直流电法识别东南沿海咸淡水界面的技术研究.pdf
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1、工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式:宋洪伟,尚铭森,夏凡,等.直流电法识别东南沿海咸淡水界面的技术研究J.工程地球物理学报,2 0 2 3,2 0(3):30 4-313.英文引用格式:Song Hongwei,Shang Mingsen,Xia Fan,et al.Study on direct current method to identify salt-fresh water interface inCHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSsoutheast coastal areaLJ.Chin
2、ese Journal of Engineering Geophysics,2023,20(3):304-313.May,2023直流电法识别东南沿海咸淡水界面的技术研究宋洪伟,尚铭森,夏凡2 3,王维强,刘春雷,桂建业1(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄0 50 0 6 1;2.河北省生态环境科学研究院,河北石家庄0 50 0 31;3.河北省水环境科学实验室,河北石家庄0 50 0 31)摘要:东南沿海地区海岸带沿线近年来受海水入侵导致地下咸水的形成已逐渐危害到人民生活和经济建设。如何划分泉州湾地区咸淡水界面分布情况,圈定咸水区影响范围,成为区域经济发展的一个主要研究课
3、题。本文结合研究区周边环境条件,从地球物理勘查角度分析了泉州湾地区地下咸淡水之间的地球物理特性差异和地下含水结构特点。利用地下含水结构的电阻率、极化率数据与地下水体矿化度指标建立联系,并以此为物探工作前提,选择了激电测深法和超高密度电法等对人文活动产生的游离电场有着很强的抗干扰能力的直流电法,在原有水文地质调查地下水检测矿化度的基础上增加物探辅助工作,弥补了该地区可取样井位较少的缺点,使得测网密度更大,连贯性更好,工作效率、勘查结果有效提升了钻探取样准确率,降低了调查成本。通过电阻率等电性参数间接地划分了咸淡水区域,精准地选取了1号和2 号监测孔位置,完成了对该研究区域的咸淡水演化监测体系建立
4、工作,避免了监测孔选取不当带来的损失。关键词:超高密度电阻率法;激电测深法;咸淡水界面;海岸带;泉州湾中图分类号:P631.3doi:10.3969/j.issn.16727940.2023.03.002文献标识码:A文章编号:16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 30 410Study on Direct Current Method to Identify Salt-freshWater Interface in Southeast Coastal AreaSong Hongwei,Shang Mingsen,Xia Fan2-3,Wang Weiqiang,Liu Chun
5、leil,Gui Jianyel(1.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,CAGS,Shijiazhuang Hebei 050061,China;2.Hebei Provincial of Academy of Ecological and Environmental Sciences,Shijiazhuang Hebei 05003l,China;3.Hebei Water Environmental Science Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050031,China)收稿日期:2
6、 0 2 2 12-0 9基金项目:中国地质科学院基本科研业务费项目(编号:SK202210);中国地质调查局地质调查项目(编号:DD20190303);中国南水北调集团中线有限公司科研专项(编号:ZXJ/HB/YW/SZ-2020一0 0 7)第一作者:宋洪伟(198 2 一),男,硕士,高级工程师,主要从事水工环物探研究工作。E-mail:通讯作者:夏凡(198 3一),女,硕士,高级工程师,主要从事地下水环境科学研究工作。E-第3期Abstract:In recent years,the formation of salt water in the coastal zone of sou
7、theast Chinahas gradually endangered peoples life and economic development.How to divide the inter-face distribution of salt and fresh water in Quanzhou Bay area and define the influence area ofsalt water area has become a main research topic of regional economic development.Based onthe environmenta
8、l conditions of the study area,this paper analyzes the differences in geo-physical characteristics and the characteristics of groundwater geophysics structure betweenthe underground salt and fresh in the Quanzhou Bay area from the perspective of the geo-physical survey.Using the resistivity and pola
9、rizability data of the underground water-bearing structure to establish a relationship with the groundwater salinity index,and takingthis as the premise of geophysical prospecting work,the direct current(DC)method withstrong anti-interference ability to the free electric field generated by human act
10、ivities suchas the induced polarization(IP)sounding method and the ultra-high density electrical meth-od were selected.On the basis of the original hydrogeological survey of groundwater salinitydetection,geophysical prospecting assistant work was added to make up for the shortcomingsof less sampling
11、 wells in the area,making the measuring network more dense and more co-herent,the work efficiency better and the exploration result more effective,thus improvingthe drilling sampling accuracy and reducing the survey cost.Through the electrical parame-ters such as resistivity,the saltwater and freshw
12、ater areas are indirectly divided,and the lo-cations of No.1 and No.2 monitoring holes are precisely selected,and the monitoring sys-tem of the evolution of saltwater and freshwater in the study area is established,which a-voids the loss caused by the improper selection of monitoring holes.Key words
13、:ultra-high density resistivity;IP sounding method;brackish-freshwater inter-宋洪伟,等:直流电法识别东南沿海咸淡水界面的技术研究face;coastal zone;Quanzhou Bay305值能够较为直接地反映地下水矿化度信息。在这1 引 言近年来,随着福建省沿海地区的经济发展、城镇化进程的加快,泉州湾沿海地区土地资源大量被开发,这也导致海岸带附近海水向陆地入侵地下淡水现象严重,海水的人侵又使得咸淡水界面不断向陆内移动,影响人民群众的生活用水安全1。本文以泉州湾地区为研究区,区内城镇化程度高、人口密度大,而且海岸
14、带所涉及的地貌类型、地质、水文地质条件复杂多样,可能存在面状、带状、脉状或树枝状、越流等各种入侵模式,人民生产生活所用多为地表水及几十米的浅井,缺少深井,深部样品较难获取。仅靠钻探及已知井采集水样进行水化学分析调查,不仅工作效率低,勘查的深度和测点密度都难以满足,对海水人侵的全貌掌握不够。因此,需要配合一定量具有“短、平、快”特点的地面物探工作,尤其是效率较高、勘查深度合适的电法勘探工作,获取的地层电阻率些工作的基础上,对部分物探工作圈定出的咸水区域进行一定量的钻探取水检验分析验证工作,确定物探工作的有效性,进而再大范围使用物探工作代替大部分高成本的钻探工作,以达到对区内咸淡水界面的精确划分,
15、从而能够有效划分咸淡水界面范围2 1。2研究区概况2.1海岸带水文地质特点泉州平原和洛阳江两侧河口、沿海地带,主要为泥相沉积,岩性以深灰色淤泥为主、含砂淤泥,含贝壳和炭化木屑,呈流塑稀软状岩性的海积层,组成了海积I级阶地。下伏全新统长乐组海积层,结构相对较密实3。区内第四系极薄,残坡积层属于基岩风化壳的强风化带,是花岗岩类、火山岩类及动力变质岩经长期物理、化学、生物风化作用的产物。岩性为含砾黏土、亚黏土、轻黏土等,306颜色有棕红、褐黄、浅黄、黄灰、灰白等色,厚度0.192 9.0 7 m,起伏较大。残坡积层中的细砾为母岩的石英矿物及其集合体,其含量与母岩岩性相关,花岗岩类残坡积层细砾含量一般
16、10%15%,火山岩和基性侵入岩风化层含细砾较少4.5。普遍具有结构密实、干硬、湿软的特点,并发育有不同程度的网纹结构,下伏强风化一微风化基岩,呈过渡渐变关系。区内的咸水形成主要由海水人侵引起,海水入侵是沿海地区的一种地质灾害,按其形成原因及发生过程划分,本地区海水入侵主要有三种类型。第一类是渐发性入侵,即受各种自然、气候等因素影响和人为过量开采地下水作用,使海水通过地下水系统浸染滨海淡水层;第二类是突发性人侵,主要发生在晋江人海口地区,受风暴潮、人海流量、潮汐、海流、风向及风速等因素的影响,沿河道上溯人侵;第三类是海水沿基岩构造断裂带入侵,因此而形成的咸水往往有着较高的矿化度,对生产生活用水
17、有着较大的危害6 。海岸带的咸水人侵轨迹不同于湖积平原区的垂向人侵一一咸水位于浅层,由于大量开采地下水使得咸淡水界面下移,深层地下淡水面临水质咸化的威胁。对沿海地区潜水含水层而言,由于海水的密度大于浅层淡水,地下水开采导致海水呈“楔形”侵人内陆地区(图1),咸水主要集中在人侵“楔形体”的中下部,咸淡水的界面在垂向上呈一条近似的斜线,使水平向入侵转变为向上和反向人侵,使得淡水被咸化7-1。淡水图1海水入侵形态示意简图Fig.1 Schematic diagram of seawater intrusion pattern2.2咸水含水层物性特征根据郭建强等13 2 0 0 1年在西北咸水区的研究
18、可知,地层电阻率随着水矿化度的增长呈线性下降,这对任何盐类都有同样的反映,同时结合前文分析海水入侵的地质模型可知,海水入侵区应呈低阻的“近楔形体 12.13。由式(1)可知,在咸水区受水体高矿化度的影响,水中导电离子数目的电荷量以及迁移速度越大,导电性越好,则岩层的电阻率工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)1p水=ntu+enu其中,n+和n-为水中的正负离子数;e+和e-为每个正、负离子所带的电量,C;+和为正负离子的迁移速度。利用地层电阻率值计算松散孔隙水的矿化度,地下水矿化度与地层电阻率值间的数学关系有如下公式:C=(1+
19、t)p/(5.6P)1/B其中,t=to+tih-18式(2)和式(3)中,C为地下水矿化度,g/L;to为大地表层温度,即研究区地壳常温带温度;t为地温梯度,/m;h为数据点的深度,m;为温度常数;为矿化度常数,对不同成分和温度的溶液,等于其矿化度为1g/L时的电阻率对数值,对NaCl型水质可取值一0.95;p为地层电阻率值,2m;P为孔隙参数16)。由式(2)也可以看出随着地下水矿化度升高,含水岩层电阻率值表现为明显降低趋势。3电法勘探3.1方法选择近年来,地球物理探测技术得到飞速发展,以研究地层岩性及结构的物理特性为前提的重力、咸水磁法、电法、地震、放射性和地温法六大类物探方法已被广泛地
20、应用于各个勘探领域。例如,矿产勘查、水库大坝渗漏监测、地下水勘查、海水入侵、地热勘查、考古、环境地质调查、污染调查等17-2 41。目前,在咸淡水共存区开展地球物理勘查工作主要的选择仍为电法勘探。电法勘探按其供电形式可分为直流电法和交流电法;按采集方式又分为时间域和频率域采集方式等。交流电磁法有着探测深度较大、对施工场地空间要求小、劳动强度较小、劳动力需求不大等特点,但易受外界电磁波干扰;直流电法有着数据采集质量高、探测分辨率高、抗干扰能力强、数据处理迅捷等特点。本研究区内人文活动频繁,工业游离电流电磁干扰较第2 0 卷越低;反之,淡水区或微咸水区的岩层电阻率相对就较高。因此,地层电阻率值是咸
21、水区评价地下水体矿化度十分有效的地球物理参数14,15在这个研究方面,前人做了很多有意义的工作,得出了地下水电阻率与矿化度之间的联系,假设地下水的电阻率值p水(单位为m)由式(1)决定:(1)(2)(3)第3期大,咸淡水界面纵向分布一般处于30 10 0 m之间,深度相对不大2 5.2 6 。因此,为保证数据采集质量,依据研究区环境和地质、水文地质条件、海水人侵的推测路线,由近海岸线向远离海岸线布设测线,选择直流电法中的激电测深法和超高密度电法相配合,既可保证纵向分辨率,又能保证效率、测点密度。图2 为本次研究区的地理位置图及物探测线的布设情况,沿垂直泉州湾海岸带由南至北先布设了13号3条物探
22、测线,4号测线为加测测线。先用激电测深法粗测圈定咸水区大概范围,再利用超高密度电法进行详细的范围确认工作,然后开展部分钻探工作,进行验证及有效性分析,最后增加物探测线敷设密度达到对咸水区界线更加精细的划分2 7.2 8 1(后期物探工作由于本文篇幅有限,不再赘述)。Line3泉州湾。Line2Linel图2 物探测线的布置简图Fig.2 Layout diagram of geophysical survey lines3.2方法原理3.2.1激电测深法激电测深法,又称激发极化测深法、激电法,以不同岩矿石的激电效应之差异为物质基础,通过供电电极向地下注入直流电流,使供电电极、地层和接收电极之间
23、形成回路,从而获取地层电阻率、极化率、衰减度、半衰时等数据,以此来观测和研究大地的充放电效应。如图3所示为激电测深法对称四极装置的工作原理图。该方法主要采取单点测量,纵向分辨率较高。工作时采用多次脉冲直流电源,通过供电电极A、B直接对地下供电,通过不极化测量电极M、N采集地电场的一次场电压、二次场电压,求取视电阻率.和视极化率ns。通过不断地改变供电宋洪伟,等:直流电法识别东南沿海咸淡水界面的技术研究M1图3激电测深法对称四极装置的工作原理Fig.3 The working principle of a symmetricalquadrupole device for IP sounding
24、method极距A、B与测量电极M、N,可以测试不同深度地层的视电阻率与视极化率n等参数,从而得到各参数的曲线。本次研究野外数据采集选择为等比装置,供电端:AB/2(M i n)=3.0 m,AB/2(Max)=360m,接收端MN/2为AB/2极距的1/3。单次单向供电时间为4s,二次供电,采样延时40 0 ms。其电阻率公式为:NO.=KAUAM.ANK=元合MN式中:p.为视电阻率(m):U 为供电一次电场值(mV);I 为供电电流值(mA);K 为由AB、M N各极点相对距离得出的系数。Line4表1激电测深极距超高密度电阻率法测线Table 1JList of polar dista
25、nce by IP sounding method一激电测深测线km2km307Battery PackVAnIA2序号1234567891011121314151617181920A1(AB/2)/m3691218243036486090120150180210240270300330360N(MN/2)/m1234681012162030405060708090100110120B1个B2Bn(4)(5)308根据规范要求质量检查点数不少于测点数的3%。电测深检查点与基本观测点两次观测结果的视电阻率均方相对误差M2013915312基岩含水层电阻率/Qm502002050200502003
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