采用物探方法研究深圳西部海水入侵現(xiàn)狀

余海忠 馮書(shū)才 曾 奇

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

采用物探方法研究深圳西部海水入侵現(xiàn)狀

余海忠1，2馮書(shū)才2曾 奇2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

通過(guò)研究海水入侵水文判別指標(biāo)和地球物理參數(shù)之間的關(guān)系，建立起海水入侵地球物理判別指標(biāo)，并依據(jù)實(shí)測(cè)的地球物理資料，對(duì)深圳西部地區(qū)的海水入侵現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用地球物理方法，尤其是電法，可以快速有效地對(duì)海水入侵區(qū)進(jìn)行劃分，且可作為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)海水入侵的主要手段。

地球物理，電法，海水入侵，地下水，電阻率

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)沿海地區(qū)城市的海水入侵現(xiàn)狀日趨嚴(yán)重，據(jù)國(guó)家海洋局監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，遼東灣北部及兩側(cè)的濱海地區(qū)海水入侵的面積已超過(guò)4 000 km2，萊州灣海水入侵面積已達(dá)2 500 km2[1]。監(jiān)測(cè)及研究結(jié)果顯示在深圳地區(qū)也存在不同程度的局部海水入侵區(qū)[2,3]，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)、生活產(chǎn)生了危害影響。目前研究海水入侵現(xiàn)象，主要通過(guò)打設(shè)水文觀測(cè)井來(lái)進(jìn)行研究。隨著海水入侵范圍的不斷擴(kuò)大，監(jiān)測(cè)范圍也要隨之?dāng)U大，而在深圳這樣的城市密集區(qū)，打設(shè)水文觀測(cè)井變得越來(lái)越困難，而且成本也比較高。同時(shí)，水文觀測(cè)井是點(diǎn)狀分布的，難以形成線狀和面狀的監(jiān)測(cè)體系。通過(guò)研究海水入侵含水層的水文特征和地球物理特征，建立海水入侵含水層水文特征和地球物理特征的相關(guān)關(guān)系。利用該相關(guān)關(guān)系，可以通過(guò)開(kāi)展地球物理勘測(cè)來(lái)進(jìn)行海水入侵含水層的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成線狀、面狀的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，減少打設(shè)水文觀測(cè)井的數(shù)量，達(dá)到既節(jié)約監(jiān)測(cè)成本，又?jǐn)U大監(jiān)測(cè)范圍的目的。監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為政府決策提供依據(jù)，采取有效措施減緩和防治海水的進(jìn)一步入侵，保護(hù)深圳地區(qū)有限的地下淡水資源，為深圳地區(qū)的可持續(xù)健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 地球物理方法研究海水入侵概況

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外很早就采用地球物理方法，尤其是電法來(lái)研究海水入侵問(wèn)題。1967年，Van Dam and Meulenkamp[4]在荷蘭采用電阻率方法進(jìn)行了地下水的研究；1969年，Zohdy[5]在美國(guó)德州EI Paso附近利用電測(cè)深的方法進(jìn)行了地下水的調(diào)查；2009年以來(lái)，不斷有學(xué)者采用電法來(lái)研究海水入侵，取得了不錯(cuò)的效果，比如，Adepelumi等人[6]采用垂直電測(cè)深方法來(lái)劃分海水入侵，Hodlur等人[7]采用綜合地球物理數(shù)據(jù)分析方法對(duì)海水和淡水進(jìn)行了分層。

我國(guó)也較早采用了地球物理方法來(lái)研究海水入侵問(wèn)題：1989年，中國(guó)科學(xué)院地理研究所在山東萊州市朱旺建立了海侵監(jiān)測(cè)剖面，該剖面是為了研究海水入侵專(zhuān)設(shè)的固定剖面，在垂直海岸2 000多米的范圍內(nèi)打了7組觀測(cè)井，每組分三個(gè)不同深度定期取樣化驗(yàn)水質(zhì)，1989年4月15日和1990年4月16日在兩次取樣化驗(yàn)水質(zhì)的同時(shí)，對(duì)相應(yīng)深度地層的電阻率值進(jìn)行了測(cè)定，并繪制了電阻率與氯離子含量相關(guān)曲線；劉竹梅等[8]進(jìn)行了物探技術(shù)檢測(cè)海水入侵研究；劉青勇等[9]介紹了電阻率法在防治萊州灣地區(qū)海水入侵中的應(yīng)用，對(duì)海、咸水入侵區(qū)地層電阻率的變化規(guī)律,咸、淡水界面的確定,圈定海水入侵通道及界面運(yùn)移規(guī)律做了分析；李福林等[10]介紹了水化學(xué)與電法在海水入侵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，根據(jù)大量實(shí)測(cè)資料,獲得海水入侵監(jiān)測(cè)的2種指標(biāo)，即由特征離子比值構(gòu)成的水化學(xué)指標(biāo)和由電阻率和充電率組成的電法指標(biāo)，并推導(dǎo)了這2種指標(biāo)的相互關(guān)系；王鳳和等[11]介紹了電導(dǎo)儀法在海水入侵監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用，提出可用電導(dǎo)儀法代替滴定法對(duì)海水入侵監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水氯化物、礦化度進(jìn)行測(cè)定；李福林等[12]介紹了Gamma測(cè)井系統(tǒng)在山東萊州海水入侵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；劉冀閩等[13]介紹了電導(dǎo)率法在海水入侵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，證明電導(dǎo)率法在海水入侵的監(jiān)測(cè)工作中是行之有效的。

1.2 前期研究主要成果

1)電阻率與氯離子含量的關(guān)系。如圖1所示是1989年中國(guó)科學(xué)院地理研究所在山東萊州市朱旺海侵監(jiān)測(cè)剖面上獲得的電阻率與氯離子含量關(guān)系曲線，從曲線看出，電阻率與氯離子含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，氯離子含量越高，電阻率越小。經(jīng)對(duì)曲線進(jìn)行詳細(xì)分析，氯離子含量對(duì)電阻率的影響可分三段：當(dāng)氯離子含量小于250 mg/L時(shí)，電阻率隨氯離子含量的增加而減小的速度特別快；當(dāng)氯離子含量在250 mg/L～5 000 mg/L時(shí)，電阻率隨氯離子含量增加而減小的速度變緩；當(dāng)氯離子大于5 000 mg/L時(shí)，電阻率隨氯離子增加而減小的速度非常緩慢。這說(shuō)明氯離子的含量對(duì)電阻率的影響也是有一定的范圍，超出這個(gè)范圍就不明顯了。

2)地下水礦化度與電阻率的關(guān)系。如圖2所示是前蘇聯(lián)某地區(qū)松散類(lèi)地下水礦化度與電阻率的關(guān)系曲線，由圖可以看出地下水礦化度與電阻率二者之間的關(guān)系具有以下特征：a.咸水區(qū)，電阻率值較低，曲線呈直線形態(tài)，表明礦化度對(duì)地層電阻率的影響作用減弱，同時(shí)也表明咸水區(qū)電阻率值主要受礦化度的影響，且電阻率變化范圍縮?。籦.淡水區(qū)，電阻率值較高，曲線亦呈直線形態(tài)，電阻率變化范圍迅速增大，表明礦化度對(duì)地層電阻率的影響作用增強(qiáng)。同時(shí)也表明淡水區(qū)的電阻率主要受巖性控制；c.微咸水區(qū)，表明微咸水區(qū)電阻率受巖性和礦化度的雙重影響，該區(qū)間也是確定淡咸水分界線的關(guān)鍵區(qū)段。綜上所觀總體特征為隨著礦化度的減小，礦化度對(duì)地層電阻率的影響越來(lái)越大。同時(shí)，曲線也顯示咸、淡水區(qū)電阻率的較大差別，這也是劃分孔隙類(lèi)地下水淡咸水的重要理論依據(jù)，其對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。此外，不同的地區(qū)，電阻率值的大小受巖性成分、孔隙度大小的影響，電阻率背景值不同，粗顆粒的巖性其電阻率背景值較高，這就造成不同地區(qū)判別礦化度的電阻率值標(biāo)準(zhǔn)不同，但二者之間的關(guān)系形態(tài)不變，僅是整條曲線左右移動(dòng)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，地層水電阻率與地下水礦化度的函數(shù)關(guān)系為：

logρ水=a+b·logM

(1)

其中，ρ水為地層水的電阻率；M為礦化度；b為與礦化度有關(guān)的系數(shù)；a為與溫度有關(guān)的系數(shù)。

2 深圳海水入侵區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.1 深圳劃分海水入侵區(qū)的水文指標(biāo)

由于目前我國(guó)對(duì)海水入侵程度分級(jí)尚無(wú)統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，因此海水入侵(或海咸水)地質(zhì)災(zāi)害的分區(qū)，就帶有一定的地區(qū)性，目前有關(guān)文獻(xiàn)資料所采用的災(zāi)害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也具有一定的地區(qū)性。

依據(jù)前期工作所取得的大量資料、經(jīng)過(guò)綜合分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算取得了深圳市海岸地帶地下水的背景值(對(duì)照值)。根據(jù)該值結(jié)合深圳市的實(shí)際情況并參照其他地區(qū)對(duì)海水入侵區(qū)進(jìn)行分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，確定深圳地區(qū)海水入侵分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。

表1 深圳海水入侵分區(qū)指標(biāo)劃分表

2.2 深圳海水入侵區(qū)的地球物理特征

在深圳西部選擇了18個(gè)測(cè)區(qū)，進(jìn)行了高密度電法或聯(lián)合剖面法的測(cè)試，測(cè)線跨過(guò)已知的海水入侵分界線，獲得了入侵區(qū)域與非入侵區(qū)域的電性特征差異，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

2.3 深圳劃分海水入侵區(qū)的電阻率指標(biāo)

表2是對(duì)前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及野外電法測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表2中我們可以看出，海水入侵區(qū)域與非入侵區(qū)域存在著明顯的電性差異，根據(jù)深圳地區(qū)電阻率與海水入侵指標(biāo)氯離子濃度及礦化度的關(guān)系，我們可以將視電阻率值小于30 Ω·m的范圍定性為海水嚴(yán)重入侵區(qū)域，將30 Ω·m～50 Ω·m之間的范圍定性為海水輕度入侵區(qū)域，將電阻率值大于50 Ω·m的范圍定性為無(wú)入侵區(qū)域。

表2 深圳海水入侵區(qū)電性特征值一覽表

3 深圳西部地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀

3.1 物探成果

為了采用地球物理方法研究深圳西部地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀，布置了大量的高密度電法剖面和聯(lián)合剖面法測(cè)線，也收集了大量在深圳地鐵11號(hào)線勘察過(guò)程中采集的高密度電法資料和電阻率測(cè)井資料。

如圖3所示，是在深圳西部實(shí)測(cè)的高密度電法視電阻率剖面圖，根據(jù)30 Ω·m和50 Ω·m的等值線分布，可以劃分出嚴(yán)重入侵區(qū)、輕度入侵區(qū)和無(wú)入侵區(qū)。

3.2 海水入侵劃分結(jié)果

根據(jù)布置的高密度電法和聯(lián)合剖面法成果，結(jié)合收集到的地鐵11號(hào)線勘察過(guò)程中的高密度電法資料以及電阻率測(cè)井資料，按上面確定的電阻率判別指標(biāo)，對(duì)深圳西部地區(qū)的海水入侵區(qū)進(jìn)行了劃分，深圳西部地區(qū)可以劃分為三塊海水入侵區(qū)，第一塊是寶安西海岸及南山西海岸，入侵面積約109.053 km2，第二塊是南山東海岸，入侵面積約69.255 km2，第三塊是福田羅湖的深圳河沿岸，入侵面積約11.421 km2。該劃分結(jié)果與采用水文指標(biāo)劃分的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)以上的研究，可以得出如下結(jié)論：

1)采取地球物理方法，尤其是電法來(lái)研究海水入侵是可行的。2)海水入侵區(qū)的電阻率值與判斷海水入侵的主要指標(biāo)氯離子濃度及礦化度之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，在不同的地區(qū)有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3)以深圳地區(qū)為例，可以將視電阻率值小于30 Ω·m的范圍定性為海水嚴(yán)重入侵區(qū)域，將30 Ω·m～50 Ω·m之間的范圍定性為海水輕度入侵區(qū)域，將電阻率值大于50 Ω·m的范圍定性為無(wú)海水入侵區(qū)域。4)不同地區(qū)電阻率值與海水入侵指標(biāo)氯離子和礦化度指標(biāo)的關(guān)系可能不盡相同，但基本規(guī)律是一致的，因此本文的研究結(jié)果對(duì)其他沿海地區(qū)采用物探方法研究海水入侵具有指導(dǎo)意義。

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Study on the seawater intrusion status in west Shenzhen by geophysical method

Yu Haizhong1，2Feng Shucai2Zeng Qi2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China；2.ShenzhenMunicipalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shenzhen518029,China)

By studying the relationship between hydrological evaluation indexes of seawater intrusion and geophysical parameters, established the geophysical evaluation indexes of seawater intrusion. Through the measured geophysical data, seawater intrusion status was studied in the west area of Shenzhen. The results show that, by using geophysical methods, especially the electrical method, the division to the seawater intrusion area can be quickly and effectively carried on. The geophysical methods can be used as the main means of long-term monitoring of seawater intrusion.

geophysical method, electrical method, seawater intrusion, groundwater, resistivity

2015-03-03

余海忠(1971- )，男，在讀博士后，高級(jí)工程師； 馮書(shū)才(1954- )，男，高級(jí)工程師； 曾 奇(1987- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0056-03

X145

A