水化学与电法在海水入侵监测中的应用

水化学与电法在海水入侵监测中的应用

李福林 张保祥

(山东省水利科学研究院,济南 250013)

摘 要 根据大量实测资料,获得海水入侵监测的2种指标:由特征离子比值构成的水化学指标;由电阻率和充电率组成的电法指标。推导了这2种指标的相互关系,并介绍一些注意事项。关键词 海水入侵;水化学;电法;监测指标

对海水入侵进行动态监测研究和确定监测指标,不仅可以判断海水入侵危害的程度,而且可以预测海水入侵发展变化的趋势,为治理海水入侵提供依据。本文着重探讨水化学与电法指标在海水入侵监测中的应用。

1 水化学监测指标

海水入侵从发生到发展,地下水中的化学离子存在着迁移、吸附和汇集的过程,并且表现出一定的规律性 1 。选择几种离子的特征值组成一个指标体系,便可用来监测海水入侵。目前尚没有统一的监测指标,用得较多的为单指标,而且为特殊的目的服务。单指标虽然具有简便易行的优点,但由于水文地质条件复杂及人为活动影响,在实际应用中往往出现失误。比如根据我国饮用水标准氯化物含量不应超过250mg/L 的规定,把Cl -浓度250mg /L 作为判断海水入侵动态发展的一个单项指标,对农业灌溉和生活饮用水均具有实际意义。在土壤中施用农药、化肥或工厂排污也可造成地下水中Cl -浓度的升高,这并非由海水入侵引起,因此不能盲目用单一的水化学指标来监测海水入侵。

通过大量水样统计化验分析,并参照国内外有关水质标准,选择几种有代表性的化学离子比值作为指标来监测海水入侵,并以此对海水入侵程度作等级划分(表1)。研究发现,从海洋向内陆,特征离子比值r Na +/

(r Ca 2++r M g +)/2,r Cl -/(r HCO -3+r CO 2-3

)逐渐降低,而(r Ca 2++r Mg +)/r C1-逐渐升高。其中r N a +/

(r Ca 2++r Mg +)/2称钠吸附比,是美国咸水实验机构用来

表示农业灌溉用水适宜性的一个参数,r Cl -/(r HCO -3+r CO 2-3

)称咸化系数。表1 海水入侵水化学监测指标与入侵程度等级划分

指 标等 级

Cl -浓度/(mg L -1)<250250~1000>1000矿化度/(g L -1)<1.0 1.0~3.0>3.0Br -浓度/(mg L -1)

<0.550.55~3.1>3.1钠吸附比<2.0 2.0~5.7>5.7咸化系数<1.0 1.0~3.5>3.5入侵程度无入侵轻度入侵严重入侵水质范围

淡水

微咸水

咸水

1999年6月16日收稿。

第23卷第5期物 探 与 化 探

V ol.23,No.51999年10月

GEOPHYSICA L &GEOCHEM ICA L EXPL ORAT I ON Oct.,1999

利用寿光市海水入侵区11个动态监测井的资料计算分析,并绘制成化学离子特征变化曲图1 寿光市 剖面地下水化学离子特征变化

线。在海水入侵影响下,自内陆向海洋的地下水中化学离子及其特征比值存在着前述变化规律,但4,5,6号测点及附近地区存在异常现象(图1)。通过水文地质调查得知寿光境内存在多层含水层的舌状入侵现象。4,5,6号测点靠近工业供水深井,相邻民用机井深度大,抽水量多,引起深层含水层海水入侵加速,造成局部地区的咸水升锥入侵。由此可见,用上述水化学指标可以较好地监测、判断海水入侵。

2 电法监测指标

电法用于监测海水入侵,是依据咸、淡水

电阻率差异来确定其界面,从而达到目的。目前主要用垂向电测深、瞬变电磁和激发极化法,由此产生一系列监测海水入侵的指标。2.1 电阻率指标2.1.1 垂向电测深法

利用垂向电测深法对海水入侵地层进行探测,绘出视电阻率剖面等值线。由于咸水区和淡水区的曲线迥异,过渡带明显,据此可直接从图上寻求分界指标。图2a 剖面的 s 等值线中,20 m 可作为咸、淡水界面的特征指标值。对比不同时期的探测结果,就可清楚看到海水入侵的动态发展变化情况(图2b)

。

图2 广饶县颜徐A A 监测剖面 s 等值线(a)和咸淡水界面特征曲线变化(b)

2.1.2 瞬变电磁法 2

对广饶县咸水入侵剖面进行实测,做出各测点的视电阻率曲线及地电剖面解释,并绘出地电横剖面(图3)。咸水在弱承压含水层中呈水平入侵,咸水区的电阻率值很小,入侵区均小于20 m,同时取水样化验,结果表明Cl -浓度均大于500mg /L,因此把20 m 作为监测该地区海水入侵的一项指标。由于瞬变电磁法能够有效地确定不同深度的导电层,并可有效探测高导电率的岩层,且费用低廉,可以常年监测咸、淡水界面的运移情况,因此适合于多层含水层的海水入侵监测问题,其唯一缺陷便是曲线解释复杂。

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图3 广饶县颜徐B B 地电横剖面(a)和测点12的视电阻率及地电剖面解释(b)

2.2 充电率指标

充电率作为一项指标来监测海水入侵,目前仅限于激发极化法。由于仪器笨重、资料解释

困难,多数学者仅把它作为垂向电测深的一个补充手段,但也取得了较好的结果 3 。

海水入侵区的低充电率一般对应着低阻反映,如西班牙莫考伐(Moncofar)沿海地带咸水区的充电率一般为0.1%~0.3%,对应的电阻率值小于22 m,而内陆未受海水入侵影响的地区,充电率为0.5%~0.8%,对应的电阻率值大于22 m 。因此,根据对充电率和电阻率曲线及地电断面的综合解释,以充电率值0.4%及电阻率值22 m 作为对应指标,可较好地监测海水入侵。该方法弥补了垂向电测深探测中遇到的低阻岩层影响问题。

在监测海水入侵过程中,除了使用上述几种物探方法外,还可使用地电剖面、电磁剖面和地震反射等方法,而且常常2种或多种方法联用,由此产生多种监测指标。

3 电法指标与水化学指标的对应关系

在水文地质条件相同或类似地区,电法监测指标均与Cl -浓度具有良好的对应关系,这也使得不同类型指标联合监测海水入侵成为可能。对莱州市朱旺剖面进行垂向电测深监测中发

现,视电阻率与Cl -浓度具有较好对应关系( s 值与239 (r Cl -)-0.3894

值相当)。由此可见水化学与电法指标可联合应用于海水入侵监测研究。但是,不同水文地质条件,其对应值也不尽相同。如美国加州的Slinas 谷地,8 m 的电阻率对应Cl -浓度500mg/L,而我国广饶县则是21 m 电阻率对应Cl -浓度500mg /L(表2),这是因为前者地层以砂土为主,含水层颗粒粗,导电性强,而后者地层以粘土为主,含水层导电性弱。

表2 电法监测指标与Cl -浓度对应关系

电法种类电阻率或充电率

Cl -浓度研 究 区作 者垂向电阻率21 m 500mg/L 莱州市朱旺本文作者激发极化

22 m 0.4%1000mg/L

M oncofar Area in

Spain Seara J L Granda A 3 瞬变电磁8 m 或21 m 500mg/L

Slinas Valley i n California of USA hoekstra P Blohm M W 4

广饶县颜徐

本文作者电磁剖面

20 m

300mg/L

Belle M eade Area in Florida of USA

Stew art M T 5

4 结论与建议

在应用各种指标监测海水入侵时,要注意以下问题。

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