遥感技术在水文地质勘察中的应用水文地质勘察

2023-09-18 理论教育版权反馈

【摘要】：每一数字代表面积为1.5m×0.38m的地面分辨单元的热发射。含水层能引起地表出现异常的最大埋藏深度可达10余米。研究结果认为,落水洞周围土壤的过量排水及地表向下漏水会引起地表的温压作用。在调查项目中,对五个地热区采用了机载热红外技术探测。在隧道水文地质勘察中的应用。利用遥感技术进行隧道水文地质勘测可节省野外工作量,改善劳动条件,提高勘测速度。如我国大瑶山隧道的水文地质工程地质勘察。

(1)探测地下水在河流或湖泊中的排泄口。美国地质调查所与蒙大拿州地质矿产局等单位合作,分别于1972年5月、1973年3月和1975年11月用机载热红外扫描器探测了蒙大拿州的三条河流和一个湖泊的地下水入流。调查人员把红外扫描器安装在一架时速为345km/h的双引擎飞机上。该扫描器具有120℃的总视场,两个黑体校准源,探测的温度精度达0.2℃。飞行时间选择在黎明前,飞行高度为水面以上455～760m,探测使用的波长为85～11μm[11]。

第一次探测数据记录在胶片上,在图像上显示了自冲积扇流入湖水中的较暖的地下水晕。图像上黑白之间的温差为7℃(5～12℃)。这种温变范围在胶片上产生了最大的对比度。

第二、三次扫描数据记录在磁带上,并转换为数字形式。每一数字代表面积为1.5m×0.38m的地面分辨单元的热发射。数字经计算机处理后,输出一份间距为0.5℃的等水温线图。该图明显地示出了地下水入流的范围。地下水入流与河水混合后的最高温度为8.5℃,而河水一般温度为6℃,河岸温度为5.5℃。

该事例表明,机载热红外扫描器能探测出河流与湖泊中的地下水入流,但在确定大河中的小股地下水入流较为困难。在提高和处理扫描数据方面,计算机处理是最有效和精确的方法。计算机技术能提高图像的效应,特别是对于确定狭小河流的地下水入流更显示出它的优越性。

利用远红外图像来研究地下水在河道中的排泄口在我国也曾有过良好的效果。在广西桂林的水文地质调查中,利用遥感探测到桂林至阳朔间漓江两岸的地下水有21处以地下河、溶隙水、潜流等形式注入漓江,其中的两处地下水从江底注入江中,而该地区原有水文地质图上的地下水出露点只标出两个。

(2)确定海底中的淡水泉。1974年9月,意大利开始利用热红外遥感来调查意大利南部彭格莱沿岸的淡水泉。该区的淡水供应一直有困难,但调查却发现有大量的淡水通过岩溶通道排泄入到亚得里亚海,成为海底泉。调查人员派飞机沿海岸飞行超过950km,进行热红外和多光谱扫描,探测海水表面温度差别和因淡水的涌出而存在的海水光穿透度的差别。探测的波段为45～55μm和9～11μm,结果探测出大量的海底泉[11]。

(3)探测浅层含水层。热红外图像反映的是地表辐射温度,而该辐射温度是地表温度的函数。地表日温度变化受热惯性、光谱反射气候变化、蒸发量和地下温度的影响。地下水埋藏深度的变化会引起地下土壤层温度的变化,传导至地表后,有可能使地表日温度波动。利用土壤湿度变化来寻找地下水,在沙漠地区和干旱地区都有很大实际意义。含水层能引起地表出现异常的最大埋藏深度可达10余米。

(4)探测落水洞和确定隐伏岩溶。1970年,调查人员用多光谱扫描器对美国弗吉尼亚州某地的落水洞进行了探测。测试地段为岩溶发育的峡谷和山脊区。结果发现了2个落水洞,均未积水。调查人员又派飞机在609.6m和1524m的高空成像,结果发现白天图像比夜间的效果更好。用人工解释法和计算机辅助研究了热红外图像上的落水洞位置。最后总结了在碳酸盐岩地区如何确定落水洞位置的方法为:采用立体解释并确定地形的洼地;圈定热红外照片上的环状异常带;在具有上述条件地区进行野外核对。

格林、罗伯等分别于1970年、1972年相继研究了利用红外遥感探测隐伏岩溶的问题。研究结果认为,落水洞周围土壤的过量排水及地表向下漏水会引起地表的温压作用。地表温压不同引起的温度不同,可以通过红外图像判定地下的塌陷和溶洞的分布。他们认为用该方法可以判别30m以内的落水洞[11]。

(5)探测地热资源。联合国自然资源委员会组织了对埃塞俄比亚和肯尼亚进行的小比例尺地热普查。扫描器在3000m上空,最小分辨力为6m,扫描结果发现105个至少为10℃的热异常。野外调查者乘直升机进行实地验证时发现了很多温泉喷气口及热断裂线。在肯尼亚,飞行高度为915m,扫描器分辨力为2m,也探测到类似的地热特征。

日本于1972年开始执行地热资源调查计划。在调查项目中,对五个地热区采用了机载热红外技术探测。飞机在地表600～1000m高空成像。研究发现:不明显的地热异常带在野外调查时不易察觉,但在600m高空拍摄的大比例尺红外图像中很容易识别出。此外热红外图像还能显示出地热异常带与断裂轨迹之间的关系。

在远红外图像上,地下水的露头(如泉)能够清楚地显示。泉眼在白天呈深色调小点(温泉例外),而在夜间则呈浅色亮点,而且还可以看到一些以泉眼为顶点的扇形或蝌蚪形色调异常。在美国亚利桑那州斯塔福得附近用红外成像时,发现山脚处地表温度比其他地方高。后经钻探证明,在地表以下127m深处有118℃的热水。苏联用红外技术在西伯利亚地区也找到了大量地下热水,供居民饮用。

(6)圈出断层破碎带,确定生产井的井位。在基岩山区,航片的水文地质解释可帮助人们划分地层的岩性,圈定可作为地下水通道的软弱夹层或断裂破碎带,进而确定出水井井位。例如:美国在佛罗里达中西部地区利用航片圈出断裂破碎带,并确定了生产性水井井位。

(7)探测古河道。应用远红外图像对湿度的敏感性,还可发现古河道的位置,有助于河流变迁的研究。现今的古河道虽已被耕地所覆盖,但其底部地下水较丰富,上部的土壤湿度也大,因而可被远红外图像所探查。太原、长春等地的远红外图像显示,在大片耕地之下,古河道呈弯月形、飘带形、长带状深色调异常区出现在现代河床两侧。

(8)在隧道水文地质勘察中的应用。利用遥感技术进行隧道水文地质勘测可节省野外工作量,改善劳动条件,提高勘测速度。在长隧道分布地区,一般地形较为陡峻,外业劳动强度大。而利用遥感方法后,主要的勘测工作转变为在室内完成。可利用遥感图像对隧道区的地层岩性、地质构造、地形地貌、植被分布情况进行调查,通过各种地物固有的影像特征,将上述各要素解译出来,结合搜集来的气候条件资料,即可对隧道区富水程度作出分区。利用遥感技术虽然得不出隧道的涌水量,但可得出不同地段的相对富水程度。

如我国大瑶山隧道的水文地质工程地质勘察。该隧道位于广东省北部南岭山脉的瑶山地区,这一区域地形起伏大,沟谷深切、丛林密布、人烟稀少,搜集到的相关的地质地貌资料不多,仅搜集到1∶20万及1∶50万的地质图及隧道施工设计阶段的有关工程地质资料。这给20世纪80年代初进行的京广铁路线的外业勘测带来了许多困难[12]。

为了解决这个难题,勘测人员在大瑶山地区进行遥感资料的搜集与补测,最后获得以下8种遥感图像资料:卫星象片、小比例尺黑白航片、大比例尺黑白航片、彩色红外航片,天然彩色航片、黑白红外摄影航片、黑白红外扫描片、多波段扫描片。

在遥感初步解译阶段,采用目视法并辅以图像处理手段。在图像处理方面除采用局部放大、边缘增强、密度分割、彩色合成等光学手段外,并在IPOS/101图像处理系统上进行了卫片的彩色增强、比值增强、反差增强、滤波增强等手段,以及应用机载多波段扫描电子计算机用磁带,在101图像处理系统上作了多种影像增强方法。最终,在武水峡谷420km2范围内,共判释出大大小小线性构造30余条,沿隧道轴线两侧5公里带状范围内判释出断层40余条,其中穿越隧道的有28条[12]。

(9)在水文地质普查中的应用。在水文地质普查阶段使用遥感技术,可大大减少野外的工作量,可以弥补了常规调查法在解决某些水文地质问题上的不足,缩短了普查工作周期,对提高水文地质普查成果的质量发挥了重要作用。具体可见2.6节。

遥感技术在水文地质勘察中的应用水文地质勘察

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