电阻率法在防治莱州湾地区海水入侵中的应用

第23卷第5期物探与化探Vol.23,No.5 1999年10月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATI ON Oct.,1999电阻率法在防治莱州湾地区海水入侵中的应用刘青勇董广清(山东省水利科学研究院,济南250013)摘要阐述电阻率法在莱州湾地区海水入侵防治研究中应用的理论依据、监测指标。

对海、咸水入侵区地层电阻率的变化规律,咸、淡水界面的确定,圈定海水入侵通道及界面运移规律做了分析。

关键词电法;海、咸水入侵;莱州湾80年代以来的连续干旱,使山东省莱州湾地区地下水连年超采,导致了严重的海、咸水入侵灾害,目前侵染面积达1000km2。

物探和水化学方法是用于监测海、咸水入侵的主要手段。

相对而言,物探方法较之水化学法更具灵活、方便的特点,因此在莱州湾海咸水入侵防治研究中得到了广泛的应用。

1理论依据超量开采地下水,极易使滨海地区形成地下水负值区,而负值区一旦形成,海、咸水就会乘虚而入,使地下水的矿化度随含水层中氯离子的增加而变大,其地层电阻率则相应降低。

地层电阻率的变化与地层的岩性、内部结构及其含水、含盐状况有关,其关系可用阿尔奇公式表示为Q s=a5m S-n A c C-1式中,a为常数。

在滨海平原区测深点附近,当地层岩性比较均匀时,其孔隙度基本相同,5和其指数m可视为常数;由于海水入侵主要发生在地下水位以下,岩层处于饱和状态,饱和度S 和其指数n亦可视为常数;A c为与地下水溶液化学成份有关的系数,因为海水成份主要为氯化钠,化学成份基本稳定,所以A c变化也不大;C为地下水的矿化度,它是影响地层电阻率的决定因素。

因此,定期探测地层各部位的电阻率,便可确定海、咸水入侵的变化规律。

2监测指标应用物探技术监测海、咸水入侵的方法有电阻率法、瞬变电磁法和激发极化法等,用于解释探测曲线的指标有电阻率和充电率。

充电率法仅限于激发极化法,由于该法的仪器笨重,不便携带,因此很少采用。

采用电阻率指标的方法有垂向电测深法及瞬变电磁法。

用电阻率法测得广饶县颜徐乡咸水入侵区的视电阻率值Q s=208#m(图1),该值即可作为判断咸、淡水界面的一个特征值。

用瞬变电磁法同样可以测定该值,并依据特征值划分出海、咸水入侵带的变化范围。

1999年6月16日收稿。

图1 广饶县颜徐乡A )A c 监测剖面Q s 等值线 图2 莱州市朱旺Cl 2含量与电阻率关系3 海、咸水入侵区地层电阻率及电测深曲线的变化规律3.1 地层电阻率的变化规律3.1.1 地层电阻率随含盐量的增高而减小地层电阻率与地层含盐量的关系极为密切。

根据莱州市朱旺海水入侵监测剖面及寿光咸淡水界面设立了专用监测剖面,图2是根据此剖面资料绘制的电阻率与氯离子含量相关曲线。

从图2可见电阻率与氯离子含量呈负相关,即氯离子含量愈高,电阻率愈小。

其它地区的相关曲线与此类似,仅数值上有所不同。

对莱州市朱旺剖面垂向电测深的研究表明,视电阻率值与Cl 2浓度值具有良好的对应关系,Q s 值与239(Cl 2)0.3894相当。

3.1.2 入侵区地层的电阻率从过渡带到入侵前沿逐渐增大表1 滨海平原不同入侵区段Q s 值变化范围项目严重入侵区轻度入侵区淡水区Cl -/(mg #L 21)>1000250~1000<250Q s /(8#m)3~1515~27>27~50图3 朱旺海侵监测剖面Cl 2与Q s 分布曲线海、咸水入侵带来大量盐分,随着时间的增长,地层内盐分积累必然增多。

本区研究表明:入侵时间长的地段,含盐量高;入侵时间短的前缘地段,含盐量低;非入侵区含盐量更低。

由于电阻率与含盐量呈负相关,所以入侵区电阻率也存在着由过渡带到入侵前沿逐渐增大的变化规律。

图3表明,滨海地区的海水入侵区存在着由近海到远海电阻率逐渐增大的变化特点;表1是根据寿光、广饶等地资料获得的莱州湾滨海平原不同入侵区段电阻率变化范围。

从表中可以看出,不同入侵区段#369#5期刘青勇等:电阻率法在防治莱州湾地区海水入侵中的应用的电阻率值是不一样的。

3.1.3 咸、淡水界面附近的电阻率值急剧增大在海、咸水入侵区,电阻率值的变化一般呈渐变状态。

但到了咸、淡水界面附近,由于地下水中含盐量迅速减少,电阻率值增加幅度特别大,其剖面曲线呈现出台阶状变化(图3、图4)。

图4 寿光示范区Ò)Òc 剖面Q s 变化曲线3.1.4 入侵区储水地层(入侵通道)的电阻率具有多变性莱州湾地区滨海及内陆咸水入侵区的储水地层主要为第四系地层中的古河道,基岩地层中的断裂带、岩溶发育带等。

这种地层透水性强,储水空间大,海、咸水首先从这些地层入侵,然后扩散开来,并逐步形成侵染面,其电阻率值比围岩的电阻率低。

而在丰水年或经人工地下水回灌后,由于其透水性强,淡水补给量大,储存的咸水容易被淡化,所以电阻率值往往又比围岩高。

(5)入侵区岩性变化对电阻率值影响不明显。

表2 滨海平原不同岩性Q s /(8#m)常见值地区粘土粉砂土中粗砂入侵区咸水海水非入侵区15~2520~5030~100入侵区3~105~157~200.5~1.00.1~1.0如表2所示,在淡水区,岩性变化对电阻率影响非常大。

而在入侵区,由于含盐量成为影响电阻率的主要因素,所以岩性变化对电阻率的影响很不明显。

有些颗粒粗、孔隙大的岩层,如中粗砂等,其电阻率有时比粉细砂或粘土的还小。

3.2 咸水入侵区电测深曲线的形态及变化规律电测深曲线的形态是由电性层的层数和各电性层Q s 之间的关系决定的。

在海、咸水入侵区,由于入侵咸水改变了原地层的电性层数和各层Q s 之间的关系,所以电测深曲线的形态及分布亦发生了很大变化。

在严重入侵区,由于地下水长期停采,上层(Q 1)积存有一层淡水,Q s 较高;中层(Q 2)为咸、淡水过渡带,Q s 中等;深层(Q 3)为咸水层,Q s 较低。

形成了Q 1>Q 2>Q 3的情况,电阻率测深曲线为Q 型。

在轻度入侵区,由于存在一定的淡水层,其Q s 测深曲线多为K 型或KQ 型。

在古河道分布区,曲线多为HK 型。

当古河道被咸水侵染后,Q s 曲线多为H 型。

4 应用实例4.1 确定咸、淡水界面1.用电阻率特征值法确定咸、淡水界面。

通过相关分析,可获得电阻率和含盐量的关系曲#370#物 探 与 化 探23卷线,进而确定当地咸、淡水界面的电阻率特征值。

据测定,广饶、莱州、寿光的咸、淡水界面特征值分别为208#m,308#m 和228#m;利用瞬变电磁法对广饶县咸水入侵带的研究表明,咸水在弱承压含水层中呈水平入侵,判定入侵带与淡水分界的电阻率为228#m 。

2.用对称四极剖面法确定咸、淡水界面。

为了分辨不同深度的水质变化,采用该方法时可在每个测点选定2~3个极距进行测量,这种方法称之为复合对称剖面法。

复合对称剖面法可以反映不同深度咸、淡水分界面的位置。

图5是在寿光咸水入侵区测得的复合对称四极剖面曲线。

5号测点以北Q s 值均小于158#m,为咸水区;5~15号点Q s 逐渐升高,为过渡带;15号点以南为淡水区。

咸、淡水分界面在15号测点附近。

测量的同时,对剖面上的民井作了调查,咸水区的水井由于水咸已多年不用,过渡带的井在大旱时还可提取上层水浇地。

13~14号测点附近深30m 的井水水质尚好,深40m 的井浇地后开始返碱,表明水质较差。

调查与物探结果完全一致。

图5 寿光市咸水侵染区Q s 剖面图3.用电测深剖面法确定咸、淡水分界面。

电测深剖面法就是在横跨咸、淡水界面的剖面上布置若干测深点,然后将各点测出的电阻率绘制成以测点距为横坐标,以极距为纵坐标的电阻率剖面等值线图。

根据图中等值线的大小及其变化形态确定咸、淡水分界面的位置。

由图1可见咸水区和淡水区的曲线迥异,Q s =208#m 的等值线即为该剖面的咸、淡水分界面。

4.2 圈定海水入侵通道及形态在滨海平原区,第四系砂层、基岩风化壳、古河道、断裂带、岩溶带均可能成为海水入侵的通道,而咸、淡水接触关系的平面及剖面形态则反映了海水入侵的形态。

不同地区的海水入侵形态有以下特点:1.在第四系冲、沉积物分布广,且砂层厚、面积大的地区,海水顺砂层全面推进,平面上呈面状入侵。

2.古河道砂层、断裂破碎带及岩溶带,由于透水性好,海水顺古河道、断裂破碎带、岩溶带呈带状入侵。

在淡水区古河道的等视电阻率剖面图上,古河道呈高阻闭合圈。

断层破碎带及岩溶带无论在海侵区或在淡水区,其形成的通道在等视电阻率剖面图上均呈长条形低阻闭合圈,但淡水区比入侵区电阻率值偏高。

3.在第四系冲积物分布广、且砂层比较均匀的地方,海水顺第四系砂层入侵,所得的等视电阻率一般呈舌形形态;在上有第四系覆盖物,下有基岩风化层的地方,海水不仅顺第四系砂层入侵,而且也顺风化层入侵,其入侵形态亦呈舌形。

此外,海水入侵的平面及剖面形态不是固定不变的,除受地层地质条件制约外,还受外部因素如地下水开采、降水等影响,如大量抽取地下水会造成咸水自下部上升,形成咸水锥体。

4.3 监测咸、淡水界面的运移规律研究中,一般使用固定电测深剖面法。

即将各个测点固定,定期进行探测,然后对比不同#371#5期刘青勇等:电阻率法在防治莱州湾地区海水入侵中的应用时间的探测结果,进而判定咸、淡水界面的运移规律。

例如在莱州过西断面,对比1994年5月与1994年12月的Q s 等值线,可以得出该期海水入侵的距离为300m 。

在寿光、广饶咸水入侵区,同样可以通过不同时间Q s 等值线的对比分析确定咸水入侵随降雨、回灌、开采而产生的运移规律。

5 结语应用电法监测海、咸水入侵不仅理论上是有根据的,方法上也是可行的。

10a 的野外试验和应用表明,利用电阻率法及瞬变电磁法监测海、咸水入侵是切实有效的,并具有省时、省工、省经费的特点,适于推广应用。

参 考 文 献1 M i lls T,et al.T ime domai n electromagnetic soundings for mapping sea 2water intusion in montercy county,California.Ground water,1987,242 尹泽生主编.莱州市滨海区域海水入侵研究.北京:海洋出版社,19923 Seasa J L,Granda A.Interpretation of IP time domina/resi stivi ty soundings for delinating sea 2water i ntrusion in somcoastal areas of the northeast of spain.Geoexploration,1987,244 Stewant M T.Evaluati on of electromagnetic methods for rapid mapping of salt 2water interfaces in coastal aquifer.Ground water,1982,205 张保祥,李福林.海水入侵的动态监测指标研究.水文地质工程地质,1997(1)6 赵德三主编.海水入侵灾害防治研究.济南:山东科学技术出版社,1996THE APPLICATION OF RESISTIVITY TECHNIQUE TO THE PREVENTIONOF S EAWATER ENCROACHMENT IN LAIZHOU BAY AREALiu Qingyong,Dong Guangqing(Shandong Institute of Water Res ources Rese ar c h ,J inan 250013)Abstr act This paper describes t he theoretical basis and monitoring indices of applying resistivity technique to the prevention of seawater encroachment in Laizhou Bay area,Shandong Pr ovince,and analyses the variation regularity of stratigraphic resistivity in seawater and salt water encr oachment ar ea,t he deter mination of the interface between salt water and fresh water,and the delineation of the seawater encroachement channel as well as the detection of migra 2tion regularity of the interface.Key words electrical technique;seawater and salt water encroachment;Laizhou Bay第一作者简介 刘青勇,男,高级工程师,1956年10月生于青岛市,1982年毕业于河海大学。