融合地震波数据和土壤基础信息获取浅地表重要水文参数方法研究

Multiphase soil hydrologic parameters are the crucial parameters for ground water and solute flow models. Direct hydrologic measurements are costly and do not meet the practical need. Based on geostatistics, pedotransfer functions (PTFs) that use other basic soil information are able to obtain the hydrologic parameter indirectly but effectively. However, sparse spatial sampling and unphysically based transferring relations make PTFs not represent soil heterogeneity exactly. Hydrogeophysical approaches that can favor multi scale sampling also use specific empirical or semi-empirical relationships between geophysical properties and hydrologic data, and their universality in heterogeneous soil is questionable. Fluid-filled porous medium model assimilates the elastic dynamics and flow, and integrates the seismic wave propagation, soil basic information and hydrologic parameters in a uniform physical framework. Therefore, we propose to assimilate seismic data and soil basic information in one porous medium mechanical model to make seismic propagation and PTFs in a joint seismic image inversion model under reasonable constraints, understand the physical insight of PTFs further and combine the advantage of multi data for the accurate and cost-effective estimation of near surface hydrologic parameters.

多相土壤水文参数是建立地下水输运和溶质运移模型的关键参数。直接测量水文参数费时耗力，难以满足实际的需要。土壤传递函数（PTFs）利用土壤基础信息，基于多样本实际数据的统计规律，间接但有效地获取土壤水文参数。但是PTFs受制于空间采样，传递关系缺乏物理解释，难以准确反映土壤的不均匀性。水文地球物理方法在多尺度上满足采样的要求，但从地球物理数据到水文参数的传递多基于经验或半经验关系，应用于不均匀性土壤存在疑问。含流体孔隙介质模型将土壤介质弹性动力过程与渗流建立起合理的物理联系，并将地震波传播、土壤基础信息和水文参数统一到一个合理的理论框架下。本课题拟从孔隙介质力学模型出发，在同一理论框架下融合地震波数据和土壤基础信息，建立在合理参数约束下的联合地震波传播和PTFs的成像反演模型，加深对PTFs的物理理解，结合多数据的优势，满足精确获取浅地表重要水文参数的需要。

本项目主要研究了融合地震波响应的观测数据以及土壤、岩石的基础信息，反演浅地表渗透率相关水文参数的方法，并针对典型的水文地球物理学观测场景，建立并完善了完整的理论建模、数值计算、数据处理和联合参数反演建模的方法论，并开发了针对浅地表地震波成像、井含水层响应的渗透率反演算法程序。通过典型的场地实验的观测和验证，得到了以下主要结论：1）浅地表包气带在不同的流体自由表面接触条件下能激发出2中Rayleigh面波模式，并且孔隙水头的地震波响应对流体接触响应更显著，显示出受到介质特征频率fc控制的孔隙流体替代和侵蚀的临界效应。2）自由表面和介质内部的不均一性对地震面波响应的敏感性存在差异，通过建立局部LQT坐标系统能更好反映Rayleigh面波随介质不均一性偏转的极化特征。3）考虑地震波激发的孔隙水头频率响应，引入动态孔隙弹性模型能在有限频宽下解释水头的波动响应，更好地利用高频带内井水位同震响应反演经含水层渗透性特征。4）联合浅地表岩石物理建模，以及土壤传递函数（PTFs），能从地震波速度结构进一步反演获取浅地表的渗透率、孔隙度以及土壤纹理等水文参数，并且符合钻探岩心的实测结果，确认了地震波成像进一步获取岩土物性参数的能力。项目的研究成果为标准化基于多源地球物理观测的渗透率成像方法夯实了基础，为达到浅地表精确勘探的目标迈出重要一步。