修 源，徐征和,2，王 昕，張治暉，孔 珂(.濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250002；2.山東省地下水?dāng)?shù)值模擬與污染控制中心，濟(jì)南 250022；.山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 2500；4.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 00048；5.北京中水科工程總公司，北京 00048)

利津縣位于山東省東營市西部，地下水體大部分為不具備飲用水功能的苦咸水，是山東省地下淡水資源緊缺的地區(qū)之一。隨著利津縣經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用水量日益增大，而城區(qū)附近調(diào)蓄水庫較少，且引黃明渠被污染的風(fēng)險(xiǎn)日益增大，供需矛盾與用水安全問題突出，解決水資源短缺問題已經(jīng)成為利津縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平提高的首要前提[1]。

黃河灘區(qū)是由黃河沖積而成的狹長(zhǎng)地帶，具有特殊的水文地質(zhì)條件。根據(jù)20世紀(jì)90年代沿黃河灘區(qū)進(jìn)行的地下水探測(cè)，受黃河長(zhǎng)期補(bǔ)給的影響，灘區(qū)有大量淡水且連續(xù)分布。因此，將黃河灘區(qū)地下淡水資源作為利津縣城區(qū)及附近村莊居民的生活用水，對(duì)減少當(dāng)?shù)卣{(diào)蓄水量的消耗、緩解利津縣水資源供需矛盾、確保用水安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義[2]。本研究利用高密度電法劃分出了利津縣黃河灘區(qū)咸淡水分界線，查明了咸淡水在地層深度方向上的分布情況及礦化度的變化情況。

1 高密度電法簡(jiǎn)介

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高密度電法技術(shù)自20世紀(jì)80年代從日本引進(jìn)以來，在地質(zhì)領(lǐng)域的各個(gè)方面得到了廣泛運(yùn)用，工作環(huán)境也已從地表測(cè)量發(fā)展到水上、水下和全天候測(cè)量。發(fā)達(dá)國家除了在常規(guī)領(lǐng)域應(yīng)用外，更加側(cè)重于開拓新領(lǐng)域[3]。如在環(huán)境領(lǐng)域，利用高密度電法圈定垃圾填埋場(chǎng)范圍，推斷污染物擴(kuò)散程度，劃定與監(jiān)測(cè)放射性污染物的分布范圍。美國AGI公司將水上高密度電法應(yīng)用到了海底灰?guī)r深度、海水深度和沙灘侵蝕的測(cè)定中，取得了很好的效果。高密度電法在國內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于地層劃分、工程勘察、礦產(chǎn)勘探、水利水電工程和工程檢測(cè)等方面。郭鐵柱[4]使用高密度電法在某水庫壩基滲漏勘查，成功找到了滲漏的位置；楊湘生[5]在湘西北巖溶石山區(qū)找水中應(yīng)用高密度電法, 在確定最佳井位方面發(fā)揮了重要作用；王士鵬[6]在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中應(yīng)用了高密度電法；宋文鵬、杜文秀[7]在白云西礦地下水勘探中應(yīng)用高密度電法，對(duì)采場(chǎng)地下水的空間分布狀態(tài)、含水層發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)勘探。

1.2 工作原理

高密度電法理論基礎(chǔ)是通過接地電極在地下建立電場(chǎng)，因不同導(dǎo)電地質(zhì)體的存在，用電測(cè)儀器觀測(cè)地表電場(chǎng)也不同，進(jìn)而通過視電阻率的分布規(guī)律來解決地質(zhì)問題。如圖1所示，通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測(cè)量電位差ΔV，從而可求得該點(diǎn)(M、N之間)的視電阻率值。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，確定異常地層等。由于地下地質(zhì)體的電阻率不僅與導(dǎo)電礦物含量有關(guān)，而且與巖、礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、孔隙度、含水量等都有關(guān)系，因此用高密度電阻率法來探測(cè)地下水是一個(gè)很好的選擇。

高密度電法原理與直流電阻率法完全相同，是傳統(tǒng)的電剖面法和電測(cè)深法的組合，一次可完成縱橫二維勘探過程。其突出優(yōu)點(diǎn)是：采樣點(diǎn)密，數(shù)據(jù)量大，反映的地電信息豐富，且數(shù)據(jù)采集可靠；一次布極，可完成一種或多種裝置的測(cè)量工作，工作效率大大提高。

圖1 高密度電法工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of high density resistivity method

1.3 設(shè)備組成

高密度電法設(shè)備組成由測(cè)控主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系統(tǒng)3部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過電纜控制電極系統(tǒng)各電極的供電與測(cè)量狀態(tài)。主機(jī)通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，向電極供電并接收、存貯測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集結(jié)果自動(dòng)存入主機(jī)，主機(jī)通過通訊軟件把原始數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)相應(yīng)處理模塊進(jìn)行畸變點(diǎn)剔除、地形校正等預(yù)處理后，做視電阻率等值線圖。在等值線圖上根據(jù)視電阻率的變化特征結(jié)合鉆探、地質(zhì)調(diào)查資料進(jìn)行地質(zhì)解釋，并繪制出物探成果解釋圖。

目前, 國內(nèi)外生產(chǎn)的高密度電法觀測(cè)系統(tǒng)較多，主要是由多功能數(shù)字激電儀、多路電極轉(zhuǎn)換器、高級(jí)電法處理軟件等部分組成。

圖2 高密度電法設(shè)備組成Fig.2 Equipment composition of high density resistivity method

2 工作方法

2.1 儀器選擇

本次工作使用重慶奔騰數(shù)碼研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，集全中文掌上電腦、藍(lán)牙、24位A/D、大功率控制等當(dāng)今最新電子技術(shù)研制于一體。儀器的體積和重量均顯著縮小，主要技術(shù)指標(biāo)及功能在國內(nèi)屬先進(jìn)水平，在各種野外復(fù)雜環(huán)境下能更好地工作?？蓮V泛應(yīng)用于金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘探、城市物探、鐵道橋梁勘探等方面，亦用于尋找地下水、確定水庫壩基和防洪大堤隱患位置等水文、工程地質(zhì)勘探中，還能用于地?zé)峥碧健?/p>

2.2 測(cè)線布置

研究區(qū)位于利津縣東部黃河灘區(qū)，北至勝利干渠，南部以宮家閘為界，全長(zhǎng)約12.9 km，黃河兩側(cè)大堤為研究區(qū)東西邊界，灘區(qū)總面積8.84 km2。

工作布置是由當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員指認(rèn)工區(qū)，介紹地質(zhì)情況后，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作條件，在工區(qū)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)。剖面線起始點(diǎn)采用RTK定點(diǎn)，測(cè)繩量距。本次工作共布設(shè)5條剖面測(cè)線，除2線長(zhǎng)790 m以外，其他四條測(cè)線長(zhǎng)均為890 m。盡量避開干擾地段，高密度裝置采用溫納裝置，點(diǎn)距10 m。

2.3 數(shù)據(jù)反演

此次工作采用2D RES軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的反演。刪除所采集到的初始數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，運(yùn)用圓滑約束的最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，迭代5次后，得到RMS誤差為2.7%。說明反演結(jié)果與模型擬合程度較高。

3 解釋與推斷

3.1 平面分布特征

如圖3所示，地下20 m深度咸淡水界面變化明顯，靠近黃河灘區(qū)，電阻率值較高，為淡水反映；遠(yuǎn)離黃河灘區(qū)，電阻率值逐漸降低，反映為咸水或鹵水。以大堤柏油路東邊界為基準(zhǔn)，咸淡水界線為1線大堤?hào)|側(cè)10 m、3線大堤西側(cè)10 m、4線大堤西側(cè)140 m、5線大堤西側(cè)120 m連線，靠近黃河地區(qū)為淡水區(qū)，遠(yuǎn)離黃河地區(qū)為咸水區(qū)。

圖3 研究區(qū)-20 m視電阻率等深平面圖Fig.3 Apparent resistivity planar graph of 20 m underground

圖4可以看出，-30 m深度咸淡水界面變化明顯，靠近黃河灘區(qū)，電阻率值較高，為淡水反映；遠(yuǎn)離黃河灘區(qū)，電阻率值逐漸降低，反映為咸水或鹵水。以大堤柏油路東邊界為基準(zhǔn)，咸淡水界線為1線大堤?hào)|側(cè)30 m、3線大堤?hào)|側(cè)10 m、4線大堤西側(cè)100 m、5線大堤西側(cè)70 m連線，靠近黃河地區(qū)為淡水區(qū)，遠(yuǎn)離黃河地區(qū)為咸水區(qū)。

3.2 剖面分布特征

圖5-圖9分別為5條高密度測(cè)線視電阻率等值線斷面圖。可以看出：黃河對(duì)地下水的影響呈現(xiàn)明顯的梯度變化，在剖面上表現(xiàn)為電阻率值從東到西、從上到下逐漸變小。在靠近黃河灘地區(qū)，地層上部為淡水。高密度1、2測(cè)線淡水影響深度達(dá)40 m左右，往遠(yuǎn)離黃河方向影響深度逐漸變淺，高密度1線大堤往西110 m以后，黃河對(duì)地下水幾乎沒有影響。高密度3線、4線和5線，影響深度達(dá)30 m左右，往遠(yuǎn)離黃河方向影響深度逐漸變淺，高密度3線大堤往西270 m以后，黃河對(duì)地下水幾乎沒有影響。

圖4 研究區(qū)-30 m視電阻率等深平面圖Fig.4 Apparent resistivity planar graph of 30m underground

3.3 小 結(jié)

通過高密度電法劃定了研究區(qū)咸淡水分界線及咸淡水在地層深度方向上變化情況。

地下20 m咸淡水界線為1線大堤?hào)|側(cè)10 m、3線大堤西側(cè)10 m、4線大堤西側(cè)140 m、5線大堤西側(cè)120 m連線，靠近黃河地區(qū)為淡水區(qū)，遠(yuǎn)離黃河地區(qū)為咸水區(qū)。

地下30 m咸淡水界線為1線大堤?hào)|側(cè)30 m、3線大堤?hào)|側(cè)10 m、4線大堤西側(cè)100 m、5線大堤西側(cè)70 m連線，靠近黃河地區(qū)為淡水區(qū)，遠(yuǎn)離黃河地區(qū)為咸水區(qū)。

圖5 高密度1線視電阻率等值線斷面圖Fig.5 Apparent resistivity section contour map of 1th high density line

圖6 高密度2線視電阻率等值線斷面圖Fig.6 Apparent resistivity section contour map of 2th high density line

圖7 高密度3線視電阻率等值線斷面圖Fig.7 Apparent resistivity section contour map of 3th high density line

圖8 高密度4線視電阻率等值線斷面圖Fig.8 Apparent resistivity section contour map of 4th high density line

圖9 高密度5線視電阻率等值線斷面圖Fig.9 Apparent resistivity section contour map of 5th high density line

4 黃河灘區(qū)地下水礦化度分布

4.1 電阻率評(píng)價(jià)地下水礦化度的基礎(chǔ)理論

地層巖石電阻率不僅與地層中組成巖石的礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)特征及孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與地下水的化學(xué)成分有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，在其他條件不變的情況下，飽和含水巖石的電阻率與其地層水的電阻率成正比。影響地下水電阻率的主要因素是地下水中所溶解的鹽類離子數(shù)量。地下水中所含離子大多為Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO-42、F-等，以上離子的總量減去HCO-3離子含量的一半約為地下水礦化度的值。地下水電阻率與離子含量成反比，地下水中離子含量越高，地下水電阻率值越低，地下水礦化度也越高。地下水礦化度是影響地下飽和含水巖石電阻率的一個(gè)重要因素[8]。

地下水礦化度的計(jì)算公式為：

(1)

其中，Δt=t0+tt·h-18。

式中：Δt為計(jì)算礦化度的地下水?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)溫度與長(zhǎng)溫度(18 ℃)之差；t0為大地地表溫度；tt為地溫梯度，通常取值0.03 ℃/m；h為數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度；α為溫度系數(shù)，通常取值為0.025 Ω·m/℃；β為水溶液類型系數(shù)，對(duì)NaCl型水質(zhì)可取值為-0.95；ρ為地層的視電阻率；P為相對(duì)電阻率；C為地下水的礦化度。

相對(duì)電阻率P通常利用阿爾奇公式來求解，關(guān)系式為：

(2)

式中：m為孔隙指數(shù)；φ為孔隙度。

4.2 利津縣黃河灘區(qū)地下水礦化度模型

當(dāng)勘探深度較大時(shí)(大于500 m)時(shí)，溫度和壓力對(duì)于地層電阻率影響比較顯著，此時(shí)是一個(gè)不可忽略的因素，通?？睖y(cè)深度較淺時(shí)(小于100 m)，由于影響機(jī)理較為復(fù)雜，一般做平均處理或粗略處理。在黃河灘區(qū)的地下水勘探中，由于勘測(cè)深度小于100 m，溫度影響很小，溫差超過20 ℃時(shí)，電阻率不超過2 Ω·m。所以在本次工作資料解釋中，一般沒有進(jìn)行溫度校正，以20℃中間溫度為參考做定量解釋，壓力影響尚未考慮。

根據(jù)實(shí)測(cè)地層真電阻率值以及選擇相關(guān)的參數(shù)，建立該地區(qū)礦化度評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，本研究區(qū)孔隙度為43.4%。

對(duì)于松散沉積物區(qū)域，相對(duì)電阻率可以用下式求得：

(3)

利津黃河灘區(qū)地表溫度采用平均地表溫度14.3 ℃，求得該地區(qū)的礦化度評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

(4)

如圖10所示，地下水的礦化度與電阻率之間的關(guān)系具有以下特征：一是咸水區(qū)，電阻率值較低，曲線成直線型，表明礦化度對(duì)地層電阻率的影響作用較弱，同時(shí)也表明鹵水區(qū)電阻率值主要受礦化度的影響，且電阻率變化范圍小；二是淡水區(qū)，電阻率值較高，曲線呈直線狀態(tài)，電阻率主要受巖性的控制；三是微咸水區(qū)，表明微咸水區(qū)電阻率受巖性和礦化度的雙重影響，該區(qū)間也是確定淡水咸水分界線的關(guān)鍵區(qū)域段。綜上所述總體特征為隨著礦化度的減小，礦化度對(duì)地層電阻率的影響越來越大。

圖10 利津縣黃河灘區(qū)視電阻率與地下水礦化度的關(guān)系圖Fig.10 The relation graph of apparent resistivity and mineralization in Lijin Yellow River beach

4.3 地下水礦化度分布

通過利津縣黃河灘區(qū)地下咸淡水礦化度模型推斷出的地下水礦化度，可以有效地說明地下咸淡水的分布規(guī)律。研究區(qū)地下水礦化度分布規(guī)律為淺層小于深層，離黃河灘區(qū)近的小于遠(yuǎn)的。2號(hào)線和3號(hào)線之間地下20 m區(qū)域內(nèi)的地下水礦化度基本上在0.6～0.8 g/L之間，屬于淡水，水質(zhì)較好。2線、3線測(cè)線附近，距離黃河較近的區(qū)域(小于500 m)，地下水的礦化度基本上小于1 g/L，屬于淡水，淡水的影響深度超過了30 m。

5 結(jié) 語

在確定地下咸淡水分布和礦化度分布規(guī)律方面，高密度電法是一種高效可行的方法。通過此次勘探，得到了高密度電法得到平面和剖面視電阻率等值線圖，確定了利津縣黃河灘區(qū)咸淡水分界線，并建立了用視電阻率評(píng)價(jià)地下水礦化度的模型。在分界線和黃河之間區(qū)域內(nèi)，地層淺部淡水資源較富集，為地下淡水資源開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域，建議開采深度不大于20m。本研究對(duì)利津縣淡水水源地的劃定有關(guān)鍵性的作用，更為沿黃河鹽堿化地區(qū)將黃河灘區(qū)作為飲用水源地提供了借鑒。

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[1] 王 亮,付廷美.利津縣黃河灘區(qū)地下水資源開發(fā)及利用研究[J].中國信息科技,2011,(10):34-35.

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[3] 嚴(yán)加永,孟貴祥,呂慶田,等.高密度電法的進(jìn)展與展望[J].物探與化探,2012,36(4):576-584.

[4] 郭鐵柱.高密度電法在崇青水庫壩基滲漏勘查中的應(yīng)用[J].北京水利,2001,(2):44-46.

[5] 楊湘生.高密度電法在湘西北巖溶石山區(qū)找水中的應(yīng)用[J].湖南地質(zhì),2001,20(3):230-236.

[6] 王士鵬.高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2000,(1):52-56.

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