高密度電阻率法在咸水入侵監(jiān)測中的應(yīng)用

陳學(xué)群,李成光,田嬋娟,劉丹,辛光明,管清花

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

海水入侵現(xiàn)象是濱海平原地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，世界上已經(jīng)有幾十個國家和地區(qū)的幾百個地方出現(xiàn)了海水入侵問題[1]，海水入侵災(zāi)害己成為制約各國濱海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要因素之一[2-3]。目前國際上通常以Cl-濃度作為判定海水入侵的主要指標(biāo)[4]，但是，實際工作過程中，Cl-濃度指標(biāo)的獲取往往受到監(jiān)測井點數(shù)量和監(jiān)測層位信息等因素的限制，在監(jiān)測井點較少或者監(jiān)測層位不明確的區(qū)域開展海水入侵監(jiān)測，必須采用其他方法或者多種方法配合使用才能獲取可靠的信息。

近年來，直流電法在包括海水入侵領(lǐng)域[5-8]在內(nèi)的多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，高密度電阻率法是直流電法的一種，相比傳統(tǒng)直流電法，高密度電法更加簡單、高效、直觀[9]，因此越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。楊偉俊[10]對超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)在邊坡地質(zhì)勘察中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；郭龍鳳[11]運(yùn)用高密度電阻率成像法在米級實驗室尺度上對海水入侵運(yùn)移規(guī)律和特征進(jìn)行了研究；趙戰(zhàn)坤等[12]利用高密度電阻率探針觀測系統(tǒng)在實驗室尺度內(nèi)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測了海水入侵的過程；何玉海[13]利用高密度電法對萊州灣地區(qū)不同地質(zhì)特征區(qū)域海水入侵界面的視電阻率特征值進(jìn)行了研究；陳松等[14]應(yīng)用高密度電法對北部灣咸淡水分界面劃分進(jìn)行了研究；蘇永軍等[15]應(yīng)用高密度電法對萊州灣地區(qū)的海水入侵界面進(jìn)行了探測。本文以壽光為例，通過高密度電阻率法測量，結(jié)合水質(zhì)取樣和地層分析，對咸水入侵過渡帶的電阻率分布特征進(jìn)行了研究，初步確定了咸淡水分界線的電阻率指示值，并對其咸—淡水界面線進(jìn)行了劃定。

1 研究區(qū)概況

壽光市位于山東省中北部，渤海萊州灣西南岸，是全國聞名的“蔬菜之鄉(xiāng)”，也是山東省重要海洋化工工業(yè)基地。由于壽光市南部地下水超采嚴(yán)重，致使北部咸水不斷向南部入侵，成為制約壽光市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。圖1為壽光市水文地質(zhì)略圖及勘探線布置，從圖中可以看出，壽光市地層以第四系松散沉積物為主，第四系地層在該區(qū)廣泛分布，厚度不一，最厚達(dá)400 m，其成因類型及巖石組合復(fù)雜，分布明顯受構(gòu)造、地貌制約，區(qū)內(nèi)自下而上可分為更新世和全新世兩個時期。區(qū)內(nèi)自晚更新世以來經(jīng)歷了3次大的海平面升降變化，歷史上3次海侵形成了3層海相地層(地下鹵水層)，地下鹵水埋藏深度為0～60 m左右，上部為潛水鹵水層，下部兩層為承壓鹵水層。根據(jù)壽光市1981年和2014年咸水入侵調(diào)查的研究成果，結(jié)合咸水入侵運(yùn)動規(guī)律，本次研究區(qū)范圍選定為2014年咸淡水分界線南北兩側(cè)的潛在發(fā)生咸水入侵的區(qū)域，重點是咸淡水分界線以南的區(qū)域。

圖1 壽光市水文地質(zhì)略圖及勘探線布置Fig.1 Hydrogeological outline and exploration line layout of Shouguang

2 高密度電阻率法勘探原理

高密度電阻率法勘探與傳統(tǒng)的直流電法勘探的原理是大體相同的，都是利用地下巖石及地質(zhì)構(gòu)造的電性差異，把不同的巖石構(gòu)造區(qū)分開來的一種地球物理勘探方法[16]，不同的是高密度電阻率法采用了陣列式布極方式，實現(xiàn)了剖面和測深同步測量，具有直觀、高效、高分辨率、高精度等特點。目前高密度電法有多達(dá)十幾種不同的裝置類型，它們都有其各自的特點，其中比較常用的是溫納(α)裝置、偶級(β)裝置、微分(γ)裝置和聯(lián)剖(δ)裝置。

本次勘探采用美國AGI公司生產(chǎn)的八通道高密度電法儀，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系3部分組成，采集的數(shù)據(jù)自動存入主機(jī)，計算機(jī)將數(shù)據(jù)處理成符合要求的格式，經(jīng)相關(guān)模塊進(jìn)行預(yù)處理后，最終反演成圖[17]。

3 電阻率特征值的確定

應(yīng)用高密度電法進(jìn)行咸水入侵監(jiān)測，首先要確定咸淡水界面線的電阻率特征值，本次選取大尺度Ⅰ—Ⅰ′水文地質(zhì)剖面附近的崔家剖面(圖1中7號測線)進(jìn)行電阻率特征值的確定(崔家剖面是在Ⅰ-Ⅰ′水文地質(zhì)剖面附近選取的較小尺度高密度測量剖面，其測量成果需要結(jié)合大尺度水文地質(zhì)剖面進(jìn)行分析)。崔家剖面測量方位為NW1°，測量長度1 025 m，測點平均間距12.5 m，測量深度約64 m，采用數(shù)據(jù)質(zhì)量高、信噪比高的分布式高密度電法儀器，選取信噪比較好的溫納(α)裝置排列方式進(jìn)行測量，測量范圍從咸水區(qū)開始至淡水區(qū)終止。實際測量過程中，將根據(jù)歷史咸淡水界面及水質(zhì)調(diào)查分析初步成果，進(jìn)行高密度電法剖面布設(shè)。

圖2為崔家剖面高密度電法測量解釋成果?？梢钥闯觯撈拭嬖谒椒较蛏?，自北向南電阻率呈現(xiàn)明顯的漸變過程，以30～60 m深度范圍為例，電阻率主要分為3段：第一段為0～500 m，視電阻率值均小于5 Ω·m；第二段為500～950 m，電阻率值逐漸增大到5～10 Ω·m；第三段為950 m以遠(yuǎn)，電阻率值逐漸增大，均高于10 Ω·m，符合咸水入侵過渡帶的基本特征。初步推斷0～500 m處為咸水區(qū)，500～950 m處為咸淡水過渡區(qū)，950 m以后為淡水區(qū)，咸淡水過渡區(qū)域呈現(xiàn)明顯的楔形入侵模式[18]。此外，從圖中還可以看出，0～15 m深度范圍內(nèi)電阻率自北向南無明顯變化，原因可能是該層位地下含水層疏干，電性差異不明顯所致。

圖2 崔家高密度電阻率法探測解釋成果Fig.2 Interpretation results of high density survey section in Cuijia

為進(jìn)一步研究該剖面電阻率的垂直分布特征，確定該區(qū)域咸淡水分界線的電阻率指示值，分別選取106.25 m、556.25 m、1 006.25 m處測線，結(jié)合地質(zhì)剖面(圖3)和水質(zhì)調(diào)查取樣(圖4)進(jìn)行分析。

圖3 崔家附近剖面Ι-Ι′地質(zhì)剖面Fig.3 Geologic section Ι-Ι′ near Cuijia area

圖4 崔家高密度測量剖面(水井調(diào)查取樣10號剖面)Cl-及礦化度濃度變化Fig.4 Cl- and salinity concentration profile of high density survey section (No. 10 section of well survey and sampling) in Cuijia

圖5a為156.25 m處測線電阻率的垂向分布，其中0～15 m處電阻率為10～50 Ω·m，15～30 m處電阻率為5～10 Ω·m，30～64 m處電阻率低于5 Ω·m；從地質(zhì)剖面(圖3)可以看出，0～15 m主要為粉質(zhì)黏土和粉砂反映，15～30 m主要為粉土和中粗砂反映，30～64 m處主要為中粗砂反映。該處附近水井調(diào)查混合水樣(sgx-31)的Cl-濃度為930.2 mg/L，前文已提到，該區(qū)域0～15 m處含水層已疏干，因此該處Cl-濃度是10～60 m區(qū)域的綜合反映(下同)；以250 mg/L作為判定咸水入侵的Cl-濃度標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，則該處為咸水區(qū)，且底部Cl-濃度要高于上部Cl-濃度，咸水體主要集中在30～64 m層位。圖5b為556.25 m處測線電阻率的垂向分布，其中0～15 m處電阻率為10～40 Ω·m，15～64 m處電阻率為5～10 Ω·m，該處附近水井調(diào)查混合水樣(sgx-32)的Cl-濃度為290.8 mg/L，是10～60 m區(qū)域的綜合反映，整體表現(xiàn)為微咸水，較156.25 m處有所降低。圖5c為1 006.25 m處測線電阻率的垂向分布，其中0～64 m處電阻率整體上均處于10～40 Ω·m，該處附近水井調(diào)查混合水樣(sgx-33)的Cl-濃度為210.8 mg/L，是15～60 m區(qū)域的綜合反映，整體表現(xiàn)為淡水。通過對3條測線的分析，進(jìn)一步驗證了上述咸淡水過渡區(qū)域的推斷。

圖5 不同測線視電阻率的垂向分布Fig.5 Vertical distribution of apparent resistivity of different measuring lines

在上述分析的基礎(chǔ)上，綜合本次高密度測量剖面電阻率變化特征及水質(zhì)調(diào)查取樣數(shù)據(jù)，初步確定10 Ω·m作為該區(qū)域咸淡水分界線的視電阻率指示值，該指示值可以作為該區(qū)域咸水入侵監(jiān)測的技術(shù)依據(jù)。

4 成果解釋

根據(jù)壽光市咸水入侵咸淡水界面線視電阻率特征值，在研究區(qū)共布設(shè)16個高密度電法測量剖面(見圖1)，分別應(yīng)用高密度電阻率法和水質(zhì)調(diào)查取樣方法對壽光咸水入侵咸淡水界面線進(jìn)行劃定，并進(jìn)行對比分析。實際工作中，每條測量剖面布設(shè)的位置和方向，將根據(jù)地下水流場的方向及相關(guān)水質(zhì)調(diào)查取樣成果進(jìn)行確定。

圖6為壽光市2019年高密度電阻率解釋咸淡水界面點和水質(zhì)調(diào)查取樣確定的咸淡水界面對比以及歷年咸淡水界面測量成果對比?？梢钥闯?，2019年用高密度電阻率法確定的咸淡水分界線與應(yīng)用水質(zhì)調(diào)查取樣手段確定的咸淡水分界線變化規(guī)律基本一致，表明高密度電阻率法可以作為咸水入侵監(jiān)測的有效手段。此外，不難看出，部分區(qū)域高密度電阻率法測量結(jié)果與水質(zhì)調(diào)查取樣結(jié)果相差較大，分析其可能的原因：一是高密度電阻率法測量結(jié)果會受到地層結(jié)構(gòu)、人工開采、數(shù)據(jù)反演等多因素的影響導(dǎo)致其精度降低；二是受水井條件限制，絕大部分水井調(diào)查水樣為不同含水層位的混合水樣，導(dǎo)致水質(zhì)調(diào)查結(jié)果本身存在一定的誤差。綜上，高密度電阻率法在咸水入侵監(jiān)測中具有高效、省時、成本低等優(yōu)點，可以配合其他方法，作為大范圍咸水入侵監(jiān)測的有效手段。從圖6中還可看出，與1981年和2014年的咸淡水分界線相比，2019年的咸淡水分界線在空間上整體向南遷移，導(dǎo)致咸水入侵區(qū)域逐年增加。

圖6 歷年咸淡水界面線測量成果對比Fig.6 Measurement results of brackish and fresh water interface line

圖7、圖8分別為1981年和2019年的地下水位等值線平面。1981年地下水自南向北徑流，屬于自然徑流排泄，而近年來，由于地下水超采嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的超采區(qū)。從2019年地下水位等值線圖中可以看出，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了3處地下水漏斗區(qū)，分別為化龍鎮(zhèn)、圣城街道、侯鎮(zhèn)地下水漏斗區(qū)，漏斗中心最低水位分別為-45 m、-40 m、-40 m。由此可見，近年來，受人工開采的影響，壽光市原有的咸淡水平衡關(guān)系遭到破壞，地下水徑流方向發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致地下咸水逐漸向淡水區(qū)遷移，咸水入侵進(jìn)一步加劇。

圖7 壽光地下水位等值線(1981年5月)Fig.7 Contour map of Shouguang groundwater Level (May 1981)

圖8 壽光地下水位等值線(2019年6月)Fig.8 Contour map of Shouguang groundwater Level (June 2019)

5 結(jié)論

1) 綜合高密度測量剖面電阻率分布特征及水質(zhì)調(diào)查取樣數(shù)據(jù)，初步確定10 Ω·m為測區(qū)咸淡水分界線的視電阻率指示值，可作為該區(qū)域咸水入侵監(jiān)測的技術(shù)依據(jù)。

2) 高密度電阻率測量剖面自北向南視電阻率呈現(xiàn)明顯的漸變過程，符合咸水入侵過渡帶的基本規(guī)律，初步推斷0～500 m處為咸水區(qū)，500～950 m處為咸淡水過渡區(qū)，950 m以后為淡水區(qū)，咸淡水過渡區(qū)域呈現(xiàn)明顯的楔形入侵模式。

3) 以壽光為例，采用高密度電法對其2019年的咸淡水界面線進(jìn)行了劃定。該分界線與應(yīng)用水質(zhì)調(diào)查取樣手段確定的壽光市2019年咸淡水分界線變化規(guī)律基本一致，表明高密度電法在咸水入侵監(jiān)測中具有高效、省時、成本低等優(yōu)點，可以配合其他方法，作為大范圍咸水入侵監(jiān)測的有效手段。

4) 與1981年和2014年的咸淡水分界線相比，2019年的咸淡水分界線在空間上整體向南遷移，咸水入侵區(qū)域逐年增加。