基于高密度電法監(jiān)測海水入侵特征的研究

柯永華

（福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建 福州350013）

0 引言

研究海水入侵問題勢必要確定海水入侵范圍以及海水入侵的界線位置。高密度電法主要是通過人工建立一個直流電場，采集地層電阻率數(shù)據(jù)，由于在濱海含水層中影響電阻率變化的主要因素是地下水中所含氯離子濃度的高低，這為利用高密度電法監(jiān)測海水入侵提供了有利可行的依據(jù)［1］。利用高密度電法監(jiān)測海水入侵，不僅觀測效果顯著，還可以準(zhǔn)確劃分咸淡水界線，描述海水入侵形態(tài)。目前，長樂濱海地區(qū)已有不同程度的局部海水入侵區(qū)，使得部分區(qū)域地下水水質(zhì)污染，水井報廢，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)、生活及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)運維。本文選取長樂濱海帶作為研究，分析該區(qū)域海水入侵影響范圍和程度的典型區(qū)。

1 工作原理及分析方法

1.1 高密度電法工作原理

高密度電阻率法是以不同導(dǎo)電性的電解質(zhì)為基礎(chǔ)，依據(jù)熱工直流電場來分析地下的電性變化，將測得的電流、電位等數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后得出電阻率的空間分布，從而推斷解釋地下結(jié)構(gòu)特征，用以解決相關(guān)地質(zhì)問題的陣列勘探方法，工作示意圖見圖1。

1.2 觀測裝置

觀測裝置使用溫納裝置進(jìn)行觀測，溫納裝置是對稱的四極裝置，其中A、B是供電電極，M、N是測量電極，四極以相等間距排列。溫納裝置的數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)為倒梯形剖面見圖2，數(shù)據(jù)點隨著測量深度增加而變少，隔離系數(shù)隨著深度的增大而增大。

圖1 高密度電阻法示意圖

圖2 溫納裝置跑極示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Res2dinv軟件包進(jìn)行反演計算處理數(shù)據(jù)，反演時采用圓滑約束最小二乘法進(jìn)行，見式（1）：

式中：J偏導(dǎo)數(shù)矩陣；J"為J的轉(zhuǎn)置矩陣；μ為阻尼系數(shù)；d為模型參數(shù)修改矢量；g為殘差矢量。

反演可采用常規(guī)高斯—牛頓法，每次迭代后均計算偏導(dǎo)數(shù)的雅各比矩陣。

2 區(qū)域監(jiān)測

監(jiān)測工作區(qū)分為A、B……G，7個測區(qū)，共布置15條高密度電法剖面見圖3，下面對各測區(qū)逐條剖面進(jìn)行初步解釋推斷。

圖3 高密度電法剖面布設(shè)圖

2.1 A測區(qū)

由A測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖4，剖面近海一側(cè)（A1線東側(cè)，A2線北西測）和內(nèi)陸側(cè)的視電阻率有明顯差異，即內(nèi)陸側(cè)視電阻率高，為10Ω·m～n×100Ω·m，近海側(cè)視電阻率小于10Ω·m。結(jié)合本測區(qū)內(nèi)A2線2450點南側(cè)水文地質(zhì)鉆孔SK51資料，推測本測區(qū)高密度電法高阻特征由干砂引起。A1線2900～3000點之間；A2線1900～2000點之間，可發(fā)現(xiàn)一條視電阻率高低分界面，結(jié)合水文地質(zhì)特征可推斷此界面為咸淡分界面。其中，A2線淡、咸水分界帶近東西向呈垂直狀展布；A1線淡、咸水分界帶呈北西向展布，為上淡下咸特征。

圖4 A測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

圖5 B測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

2.2 B測區(qū)

由B測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖5，剖面兩側(cè)視電阻率沒有明顯差異，視電阻率一般為10Ω·m～n×100Ω·m。結(jié)合本測區(qū)內(nèi)B1線1000點南側(cè)第四系鉆孔DZK016資料，推測本測區(qū)高密度電法表層高阻特征由干砂引起；深部局部高阻特征由砂卵石引起。本測區(qū)高密度結(jié)果無顯著的視電阻率高低分界，認(rèn)為此界面咸水分界不明顯。

2.3 C測區(qū)

由C測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖6，剖面近海側(cè)與內(nèi)陸側(cè)視電阻率差異明顯，內(nèi)陸側(cè)視電阻率達(dá)10Ω·m～n×100Ω·m，而近海側(cè)不高于＜10Ω·m。結(jié)合本測區(qū)內(nèi)C2線1600點附近工程地質(zhì)鉆孔GZK061資料，推測本區(qū)高密度電法高阻特征由干砂引起。C1線1800點附近及C2線1700點附近，有一條視電阻率高低分界面，結(jié)合水文地質(zhì)特征推斷此處為咸淡水分界面，且分界面延伸方向與海岸帶方向基本平行。其中，C1線為上咸下淡特征；C2線為上淡下咸特征。

C1剖面1700點往西一帶及C2剖面1350點附近，有水產(chǎn)養(yǎng)殖場。養(yǎng)殖場就地抽淡水以及海水用于海鰻幼苗養(yǎng)殖，造成該區(qū)域海水局部倒灌下滲，據(jù)此認(rèn)為圖6中C1剖面1700點往西（小號方向）以及C2剖面1350點附近的藍(lán)色低阻帶由此類原因引起。結(jié)合其他測區(qū)剖面圖分析，這一類因素對本次咸、淡水界線帶劃分工作影響較大。

圖6 C測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

圖7 D測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

2.4 D測區(qū)

由D測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖7，剖面近海一側(cè)（南東測）與內(nèi)陸一側(cè)，兩側(cè)視電阻率有較明顯差異。內(nèi)陸側(cè)視電阻率高達(dá)5Ω·m～n×100Ω·m，近海側(cè)不高于10Ω·m。

根據(jù)現(xiàn)場勘測，測區(qū)D1線2150～2450點附近地表為早白堊世正長花崗巖，結(jié)合地質(zhì)資料可以推斷這一帶是由早白堊世正長花崗巖引起的高阻特征。D1線2600點及D2線1350點附近，有一條明顯的視電阻率高低分界面，推斷此處為咸淡水分界面，且分界面的延伸方向平行于海岸帶。測區(qū)內(nèi)D1、D2剖面總體呈上淡下咸特征。

2.5 E測區(qū)

由E測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖8，剖面近海側(cè)和內(nèi)陸側(cè)視電阻率有明顯差異。即內(nèi)陸側(cè)視電阻率高達(dá)10Ω·m～n×100Ω·m，但近海側(cè)僅不到10Ω·m。結(jié)合本測區(qū)內(nèi)E2線1000點北側(cè)工程地質(zhì)鉆孔GZK079資料，推測本區(qū)高密度電法高阻特征由干砂引起。E1線2450點附近及E2線1700點附近，有一條較明顯的視電阻率高低分界面，推斷此處為咸淡水分界面，且界線延展方向與海岸帶方向大致平行。測區(qū)內(nèi)E1、E2剖面總體呈上咸下淡特征。

圖8 E測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

2.6 F測區(qū)

由F測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖9，剖面近海一側(cè)（北東測）與內(nèi)陸一側(cè)（南西側(cè)），兩側(cè)視電阻率有較明顯差異。

具體表現(xiàn)為：內(nèi)陸一側(cè)視電阻率高，一般為5Ω·m～n×100Ω·m；近海一側(cè)視電阻率低，一般＜10Ω·m。結(jié)合本測區(qū)內(nèi)F1線1000點南側(cè)工程地質(zhì)鉆孔GZK080資料，推測本區(qū)高密度電法高阻特征由干砂引起。F1線1950點附近及F2線1300點附近，有一條較明顯的視電阻率高低分界面，推斷此處為咸淡水分界面，且界線延展方向與海岸帶方向大致平行，呈現(xiàn)為北西向。測區(qū)內(nèi)F1、F2剖面總體呈上咸下淡特征。

圖9 F測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

2.7 G測區(qū)

由G測區(qū)剖面位置及解釋推斷見圖10，剖面近海一側(cè)（北東測）與內(nèi)陸一側(cè)（南西側(cè)），兩側(cè)視電阻率有所差異。具體表現(xiàn)為：內(nèi)陸一側(cè)視電阻率相對高，一般為1～n×100Ω·m；近海一側(cè)視電阻率低，一般＜1Ω·m。結(jié)合本測區(qū)內(nèi)G3線1850點附近工程地質(zhì)鉆孔GZK073資料，推測本區(qū)高密度電法表層高阻特征由干砂引起；深部高阻特征由強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r引起。

G1剖面水系發(fā)達(dá)，剖面南東側(cè)約50 m處有一寬約30 m的河流經(jīng)過，河流走向與剖面方位大致平行，推測存在海水從水溝流入內(nèi)陸的情況，故本剖面電阻率差異不甚明顯，僅在1300點附近隱約見一條視電阻率高、低段分界面；G2剖面1650點往西南（小號方向）一帶由于受周邊養(yǎng)殖場影響（此處養(yǎng)殖場規(guī)模較大，前文已就養(yǎng)殖場抽水對地層電性特征的影響進(jìn)行過描述），咸、淡水分界線不明顯；G3剖面2000點附近隱約見一條視電阻率高、低段分界面，1700點往西南（小號方向）一帶存在個別小型規(guī)模的養(yǎng)殖場，推測G1剖面1700點往南西（小號方向）一帶的藍(lán)色低阻帶由此類原因引起。

綜上所述，并結(jié)合物性特征及水文地質(zhì)資料分析，認(rèn)為G1剖面3100點、G2剖面1650點、G3剖面2000點附近為本區(qū)淡、咸水分界帶，測區(qū)內(nèi)G1、G2、G3剖面總體呈上咸下淡特征。

圖10 G測區(qū)剖面位置及解釋推斷圖

3 結(jié)語

高密度電法用于測量淺水層電阻率變化特征，這部分地下水資源直接影響居民生活生產(chǎn)，確定淺層海水入侵界面能夠有效圈定影響區(qū)域，便于日后治理。本次監(jiān)測是按照區(qū)域不同地址條件確定了海水入侵界面電阻率，該法具有高效、簡單、成本可控等特點，適合在大范圍海水入侵監(jiān)測中使用，值得推廣。