電腦斷層掃瞄分析地下水流域特徵

(1)

成大研發快訊 - 文摘

成大研發快訊第五卷第四期 - 2008年八月一日

[ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080801/4.html ]

電腦斷層掃瞄分析地下水流域特徵

葉天齊，李振誥

^*

，徐國錦，Walter A. Illman Warren Barrash, Xing Cai,

Jeffrey Daniels, Ed Sudicky, Li Wan, Guomin Li, and C. L. Winter

*國立成功大學資源工程系

Email:leech@mail.ncku.edu.tw

Yeh, T.-C. J., Lee C. H., Hsu , K.C., Illman,W. A., Barrash,W., Cai, X., Daniels, J., Sudicky, Ed, Wan,L,. Li,G., Winter,C. L. (2008) A View Towards the Future of Subsurface Characterization:

CAT Scanning Groundwater Basins. Water Resour. Res., Vol. 44, W03301, doi:10.1029/2007WR006375. (SCI)

Lee, C. H. and Farmer, I. W. (1993), Fluid Flow in Discontinuous Rock., CHAPMAN & HALL Publisher , ISBN 0-412-41510-0, May, 1993。

地

下水進流(包含入滲、補注、河川滲流、局部入流等)與出流(蒸散、湧泉、

局部地下水流等)的發生頻率不均勻並具有空間的局部性，其時間和空間變化，受到流域多尺度之異質性控制。由於適當的地下水資源管理，需精確的了解水平衡的機制，地下水體時間和空間分布和不同的水化學特性等。在面臨需水量增加且相互競爭的情況，乾旱的持續發生與水相關問題的挑戰下，現行對於含水層水文特性監測與鑑定技術僅能涵蓋小部分的地下範圍，所收集之資訊仍無法用以有效管理水資源。

傳統上描繪地下介質之方法為表面地球物理探勘和使用資料融合與掃瞄，然而使

用這些方法來調查整個流域將所費不貲，或遭遇到所獲得的資訊並無法作為地下水相關研究之用。因此發展新的辨識科技-斷層掃瞄測繪法(tomography survey)，將會是未來用以辨識地表下水文地質特性的新科技。此種方法運用斷層掃瞄法去繪製地下特徵，必須配合強烈與不同空間位置的水文及地球物理刺激源，

以涵蓋大而深的空間範圍。同時還需要配備地表與地下長時間與空間分佈之資料監測系統。自然刺激源如閃電、地震、暴雨事件、氣壓變化及降雨等經常性發生於大自然並且分佈在不同位置上，可以用來了解地表下的水文地質特性，以下介紹一些可能被應用在地下水電腦斷層掃瞄(CAT)的方法。

(2)

圖1. 水力水頭在假定侷限含水層中模擬時間 a) 12,000 s; b) 24,000 s; and c) 48,000 s時的分佈情形。

河川水位掃瞄(River-stage tomography)

當一個洪峰流量的運動波順流而下時，會引起一連串河川旁不同位置觀測井之水位發生變動，這些不同位置觀測井水位所產生之水文歷線等同於用不同角度去透視含水層之信息，故結合這些大尺度自然刺激驅所造成的水力掃瞄資訊，則可描繪含水層組成。圖1a到1c分别顯示當上游引入一個三角河川流量歷線時模擬時間在12000，24000，48000秒時地下水頭的分布。運用CAT的掃瞄技術，圖2a到2b顯示真實和估計的流通率空間分佈，而圖3a到3b則分別顯示出真實和估計的儲水係數空間分佈。結果顯示河川掃瞄之概念，

可用於地下水盆地流通係數與儲水係數值之推估。

(3)

圖2. 河川水位掃瞄應用於假定地下水流域中真實a)和估測b)之流通係數場分佈。

(4)

圖3. 河川水位掃瞄應用於假定地下水流域中真實a)和估測b)之儲水係數場分佈。

閃電掃瞄(Lightning tomography)

由雲端所下至地表之電擊也可能成為電磁掃瞄的刺激源。當閃電的電磁波傳導至地表下，它會因為地質異質性的影響，而產生不同程度的變化，藉由量測不同位置及深度的訊號，並利用數學逆推模式，執行三維度的模擬，則可估測得到地表下電阻率及電介質場的分佈，利用這些結果，可反應出地質的構造、異質性和其化學特性。因此假如可以充分掌握不同電擊的相關位置及資訊，並配合逆推模式，則可進行相當於施行一大尺度的電磁掃瞄，來獲得地質異質性。

地震水文地質掃瞄(Earthquake hydrogeologic tomography)

(5)

圖4. 氣壓作用下在不同時間段(BC1, BC2, BC3, and BC4)時地下水壓力的空間分佈，這可以用以估測未飽和地質組成中之滲透性和孔隙之分佈情況，圖中黑色圓點代表氣壓被量測到的位置。

地震提供了另一種大尺度水文掃瞄的自然刺激源，傳統震波掃瞄產生掃瞄影像已有多年的歷史，地震學家在這幾年間不斷利用地震所產生的資訊去研究地表下構造。過去研究證明含水層的水文地質成份，可以透過地震前後水位變動的情形來估測，因此，規模夠大地震所產生的刺激就類似於含水層水井試驗中所加入之人工擾動，可利用不同震央出現的地震作為不同位置的擾動源進行水力掃瞄。

(6)

圖5. 估計的滲透場(a,b,and c)對應於連續加入氣壓場資訊(BC2,BC3,and BC4)，真實的滲透場則顯示於圖 (d)。

(7)

地下水受其它自然刺激源的反應

暴風雨、潮汐波浪等其他型式的外部載重，皆經常性發生在地下水流域中的不同位置。在每一個事件當中，不同的觀測井反應出不同的地下水位變化。同樣地，在含水層中有關水頭分布和反應就相當於是收集一連串大尺度水力試驗的資訊，其源於不同位置的刺激源，伴隨含水層的反應自然地構成了水力斷層掃瞄。這些自然刺激掃瞄藉由融合各種不同型態且又不重疊的資訊，使傳統的方法到達一個新的境界。事實上，地震學家早在數十年前就運用這個直覺的概念精準的標示出地震震央並描繪出地下構造。

融合在不同尺度下不同型態的資訊

如果只使用一種型態的刺激源來進行大尺度的掃瞄測繪，很難產生高解析度的構造圖像，因此整合運用各種不同類型的自然刺激源是必要的，除了有關地球物理和地球化學的資訊之外，還必須要結合地質知識、

野外判識和水文地質資訊。藉由循環發生的刺激源和融合不同型態、尺度的資訊，可提供一個嶄新而用於三維空間掃瞄測繪技術的技術。

綜合上述，使用自然環境刺激源研究盆地尺度掃瞄測量是一個新穎的概念，在管理地下水資源方面，能夠顯著提高地下水資源管理中必須對水文地質特徵鑑定的準確度，並全盤地了解地表下科學運作的機制。發展這些科技能夠提供大量水文及地球物理技術，獲取近似於真實的監測值、特徵，並得到不同尺度的性質預測及地表下狀態。這個突破性的發展將會深遠的改善人們對於地表下運作機制的認識及預測，而這種機制對於公眾安全、基礎科學、公共建設，乃至於資源的開採等，都是十分重要的議題。此外，在水文相關領域的研究將發展出更先進的模式模擬方法和網絡資訊的新科技，將可滿足未來先進電腦和網絡的應用。