大沽河咸水入侵区氯离子浓度、矿化度与地层电阻率关系实验研究*

孟庆生， 佟 雪， 郑西来， 李 状， 樊玉清

(中国海洋大学1.环境科学与工程学院； 2.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)



大沽河咸水入侵区氯离子浓度、矿化度与地层电阻率关系实验研究*

孟庆生1，2， 佟 雪1， 郑西来1，2， 李 状1， 樊玉清1，2

(中国海洋大学1.环境科学与工程学院； 2.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

针对大沽河水源地海水入侵问题，以现场采集的咸、淡水样品和14组人工配制水样，以及现场取回的含水层砂样，进行了咸淡水驱替试验和电阻率测试。试验结果表明：电阻率对离子浓度、矿化度的变化存在敏感区，当Cl-浓度小于500mg/L或矿化度小于1000mg/L时，Cl-浓度或矿化度的微小变化都会引起电阻率的显著改变；各离子浓度与电阻率均呈现负相关关系，相关系数均大于等于0.987；单一Cl-指标确定的电阻率阀值为44Ω·m，与其它研究区相差较大，不能作为示范区判断海水入侵的标准；矿化度指标与电阻率具有很好的相关性，相关系数为0.988，建立的电阻率阀值与实际相吻合，可以用来衡量海水入侵程度和预测入侵范围，但在试验过程中要尽量保证砂样矿物成份符合实际，即充分考虑地层中矿物成份引起的电性影响。

咸水入侵； 驱替试验； 电阻率； 矿化度

滨海地区由于人为超量开采地下水，造成地下水位大幅度下降，海水与淡水的动态平衡被破坏，导致咸淡水界面向陆地方向移动[1-2]，使沿海地区生产、生活和生态环境遭到严重破坏[3]。因此，采用有效的监测手段，查明海水入侵程度和范围，对预测海水入侵的发展趋势、合理提出防治对策具有重要意义[4]。

长期以来，诸多学者通过布设地下水观测井，运用室内试验手段监测水中离子含量、电导率(或电阻率)和pH值等水化学指标，来反映海水入侵程度[5-8]。相关研究表明，这些方法中单一Cl-监测指标使用最为广泛[9-10]，然而，不同类型地区天然地下水中Cl-浓度的背景值差异很大，实际应用中经常会出现失误[11]，且投入大、耗时多。因海水入侵是一个复杂的侵染过程，其中伴随着一系列的物理、化学和生物过程，有必要选择综合指标进行评价。

除了上述传统的水化学监测手段，近年来，人们开始利用地球物理学中的电阻率剖面法研究海水入侵问题[12-14]。这种方法只需在地面开展探测工作，具有快捷、不破坏场地环境、可避免因钻孔可能造成的咸淡水二次交叉污染等特点而备受关注。地下水中离子成分和浓度是影响电阻率的主要因素，咸淡水在这方面具有显著的差异，因而可用电阻率来描述咸淡水界面的性质，反映海水入侵状况[15]。电剖面法属于一种间接的监测手段，要使其能够正确的评价海水入侵状况，必须建立正确的咸、淡水化学指标与电阻率之间的相关关系。已有学者开展过此方面的研究，提出了不同的视电阻率临界特征值作为判断海水入侵的标准[16-18]，但其判别标准不统一。此外，相关文献中的研究方法多是通过测定观测井水中不同离子浓度与其电阻率的回归关系，而实际上的电阻率则是土壤和地下水的综合反映，又由于电阻率还受到地层岩性、水文地质等地区性因素的影响，因而所建立的回归关系是否准确，还有待进一步研究。

针对上述存在的问题，本文对大沽河下游地下水Cl-浓度、矿化度与地层电阻率的回归关系开展驱替试验研究，以期为利用电阻率剖面法准确圈定海水入侵范围，预测过渡带移动变化，并为进一步治理提供相关的科学依据。

1 实验装置和材料

1.1 试验装置

试验采用改进的Miller Soil Box[19]作为电阻率测量装置(见图1，2)，整个装置由三部分组成，材料为有机玻璃板，图1中①是装置的核心，大小为210mm×40mm×30mm(长×宽×高)，用于填充砂样和电阻率测试；②为水室，制作饱和砂样时作为临时储水室；水室和砂样填充区之间由一块钻有9个渗水孔的有机玻璃板隔开，水室两端的两个侧壁下方各有一个排水孔(见图1中③)。在核心装置①两端及中间位置分别安置40mm×40mm的铜电极板，分别用作供电电极(A、B)和测量电极(M、N)，各电极之间位置关系为AM=85mm，MN=40mm，NB=85mm。

(① 装置核心区；② 水室；③ 排水孔。① Core area of the device；② Water chamber；③ Drain holes.)

图1 试验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

图2 试验装置实物图Fig.2 The graph of the experimental setup

1.2 供试砂样

大沽河下游为青岛市重要的水源地之一，地层具有明显的双层结构，上层以透水性差的黏质砂土为主，下层为不同粒度的砂和砂砾层[20]，透水性和富水性强，为良好的地下含水层。供试砂样取自该区李哥庄镇JZ35观测井附近的下层砂样(见图3)。取样时先在现场挖开覆盖层至砂层，用自制取样器垂直向下，同时用力均匀下压，达到取样深度后将取样器提起，轻轻敲击取出砂样，然后将取出的砂样放置于样品箱中，用塑料膜密封后在室温下保存，以保持砂样的原有性质。

1.3 供试水样

试验水样包括取自现场的淡水、咸水以及14组人工配制水样。在试验区内已有的少量观测井水质监测资料的基础上，分别用自制取水器在JZ21、JZ30观测井中各取10L淡水样和咸水样(取样点见图3)，分别用于制作饱和砂土样和驱替试验[21]中的对比样品。人工配制水样的制作方法为：准确称量0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、7.0、9.0和11.0g青岛通用海大海水素公司生产的人工海水素，并分别溶于1L的Milli Q水中，配制成14组不同浓度的水样。

图3 研究区地理位置及采样点位置图Fig.3 Geographical locations of the study area and the locations of sampling points

2 实验方法与结果

2.1 砂样分析

由砂样粒度分析可知，供试砂样粒径小于0.5mm的部分占总量的20.35%，粒径小于2mm的部分占总量的85.15%，不均匀系数Cu为4.06，曲率系数Cc为1.05。X射线衍射分析结果表明, 砂样中的主要矿物有石英、长石、伊利石、高岭石和绿泥石。

2.2 水样分析

用0.45μm的玻璃纤维膜对全部水样进行过滤，然后使用美国戴安公司的 ICS-3000离子色谱仪测定水样中各离子含量，并计算出对应的矿化度值(见表1，2)。

2.3 咸淡水驱替试验

咸淡水驱替试验是指在一定温度下，用咸水置换砂样中淡水的过程。本次试验过程为：

(1)将现场取回的原状砂样不经过筛直接装入试验装置中的砂样填充区内，装满后轻轻敲击槽壁并压实，使砂样保持均匀密实，用橡皮泥封堵水室两端的排水孔后，向两侧水室内注满取自现场的淡水，静置30 min，确保砂样处于淡水饱和状态。

(2)用橡皮泥封堵水室与砂样填充区之间有机玻璃板上的全部渗水孔，然后打开水室两端的排水孔将淡水放空，以避免测量时传导电流不经砂层而直接通过水到达接收电极。然后用E60BN型电阻率仪测量M、N电极之间的电流和电位差(见图4)。

(3)打开水室与砂样填充区之间被堵住的渗水孔，用10mL注射器量取取自现场的咸水，缓慢均匀的滴到砂样上方进行驱替，待刚好吸收时再次测量M、N电极之间的电流和电位差。依次滴加咸水并进行测量，直至连续两次计算得到的电阻率值相差小于0.01Ω·m时，认为驱替完成。

(4)重复步骤(1)～(3)，测得不同浓度人工配制水样驱替完成时M、N电极之间的电流和电位差。

表1 现场水样离子含量及矿化度Table 1 Ion content and mineralization of the field water samples /mg·L-1

表2 人工配制水样离子含量及矿化度Table 2 Ion content and mineralization of the artificial prepared water samples /mg·L-1

图4 电阻率测试装置图Fig.4 The graph of resistivity test instrument

2.4 数据分析与结果

2.4.1 电阻率计算 由试验测得的电流和电压值，需根据如下公式计算电阻率：

式中：ρ为砂样的电阻率(Ω·m)；U为测量电极M、N间的电位差(mV)；I是通过砂样的电流(mA)；S为砂样的横截面积(m2)，取0.04×0.03m2，L为M、N电极之间的间距(m)，取0.04m。

2.4.2 各离子浓度与电阻率关系 根据配制的14组不同浓度水样驱替试验获得的电阻率数据(不包括现场咸水样品电阻率数据)，分别用origin绘图软件中Reciprocal型(倒数型y=a/(1+bx))曲线和Allometric型(幂函数型y=axb)曲线对水样中各离子浓度与电阻率的关系进行拟合，所得拟合曲线见图5所示。从两种拟合曲线的相关系数来看，Reciprocal型拟合要优于Allometric型拟合，尤其是在电阻率变化最快的离子浓度范围内。

由图可知，无论对于哪种拟合关系，饱和砂土含水层中各离子成份的浓度与电阻率均呈负相关关系，并且离子浓度对电阻率的影响程度不同。以Cl-为例，从曲线的变化率来看，当Cl-浓度大于2500mg/L时，电阻率的变化幅度非常小，当Cl-浓度介于500～2500mg/L之间时，电阻率随Cl-浓度增加而缓慢减小，而在Cl-浓度小于500mg/L时，随Cl-浓度的增加电阻率迅速减小。饮用水水质标准中通常将Cl-浓度为250mg/L作为划分咸淡水的阀值，而这个浓度值恰好位于电阻率变化最快的浓度范围内，充分说明电阻率对咸淡水的敏感性，也证实了电阻率法划分咸淡水分界面的可行性。

图5 各离子浓度与饱和含水砂层电阻率关系曲线

实验还发现，对应相同的Cl-浓度，本文得到的电阻率值较已有成果中确定的电阻率偏高，深入分析认为这和所采用的试验材料有关，以往的研究中多直接通过测定观测井水的Cl-浓度和电阻率值来建立二者之间的相关关系[11]，忽略了地层因素的影响，尤其是含水砂层颗粒间所夹杂的矿物成份，如高岭土等粘性矿物对离子的吸附作用引起的岩石电学特征的改变。

2.4.3 矿化度与电阻率关系 图6为根据试验数据建立的矿化度与电阻率的关系曲线，其拟合公式为,

式中：M为水样的矿化度(mg/L)；ρ为砂样的电阻率(Ω·m)。

图6 矿化度与饱和含水砂层电阻率关系曲线Fig.6 The relational curve between mineralization and resistivity of water sand

由图可见，电阻率变化的总体特征表现为随着矿化度减小电阻率越来越大。地下水矿化度与电阻率二者之间的关系也表现为三个不同区段的特征，在矿化度大于5000mg/L时，矿化度对电阻率的影响较弱，在矿化度小于1000mg/L(淡水区)时，对电阻率影响显著，而当矿化度介于1000～5000mg/L之间时，电阻率随矿化度增加而缓慢减小。国标中要求生活饮用水矿化度小于1000mg /L，许多学者也将矿化度1000mg /L作为区分咸淡水的阀值[9,11,22]，根据本实验得到的矿化度与电阻率的关系曲线，当矿化度取1000mg/L时，对应的电阻率约为23Ω·m，该值与以往研究中确定的电阻率值吻合，因而可以作为示范区判断咸水入侵的电阻率阀值。

此外，图中也表明现场水样驱替试验的实测值与拟合曲线具有很好的相关性。在示范区各观测井水质监测结果中，无论是Cl-浓度指标，还是矿化度指标，JZ30都是最高的，因而可以认为现场取回的咸水样品代表了示范区地下水咸度的最高值，其对应的电阻率为4.5Ω·m，从而可以推断，当测得的电阻率介于4.5～23Ω·m之间时，对应区域的地下水应划分为海水入侵的过渡带。

3 结论

根据大沽河下游含水砂层咸淡水驱替过程中电阻率测试试验，得到了各离子浓度、矿化度与地层电阻率的相关关系，主要结论如下：

(1)地下水中大多数离子浓度与地层电阻率之间呈现负相关关系，并存在敏感区。

(2)地下水离子浓度与电阻率关系具有地域性特征，大沽河咸水入侵区地下水中Cl-浓度为250mg/L时对应的电阻率为44Ω·m，不能作为示范区内判断海水入侵的标准。

(3)在研究离子浓度与电阻率的特征关系时，需要充分考虑地层岩性以及矿物成份引起的岩石电学特征影响，即，在试验中应测量咸水饱和地层电阻率，而不应直接测量观测井水电阻率。

(4)对于大沽河咸水入侵区，矿化度可以从总体上反映饱水砂层电阻率的变化，因而试验获得的电阻率特征值可以作为示范区海水入侵的判别标准。

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责任编辑 庞 旻

An Experimental Investigation of Relationship of Chloride Concentration and Mineralization with Resistivity in Saltwater Intrusion Zone of Dagu River

MENG Qing-Sheng1,2, TONG Xue1, ZHENG Xi-Lai1,2, LI Zhuang1, FAN Yu-Qing1,2

(Ocean University of China, 1. College of Environmental Science and Engineering; 2. The Key Laboratory of Marine Environment Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

A combination of salt-fresh water displacement experiment and resistivity measurement test was performed to evaluate seawater intrusion in downstream of Dagu River aquifer media. To delineate the relationship between resistivity and the concentration of Cl-and mineralization, the field samples of salt water, freshwater, and in-suit sand were collected, and also, 14 artificial seawater samples were prepared to carry out the experiment. The results show that resistivity is extremely sensitive to the changes of mineralization and the concentration of each ion. When the concentration of Cl-is less than 500 mg/L or the mineralization is less than 1000mg/L, a small change of the mineralization or the concentration of Cl-will cause a significant change of resistivity. There exists negative correlations between the concentration of each ion and the resistivity, and the correlation coefficient is no less than 0.987. However, the corresponding resistivity which is 44Ω·m is much higher than others which were obtained by single index of Cl-concentration in experiments of other study areas, and can’t be used to judge the seawater intrusion in study area. And we also find that the mineralization as a significant parameter has closer relation with resistivity, the correlation coefficient is 0.988, and the resistivity threshold value which is obtained by the relationship is coincident with the actual measured resistivity using the field seawater samples. So, the mineralization index can be used to determine the extent and rang of seawater intrusion, but more attention should be paid to the electrical effect caused by mineral elements in the formation in order to ensure the accuracy of measuring resistivity during the experiments.Key words: saltwater intrusion; salt water-freshwater displacement; resistivity; mineralization

水利部公益性行业科研专项(201301090)资助

2014-04-11；

2015-06-06

孟庆生(1972-)，男，副教授，主要从事海水入侵检测技术研究工作。E-mail:85111707@qq.com

P641.7

A

1672-5174(2015)05-087-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140124