盧德寶，黃冬菁，李東風(fēng)，史正濤

(1.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，杭州 310018; 2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098; 3.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500)

地下水資源是人類生存與社會(huì)發(fā)展的重要資源，尤其是對(duì)于地表水資源相對(duì)缺乏的北方干旱、半干旱地區(qū)，地下水具有不可替代的作用[1]。然而，由于人類活動(dòng)的影響，地下水環(huán)境問題正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。地下水一旦被污染，治理成本高昂，效果欠佳，且無法達(dá)到徹底根治[2]。因此，地下水環(huán)境治理應(yīng)堅(jiān)持“以防為主，防治結(jié)合、防重于治”的方針。目前，地下水脆弱性評(píng)價(jià)仍是保護(hù)含水層的主要防治手段，其對(duì)維護(hù)自然資源與生態(tài)環(huán)境的和諧，實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義[3-5]。

“地下水脆弱性”于1968年被Marget第一次提出，直至1993年美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)才確立了學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的定義：地下水脆弱性是污染物達(dá)到最上層含水層之上的某特定位置的傾向性和可能性[6]?；诖?，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了眾多地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型來評(píng)估水層易受污染程度，常用的方法包括迭置指數(shù)法如DRASTIC模型、RISKE模型、COP模型等、過程模擬法、統(tǒng)計(jì)分析法等[7-13]。此類方法充分考慮了地下水脆弱性、人體健康風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)環(huán)境等多方面因素，但在評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度與精度上還存在一定限制。近來，一種基于含水層脆弱指數(shù)(AVI)的評(píng)價(jià)方法[14]，在國(guó)外取得廣泛應(yīng)用[15-17]。此種方法用垂直方向上地下水水面到地表的厚度和滲透系數(shù)來估算水力阻力，根據(jù)每一含水層水力阻力沿水流方向和垂直水流方向的變化來反映地下水脆弱性。

基于此，本文擬建立一種基于電阻率(ERT)勘探技術(shù)的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法，該方法是在含水層脆弱等級(jí)法(AVI)基礎(chǔ)上建立起的一種低成本、非侵入、高精度的地下水脆弱評(píng)價(jià)方法，其通過待評(píng)價(jià)區(qū)的水文地質(zhì)條件的電學(xué)特征來圈劃出污染敏感帶，從而完成待評(píng)價(jià)區(qū)域的地下水脆弱等級(jí)分區(qū)，為管理人員提供決策依據(jù)。通過該方法進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)和水源保護(hù)區(qū)劃分，采取工程、非工程及管理措施，防止地下水污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用，保障社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 方法構(gòu)建

地下水脆弱性用于衡量地表污染物進(jìn)入含水層的難易程度，脆弱性評(píng)價(jià)是根據(jù)某一地區(qū)的地下水比其他地區(qū)更易受污染而進(jìn)行的，因此，地下水脆弱性評(píng)價(jià)一般包含了對(duì)污染物從地表通過包氣帶向含水層遷移的判斷，包氣帶是決定含水層系統(tǒng)脆弱程度的關(guān)鍵因素[18,19]，也是第一道防污染防線，其在保護(hù)地下地下水方面非常重要，特別是對(duì)于在土壤薄或發(fā)育不良的區(qū)域。因此，根據(jù)包氣帶的綜合特性來評(píng)價(jià)地下水脆弱性，具有較強(qiáng)的理論及現(xiàn)實(shí)意義。目前，在眾多的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法中，含水層脆弱性指數(shù)(AVI)法是評(píng)估含水層是否易受地表?yè)p害的一種廣泛使用的方法。該方法一般使用水力阻力值來定量描述污染水體的垂向流動(dòng)難易程度，從而確定研究區(qū)地下水脆弱等級(jí)。目前，計(jì)算該評(píng)價(jià)方法中的水力阻力C主要有兩種方案[10]，一種使用以下公式獲得水力阻力C:

(1)

式中：ki和hi分別為含水層以上的水層的水力傳導(dǎo)系數(shù)和厚度。

另一個(gè)是美國(guó)國(guó)家地質(zhì)調(diào)查(SGD)提出的基于保護(hù)層陽(yáng)離子交換能力(CE)的脆弱性量化系統(tǒng)，其脆弱性的量化可由以下公式計(jì)算：

(2)

式中：di和GLi分別為每個(gè)覆蓋層的厚度和陽(yáng)離子交換容量。

由于電導(dǎo)率與陽(yáng)離子交換容量(GLi)呈線性關(guān)系，水力傳導(dǎo)率(Ki)可由電導(dǎo)率(σi)或電阻率(ρi)代替，用于計(jì)算水力阻力(C)。由此可知，基于綜合電導(dǎo)率含水層脆弱性評(píng)價(jià)模型可表示為：

(3)

也可表達(dá)為：

(4)

(5)

因此，根據(jù)電阻率測(cè)深及二維成像反演計(jì)算即可得到含水層以上各層的電阻率(ρi)和厚度(hi)，從而確定綜合電阻率(IEC)值，其單元位為歐姆-1(Ω-1)或西門子(S)。該評(píng)價(jià)方法流程圖見圖1，詳細(xì)計(jì)算步驟如下：

(1)將研究區(qū)網(wǎng)格化，根據(jù)各區(qū)域的地形地貌特征特點(diǎn)，選定一維或二維的電阻率測(cè)定方案。

(2)依據(jù)測(cè)定方案，利用電阻率進(jìn)行陣列勘探，將全部電極置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，獲得視電阻率數(shù)據(jù)。

(3)使用全局牛頓-高斯方程法對(duì)一維、二維電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算[20]，具體方程如下：

(6)

式中：s為感度矩陣；d為觀測(cè)數(shù)據(jù)；ρ為模型的電阻率；G為正演算子；Rdd與Rmm分別為觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣；ρ0為初始電阻率模型；Δρk為第k此迭代后的模擬電阻率。

(4)根據(jù)以上反演計(jì)算的結(jié)果，得到并分析垂直電測(cè)深(VES)與二維電阻率成像圖，分別提取出測(cè)量沉積層電阻率ρi、含水層上方第i層沉積層厚度hi。

(5)根據(jù)公式(3)，計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)的含水層上方每一層IEC值，測(cè)量點(diǎn)含水層上方若有多個(gè)不同電阻率的沉積層時(shí)，取IEC值最大的一層作為該測(cè)量點(diǎn)的評(píng)價(jià)參數(shù)。

(6)根據(jù)待研究區(qū)的實(shí)際需求，將IEC值分級(jí)(表1)，結(jié)合每一測(cè)量點(diǎn)的輻射范圍，得到研究區(qū)的地下水脆弱性評(píng)等級(jí)圖。

本研究對(duì)于IEC值分級(jí)借鑒了Mohammed Madi等人[21]的方案并結(jié)合R?ttger等[22]提出的基于滲透時(shí)間地下水脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過電阻率判斷巖土成分以及包氣帶厚度，并根據(jù)獲得IEC值，對(duì)地下水脆弱等級(jí)進(jìn)行分類，共分為5個(gè)脆弱性等級(jí)，分別為特別低(IEC>4 000 S)、低(IEC=2 000～4 000 S)、中(IEC=1 000～2 000 S)、高(IEC=500～1 000 S)和特別高(IEC<500 S)，可知數(shù)值越低，包氣帶越薄，污染物越易下滲，具體分級(jí)見表1。

圖1 基于綜合電阻率法的地下水脆弱性評(píng)價(jià)流程

脆弱性程度脆弱性指數(shù)(S)特別高<500高500～1000中1000～2000低2000～4000特別低>4000

2 應(yīng)用實(shí)例

本研究的研究區(qū)位于浙江省寧波市象山縣西南部，包括定塘、大塘和曉塘3個(gè)行政區(qū)，位于北緯29°13′和東經(jīng)121°50′，面積83.3 km2。該區(qū)域地勢(shì)西北向東南傾斜，主要地貌類型屬侏羅系晚期火山巖低山丘陵。澗溪密布，大多源短流促，獨(dú)注入海。平原河網(wǎng)，密度不大，流域破碎，范圍狹小，水系不發(fā)育。研究區(qū)土壤類型主要為水稻土類，黃泥沙田、淡塘泥田、黃泥土和石砂土等，土壤剖面層次分明，有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，黏度適中，通氣性好，易下滲[23]。

本文在綜合了各區(qū)域的地形地貌特征特點(diǎn)基礎(chǔ)上，將研究區(qū)網(wǎng)格化分9個(gè)區(qū)域，選定一維或二維的電阻率測(cè)定方案，之后進(jìn)行陣列勘探，獲得視電阻率數(shù)據(jù)。一維電測(cè)深使用GeoPen公司生產(chǎn)的E60DN 型高密度電法儀進(jìn)行勘測(cè)，測(cè)定時(shí)保持測(cè)量電極MN的位置固定，不斷增大供電電極距的同時(shí)，逐次進(jìn)行觀測(cè)，最后根據(jù)公式(7)，計(jì)算得到視電阻率值。

(7)

(8)

在實(shí)際工作中，由于AB極距不斷加大，若MN的距離始終保持不變，則MN間的ΔU將逐漸減小，以至于無法觀測(cè)。因此，隨著AB極距的加大，需要適當(dāng)?shù)丶哟驧N距離，以保證順利進(jìn)行觀測(cè)。圖2給出了研究區(qū)域內(nèi)定塘與大塘區(qū)塊的電測(cè)深數(shù)據(jù)處理結(jié)果，據(jù)此，可以提取出不同巖層的電阻率及其厚度。

圖2 研究區(qū)域電測(cè)深勘探結(jié)果

二維電阻率測(cè)定亦采用E60CN，最大供電電流為4 A，最大供電電壓為400 V，輸入阻抗為20 MΩ，采樣精度為1 μV，41個(gè)電極，電極間距5 m，使用溫納裝置測(cè)量。測(cè)得的視電阻率數(shù)據(jù)使用RES2DINV程序進(jìn)行反演，得到電阻率模型剖面。根據(jù)一維與二維電阻率勘探及成像結(jié)果，分別提取出測(cè)量沉積層電阻率ρi、含水層上方第i層沉積層厚度hi(見圖3)。

圖3 研究區(qū)二維電阻率成像結(jié)果

根據(jù)公式(3)，計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)的含水層上方每一層IEC值，測(cè)量點(diǎn)含水層上方若有多個(gè)不同電阻率的沉積層時(shí)，取IEC值最大的一層作為該測(cè)量點(diǎn)的評(píng)價(jià)參數(shù)，表2給出了研究區(qū)9個(gè)區(qū)塊的IEC值。

結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，根據(jù)計(jì)算出的IEC值可以看出該研究區(qū)的脆弱性范圍在22～4 297 S，根據(jù)表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將IEC值分級(jí)即可得到研究區(qū)的地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果空間分布圖(圖4)。從圖4可以看出，研究區(qū)的地下水脆弱程度可以劃分為5個(gè)等級(jí)。該脆弱性分布圖不僅反映了研究區(qū)的地質(zhì)條件，而且還反映了區(qū)域內(nèi)地形影響。當(dāng)含水層上方的低電阻率厚度增大時(shí)，獲得的IEC值將顯著增大。研究區(qū)中的極低的脆弱性主要出現(xiàn)在以黏土砂巖構(gòu)成的包氣帶區(qū)域，位于研究區(qū)的東南部。中等脆弱程度主要出現(xiàn)在以砂巖為主的包氣帶區(qū)域。而研究區(qū)的西部、北部和南部以高度脆弱程度為主，其包氣帶主要由砂質(zhì)黏土、砂巖和部分飽和沙組成。

表2 研究區(qū)IEC值 S

圖4 地下水脆弱性等級(jí)圖

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，基于IEC方法獲得脆弱性分布圖主要通過兩個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)來確定，其可靠性一般取決于所使用的勘探電阻率數(shù)據(jù)的質(zhì)量。此外，應(yīng)用IEC評(píng)價(jià)方法的困難之處同時(shí)也是此類方法的限制，就是得到參數(shù)不是絕對(duì)值，而是一個(gè)相對(duì)值。因此，在不同研究區(qū)運(yùn)用該方法進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)，還需要結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況以及勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)行綜合性分析，盡可能的消除不確定因素的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

地下水是人類生存與發(fā)展的重要資源，通過脆弱性評(píng)價(jià)模型劃分脆弱等級(jí)是保護(hù)地下水資源的重要手段。本文在含水層脆弱性評(píng)價(jià)法(AVI)的基礎(chǔ)上，建立了以探測(cè)區(qū)沉積物電性特征為主要評(píng)判參數(shù)的脆弱性評(píng)價(jià)方法。在通過野外試驗(yàn)來確定地下沉積物的電阻率特征、水力參數(shù)與電性參數(shù)的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系后，根據(jù)巖性的相關(guān)物理、電性參數(shù)，建立評(píng)價(jià)模型，能夠消除不確定性，從而形成了一套基于電阻率勘探技術(shù)地下水脆弱性評(píng)價(jià)體系,成功運(yùn)用于寧波市象山縣西南部地下水脆弱性評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)方法充分利用了實(shí)測(cè)電阻率數(shù)據(jù)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合研究區(qū)的實(shí)際情況。