基于電阻率勘探技術的地下水脆弱性評價方法研究

盧德寶，黃冬菁，李東風，史正濤

(1.浙江水利水電學院水利與環境工程學院，杭州 310018; 2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098; 3.云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500)

地下水資源是人類生存與社會發展的重要資源，尤其是對于地表水資源相對缺乏的北方干旱、半干旱地區，地下水具有不可替代的作用[1]。然而，由于人類活動的影響，地下水環境問題正面臨著前所未有的挑戰。地下水一旦被污染，治理成本高昂，效果欠佳，且無法達到徹底根治[2]。因此，地下水環境治理應堅持“以防為主，防治結合、防重于治”的方針。目前，地下水脆弱性評價仍是保護含水層的主要防治手段，其對維護自然資源與生態環境的和諧，實現地下水資源可持續開發利用具有重要意義[3-5]。

“地下水脆弱性”于1968年被Marget第一次提出，直至1993年美國國家科學研究委員會才確立了學術界普遍認可的定義：地下水脆弱性是污染物達到最上層含水層之上的某特定位置的傾向性和可能性[6]。基于此，國內外學者提出了眾多地下水脆弱性評價模型來評估水層易受污染程度，常用的方法包括迭置指數法如DRASTIC模型、RISKE模型、COP模型等、過程模擬法、統計分析法等[7-13]。此類方法充分考慮了地下水脆弱性、人體健康風險、生態環境等多方面因素，但在評價的準確度與精度上還存在一定限制。近來，一種基于含水層脆弱指數(AVI)的評價方法[14]，在國外取得廣泛應用[15-17]。此種方法用垂直方向上地下水水面到地表的厚度和滲透系數來估算水力阻力，根據每一含水層水力阻力沿水流方向和垂直水流方向的變化來反映地下水脆弱性。

基于此，本文擬建立一種基于電阻率(ERT)勘探技術的地下水脆弱性評價方法，該方法是在含水層脆弱等級法(AVI)基礎上建立起的一種低成本、非侵入、高精度的地下水脆弱評價方法，其通過待評價區的水文地質條件的電學特征來圈劃出污染敏感帶，從而完成待評價區域的地下水脆弱等級分區，為管理人員提供決策依據。通過該方法進行地下水脆弱性評價和水源保護區劃分，采取工程、非工程及管理措施，防止地下水污染，保護生態環境，促進水資源可持續利用，保障社會、經濟和環境的可持續發展具有重大的現實意義。

1 方法構建

地下水脆弱性用于衡量地表污染物進入含水層的難易程度，脆弱性評價是根據某一地區的地下水比其他地區更易受污染而進行的，因此，地下水脆弱性評價一般包含了對污染物從地表通過包氣帶向含水層遷移的判斷，包氣帶是決定含水層系統脆弱程度的關鍵因素[18,19]，也是第一道防污染防線，其在保護地下地下水方面非常重要，特別是對于在土壤薄或發育不良的區域。因此，根據包氣帶的綜合特性來評價地下水脆弱性，具有較強的理論及現實意義。目前，在眾多的地下水脆弱性評價方法中，含水層脆弱性指數(AVI)法是評估含水層是否易受地表損害的一種廣泛使用的方法。該方法一般使用水力阻力值來定量描述污染水體的垂向流動難易程度，從而確定研究區地下水脆弱等級。目前，計算該評價方法中的水力阻力C主要有兩種方案[10]，一種使用以下公式獲得水力阻力C:

(1)

式中：ki和hi分別為含水層以上的水層的水力傳導系數和厚度。

另一個是美國國家地質調查(SGD)提出的基于保護層陽離子交換能力(CE)的脆弱性量化系統，其脆弱性的量化可由以下公式計算：

(2)

式中：di和GLi分別為每個覆蓋層的厚度和陽離子交換容量。

由于電導率與陽離子交換容量(GLi)呈線性關系，水力傳導率(Ki)可由電導率(σi)或電阻率(ρi)代替，用于計算水力阻力(C)。由此可知，基于綜合電導率含水層脆弱性評價模型可表示為：

(3)

也可表達為：

(4)

(5)

因此，根據電阻率測深及二維成像反演計算即可得到含水層以上各層的電阻率(ρi)和厚度(hi)，從而確定綜合電阻率(IEC)值，其單元位為歐姆-1(Ω-1)或西門子(S)。該評價方法流程圖見圖1，詳細計算步驟如下：

(1)將研究區網格化，根據各區域的地形地貌特征特點，選定一維或二維的電阻率測定方案。

(2)依據測定方案，利用電阻率進行陣列勘探，將全部電極置于觀測剖面的各測點上，然后利用程控電極轉換裝置和微機工程電測儀實現數據的快速和自動采集，獲得視電阻率數據。

(3)使用全局牛頓-高斯方程法對一維、二維電阻率數據進行反演計算[20]，具體方程如下：

(6)

式中：s為感度矩陣；d為觀測數據；ρ為模型的電阻率；G為正演算子；Rdd與Rmm分別為觀測數據與模擬數據的協方差矩陣；ρ0為初始電阻率模型；Δρk為第k此迭代后的模擬電阻率。

(4)根據以上反演計算的結果，得到并分析垂直電測深(VES)與二維電阻率成像圖，分別提取出測量沉積層電阻率ρi、含水層上方第i層沉積層厚度hi。

(5)根據公式(3)，計算出研究區內所有測量點的含水層上方每一層IEC值，測量點含水層上方若有多個不同電阻率的沉積層時，取IEC值最大的一層作為該測量點的評價參數。

(6)根據待研究區的實際需求，將IEC值分級(表1)，結合每一測量點的輻射范圍，得到研究區的地下水脆弱性評等級圖。

本研究對于IEC值分級借鑒了Mohammed Madi等人[21]的方案并結合R?ttger等[22]提出的基于滲透時間地下水脆弱性評價標準，通過電阻率判斷巖土成分以及包氣帶厚度，并根據獲得IEC值，對地下水脆弱等級進行分類，共分為5個脆弱性等級，分別為特別低(IEC>4 000 S)、低(IEC=2 000～4 000 S)、中(IEC=1 000～2 000 S)、高(IEC=500～1 000 S)和特別高(IEC<500 S)，可知數值越低，包氣帶越薄，污染物越易下滲，具體分級見表1。

圖1 基于綜合電阻率法的地下水脆弱性評價流程

脆弱性程度脆弱性指數(S)特別高<500高500～1000中1000～2000低2000～4000特別低>4000

2 應用實例

本研究的研究區位于浙江省寧波市象山縣西南部，包括定塘、大塘和曉塘3個行政區，位于北緯29°13′和東經121°50′，面積83.3 km2。該區域地勢西北向東南傾斜，主要地貌類型屬侏羅系晚期火山巖低山丘陵。澗溪密布，大多源短流促，獨注入海。平原河網，密度不大，流域破碎，范圍狹小，水系不發育。研究區土壤類型主要為水稻土類，黃泥沙田、淡塘泥田、黃泥土和石砂土等，土壤剖面層次分明，有團粒結構，黏度適中，通氣性好，易下滲[23]。

本文在綜合了各區域的地形地貌特征特點基礎上，將研究區網格化分9個區域，選定一維或二維的電阻率測定方案，之后進行陣列勘探，獲得視電阻率數據。一維電測深使用GeoPen公司生產的E60DN 型高密度電法儀進行勘測，測定時保持測量電極MN的位置固定，不斷增大供電電極距的同時，逐次進行觀測，最后根據公式(7)，計算得到視電阻率值。

(7)

(8)

在實際工作中，由于AB極距不斷加大，若MN的距離始終保持不變，則MN間的ΔU將逐漸減小，以至于無法觀測。因此，隨著AB極距的加大，需要適當地加大MN距離，以保證順利進行觀測。圖2給出了研究區域內定塘與大塘區塊的電測深數據處理結果，據此，可以提取出不同巖層的電阻率及其厚度。

圖2 研究區域電測深勘探結果

二維電阻率測定亦采用E60CN，最大供電電流為4 A，最大供電電壓為400 V，輸入阻抗為20 MΩ，采樣精度為1 μV，41個電極，電極間距5 m，使用溫納裝置測量。測得的視電阻率數據使用RES2DINV程序進行反演，得到電阻率模型剖面。根據一維與二維電阻率勘探及成像結果，分別提取出測量沉積層電阻率ρi、含水層上方第i層沉積層厚度hi(見圖3)。

圖3 研究區二維電阻率成像結果

根據公式(3)，計算出研究區內所有測量點的含水層上方每一層IEC值，測量點含水層上方若有多個不同電阻率的沉積層時，取IEC值最大的一層作為該測量點的評價參數，表2給出了研究區9個區塊的IEC值。

結合研究區的實際情況，根據計算出的IEC值可以看出該研究區的脆弱性范圍在22～4 297 S，根據表1的評價標準，將IEC值分級即可得到研究區的地下水脆弱性評價結果空間分布圖(圖4)。從圖4可以看出，研究區的地下水脆弱程度可以劃分為5個等級。該脆弱性分布圖不僅反映了研究區的地質條件，而且還反映了區域內地形影響。當含水層上方的低電阻率厚度增大時，獲得的IEC值將顯著增大。研究區中的極低的脆弱性主要出現在以黏土砂巖構成的包氣帶區域，位于研究區的東南部。中等脆弱程度主要出現在以砂巖為主的包氣帶區域。而研究區的西部、北部和南部以高度脆弱程度為主，其包氣帶主要由砂質黏土、砂巖和部分飽和沙組成。

表2 研究區IEC值 S

圖4 地下水脆弱性等級圖

通過研究可以發現，基于IEC方法獲得脆弱性分布圖主要通過兩個關鍵性參數來確定，其可靠性一般取決于所使用的勘探電阻率數據的質量。此外，應用IEC評價方法的困難之處同時也是此類方法的限制，就是得到參數不是絕對值，而是一個相對值。因此，在不同研究區運用該方法進行地下水脆弱性評價時，還需要結合研究區的實際情況以及勘探數據質量，進行綜合性分析，盡可能的消除不確定因素的影響。

3 結 語

地下水是人類生存與發展的重要資源，通過脆弱性評價模型劃分脆弱等級是保護地下水資源的重要手段。本文在含水層脆弱性評價法(AVI)的基礎上，建立了以探測區沉積物電性特征為主要評判參數的脆弱性評價方法。在通過野外試驗來確定地下沉積物的電阻率特征、水力參數與電性參數的定量轉換關系后，根據巖性的相關物理、電性參數，建立評價模型，能夠消除不確定性，從而形成了一套基于電阻率勘探技術地下水脆弱性評價體系,成功運用于寧波市象山縣西南部地下水脆弱性評價。該評價方法充分利用了實測電阻率數據，使得評價結果更加符合研究區的實際情況。