时移航空电磁法监测咸水含水层演化：Bookpurnong案例研究

《Geophysical Journal International》：Time-Lapse Airborne EM for monitoring the evolution of a saltwater aquifer - The Bookpurnong case study

本文推荐一项利用时移航空电磁法（AEM）监测澳大利亚Murray河Bookpurnong洪泛区咸水含水层演化的创新研究。研究人员开发了新型时移反演方案（EEMverter）和同步数据处理流程，解决了多时相AEM数据因飞行高度、测点位置和系统差异导致的建模挑战。结果表明，该方法能有效捕捉浅层淡水透镜体与深层咸水含水层之间的动态相互作用，并通过独立水文验证（IHV）证实了河流水文应力与含水层电阻率变化的直接关联。该研究为盆地尺度水文过程监测提供了高精度技术支撑，对水资源管理和盐碱化防治具有重要意义。

　　

在澳大利亚Murray河流域的Bookpurnong洪泛区，高盐度地下水与淡水河流的相互作用长期威胁着沿岸生态系统和农业用水安全。传统水文监测方法难以捕捉大尺度含水层系统的动态变化，而航空电磁法（Airborne Electromagnetic, AEM）虽能快速获取地下电性结构，却因多期数据采集存在的系统差异、飞行高度波动和测点非重合等问题，限制了其在时移监测中的应用。为此，Signora A.等研究人员在《Geophysical Journal International》发表论文，提出了一套创新的时移AEM建模方案，通过对2015、2022和2024年三期SkyTEM数据的综合分析，揭示了洪泛区浅层淡水透镜体与深层咸水含水层的演化规律。

研究团队开发了基于EEMverter平台的同步时移反演算法，其核心创新包括：①独立的前向网格与模型网格架构，解决了多期AEM测点位置非重合的建模难题；②将飞行高度作为反演参数，显著提升了低阻环境下的数据拟合精度；③采用非对称广义最小支撑（AGMS）范数作为时间约束，抑制了反演伪影。同时，针对多时相数据集中的噪声耦合问题，提出了同步数据处理流程，通过统一剔除所有受电力线干扰的测点，确保了数据一致性。

合成数据验证反演效能

通过图2的合成实验对比发现，时移反演在无噪和含噪条件下均能有效压缩等效性驱动的伪影，呈现更紧凑的异常体形态。在信噪比恶化时，独立反演模型出现明显噪声伪影，而时移反演结果保持稳定，验证了AGMS约束对数据驱动变化的聚焦能力。

实地数据与钻孔验证

将时移反演应用于Bookpurnong三期AEM数据（SkyTEM304-2015、SkyTEM312^FAST-2022、SkyTEM304-2024），结果显示浅层高阻体（>2 Ω·m）与Murray河河道形态高度吻合。与2022年钻孔电阻率测井（RMK_406、RMK_407）的对比验证了模型精度，如图10所示，AEM反演结果与测井曲线在浅部淡水透镜体空间分布上呈现良好一致性。

电阻率时空演化特征

通过模型比值分析（2022/2015、2024/2022）发现（图7、图11）：2022年浅层电阻率显著升高（红色异常），对应河流高流量期（300–550 m³/s）的淡水增强入渗；2024年浅层电阻率普遍降低（蓝色异常），此时河流流量回落至100 m³/s，电导率升至400 μS/cm。深层（<-50 m）变化呈相反趋势，2022年低阻异常可能源于浅层淡水压力驱动的盐水下渗，而2024年深层高阻异常暗示咸水向上运移。

独立水文验证（IHV）

通过分析Lock 4水文站数据（图13），发现河流流量与浅层电阻率变化呈正相关。2015年低流量期（50 m³/s）高阻体仅局限于河道附近；2022年高流量期淡水入渗范围扩大；2024年虽流量与2015年相近，但电阻率分布斑驳化，反映历史洪水事件（如2022年12月大洪水）对地下水系统的滞后影响。

浅层-深层含水层联动机制

体积量化分析（表2）表明：浅层高阻体体积在2022年达峰值（4.21×10⁷ m³），深层则在2024年最大（1.98×10⁸ m³）。这种此消彼长的关系印证了含水层系统的垂向连通性，符合Yan等（2011）报道的 salinity随深度递减的趋势。深层异常体集中于河道投影下方（图15），进一步支持了河流-含水层垂向交换的假设。

本研究发展的时移AEM方法论突破了传统单次探测的局限，实现了盆地尺度水文过程的高精度动态监测。通过独立水文验证与地球物理模型的深度融合，不仅为Bookpurnong地区的盐碱化治理提供了科学依据，也为全球类似环境的含水层演化研究建立了技术范式。未来可结合水文数值模型进一步量化淡水-咸水交换通量，推动时移地球物理在水资源管理中的业务化应用。