶矿物质Z后供电电极供电时，i和j号测量电极上测量信号的时刻；f为供电信号中单频信号的频率值；该步骤中的间隔时间需要基于选用的电法仪等设备的情况而定，若电法仪适合快速测量，则可以减少间隔时间，并适当考虑地下水的大体情况，如地下水流速快，则可以减少间隔时间；若流速慢，则可以加大间隔时间。

e)选择t₀和tD时刻的视电阻率数值，其中tD>t₀，tD为投放易溶矿物质Z后，供电电极供电时，测量电极上测量信号的时刻，且该时刻的相同测量电极和相同频率的视电阻率ρ_i,j,t,f与t₀时刻的视电阻率

不全部相等；按照公式(1)，根据测量电极和投放无害的、固体的易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位S的坐标，先求取相同时间节点、某个频率f、某测量电极对(i和j号测量电极)的向量

再求取相同频率的所有向量的和，从而估算频率为f时，深度为

(单位为米)范围内的地下水的水平流向，即该深度范围内的地下水的水平流向为公式(1)中向量

的方位；

其中i和j不相等，i∈[1,n],j∈[1,n]，n为测量电极的总数量；

表示供电电极供电时t₀时刻在i和j测量电极上测量的频率为f的信号而计算的视电阻率；ρ_i,j,tD,f为供电电极供电时tD时刻在i和j测量电极上测量的频率为f的信号而计算的视电阻率；tD的时刻选择比较重要和关键，若投入的易溶矿物质还未通过测量电极时，则此时所有测量电极上所获取的视电阻率相对于t₀时刻的视电阻率来说，还未发生变化，即

则公式(1)的计算结果为0，但并不是地下水不流动，而是测量电极还未测量到地下水的变化状态，故tD的时刻需要满足“该时刻的相同测量电极的视电阻率

与t₀时刻的视电阻率

不全部相等”的条件，从而保证该时刻已经测量到地下水的流动特性。可以单独求取多个不同的tD时刻的水平流向，再求取平均值，获得精度更高的估算结果。

f)通过公式(2)估算频率为f的信号时，深度

(单位为米)范围内的地下水的流速的幅值V_f；

其中i∈[1,n],j∈[1,n]，i和j不相等，n为测量电极的总数量；

其中S为投放易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位，O_i,j表示第i号和第j号测量电极连线的中点，SO_i,j表示投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S到第i号和第j号测量电极的中点O_i,j的距离，单位为米；t_min,i,j,f为第i号和第j号测量电极上的频率值为f的信号计算的视电阻率第一次达到极小值的测量时刻；t₀为未投放易溶矿物质Z时，第一次测量第i 号和第j号测量电极上的频率值为f的信号的测量时刻，由于第一次测量是同一时刻测量，故公式(2)中该参数为相同值； S-O_i,j表示S与O_i,j之间的连线；θ_i,j,f为频率为f的信号时，深度

(单位为米)范围内的地下水的流向(即公式(1)中向量

的方位)与S-O_i,j的锐夹角；max ()为求取最大值的函数；频率为f的信号时，把公式(2)中最大值函数中的最大值结果所对应的i和j测量电极编号分别命名为pf和qf；若公式(2)中最大值函数中的变量存在多个最大值，则任选一个最大值所对应的i和j测量电极编号分别命名为pf和qf；

g)通过公式(3)估算频率为f的信号时，深度

(单位为米)范围内的地下水的流量 W_f；

其中

为供电电极供电时t₀时刻在pf和qf测量电极上测量的视电阻率；

为供电电极供电时 t_min,pf,qf,f时刻在pf和qf测量电极上测量的信号频率为f的信号计算的视电阻率；t_min,pf,qf,f为pf和qf号测量电极上测量的信号频率为f 的信号计算的视电阻率第一次达到极小值时的测量时刻；pf和qf为步骤f)所确定的测量电极编号；V_f为公式(2)的流速的幅值计算结果，即地下水的流速幅值，单位为米/小时；

单位为米；D_pf,qf为pf和qf号测量电极之间的距离，单位为米，即

S-O_pf,qf表示投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S与O_pf,qf之间的连线，θ_pf,qf,f为深度为

(单位为米)范围内的地下水的流向与S-O_pf,qf的锐夹角；

h)把不同频率值f所反映的不同深度内的地下水的流向、流速幅值、流量结果，按照不同深度值

和投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S的平面坐标组成三维坐标，把不同深度内的地下水的流向或流速幅值或流量结果为测量值，从而获得勘探区的地下水的三维流动特性；

求取相同的2个测量电极(i和j号测量电极)、相同频率(f₁) 的某两个时刻(t₁和t₂)的视电阻率的差值的绝对值Δρ₁，求取相同的2个测量电极(i和j号测量电极)、另一个相同频率(f₂)的两个时刻(t₁和t₂)的视电阻率的差值的绝对值Δρ₂，其中f₁>f₂；若Δρ₁<Δρ₂，则判断该2个测量电极间的地下水存在从深度

(单位为米)往深度

(单位为米)的垂向运动的结论。

以上

公式中的累加公式中的分母((n-1) n)是根据测量电极数量而确定的所有累加的视电阻率个数的2倍，若有部分视电阻率数值未参与累加，则相应累加公式中的分母也要相应进行调整，即累加公式是对参与计算的视电阻率求取平均值，再用电阻率平均值计算深度值。

另本专利中的累加公式中的测量电极编号i和j不区分顺序，比如i＝1，j＝3，则等同于i＝3和j＝1。

附图说明：

图1为本发明的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法流程图；

图2为本发明的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法的野外布置示意图；

其中图2中的十字形符号及编号A和B，分别表示2个供电电极位置及编号；黑色圆形实心点及编号(1/2/3)分别表示3个测点及编号；黑色圆形空心点及编号(O_1,2、O_2,3、O_1,3)分别表示相邻测量电极的连线的中点及编号；黑色三角形实心点及编号(S)为地下水出露点的中心部位，并作为投放固体的易溶矿物质的部位。

具体实施方式：

以下参照图1、图2，结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

按照图1所示的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法流程图中的步骤实施本方法，其具体步骤如下：

a)如图2所示，选择需要估算地下水流动特性的勘探区，布置3 个测量电极(如图2中的1/2/3测量电极)(且3个测量电极不在一条直线上)和2个供电电极(如图2中的A和B)，并获取测量电极(如图2中的1/2/3测量电极)和供电电极(如图2中的A和B)的坐标，测量电极的坐标为(CXi,CYi)(如图 2中的1号测量电极坐标为(CX1＝10,CY1＝50)，2号测量电极坐标为(CX2＝70,CY2＝10)，3号测量电极坐标为 (CX3＝90,CY3＝70))；供电电极的坐标(如图2中的A供电电极的坐标为(GXA＝20,GYA＝-100)，B供电电极的坐标为 (GXB＝70,GYB＝-100))；其中i∈[1,3]，3为测量电极的总数量。每个供电电极(如图2中的A和B)到投放易溶矿物质Z的地下水出露点的中心部位S的水平距离不小于3倍任一测量电极 (如图2中的1/2/3测量电极)到投放易溶矿物质Z的地下水出露点的中心部位S的水平距离。固体的易溶矿物质Z选用食盐。

b)通过2个供电电极(如图2中的A和B)供电，每次供入的信号为包含2个单频(f₁和f₂，且f₁＝2f₂)的多频信号，测量相邻2个测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1测量电极)上的信号；2个供电电极供电(如图2中的A和B)时，所有相邻2个测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1 测量电极)上的信号同时测量，并换算相应频率(f₁和f₂)、相应测量电极((如图2中的1和2、2和3、3和1测量电极))、相应测量时刻(t₀)的视电阻率参数

和

其中i和j为2个测量电极的编号，且i和j不相等；t₀为供电电极供电时，i和j号测量电极上第一次测量信号的时刻； i∈[1,3],j∈[1,3]，3为测量电极的总数量；f₁和f₂为供电信号中的2个单频信号的频率值；所有相邻的测量电极之间的电信号同时测量的主要目的是减少随机干扰。通过供电电极上的多频信号为单频频比为2倍(即f₁＝2f₂)、2个频率调制后的伪随机信号。

c)第一次测量电信号完毕后，立即通过地下水的出露点，向地下水投放无害的、固体的易溶矿物质Z(如食盐)，并保持在测量过程中投放到地下水中的固体的易溶矿物质Z总存在固体状态的易溶矿物质Z；记录投放无害的、固体的易溶矿物质Z 的地下水出露点中心部位S的坐标(Xs,Ys)；S表示该地下水出露点中心部位；之所以保持在测量过程中的固体易溶矿物质Z 有固体状态存在，是尽量保证地下水中的该种易溶矿物质Z处于饱和状态，从而可以尽量保证地下水流动特性的估算精度。

d)投放易溶矿物质Z后，每隔一段时间(如每隔1个小时测量一次)，通过2个供电电极(如图2中的A和B)供电，每次供入的信号为与步骤b)中的信号相同的多频信号，同时测量任意相邻的2个测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1 测量电极)上的信号，并换算相应频率(f₁和f₂)、相应测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1测量电极)、相应测量时刻t的视电阻率参数

和

其中i和j为2 个测量电极的编号，且i和j不相等；i∈[1,3],j∈[1,3]，3为测量电极的总数量；t为投放易溶矿物质Z后供电电极供电时， i和j号测量电极上测量信号的时刻；f₁和f₂为供电信号中单频信号的频率值。

e)选择t₀和tD时刻的视电阻率数值，其中tD>t₀，tD为投放易溶矿物质Z后，供电电极(如图2中的A和B)供电时，测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1测量电极)上测量信号的时刻，且该时刻的相同测量电极和相同频率的视电阻率ρ_i,j,t,f与t₀时刻的视电阻率

不全部相等 (f为f₁或f₂)；按照公式(1)，根据测量电极(如图2中的1 和2、2和3、3和1测量电极)和投放无害的、固体的易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位S的坐标，先求取相同时间节点、某个频率(f₁或f₂)、某测量电极对(如图2中的1和2、 2和3、3和1测量电极)的向量

再求取相同频率 (f₁或f₂)的所有向量的和，从而估算频率为f₁或f₂时，深度为

((f为f₁或f₂)单位为米)范围内的地下水的水平流向，即该深度范围内的地下水的水平流向为公式(1)中向量

的方位；

其中(f为f₁或f₂)；i和j不相等，i∈[1,3],j∈[1,3]，3为测量电极的总数量；

表示供电电极(如图2中的A和B) 供电时t₀时刻在i和j测量电极(如图2中的1和2、2和3、3 和1测量电极)上测量的频率为(f为f₁或f₂)的信号而计算的视电阻率；ρ_i,j,tD,f为供电电极(如图2中的A和B)供电时tD时刻在i和j测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和 1测量电极)上测量的频率为(f为f₁或f₂)的信号而计算的视电阻率；tD的时刻选择比较重要和关键，若投入的易溶矿物质Z还未通过测量电极时，则此时所有测量电极(如图2中的1 和2、2和3、3和1测量电极)上所获取的视电阻率相对于t₀时刻的视电阻率来说，还未发生变化，即

(f为f₁或f₂)，则公式(1)的计算结果为0，但并不是地下水不流动，而是测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1 测量电极)还未测量到地下水的变化状态，故tD的时刻需要满足“该时刻的相同测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1测量电极)的视电阻率

与t₀时刻的视电阻率

不全部相等”的条件，从而保证该时刻已经测量到地下水的流动特性。

f)通过公式(2)估算频率为f(f为f₁或f₂)的信号时，深度

(单位为米)(f为f₁或f₂)范围内的地下水的流速的幅值V_f；

其中f为f₁或f₂；i∈[1,3],j∈[1,3]，i和j不相等，3为测量电极的总数量；其中S为投放易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位，O_i,j表示第i号和第j号测量电极连线的中点，SO_i,j表示投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S到第i号和第 j号测量电极的中点O_i,j的距离，单位为米；t_min,i,j,f为第i号和第j号测量电极上的频率值为f(f为f₁或f₂)的信号计算的视电阻率第一次达到极小值的测量时刻；t₀为未投放易溶矿物质Z时，第一次测量第i号和第j号测量电极上的频率值为 f(f为f₁或f₂)的信号的测量时刻，由于第一次测量是同一时刻测量，故公式(2)中该参数为相同值；S-O_i,j表示S与O_i,j之间的连线；θ_i,j,f为频率为f(f为f₁或f₂)的信号时，深度

(单位为米)(f为f₁或f₂)范围内的地下水的流向(即公式(1)中向量

的方位)与S-O_i,j的锐夹角；max()为求取最大值的函数；频率为f(f为f₁或f₂)的信号时，把公式(2)中最大值函数中的最大值结果所对应的 i和j测量电极编号分别命名为pf和qf(f为f₁或f₂)；若公式 (2)中最大值函数中的变量存在多个最大值，则任选一个最大值所对应的i和j测量电极编号分别命名为pf和 qf(f为f₁或f₂)；

g)通过公式(3)估算频率为f(f为f₁或f₂)的信号时，深度

(单位为米)(f为f₁或f₂)范围内的地下水的流量W_f；

其中f为f₁或f₂；

为供电电极供电时t₀时刻在pf和qf 测量电极上测量的视电阻率；

为供电电极供电时t_min,pf,qf,f时刻在pf和qf测量电极上测量的信号频率为f (f为f₁或f₂)的信号计算的视电阻率；t_min,pf,qf,f为pf和qf号测量电极上测量的信号频率为f(f为f₁或f₂)的信号计算的视电阻率第一次达到极小值时的测量时刻；pf和qf为步骤f)所确定的测量电极编号；V_f为公式(2)的流速的幅值计算结果，即地下水的流速幅值，单位为米/小时；

单位为米；D_pf,qf为pf和qf号测量电极之间的距离，单位为米，即

S-O_pf,qf表示投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S与O_pf,qf之间的连线，θ_pf,qf,f为深度为

(单位为米)范围内的地下水的流向与S-O_pf,qf的锐夹角；其中f为f₁或f₂

h)把不同频率值f(f为f₁或f₂)所反映的不同深度内的地下水的流向、流速幅值、流量结果，按照不同深度值

(f为f₁或f₂)和投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S的平面坐标组成三维坐标，把不同深度内的地下水的流向或流速幅值或流量结果为测量值，从而获得勘探区的地下水的三维流动特性；

i)求取相同的2个测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1 测量电极)、相同频率(f₁)的某两个时刻(t₁和t₂)的视电阻率的差值的绝对值Δρ₁，求取相同的2个测量电极(如图2中的1和2、2和3、3和1测量电极)、另一个相同频率(f₂) 的两个时刻(t₁和t₂)的视电阻率的差值的绝对值Δρ₂，其中 f₁＝2f₂；若Δρ₁<Δρ₂，则判断该2个测量电极(如图2中的 1和2、2和3、3和1测量电极)间的地下水存在从深度

(单位为米)往深度

(单位为米)的垂向运动的结论。其中i∈[1,3],j∈[1,3]，i和j不相等，3为测量电极的总数量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明内。

Claims (7)

1.一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其具体步骤如下：

a)选择需要估算地下水流动特性的勘探区，布置至少3个测量电极和2个供电电极，且任意3个测量电极不在一条直线上，并获取测量电极和供电电极的坐标，测量电极的坐标为(CXi,CYi)，供电电极的坐标为(GXk,GYk)；其中i∈[1,n],k∈[1,2]，n为测量电极的总数量；

b)通过2个供电电极供电，每次供入的信号为多频信号，测量相邻2个测量电极上的信号；2个供电电极供电时，所有相邻2个测量电极上的信号同时测量，并换算相应频率f、i和j号测量电极、相应测量时刻t₀的视电阻率参数

其中i和j为2个测量电极的编号，且i和j不相等；t₀为供电电极供电时，i和j号测量电极上第一次测量信号的时刻；i∈[1,n],j∈[1,n]，n为测量电极的总数量；f为供电信号中单频信号的频率值；

c)第一次测量电信号完毕后，立即通过地下水的出露点，向地下水投放无害的、固体的易溶矿物质Z，并保持在测量过程中投放到地下水中的固体的易溶矿物质Z总存在固体状态的易溶矿物质Z；记录投放无害的、固体的易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位的坐标(Xs,Ys)；S表示该地下水出露点中心部位；

d)投放易溶矿物质Z后，每隔一段时间，通过2个供电电极供电，每次供入的信号为与步骤b)中的信号相同的多频信号，同时测量任意相邻的2个测量电极上的信号，并换算相应频率f、i和j号测量电极、相应测量时刻t的视电阻率参数ρ_i,j,t,f；其中i和j为2个测量电极的编号，且i和j不相等；i∈[1,n],j∈[1,n]，n为测量电极的总数量；t为投放易溶矿物质Z后供电电极供电时，i和j号测量电极上测量信号的时刻；f为供电信号中单频信号的频率值；

e)选择t₀和tD时刻的视电阻率数值，其中tD>t₀，tD为投放易溶矿物质Z后，供电电极供电时，测量电极上测量信号的时刻，且该时刻的相同测量电极和相同频率的视电阻率ρ_i,j,t,f与t₀时刻的视电阻率

不全部相等；按照公式(1)，根据测量电极和投放无害的、固体的易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位S的坐标，先求取相同时间节点、某个频率f、i和j号测量电极的向量

， 再求取相同频率的所有向量的和，从而估算频率为f时，深度为

范围内的地下水的水平流向，即该深度范围内的地下水的水平流向为公式(1)中向量

的方位；

其中i和j不相等，i∈[1,n],j∈[1,n]，n为测量电极的总数量；

表示供电电极供电时t₀时刻在i和j测量电极上测量的频率为f的信号而计算的视电阻率；ρ_i,j,tD,f为供电电极供电时tD时刻在i和j测量电极上测量的频率为f的信号而计算的视电阻率；

f)通过公式(2)估算频率为f的信号时，深度

范围内的地下水的流速的幅值V_f；

其中i∈[1,n],j∈[1,n]，i和j不相等，n为测量电极的总数量；其中S为投放易溶矿物质Z的地下水出露点中心部位，O_i,j表示第i号和第j号测量电极连线的中点，SO_i,j表示投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S到第i号和第j号测量电极的中点O_i,j的距离，单位为米；t_min,i,j,f为第i号和第j号测量电极上的频率值为f的信号计算的视电阻率第一次达到极小值的测量时刻；t₀为未投放易溶矿物质Z时，第一次测量第i号和第j号测量电极上的频率值为f的信号的测量时刻，由于第一次测量是同一时刻测量，故公式(2)中该参数为相同值；S-O_i,j表示S与O_i,j之间的连线；θ_i,j,f为频率为f的信号时，深度

范围内的地下水的流向与S-O_i,j的锐夹角；max()为求取最大值的函数；频率为f的信号时，把公式(2)中最大值函数中的最大值结果所对应的i和j测量电极编号分别命名为pf和qf；若公式(2)中最大值函数中的变量存在多个最大值，则任选一个最大值所对应的i和j测量电极编号分别命名为pf和qf；

g)通过公式(3)估算频率为f的信号时，深度

范围内的地下水的流量W_f；

其中

为供电电极供电时t₀时刻在pf和qf测量电极上测量的视电阻率；

为供电电极供电时t_min,pf,qf,f时刻在pf和qf测量电极上测量的信号频率为f的信号计算的视电阻率；t_min,pf,qf,f为pf和qf号测量电极上测量的信号频率为f的信号计算的视电阻率第一次达到极小值时的测量时刻；pf和qf为步骤f)所确定的测量电极编号；V_f为公式(2)的流速的幅值计算结果，即地下水的流速幅值，单位为米/小时；

单位为米；D_pf,qf为pf和qf号测量电极之间的距离，单位为米，即

S-O_pf,qf表示投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S与O_pf,qf之间的连线，θ_pf,qf,f为深度为

范围内的地下水的流向与S-O_pf,qf的锐夹角；

h)把不同频率值f所反映的不同深度内的地下水的流向、流速幅值、流量结果，按照不同深度值

和投放易溶矿物质Z的地下水的出露点中心部位S的平面坐标组成三维坐标，把不同深度内的地下水的流向或流速幅值或流量结果为测量值，从而获得勘探区的地下水的三维流动特性；

i)求取相同的i和j号2个测量电极、相同频率f₁的某两个时刻t₁和t₂的视电阻率的差值的绝对值Δρ₁，求取相同的i和j号2个测量电极、另一个相同频率f₂的两个时刻t₁和t₂的视电阻率的差值的绝对值Δρ₂，其中f₁>f₂；若Δρ₁<Δρ₂，则判断该2个测量电极间的地下水存在从深度

往深度

的垂向运动的结论；以上步骤的所有深度单位均为米。

2.如权利要求1所述的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其特征在于：优选地，所有测量电极以投放易溶矿物质Z的地下水的出露点的中心部位S为中心，等角度、与投放易溶矿物质Z的地下水的出露点的中心部位S等距离的均匀分布。

3.如权利要求1所述的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其特征在于：任一供电电极到投放易溶矿物质Z的地下水出露点的中心部位S的距离不小于3倍任一测量电极到投放易溶矿物质Z的地下水出露点的中心部位S的距离。

4.如权利要求1所述的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其特征在于：通过供电电极上的多频信号优选单频频差为2倍、多个频率调制后的伪随机信号。

5.如权利要求1所述的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其特征在于：测量电极上获取的信号计算为视电阻率时，优选采用频域电磁感应法的全区视电阻率计算公式进行计算。

6.如权利要求1所述的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其特征在于：地下水是指未投放无害的易溶矿物质Z时的水中所包含的易溶矿物质Z未达到饱和状态的水。

7.如权利要求1所述的一种估算地下水三维流动特性的频域电磁感应勘探方法，其特征在于：利用公式(1)计算地下水的水平流向时，可以单独求取多个不同的tD时刻的水平流向，再求取平均值，获得精度更高的估算结果。

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