變質巖山丘區裂隙水海水入侵監測技術研究
——以榮成市俚島鎮為例

王尚玉，莊會波，劉 丹，孫乃波，宋明政，劉 江

(1.山東省威海市水文局，山東 威海 264200；2.山東省水文局，山東 濟南 250002；3.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014)

海水入侵是指由于地下水的過度開采導致地下水水位下降，海水與淡水資源之間的水動力平衡遭到破壞，導致咸淡水界面像陸地方向移動[1-2]。自20世紀80年代以來，沿海地區長期過度開采淺層和深層地下水，導致現有的地下水供應和需求之間的差距日益擴大[3]。變質巖山丘區也存在著地下水過度開采現象，造成海水入侵裂隙水含水層，引起土地鹽漬化、水質惡化等一系列環境地質問題[4-6]。科學可行的地下水監測技術建立海水入侵動態監測系統是有效防治海水入侵、更好地管理沿海含水層的基本途徑[7]。

由于地質和水文地質環境不同，入侵物源、入侵方式、入侵機制不同，形成不同類型的海水入侵[8]。第四系松散巖層主要發生均勻入侵，我國萊州灣、滄州市等地以該種入侵方式為主[9-10]；而在我國沿海地帶的裸露裂隙巖溶地區主要發生非均勻入侵，水平方向和垂直方向上均存在差異。近年來，研究發現威海市、大連市等地海水入侵現象不僅發生于海口地表水及濱海第四系覆蓋區，在基巖地區裂隙含水層同樣存在[11-13]。通過已有調查研究發現，在榮成市俚島鎮濱海基巖出露區，部分生活飲用水深井已經遭受海水侵入，但目前海水入侵研究主要集中在沿海口地表水及濱海第四系覆蓋區，裂隙巖溶介質的海水入侵研究程度較低。

本文以榮成市俚島鎮裂隙水海水入侵區為研究區，通過對研究區域進行地下水富水性調查、海水入侵現狀調查，初步確定海水入侵咸淡水界面，在對原有的海水入侵現狀分析的基礎上，提出“點-面結合”、“直接-間接結合”海水入侵動態監測系統布局方案，為查明俚島鎮基巖地區裂隙水含水層海水入侵現狀、海水入侵與基巖裂隙的關系，以及了解入侵形式、類型及入侵機理提供數據基礎，為下一步的基巖地區裂隙水海水入侵的監測、研究與防治提供參考依據。

1 研究區概況

山東省威海市俚島鎮位于膠東半島最東端，三面環海，西鄰尋山街道辦事處，鎮域面積108 km2。俚島鎮屬暖溫帶大陸性季風型濕潤氣候，海岸線長達30 km，海洋性氣候特點突出，年平均氣溫為11.8℃左右，平均日照2 600 h左右。

俚島鎮地區巖漿巖廣泛出露，主要為新元古代榮成序列的片麻巖類及中生代燕山晚期偉德山序列的花崗巖類，中元古代四堡期海陽所序列的中細粒變輝長巖零星出露；此外，區內脈巖尚發育，主要為東西向分布的花崗斑巖脈(圖1)。區內斷裂構造發育，主要為區內北西向的俚島斷裂，斷裂構造不僅形成俚島斷陷盆地，控制了區內侵入巖的侵位，對中深部基巖中地下水的賦存、運移也有明顯的影響(圖2)。

圖1 俚島鎮區域地質圖 圖2 俚島地區地質構造圖

2 地下水海水入侵現狀

海水入侵現狀特征分析是海水入侵監測技術研究的基礎。根據2018年地下水位監測數據，分別繪制2018年9月和2018年12月地下水位等值線圖(圖3)，12月份地下水位明顯低于9月份地下水位，表明地下水位年內變化受降水影響明顯。

圖3 俚島鎮2018年基巖裂隙地下水位等值線圖

根據水質調查結果，俚島鎮淺層地下水的Cl-濃度大多未達到250 mg/L的界限值，未遭受海水入侵危害。但俚島鎮后疃村與顏家村一帶部分基巖井存在Cl-濃度異常現象(圖4)。后疃村和顏家村存在多個水井中Cl-濃度超標的現象，其中顏家村的深水井中地下水Cl-濃度甚至高達3067 mg/L。后疃地段海水入侵距離約為1 059.63 m，入侵面積約為0.213 3 km2；顏家地段Cl-濃度異常區寬度450～730 m，入侵面積約為0.262 2 km2。后疃地段海水入侵范圍明顯受到斷裂帶控制，其入侵的形態在平面上呈現指狀；從顏家地段基巖區海水入侵的現狀圖(圖4(b))中可以看出，該地段海水入侵也較明顯地受到斷裂帶控制，依據其入侵形態，推測在該地段或有一組近東西向的斷裂帶存在。部分基巖裂隙水含水層氯化物含量超過標準限值，海水入侵是造成這種不利局面的主要原因。

圖4 現狀海水入侵分布圖((a)后疃，(b)顏家)

3 裂隙水海水入侵動態監測系統的設計

為了掌握研究區基巖裂隙水海水入侵咸淡水界面的位置及其變化規律，本次研究按照“點面結合”的監測原則，根據上述研究區內水文地質條件及海水入侵現狀，依據海水入侵防治的要求構建符合當地實際情況的監測系統。

3.1 電法物探監測

電法物探技術作為主要的地球物理方法成為地下水環境監測的重要手段。海水入侵區地層中鹽分的積累使得電阻率降低，非海水入侵區地層呈高電阻率值，在電阻率剖面曲線上普遍呈臺階狀的變化特點[14]，因此可通過物探測得的地層電阻率值差異確定海水入侵過渡帶的時空變化特征。本次監測系統沿垂直于海岸帶方向布設3條剖面，每個剖面布設8～12個測深點，測深點的選取原則為在界面附近密，遠離界面處稀疏，布極方向平行于咸淡水界面。實際工作采用對稱四級電測深法，供電電極根據研究區的基巖埋深情況，AO=120 m。

3.2 地下水水位、水質動態監測

3.2.1 監測井的布設

本次地下水位、水質動態監測在大范圍水位、水質調查基礎上建立定點水位、水質監測網，即根據俚島鎮海水入侵現狀及區內地下水動態變化分析，在雞冠嘴-東莊村布設1個監測剖面，4個監測站，監測站位置的選擇應保證監測到的水質類型包括咸水、微咸水和淡水，因此，俚島鎮基巖裂隙海水入侵監測剖面的4個監測站分別有1處位于咸水區，2處位于咸淡水過渡區，1處位于淡水區，自南向北分別位于東莊村東側301省道旁—楊家山村南廠房門口—后疃村西北側(圖5)。監測剖面設計監測一層含水層(0～120 m)，每個監測站位設計監測井1眼，共計監測井4眼。此外，除監測剖面上的監測井外，充分利用咸淡水過渡帶附近的民用井進行監測。

圖5 俚島鎮監測方案設計剖面位置圖

3.2.2 監測井成井結構設計

本次研究地下水監測井結構按照《地下水監測站建設技術規范》(SL360-2006)及《國家級地下水監測井建設規范》有關要求，結合地下水監測目標含水層的厚度、巖性特征、埋藏條件、多年地下水動態變化特征以及地下水水質條件等方面情況及海水入侵監測的具體特點進行設計[15-16]。

(1)井深設計

俚島鎮基巖裂隙海水入侵監測區為基巖構造裂隙水，監測層位為0～120 m含水層，對應的監測井類型為承壓水監測井，設計井深為120 m。

(2)井孔結構設計

根據巖層性質及已有鉆孔資料，上部17 m為第四系及風化帶地層，巖性較為破碎，本監測系統的水位、水質監測井設計為三級變徑，開孔直徑為426 mm，選擇325*6 mm的PVC-U管進行地層護壁，井壁管高于監測井口地面0.3 m；20～60 m處變徑為273 mm，60～120 mm處變徑為219 mm，20～120 m為基巖地層不設井管。此外，設井口保護裝置，井口基座高度50 cm，入地部分深度30 cm。孔口帽設計鋼管直徑45 cm，壁厚10 mm，并配有鎖固裝置及監測房保障監測井安全。俚島鎮基巖裂隙海水入侵監測區井結構設計情況詳見表1所示，監測井結構設計圖見圖6所示。

圖6 俚島鎮基巖裂隙海水入侵監測區監測井結構設計圖

表1 基巖裂隙海水入侵監測區井結構設計信息表

3.3 Gamma測井監測

利用Gamma測井系統，可對海水入侵的層位進行有效監測，可以有效反映不同層位的水質特征，提高海水入侵動態監測效果，李福林等人(2007)已將該技術成功應用于山東萊州海水入侵監測中[17]。本次研究利用Auslog測井系統對Gamma值、電導率及溫度隨深度變化特征進行監測，該方法獲得地下條件的連續橫斷面圖像，有助于完善控制海水入侵運移和再分布的水文地質參數數據庫。

3.4 監測頻次

3.4.1 物探監測頻次

每年進行兩次直流電法物探測量，時間選擇在每年的1月和7月。

3.4.2 水位監測頻次

根據《地下水動態監測規程》(DZ/T 0133-1994)，本監測方案監測井屬于省級監測點的基本監測站，遙測水位應按照每日監測1次的頻次。

3.4.3 水質監測頻次

以海水入侵或咸水界面下移的專門監測孔的水質測定項目，以水質簡分析為主，每年監測四次，高監測頻率對地下水水質變化的不良發展更加敏感。有條件時，可安裝電動含鹽量記錄儀進行監測，有效防治因混合等作用對水質的擾動，并嚴格按其要求制作標定曲線等，配合物探監測網，全面控制海水入侵的動態變化。

3.4.4 測井

實現數據采集和處理的自動化，快速分辨井孔中含水層特性和水質狀況，實現海水入侵的動態監測，將Gamma測井結果與電法物探結果結合，有效反映復雜水文地質條件下的海水入侵狀況，大大提高海水入侵的動態監測和解譯功能。

4 結語

(1)初步查明研究區基巖裂隙，尤其是基巖構造裂隙發育區海水入侵的范圍、途徑及程度；本次研究以榮成市俚島鎮的基巖裂隙入侵為典型區域，利用反映海水入侵的可監測因素及其變化規律，為海水入侵監測奠定了理論基礎，確立了監測的技術途徑。

(2)所構建的監測系統主要涉及3個層次的動態監測：一是電法物探技術通過電阻率變化與海水入侵界面運移規律的分析和監測；二是地下水位、水質動態變化與海水入侵規律分析河監測；三是Gamma測井。通過海水入侵監測系統的建設對水位、水質及海水入侵界面運移規律進行實時監測，準確掌握海水入侵的動態變化特征，對海水入侵的綜合防治提供重要的數據支撐，為當地的地下水資源開發與管理及可持續發展具有重要意義，為制定水資源管理及綜合防治海水入侵的優化方案提供科學依據。