采用高密度電法儀監(jiān)測圍墾區(qū)土壤鹽分變化

周 煜，余夏楊，周廷璋，辛 沛

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

鹽漬土分布廣泛，我國從濕潤地區(qū)到干旱地區(qū)，從濱海到內(nèi)陸，均存在大量鹽漬土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鹽漬土面積為3.47×107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[1-2]。在過去的30年間，濱海地區(qū)由于圍墾產(chǎn)生的鹽漬土面積高達(dá)7.5×105hm2，其中江蘇圍墾沿海灘涂面積達(dá)2.5×105hm2[3]，作為重要的土地后備資源，對其合理利用不僅可以緩解江蘇土地的供需矛盾，還可以促進(jìn)江蘇沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

為揭曉鹽漬土成因，掌握土壤脫鹽規(guī)律，合理有效地利用鹽漬土，國內(nèi)外許多學(xué)者對鹽堿地進(jìn)行了大尺度的野外觀測。早期學(xué)者多采用定點(diǎn)定期采樣的方法，分析土壤的鹽含量，并結(jié)合水化學(xué)技術(shù)監(jiān)測、研究水鹽的運(yùn)移規(guī)律。隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，高密度電法儀逐漸被應(yīng)用于水文地質(zhì)領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，高密度電法儀通過直接測量土壤視電阻率，來間接反映地質(zhì)構(gòu)造和土壤孔隙水狀況，具有連續(xù)、便捷、破壞性小等特點(diǎn)。

目前，多將高密度電阻率法運(yùn)用到海水入侵的研究中，如Sutter等[4]在新西蘭濱海地區(qū)，通過高密度電阻率法分析海水位季節(jié)性變化對淺水層鹽分分布的影響。Mart等[5]結(jié)合高密度電阻率法、瞬變電磁法、電測深法，探索研究區(qū)海水入侵的程度。Huizer等[6]采用高密度電阻率法監(jiān)測濱海地區(qū)潮汐波浪影響下的地下水鹽度變化。類似地，Capizzi等[7-13]將高密度電阻率法應(yīng)用到海水入侵區(qū)，圈定海水入侵的大致范圍。Nijland等[14-15]根據(jù)高密度電阻率法探究土壤水分隨時(shí)間變化的規(guī)律。Martínez等[16]驗(yàn)證了高密度電阻率法對咸水入侵過的濱海沉積系統(tǒng)的水鹽監(jiān)測具有高效性。部分學(xué)者將高密度電阻率法與數(shù)模相結(jié)合，用于預(yù)測海水入侵。如Beaujean等[17-18]把地下水監(jiān)測井和高密度電阻率法的實(shí)測結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，來校核海水入侵模型的參數(shù)。也有學(xué)者根據(jù)高密度電阻率法的測量結(jié)果，修正了公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，如Maillet等[19]通過高密度電阻率法探明了濱海高鹽度古渠道的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)演變和回填進(jìn)程，并修正了阿爾奇公式以確定測區(qū)條件。國內(nèi)在水文地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用高密度電阻率法起步較晚，目前已有研究人員把高密度電阻率法二維、三維成像技術(shù)應(yīng)用到萊州灣[20-23]、膠東半島[24]、海南[25]、廣東[26]、遼寧[27]等濱海地區(qū)，率定出氯離子濃度和電阻率的關(guān)系曲線，判定了海水入侵的范圍，使得不同監(jiān)測指標(biāo)聯(lián)合監(jiān)測水鹽運(yùn)移成為可能。蘇喬等[28]利用高密度電阻率法分析了濰坊濱海地下水在潮汐作用下的時(shí)空變化。

高密度電阻率法盡管已經(jīng)在海水入侵地區(qū)應(yīng)用較多，但在灘涂圍墾區(qū)卻鮮有報(bào)道。本研究采用高密度電阻率法，結(jié)合氣象站觀測、地下水取樣等手段，監(jiān)測江蘇條子泥圍墾區(qū)土壤鹽分變化，獲取了較為可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以期為研究自然條件下的土壤脫鹽和反鹽規(guī)律、后續(xù)改良鹽漬土、提高土壤肥力起指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況與監(jiān)測方法

1.1 研究區(qū)概況

條子泥工程是江蘇沿海灘涂圍墾的先導(dǎo)工程(圖1)。該圍墾區(qū)北起梁垛河口，南至方塘河口，西界為東臺沿海中南部墾區(qū)外堤線，屬淤泥質(zhì)海岸[29]，目前已完成一期0.67萬hm2的匡圍工程，新圍海堤27.4 km，新筑隔堤14.3 km。

條子泥圍墾區(qū)隸屬于揚(yáng)子地層區(qū)，基巖在地表沒有外露，為第四紀(jì)濱海相沉積所形成且埋深達(dá)到數(shù)百米。在觀測區(qū)附近鉆井進(jìn)行地層分析(圖1)。第一層為輕粉質(zhì)沙壤土，夾雜壤土團(tuán)塊，表層常見植物根莖和黑色有機(jī)質(zhì)，厚度約為6 m，埋深在地表至地下6 m處，土壤含水率為30%～33%，孔隙比為0.85～0.89，屬于中等透水土層；第二層為粉砂，厚度約為14 m，埋深在地表以下6～20 m，土壤平均含水率為29.1%，孔隙比為0.82，屬于中等透水土層；而埋深20～22 m處的土層與第一層類似，主要為輕粉質(zhì)沙壤土，土壤平均含水率為33%，孔隙比0.94，屬于弱透水層；埋深22～30 m處與第二土層類似為粉砂，土壤平均含水率29%，孔隙比0.83，屬于中等透水層。圍墾區(qū)地下水補(bǔ)給來源為大氣降水和地表水，主要排泄方式為蒸發(fā)和徑流。

1-輕粉質(zhì)沙壤土 2-粉砂圖1 條子泥圍墾區(qū)

1.2 監(jiān)測手段

本研究在條子泥自然保護(hù)區(qū)(毗鄰?fù)寥栏牧紖^(qū))進(jìn)行，圍墾區(qū)原本是灘涂，受海水浸淹，地下水為海水。圍墾后和近海隔離，不再受潮汐周期性浸淹。

設(shè)置地下水位監(jiān)測井用來投放水位計(jì)，監(jiān)測高密度電法儀測量期間的地下水埋深；由孔隙水取樣井提取不同深度的淺層地下水水樣，并通過多參數(shù)水質(zhì)測量儀(YSI ProPlus)分析水樣的鹽度。

采用多通道高密度電法儀(ERT SuperSting R8/IP)進(jìn)行觀測區(qū)(圖1中紅線所示)固定剖面的測量，通過反演圖像宏觀掌握測量區(qū)的鹽度分布情況。此外，導(dǎo)出相關(guān)深度的電阻率數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間尺度的分析對比，了解淺層與深層土壤的鹽度變化，并采用淺層地下水水樣檢測的方法來印證。

1.3 觀測步驟

圍墾區(qū)2016年10—12月出現(xiàn)了持久的強(qiáng)降雨天氣，降雨量共計(jì)420 mm，約為年平均降雨量的40%，因而將12月作為2016年雨季進(jìn)行野外觀測。而次年5月降雨量不足30 mm，遂將該月作為旱季進(jìn)行觀測。在固定剖面處進(jìn)行高密度電法儀的二維布線，經(jīng)過選擇測量模塊、檢測接地電阻等一系列準(zhǔn)備工作后，開始測量，同時(shí)，讀取水位計(jì)記錄的地下水埋深，并采集地下水水樣現(xiàn)場測定鹽度。

2 高密度電法儀基本原理

SuperSting R8/IP多通道高密度電法儀由美國AGI公司生產(chǎn)，本次所使用的儀器配備有64個轉(zhuǎn)換電極，可自定義發(fā)射周期和重復(fù)觀測次數(shù)，具有自動智能、高精度高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。該儀器采用EarthImager反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它將野外的實(shí)測電流和電位差反演成地下土壤電阻率分布，從而可以推斷出地下的構(gòu)造特征及各種異常體(圖2)。

圖2 原理示意圖

高密度電阻率法具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、效率高等特點(diǎn)。但其實(shí)質(zhì)仍然是直流電阻率法，因此其基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法一致。根據(jù)式(1)、(2)，可計(jì)算出其視電阻率，再通過分析，可判斷地層異常情況。

(1)

(2)

式中：ρ為視電阻率，Ω·m；ΔV為測量電極M和N之間的電位差，V；I為系統(tǒng)供電電流，A；K為裝置系數(shù)，僅與電極布置位置有關(guān)，m；lAM、lAN、lBM、lBN為供電電極和測量電極之間的距離，m。

高密度電阻率法常用的測量裝置包括施倫貝格裝置、溫納裝置、偶極裝置、中間梯度裝置等。國內(nèi)學(xué)者馮銳等[30]在計(jì)算Barker等[31]1979年提出的敏感度系數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫納裝置對地下介質(zhì)的垂向變化反應(yīng)最為靈敏，由于圍墾區(qū)土壤電阻率低于2Ω·m，且垂向變化較小，因此測量裝置采用溫納裝置。

圖3為溫納裝置跑極示意圖，其中A、B為供電電極，M、N為測量電極，lAM=lMN=lNB=na(a為電極間距，m；n為隔離系數(shù)，取值1,2,3，…)。由式(2)得裝置系數(shù)K=2πna，是常規(guī)排列中最小的一種，但溫納裝置卻具有最大的信號強(qiáng)度(1/K)，即在供電電流不變的情況下，溫納裝置能產(chǎn)生最大的信號強(qiáng)度。因此，在較高噪聲干擾的工況中，溫納裝置往往是測量的不二選擇。跑極時(shí)，A、M、N、B保持間距不變，整體逐點(diǎn)向右移動，得到第一層測點(diǎn)，再改變隔離系數(shù)n，使n=2,3,4，…，同樣整體逐點(diǎn)右移，依次可以得到第2,3,4，…層測點(diǎn)，最終將形成一個倒梯形的測量剖面。

圖3 溫納裝置跑極示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)期的反演圖像

圍墾區(qū)土壤電阻率主要受土壤含水率、鹽度、土質(zhì)等因素影響，觀測區(qū)位于條子泥圍墾區(qū)的自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，不同時(shí)期反演結(jié)果的差異主要由土壤含水率及鹽度引起，其中土壤飽和帶的變化主要由孔隙水鹽度決定。水位監(jiān)測結(jié)果表明，圍墾區(qū)地下水不受堤外潮汐波浪的影響，埋深相對穩(wěn)定；2016年12月份降雨量大，地下水埋深穩(wěn)定為0.32 m；2017年5月份降雨量較小，地下水埋深穩(wěn)定在0.66 m。

采用高密度電法儀進(jìn)行測量時(shí)，電極間距布設(shè)為2 m，剖面總長為126 m，探測深度約為24 m，電極排列方式為溫納排列，反演程序選用EarthImager 2D低阻模塊。圖4為不同時(shí)期的二維反演電阻率斷面，大致反映了測量剖面的電阻率分布情況，圖4中紅色實(shí)線表示地下水位，整個剖面電阻率值介于0.6～1.6 Ω·m之間，有很明顯的電阻率色塊分層現(xiàn)象。

1-輕粉質(zhì)沙壤土 2-粉砂圖4 不同時(shí)期的二維反演電阻率斷面圖

非飽和區(qū)土壤為輕粉質(zhì)沙壤土，反演色塊相對雜亂，與12月份相比，5月份大量深色塊呈斑點(diǎn)狀出現(xiàn)；在測線77～91 m區(qū)域出現(xiàn)的局部高阻，12月份呈點(diǎn)帶狀分布，最大電阻率值為1.6 Ω·m，而5月則呈團(tuán)簇狀分布，最大電阻率值為1.2 Ω·m。在6 m深度內(nèi)的淺層飽和區(qū)，土質(zhì)為輕粉質(zhì)沙壤土，但電阻率值小于非飽和區(qū)，不足1 Ω·m，這是由土壤含水率大于非飽和區(qū)引起的，并且該區(qū)域5月份的深色斑塊較12月有了明顯的增多。飽和區(qū)深度 6～20 m內(nèi)，為粉砂層，這層土壤的電阻率色塊較為單一，表明鹽分分布均勻，電阻率值為整個剖面最低，變化范圍在0.6～0.8 Ω·m，與12月對比，5月份電阻率為0.6～0.7 Ω·m的色塊依然存在，但0.7～0.9 Ω·m的色塊卻有減少的趨勢。在20～25 m 深的土壤飽和區(qū)，土質(zhì)仍以輕粉質(zhì)沙壤土為主，但電阻率比粉砂層略有增大，達(dá)到0.9～1.1 Ω·m，且5月份1 Ω·m的色塊面積有略有增大。

3.2 非飽和區(qū)土壤視電阻率的變化

將測量的視電阻率數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析，圖5表示非飽和區(qū)的土壤視電阻率均值。非飽和區(qū)土層厚度不足1 m，兩次所測土壤視電阻率均出現(xiàn)了強(qiáng)烈的不規(guī)則波動現(xiàn)象，表明非飽和層土壤的含水量及鹽度分布極不均勻。對比2016年12月與2017年5月的測量結(jié)果，前者的視電阻率整體大于后者，且前者波動程度更為強(qiáng)烈，這是由不同季節(jié)土壤含水率及鹽度的變化引起。在測線77 m處出現(xiàn)的波峰區(qū)域，12月份達(dá)到最大值1.7 Ω·m，隨著時(shí)間推移，5月份時(shí)波峰明顯減弱，視電阻率最大值為1.2 Ω·m，并且在測線47 m、72 m處出現(xiàn)了多個波谷，視電阻率為0.7 Ω·m，波峰削弱波谷增強(qiáng)，自然條件的變化直接影響了非飽和區(qū)土壤視電阻率的變化。

圖5 非飽和區(qū)土壤視電阻率

3.3 飽和區(qū)淺層土壤視電阻率的變化

飽和區(qū)的土壤視電阻率與孔隙水鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此土壤視電阻率的變化間接反映了鹽度的變化。圖6表示飽和區(qū)1～2 m、2～3 m、3～4 m深度不同時(shí)期的土壤視電阻率均值，與之對應(yīng)的是表1中不同埋深的地下水鹽度。如圖6(a)，1～2 m深度的土壤視電阻率波動明顯弱于非飽和區(qū)，測線77 m處的視電阻率峰值也降低0.1 Ω·m，這表明1～2 m 深度的土壤受自然條件影響減弱。5月份土壤視電阻率均值比12月低0.18 Ω·m，測得5月份1.5 m深度的地下水鹽度為29.17 g/kg，12月份為24.72 g/kg，表明在1.5 m深度，旱季孔隙水鹽度明顯高于雨季。由圖6(b)可知，2～3 m深度的土壤視電阻率波動弱于1～2 m，曲線起伏趨于平緩，測線77～91 m處的多個波峰也大幅減弱，最大視電阻率值仍達(dá)到1.2 Ω·m，這表明2～3 m深度的土壤依然受到自然因素的影響。但兩個時(shí)期的土壤視電阻率值沒有出現(xiàn)明顯的差異，并且12月份在埋深2.5 m處的孔隙水鹽度為29.26 g/kg，5月份為29.84 g/kg，這表明深度在2～3 m的孔隙水鹽度并未發(fā)生明顯變化。圖6(c)表示深度在3～4 m的飽和帶電阻率均值，此深度的土壤視電阻率值基本穩(wěn)定，測線77～91 m處的高阻也已經(jīng)消失，兩次的測量結(jié)果重合度較高，表明3～4 m深度的土壤已不受外界自然條件的影響。而表1中，3～4 m深度12月與5月的地下水鹽度分別為29.54 g/kg、30.09 g/kg，也沒有發(fā)生明顯變化，說明深度在3～4 m的孔隙水鹽度也未發(fā)生變化。

(a) 深度1～2 m

(b) 深度2～3 m

(c) 深度3～4 m

表1 淺層飽和區(qū)不同深度水樣的鹽度

不同深度的土壤視電阻率分布曲線表明，4 m深度范圍內(nèi)是最易受自然因素影響的區(qū)域，并且非飽和帶受影響最為強(qiáng)烈；結(jié)合孔隙水鹽度的變化可知，自然條件下剖面1.5 m深度內(nèi)的孔隙水鹽度變化最為明顯，旱季孔隙水鹽度高于雨季。另外，圍墾區(qū)地下水埋深淺，土壤鹽含量居高不下，鹽漬土脫鹽速度非常緩慢，因此需采取如埋設(shè)暗管等措施加快脫鹽速度。

3.4 飽和區(qū)深層土壤視電阻率的變化

圖7表示飽和區(qū)10～11 m、14～15 m、19～20 m深度的土壤視電阻率均值。深度10～11 m的土層為粉砂層，其視電阻率曲線光滑平整，12月與5月的土壤視電阻率值差異較小，但在測線28 m、98 m處均出現(xiàn)了波谷，土壤視電阻率達(dá)到最低值0.8 Ω·m；深度14～15 m的土層仍為粉砂層，土壤視電阻率未出現(xiàn)不規(guī)則波動，12月所測視電阻率均值比5月大0.02 Ω·m，可以忽略不計(jì)，波谷處視電阻率達(dá)到最低值0.9 Ω·m；在19～20 m深度，土層以輕粉質(zhì)沙壤土為主，土壤視電阻率分布均勻，12月份的測量結(jié)果仍略大于5月。不難發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增加，土壤視電阻率波動減弱，表明深層土壤不受自然條件影響；雨季和旱季的土壤視電阻率變化微小，表明孔隙水鹽度未發(fā)生顯著變化。

(a) 深度10～11 m

(a) 深度14～15 m

(c) 深度19～20 m

4 結(jié) 語

a. 圍墾區(qū)4 m深度范圍內(nèi)是最容易受到自然條件影響的區(qū)域，其中非飽和區(qū)受影響最為顯著，4 m以下區(qū)域受影響較小。

b. 淺層飽和區(qū)1.5 m深度范圍鹽度變化明顯，且旱季鹽度明顯高于雨季，但深層土壤的鹽度沒有出現(xiàn)顯著的變化。

c. 圍墾區(qū)地下水埋深淺，自然條件下土壤脫鹽緩慢，因此需采取如埋設(shè)暗管等措施加快脫鹽速度。

本文基于高密度電阻率法，探究了觀測剖面的土壤電阻率分布情況，并通過提取孔隙水水樣進(jìn)行驗(yàn)證，但對深層土壤電阻率的率定還有待進(jìn)一步的研究。

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