大沽河咸水入侵區(qū)氯離子濃度、礦化度與地層電阻率關系實驗研究*

孟慶生， 佟 雪， 鄭西來， 李 狀， 樊玉清

(中國海洋大學1.環(huán)境科學與工程學院； 2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

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大沽河咸水入侵區(qū)氯離子濃度、礦化度與地層電阻率關系實驗研究*

孟慶生1，2， 佟 雪1， 鄭西來1，2， 李 狀1， 樊玉清1，2

(中國海洋大學1.環(huán)境科學與工程學院； 2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

針對大沽河水源地海水入侵問題，以現(xiàn)場采集的咸、淡水樣品和14組人工配制水樣，以及現(xiàn)場取回的含水層砂樣，進行了咸淡水驅替試驗和電阻率測試。試驗結果表明：電阻率對離子濃度、礦化度的變化存在敏感區(qū)，當Cl-濃度小于500mg/L或礦化度小于1000mg/L時，Cl-濃度或礦化度的微小變化都會引起電阻率的顯著改變；各離子濃度與電阻率均呈現(xiàn)負相關關系，相關系數(shù)均大于等于0.987；單一Cl-指標確定的電阻率閥值為44Ω·m，與其它研究區(qū)相差較大，不能作為示范區(qū)判斷海水入侵的標準；礦化度指標與電阻率具有很好的相關性，相關系數(shù)為0.988，建立的電阻率閥值與實際相吻合，可以用來衡量海水入侵程度和預測入侵范圍，但在試驗過程中要盡量保證砂樣礦物成份符合實際，即充分考慮地層中礦物成份引起的電性影響。

咸水入侵； 驅替試驗； 電阻率； 礦化度

濱海地區(qū)由于人為超量開采地下水，造成地下水位大幅度下降，海水與淡水的動態(tài)平衡被破壞，導致咸淡水界面向陸地方向移動[1-2]，使沿海地區(qū)生產、生活和生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞[3]。因此，采用有效的監(jiān)測手段，查明海水入侵程度和范圍，對預測海水入侵的發(fā)展趨勢、合理提出防治對策具有重要意義[4]。

長期以來，諸多學者通過布設地下水觀測井，運用室內試驗手段監(jiān)測水中離子含量、電導率(或電阻率)和pH值等水化學指標，來反映海水入侵程度[5-8]。相關研究表明，這些方法中單一Cl-監(jiān)測指標使用最為廣泛[9-10]，然而，不同類型地區(qū)天然地下水中Cl-濃度的背景值差異很大，實際應用中經常會出現(xiàn)失誤[11]，且投入大、耗時多。因海水入侵是一個復雜的侵染過程，其中伴隨著一系列的物理、化學和生物過程，有必要選擇綜合指標進行評價。

除了上述傳統(tǒng)的水化學監(jiān)測手段，近年來，人們開始利用地球物理學中的電阻率剖面法研究海水入侵問題[12-14]。這種方法只需在地面開展探測工作，具有快捷、不破壞場地環(huán)境、可避免因鉆孔可能造成的咸淡水二次交叉污染等特點而備受關注。地下水中離子成分和濃度是影響電阻率的主要因素，咸淡水在這方面具有顯著的差異，因而可用電阻率來描述咸淡水界面的性質，反映海水入侵狀況[15]。電剖面法屬于一種間接的監(jiān)測手段，要使其能夠正確的評價海水入侵狀況，必須建立正確的咸、淡水化學指標與電阻率之間的相關關系。已有學者開展過此方面的研究，提出了不同的視電阻率臨界特征值作為判斷海水入侵的標準[16-18]，但其判別標準不統(tǒng)一。此外，相關文獻中的研究方法多是通過測定觀測井水中不同離子濃度與其電阻率的回歸關系，而實際上的電阻率則是土壤和地下水的綜合反映，又由于電阻率還受到地層巖性、水文地質等地區(qū)性因素的影響，因而所建立的回歸關系是否準確，還有待進一步研究。

針對上述存在的問題，本文對大沽河下游地下水Cl-濃度、礦化度與地層電阻率的回歸關系開展驅替試驗研究，以期為利用電阻率剖面法準確圈定海水入侵范圍，預測過渡帶移動變化，并為進一步治理提供相關的科學依據(jù)。

1 實驗裝置和材料

1.1 試驗裝置

試驗采用改進的Miller Soil Box[19]作為電阻率測量裝置(見圖1，2)，整個裝置由三部分組成，材料為有機玻璃板，圖1中①是裝置的核心，大小為210mm×40mm×30mm(長×寬×高)，用于填充砂樣和電阻率測試；②為水室，制作飽和砂樣時作為臨時儲水室；水室和砂樣填充區(qū)之間由一塊鉆有9個滲水孔的有機玻璃板隔開，水室兩端的兩個側壁下方各有一個排水孔(見圖1中③)。在核心裝置①兩端及中間位置分別安置40mm×40mm的銅電極板，分別用作供電電極(A、B)和測量電極(M、N)，各電極之間位置關系為AM=85mm，MN=40mm，NB=85mm。

(① 裝置核心區(qū)；② 水室；③ 排水孔。① Core area of the device；② Water chamber；③ Drain holes.)

圖1 試驗裝置示意圖
Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 The graph of the experimental setup

1.2 供試砂樣

大沽河下游為青島市重要的水源地之一，地層具有明顯的雙層結構，上層以透水性差的黏質砂土為主，下層為不同粒度的砂和砂礫層[20]，透水性和富水性強，為良好的地下含水層。供試砂樣取自該區(qū)李哥莊鎮(zhèn)JZ35觀測井附近的下層砂樣(見圖3)。取樣時先在現(xiàn)場挖開覆蓋層至砂層，用自制取樣器垂直向下，同時用力均勻下壓，達到取樣深度后將取樣器提起，輕輕敲擊取出砂樣，然后將取出的砂樣放置于樣品箱中，用塑料膜密封后在室溫下保存，以保持砂樣的原有性質。

1.3 供試水樣

試驗水樣包括取自現(xiàn)場的淡水、咸水以及14組人工配制水樣。在試驗區(qū)內已有的少量觀測井水質監(jiān)測資料的基礎上，分別用自制取水器在JZ21、JZ30觀測井中各取10L淡水樣和咸水樣(取樣點見圖3)，分別用于制作飽和砂土樣和驅替試驗[21]中的對比樣品。人工配制水樣的制作方法為：準確稱量0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、7.0、9.0和11.0g青島通用海大海水素公司生產的人工海水素，并分別溶于1L的Milli Q水中，配制成14組不同濃度的水樣。

圖3 研究區(qū)地理位置及采樣點位置圖Fig.3 Geographical locations of the study area and the locations of sampling points

2 實驗方法與結果

2.1 砂樣分析

由砂樣粒度分析可知，供試砂樣粒徑小于0.5mm的部分占總量的20.35%，粒徑小于2mm的部分占總量的85.15%，不均勻系數(shù)Cu為4.06，曲率系數(shù)Cc為1.05。X射線衍射分析結果表明, 砂樣中的主要礦物有石英、長石、伊利石、高嶺石和綠泥石。

2.2 水樣分析

用0.45μm的玻璃纖維膜對全部水樣進行過濾，然后使用美國戴安公司的 ICS-3000離子色譜儀測定水樣中各離子含量，并計算出對應的礦化度值(見表1，2)。

2.3 咸淡水驅替試驗

咸淡水驅替試驗是指在一定溫度下，用咸水置換砂樣中淡水的過程。本次試驗過程為：

(1)將現(xiàn)場取回的原狀砂樣不經過篩直接裝入試驗裝置中的砂樣填充區(qū)內，裝滿后輕輕敲擊槽壁并壓實，使砂樣保持均勻密實，用橡皮泥封堵水室兩端的排水孔后，向兩側水室內注滿取自現(xiàn)場的淡水，靜置30 min，確保砂樣處于淡水飽和狀態(tài)。

(2)用橡皮泥封堵水室與砂樣填充區(qū)之間有機玻璃板上的全部滲水孔，然后打開水室兩端的排水孔將淡水放空，以避免測量時傳導電流不經砂層而直接通過水到達接收電極。然后用E60BN型電阻率儀測量M、N電極之間的電流和電位差(見圖4)。

(3)打開水室與砂樣填充區(qū)之間被堵住的滲水孔，用10mL注射器量取取自現(xiàn)場的咸水，緩慢均勻的滴到砂樣上方進行驅替，待剛好吸收時再次測量M、N電極之間的電流和電位差。依次滴加咸水并進行測量，直至連續(xù)兩次計算得到的電阻率值相差小于0.01Ω·m時，認為驅替完成。

(4)重復步驟(1)～(3)，測得不同濃度人工配制水樣驅替完成時M、N電極之間的電流和電位差。

表1 現(xiàn)場水樣離子含量及礦化度Table 1 Ion content and mineralization of the field water samples /mg·L-1

表2 人工配制水樣離子含量及礦化度Table 2 Ion content and mineralization of the artificial prepared water samples /mg·L-1

圖4 電阻率測試裝置圖Fig.4 The graph of resistivity test instrument

2.4 數(shù)據(jù)分析與結果

2.4.1 電阻率計算 由試驗測得的電流和電壓值，需根據(jù)如下公式計算電阻率：

式中：ρ為砂樣的電阻率(Ω·m)；U為測量電極M、N間的電位差(mV)；I是通過砂樣的電流(mA)；S為砂樣的橫截面積(m2)，取0.04×0.03m2，L為M、N電極之間的間距(m)，取0.04m。

2.4.2 各離子濃度與電阻率關系 根據(jù)配制的14組不同濃度水樣驅替試驗獲得的電阻率數(shù)據(jù)(不包括現(xiàn)場咸水樣品電阻率數(shù)據(jù))，分別用origin繪圖軟件中Reciprocal型(倒數(shù)型y=a/(1+bx))曲線和Allometric型(冪函數(shù)型y=axb)曲線對水樣中各離子濃度與電阻率的關系進行擬合，所得擬合曲線見圖5所示。從兩種擬合曲線的相關系數(shù)來看，Reciprocal型擬合要優(yōu)于Allometric型擬合，尤其是在電阻率變化最快的離子濃度范圍內。

由圖可知，無論對于哪種擬合關系，飽和砂土含水層中各離子成份的濃度與電阻率均呈負相關關系，并且離子濃度對電阻率的影響程度不同。以Cl-為例，從曲線的變化率來看，當Cl-濃度大于2500mg/L時，電阻率的變化幅度非常小，當Cl-濃度介于500～2500mg/L之間時，電阻率隨Cl-濃度增加而緩慢減小，而在Cl-濃度小于500mg/L時，隨Cl-濃度的增加電阻率迅速減小。飲用水水質標準中通常將Cl-濃度為250mg/L作為劃分咸淡水的閥值，而這個濃度值恰好位于電阻率變化最快的濃度范圍內，充分說明電阻率對咸淡水的敏感性，也證實了電阻率法劃分咸淡水分界面的可行性。

圖5 各離子濃度與飽和含水砂層電阻率關系曲線

實驗還發(fā)現(xiàn)，對應相同的Cl-濃度，本文得到的電阻率值較已有成果中確定的電阻率偏高，深入分析認為這和所采用的試驗材料有關，以往的研究中多直接通過測定觀測井水的Cl-濃度和電阻率值來建立二者之間的相關關系[11]，忽略了地層因素的影響，尤其是含水砂層顆粒間所夾雜的礦物成份，如高嶺土等粘性礦物對離子的吸附作用引起的巖石電學特征的改變。

2.4.3 礦化度與電阻率關系 圖6為根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立的礦化度與電阻率的關系曲線，其擬合公式為,

式中：M為水樣的礦化度(mg/L)；ρ為砂樣的電阻率(Ω·m)。

圖6 礦化度與飽和含水砂層電阻率關系曲線Fig.6 The relational curve between mineralization and resistivity of water sand

由圖可見，電阻率變化的總體特征表現(xiàn)為隨著礦化度減小電阻率越來越大。地下水礦化度與電阻率二者之間的關系也表現(xiàn)為三個不同區(qū)段的特征，在礦化度大于5000mg/L時，礦化度對電阻率的影響較弱，在礦化度小于1000mg/L(淡水區(qū))時，對電阻率影響顯著，而當?shù)V化度介于1000～5000mg/L之間時，電阻率隨礦化度增加而緩慢減小。國標中要求生活飲用水礦化度小于1000mg /L，許多學者也將礦化度1000mg /L作為區(qū)分咸淡水的閥值[9,11,22]，根據(jù)本實驗得到的礦化度與電阻率的關系曲線，當?shù)V化度取1000mg/L時，對應的電阻率約為23Ω·m，該值與以往研究中確定的電阻率值吻合，因而可以作為示范區(qū)判斷咸水入侵的電阻率閥值。

此外，圖中也表明現(xiàn)場水樣驅替試驗的實測值與擬合曲線具有很好的相關性。在示范區(qū)各觀測井水質監(jiān)測結果中，無論是Cl-濃度指標，還是礦化度指標，JZ30都是最高的，因而可以認為現(xiàn)場取回的咸水樣品代表了示范區(qū)地下水咸度的最高值，其對應的電阻率為4.5Ω·m，從而可以推斷，當測得的電阻率介于4.5～23Ω·m之間時，對應區(qū)域的地下水應劃分為海水入侵的過渡帶。

3 結論

根據(jù)大沽河下游含水砂層咸淡水驅替過程中電阻率測試試驗，得到了各離子濃度、礦化度與地層電阻率的相關關系，主要結論如下：

(1)地下水中大多數(shù)離子濃度與地層電阻率之間呈現(xiàn)負相關關系，并存在敏感區(qū)。

(2)地下水離子濃度與電阻率關系具有地域性特征，大沽河咸水入侵區(qū)地下水中Cl-濃度為250mg/L時對應的電阻率為44Ω·m，不能作為示范區(qū)內判斷海水入侵的標準。

(3)在研究離子濃度與電阻率的特征關系時，需要充分考慮地層巖性以及礦物成份引起的巖石電學特征影響，即，在試驗中應測量咸水飽和地層電阻率，而不應直接測量觀測井水電阻率。

(4)對于大沽河咸水入侵區(qū)，礦化度可以從總體上反映飽水砂層電阻率的變化，因而試驗獲得的電阻率特征值可以作為示范區(qū)海水入侵的判別標準。

[1] 郭占榮, 黃奕普. 海水入侵問題研究綜述 [J]. 水文, 2003, 23(3): 10-15.

[2] 茅澤育, 趙雪峰, 江春波. 感潮河段鹽水入侵的河口水質模型 [J]. 水利學報, 2009, 40(5): 520-528.

[3] 衣華鵬, 張鵬宴, 畢繼勝, 等.萊州灣東岸海水入侵對生態(tài)環(huán)境的影響 [J]. 海洋科學, 2010, 34(1): 28-34.

[4] 鐘啟明, 陳建生, 陳亮. 濱海地區(qū)海水入侵的一種測定方法 [J]. 水利水電科技進展, 2007, 27(1): 50-53.

[5] 殷建平, 謝強, 孫宗勛, 等. 深圳沿岸海水入侵災害現(xiàn)狀研究 [J]. 海洋環(huán)境科學, 2010, 30(4): 541-545.

[6] 肖國強, 楊吉龍, 胡云壯, 等. 秦皇島洋-戴河濱海平原海水入侵過程水文化學識別 [J]. 安全與環(huán)境工程, 2014, 21(2): 32-39.

[7] 盧繼強, 陳剛, 胡成. 濱海地區(qū)海水入侵的水化學和同位素證據(jù)——以沿海某市典型地段為例 [J]. 勘察科學技術, 2004, 3: 22-26.

[8] 喬吉果, 龍江平, 許冬, 等. 長江口北翼海濱地區(qū)海水入侵的地球化學特征初步研究 [J]. 海洋通報, 2011(2): 200-205.

[9] 趙建. 海水入侵水化學指標及侵染程度評價研究 [J]. 地理科學, 1998, 18(1): 16-24.

[10] 苗青, 陳廣泉, 劉文全, 等. 萊州灣地區(qū)海水入侵災害演化過程及成因 [J]. 海岸工程, 2013, 32(2): 69-78.

[11] 李福林, 張保祥. 水化學與電法在海水入侵監(jiān)測中的應用 [J]. 物探與化探, 1999, 23(5): 376-379.

[12] Walther M, Delfs J O, Grundmann J, et al. Saltwater intrusion modeling: Verification and application to an agricultural coastal arid region in Oman [J]. Journal of Computational and Applied Mathematics, Germany, 2012(236): 4798-4809.

[13] 唐心強, 董潔, 大年邦雄, 等. 電法探查海岸帶含水層咸淡水界面的調查研究 [J]. 水文地質工程地質, 2007(1): 38-43.

[14] 姜振蛟, 卞建民, 查恩爽, 等. 高密度電阻率成像法在水文地質領域中的應用 [J]. 水文地質工程地質, 2010, 37(2): 21-26.

[15] Benkabbour B, Toto E A, Fakir Y. Using DC resistivity method to characterize the geometry and the salinity of the Plioquaternary consolidated coastal aquifer of the Mamora plain, Morocco [J]. Environmental Geology, 2004, 45: 518-526.

[16] 楊進, 武煒, 劉兆平. 城市地質災害勘察中地球物理方法的應用效果 [J]. 物探化探計算技術, 2005, 27(3): 233-237.

[17] 朱命和. 應用電測井曲線計算地層水礦化度 [J].物探與化探, 2005, 29(1): 31-33.

[18] Samsudin A R, Haryono A, Hamzah U, et al. Salinity mapping of coastal groundwater aquifers using hydrogeochemical and geophysical methods: a case study from north Kelantan, Malaysia [J]. Environ Geol, 2008(55): 1737-1743.

[19] 劉國華, 王振宇, 黃建平. 土的電阻率特性及其工程應用研究 [J]. 巖土工程學報, 2004, 26(1): 83-87.

[20] 鄭西來, 王東升, 胡志峰，等.濱海地區(qū)咸淡水界面上含水介質水敏感性的實驗 [J]. 海洋地質與第四紀地質, 2007, 27(5): 133-137.

[21] 任加國, 胥韋韋, 武倩倩, 等. 不同淡水驅替海水過程中滲透性變化試驗研究 [J].山東科技大學學報：自然科學版, 2014, 33(2): 29-33.

[22] 張啟新, 李潔, 叢穩(wěn). 地下水電導率與礦化度相關關系分析 [J]. 地下水, 2010, 32(6): 46-48.

責任編輯 龐 旻

An Experimental Investigation of Relationship of Chloride Concentration and Mineralization with Resistivity in Saltwater Intrusion Zone of Dagu River

MENG Qing-Sheng1,2, TONG Xue1, ZHENG Xi-Lai1,2, LI Zhuang1, FAN Yu-Qing1,2

(Ocean University of China, 1. College of Environmental Science and Engineering; 2. The Key Laboratory of Marine Environment Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

A combination of salt-fresh water displacement experiment and resistivity measurement test was performed to evaluate seawater intrusion in downstream of Dagu River aquifer media. To delineate the relationship between resistivity and the concentration of Cl-and mineralization, the field samples of salt water, freshwater, and in-suit sand were collected, and also, 14 artificial seawater samples were prepared to carry out the experiment. The results show that resistivity is extremely sensitive to the changes of mineralization and the concentration of each ion. When the concentration of Cl-is less than 500 mg/L or the mineralization is less than 1000mg/L, a small change of the mineralization or the concentration of Cl-will cause a significant change of resistivity. There exists negative correlations between the concentration of each ion and the resistivity, and the correlation coefficient is no less than 0.987. However, the corresponding resistivity which is 44Ω·m is much higher than others which were obtained by single index of Cl-concentration in experiments of other study areas, and can’t be used to judge the seawater intrusion in study area. And we also find that the mineralization as a significant parameter has closer relation with resistivity, the correlation coefficient is 0.988, and the resistivity threshold value which is obtained by the relationship is coincident with the actual measured resistivity using the field seawater samples. So, the mineralization index can be used to determine the extent and rang of seawater intrusion, but more attention should be paid to the electrical effect caused by mineral elements in the formation in order to ensure the accuracy of measuring resistivity during the experiments.Key words: saltwater intrusion; salt water-freshwater displacement; resistivity; mineralization

水利部公益性行業(yè)科研專項(201301090)資助

2014-04-11；

2015-06-06

孟慶生(1972-)，男，副教授，主要從事海水入侵檢測技術研究工作。E-mail:85111707@qq.com

P641.7

A

1672-5174(2015)05-087-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140124