高密度電阻率法在閩南濱海平原區(qū)探測降落漏斗中的應用

伍成成 林加明

(福建省廈門地質工程勘察院，廈門，361008)

隨著城市化的發(fā)展和經濟快速發(fā)展，人們對地下水的開采量越來越大，尤其是對于缺水地區(qū)，超采地下水導致水位下降，降落漏斗迅速擴大，如不重視，會引起地面沉降、水質惡化、海水入侵等一系列環(huán)境地質問題。因此，及時監(jiān)測漏斗范圍，分析其發(fā)展趨勢，對于城市建設、社會發(fā)展和環(huán)境保護具有重要的意義。

前人對缺水地區(qū)的水源地和城市開采地下水形成的降落漏斗研究較多，分析了其形成原因、造成影響和應對措施，但是對于濱海平原開采地下水的降落漏斗研究較少[1-4]。高密度電阻率法是在傳統的直流電阻率法的基礎上發(fā)展起來的二維探測技術，在以往的研究中，多用于探測隱伏斷裂、溶洞探測、地質災害勘察等領域[5-9]，直接利用此法圈定降落漏斗的案例較少。此次研究以福建漳州詔安宮口半島為例，在利用高密度電阻率法勘查隱伏構造和沉積層厚度的基礎上，嘗試結合群孔抽水開采試驗，探測降落漏斗的范圍及其發(fā)展趨勢，為當地科學合理開采地下水、保護生態(tài)環(huán)境提供參考依據。

1 研究區(qū)水文地質條件

研究區(qū)位于詔安宮口半島閩粵交界處(圖1)，三面環(huán)海，面積約30 km2。南北為基巖區(qū)，中間為狹長平原，沒有河流和淡水湖泊，水資源較匱乏，地下水以降雨補給為主。地下水分布受地貌、巖性等因素控制，中部平原區(qū)坡度為1°～5°，平均海拔為7.7 m，發(fā)育第四系沖洪積層、海積層和風積層，主要含水層由細砂、中粗砂、卵礫石組成，滲透性較好。

圖1 宮口半島研究試驗區(qū)位置Fig.1 Location of the experimental area in Gongkou Peninsula

根據調查,居民區(qū)、水產公司和農業(yè)種植區(qū)主要集中分布于半島的中部平原區(qū),尤其是半島南部風-海積平原區(qū)地勢平坦，又是連片種植區(qū)，地下水開采量大，容易超采。若開采量超過補給量，易形成降落漏斗，引起附近的咸水入侵。為了解抽水形成的降落漏斗的擴散規(guī)律和變化趨勢，高密度電法試驗區(qū)選擇在南部的風-海積平原區(qū)開展群孔抽水試驗。

以探測區(qū)典型L5K2孔為例，自地面起算，0～7.5 m為第四系全新統風海積細砂層，含泥量5%～10%，地下水為潛水；7.5～10.0 m為海積淤泥質土，為隔水層；10～41.7 m為第四系上更新統沖洪積中砂、礫砂、礫砂沉積層，地下水為承壓水；41.7 m以下為風化層基巖裂隙水。因對上層風海積細砂潛水層開采量較大，因此以該層為試驗目標，探測開采狀態(tài)下降落漏斗變化情況。

根據勘探資料，風海積細砂層為潛水，探測區(qū)地面標高3.64～4.28 m，水位標高3.34～3.68 m，地下水流向自西北往東南流，試驗含水層最大厚度9.64 m，最小厚度6.44 m，平均厚度7.97 m，整體上西北側較東南厚。該層直接接受降雨補給，富水性貧乏-中等，水質受地表海水影響較大，位于岸線附近多為咸水，礦化度大于1 g/L，距離岸線較遠為淡水，水化學類型HCO3·Cl-Ca·Na或Cl-Na型。

2 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是在傳統的直流電阻率法的基礎上發(fā)展起來的二維探測技術，通過一次性將所有電極位上的電極布置好，利用儀器自動采集數據。具有數據采集效率高，數據密度高，電阻率剖面二維化，成果直觀等優(yōu)點。高密度電法的測試成果的解釋是以對迭代后所輸出的擬電阻率斷面圖的對比為基礎，通過對同一點位不同時間段測量得到的擬電阻率斷面進行對比，結合抽水的情況分析，以確定在試驗中高密度電法是否能有效對降落漏斗的形態(tài)進行探測。

該研究儀器使用重慶奔騰數控儀器廠生產的WDJD-3型多功能數字直流電法儀，采用α排列。使用前，對儀器進行校正，通過試驗獲取場地的物理參數。

3 野外實施

3.1 孔位布置和群孔抽水實施

圖2 群孔抽水試驗鉆孔分布及高密度電法測線布置圖Fig.2 Layout drawing of group drilling pumping test drillings and survey lines of high density resistivity method

此次研究在半島南部風-海積平原區(qū)選擇15口鉆孔進行井群干擾抽水試驗(圖2)，其中4個抽水孔(編號L5K2-W、L5K2-S、L5K2-E、L5K2-N)以L5K2孔為中心呈近四邊形布置，南北抽水孔間距55 m，東西向抽水孔間距40 m。觀測孔布置11個(編號依次為L5K2-N-GC1、L5K2-N-GC2、QK1、QK2、L5K2-E-M、L5K2-E-GC1、L5K2-E-GC2、L5K2-W-GC1、L5K2-W-GC2、L5K2-S-GC1、L5K2B)，分布于4個抽水孔附近，間距5～10 m。同時為了探測漏斗的影響范圍，在高速公路另一側設置2個觀測孔。

此次研究主要開采第四系上部的風-海積成因的細-中砂層潛水，因此試驗鉆孔深度平均為10 m，以不揭穿下部承壓含水層為原則。根據鉆孔設計，抽水井和觀測井采用PVC-U水文地質成井專用管，管徑DN 160 mm，成井類型為完整井，采用包網過濾器，填礫厚度為100 mm。根據單孔抽水的結果，群孔抽水采用4臺0.75 kW水泵，設置于抽水井深度8 m。為防止抽出的水下滲，地表排水管排向南側高速公路的排水溝流走。流量采用三角堰觀測、水位采用萬用表檢測，操作嚴格按照有關規(guī)范[10]執(zhí)行。

次群孔干擾抽水采用定流量抽水試驗，4個抽水孔同時抽水，同步觀測水位和流量。試驗自2017-07-09T10：34開始，至2017-07-15T09：00結束，歷時142.5 h，控制水位降深不超過含水層厚度的1/2。抽水期間無降雨，且周邊無開采取水。因此，此次群孔抽水試驗可以反映自然狀態(tài)下風-海積淺層地下水相互干擾時對水位降深和單井出水量的影響。群孔抽水之前先進行單孔抽水，單孔抽水時鉆孔抽水量(Q)為98.7～107.43 m3/d，降深(S)為3.291～3.813 m，單孔影響半徑(R)平均為47.45 m，單位降深涌水量(q)為0.30～0.378 L/s·m。群孔抽水時，抽水量控制在90.41～103.01 m3/d，控制水位降深3.896～4.587 m，單位降深涌水量(q)為0.26～0.275 L/s·m。在抽水量和降深與單孔抽水基本一致的情況下，單位降深涌水量有所降低，表明了在群孔之間相互干擾，群孔孔位布置是合理的。

3.2 物探測線布置

物探測線布置以L5K2孔為中心，共布置2條測線，其中GM1測線近東西走向(NE74°)，測線GM2近南北走向(SE152°)，測線均長88.5 m。其中，2條測線均布置60根電極，一次性布設，電極間距1.5 m，采用溫納裝置采集，采集層數19層，野外勘探嚴格按照有關技術規(guī)程[11]進行工作。場地地下水總體自西北往東南流，考慮現場實際水文地質條件，為提高操作效率，GM1測線只在抽水前0 h、抽水后1 h、7 h、142.5 h進行數據采集；GM2測線分別在抽水前20 h、0 h，抽水后8 h、22 h、32 h、46 h、56 h、70 h、80 h、94 h、104 h、118 h、128 h、142.5 h分別進行數據采集。

4 結果分析

4.1 高密度電阻率法探測結果

研究區(qū)群孔干擾抽水試驗抽取的是上層風-海積砂層的潛水，根據電阻率變化梯度來判別高阻區(qū)界線。從實測的擬電阻率剖面圖顯示出淺部由于抽水疏干形成的高阻區(qū)(圖3、圖4)，而且隨著抽水持續(xù)進行，地下水位下降，含水層被不斷疏干，高阻區(qū)也隨之擴大，增加厚度2～2.5 m。與單孔抽水不一樣的是，群孔干擾抽水試驗的高阻區(qū)不局限于抽水孔附近，而是分別以抽水孔為中心向兩側發(fā)展合并為一個高電阻率層，反映了各抽水孔之間良好的水力聯系。

圖3 GM1東西向剖面擬電阻率剖面Fig.3 GM1 survey line of high density resistivity profile

圖4 GM2南北向剖面擬電阻率剖面Fig.4 GM2 survey line of high density resistivity profile

4.2 實測降落漏斗平面形態(tài)

抽水過程中，連續(xù)觀測水位，確定其變化規(guī)律。群孔抽水結束時降落漏斗形態(tài)，其值表示水位標高(圖5)?？梢院苊黠@的看到在抽水孔附近形成降落漏斗，其直徑14～20 m，漏斗中心水位埋深4.061～5.124 m。漏斗的寬度大小受抽水量、水位降深、徑流補給等因素的影響，隨著抽水時間的延續(xù)，水位不斷下降形成負值區(qū)，抽水孔得到周邊水源補給，地下水流入抽水井中。

圖5 群孔抽水降落漏斗平面形態(tài)Fig.5 Plane configuration of groundwater depression induced by group drilling pumping

4.3 高密度電阻率法探測降落漏斗與實測水位線對比

通過高密度電阻率法探測降落漏斗與實測水位埋深線對比(圖6)，可以看到，除抽水井位附近外，高阻區(qū)界線與停止抽水時地下水水位線基本是吻合的，說明了高阻區(qū)與疏干區(qū)的一致性。受制于場地地層巖性、抽水時形成的地下水三維流場以及水躍現象，采用物探方法探測的二維電阻率剖面與實測的水位線存在一定的差距，特別是在抽水井附近二者差異較大，吻合度較差。但總體上看，探測剖面高低阻界線與實測水位線整體趨勢上吻合，采用高密度電法可以探測抽水形成的疏干區(qū)的二維形態(tài)(深度、寬度)，根據高阻區(qū)的形態(tài)可以初步判斷水位總體上是北高南低、西高東低。

圖6 高密度電阻率法探測降落漏斗與實測水位線實測水位線對比Fig.6 Comparison of groundwater depression and measured water level through the high density resistivity method1—風海積細砂層；2—淤泥質土；3—高阻區(qū)界線；4—初始水位；5—停抽前觀測水位

5 結語

(1)地下水作為部分企業(yè)和居民生活用水來源，特別是對于以地下水為主要供水來源的沿海地區(qū)來說，若持續(xù)開采量大而補給不足，不斷擴大的降落漏斗易和咸水溝通導致海水入侵，使得脆弱的濱海生態(tài)環(huán)境更為嚴峻。因此，及時圈定漏斗范圍，分析其發(fā)展趨勢，具有重要的現實意義。

(2)在濱海平原區(qū)使用高密度電阻率法探測降落漏斗，探測其范圍和變化趨勢。通過和實測的水位線進行比對，結果表明二者具有較好的符合性。利用此法可以快速探測一些特殊地區(qū)的漏斗范圍，具有一定的適應性。

(3)該次研究區(qū)試驗僅針對單一均質的含水層，地質條件較為簡單，周圍干擾較小，采用此法在多含水層全孔抽水等復雜條件下方法的適用性還有待進一步的驗證。