水文地球物理学,是地球物理学与水文地质学的跨学科交叉融合学科,该学科目标是运用地球物理探测方法,有效应对水文地质学领域亟需的地下非均质性结构精细表征、水力学参数大范围定量计算、土壤及地下含水层物理化学过程监测等关键课题。地球表层关键带是复杂的非均质的近地表环境,在该薄层区域内岩石、土壤、水、大气以及生物发生着复杂的相互作用,调节着自然生态环境,决定维持生命资源的可利用性。水文地球物理学所提供的地下时空信息将有助于关键带多尺度-多组分-多过程的耦合模型研究,由物性信息向其他相关学科信息定量转化,这一新的多学科交叉体系打破了传统地球物理单一的地质结构解译模式,更加强调多源多场数据的信息融合成像。国际上已将水文地球物理学作为地球表层关键带生态环境研究不可或缺的方法技术。地层结构精细化表征是水文地质学模拟计算的先验条件和关键因素,相比于传统上基于地质统计学的概念化地层模型,地球物理非侵入式探测方法能够刻画出更加精细的地层空间分布及非均质性特征。本论文旨在进一步研究电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography,ERT)用于非均质性地下含水层探测识别的方法有效性及其不确定性分析。以室内砂箱实验为研究对象,构建实验室尺度的复杂非均质含水层结构,依据地层结构的相关性尺度统计特征进行优化电阻率法的电极布设方式,从而减少冗余的探测排列和数据采集时间。同时,为了克服砂箱尺度四周绝缘性的边界条件,创新性地提出了实验室尺度的改进单极-单极观测装置形式,以铜线建立了二维尺度下的等电位参考边界,以此对不同非饱和状态下的复杂地层结构进行电性探测及观测电位的反演解译。探测结果表明电阻率层析成像法在该种观测装置形式下能够更好地精细识别出含水层的非均质性,相应的估计不确定性大大降低;并且在不同饱和状态下获得的电阻率模型与含水量决定的地层各向异性特征理论具有较高的相似性与相关性。不同于传统地球物理式钻孔验证,本文提出以估计的电阻率模型结果作为验证模型进行正演模拟,与非相关的独立性电阻率扫描测量电位数据呈现出较好的线性相关性,同时验证了连续线性估计反演算法(Successive Linear Estimator,SLE)的有效性以及模型参数估算的准确性。因此,实验室尺度的电阻率层析成像联合连续线性估计是刻画复杂非均质性含水层的重要且有效、经济的探测方法之一。传统水文地质方面,在非均质含水层地下水流和溶质运移研究中,最主要的难点是详细刻画含水介质的渗透系数非均质性。文中砂箱抽水实验和溶质运移实验结果均表明含水层的非均质性控制着水流及污染物的迁移。水力层析扫描技术(Hydraulic Tomography,HT),类似于电阻率层析成像,通过对多次抽水试验时不同观测位置井中的不同深度水位波动数据来反演重构非均质含水层渗透系数的空间分布规律,室内砂箱实验结果表明随着水位观测数据和抽水实验次数的增加,水力层析反演精度逐渐提高,参数估计的不准确性也同时相应降低。然而在实际野外水文地质调查中,分层抽水、大范围多井抽水、多深度压力传感器测量极难实现,成本高难度大。因此,需要合理地将地球物理场信息纳入水文地质模型中作为先验信息或约束信息。本文提出的电阻率层析和水力层析水文地球物理数据融合方法切实可行,以少数水文地质井中的样本数据和电导率观测值进行双对数线性拟合,获得总体上较为概括的岩石物理学关系模型,忽略原位尺度本构物性方程的空间变异性,将电性信息转化为渗透系数场;再以变差函数分析从电性模型中获得表征空间相关性的协方差函数估计。以此转换的渗透系数场和协方差函数作为水力层析的先验信息,再经少量水头数据校正渗透系数参数模型,能够获得较好的渗透系数估计场,即使是在没有观测水位数据的区域。实验结果表明该先验信息包含了地层、边界、层间变异性、渗透系数相对大小等多种信息,少量的抽水试验和水文观测数据就能够获得较好的参数估计场。理论数值模拟实验也同样验证了该融合方法的有效性,同时从渗透率和电导率模型本征分析上确定了两种参数场间复杂相关关系。