利津县黄河滩区地下咸淡水分布研究

修 源，徐征和,2，王 昕，张治晖，孔 珂(.济南大学资源与环境学院，济南 250002；2.山东省地下水数值模拟与污染控制中心，济南 250022；.山东省水利科学研究院，济南 2500；4.中国水利水电科学研究院，北京 00048；5.北京中水科工程总公司，北京 00048)

利津县位于山东省东营市西部，地下水体大部分为不具备饮用水功能的苦咸水，是山东省地下淡水资源紧缺的地区之一。随着利津县经济的发展，用水量日益增大，而城区附近调蓄水库较少，且引黄明渠被污染的风险日益增大，供需矛盾与用水安全问题突出，解决水资源短缺问题已经成为利津县经济发展和居民生活水平提高的首要前提[1]。

黄河滩区是由黄河冲积而成的狭长地带，具有特殊的水文地质条件。根据20世纪90年代沿黄河滩区进行的地下水探测，受黄河长期补给的影响，滩区有大量淡水且连续分布。因此，将黄河滩区地下淡水资源作为利津县城区及附近村庄居民的生活用水，对减少当地调蓄水量的消耗、缓解利津县水资源供需矛盾、确保用水安全具有重要现实意义[2]。本研究利用高密度电法划分出了利津县黄河滩区咸淡水分界线，查明了咸淡水在地层深度方向上的分布情况及矿化度的变化情况。

1 高密度电法简介

1.1 国内外研究现状

高密度电法技术自20世纪80年代从日本引进以来，在地质领域的各个方面得到了广泛运用，工作环境也已从地表测量发展到水上、水下和全天候测量。发达国家除了在常规领域应用外，更加侧重于开拓新领域[3]。如在环境领域，利用高密度电法圈定垃圾填埋场范围，推断污染物扩散程度，划定与监测放射性污染物的分布范围。美国AGI公司将水上高密度电法应用到了海底灰岩深度、海水深度和沙滩侵蚀的测定中，取得了很好的效果。高密度电法在国内的应用领域主要集中于地层划分、工程勘察、矿产勘探、水利水电工程和工程检测等方面。郭铁柱[4]使用高密度电法在某水库坝基渗漏勘查，成功找到了渗漏的位置；杨湘生[5]在湘西北岩溶石山区找水中应用高密度电法, 在确定最佳井位方面发挥了重要作用；王士鹏[6]在水文地质和工程地质中应用了高密度电法；宋文鹏、杜文秀[7]在白云西矿地下水勘探中应用高密度电法，对采场地下水的空间分布状态、含水层发育规律进行了详细勘探。

1.2 工作原理

高密度电法理论基础是通过接地电极在地下建立电场，因不同导电地质体的存在，用电测仪器观测地表电场也不同，进而通过视电阻率的分布规律来解决地质问题。如图1所示，通过A、B电极向地下供电流I，然后在M、N极间测量电位差ΔV，从而可求得该点(M、N之间)的视电阻率值。根据实测的视电阻率剖面进行计算、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，确定异常地层等。由于地下地质体的电阻率不仅与导电矿物含量有关，而且与岩、矿石的结构、构造、孔隙度、含水量等都有关系，因此用高密度电阻率法来探测地下水是一个很好的选择。

高密度电法原理与直流电阻率法完全相同，是传统的电剖面法和电测深法的组合，一次可完成纵横二维勘探过程。其突出优点是：采样点密，数据量大，反映的地电信息丰富，且数据采集可靠；一次布极，可完成一种或多种装置的测量工作，工作效率大大提高。

图1 高密度电法工作原理图Fig.1 Schematic diagram of high density resistivity method

1.3 设备组成

高密度电法设备组成由测控主机、多路电极转换器、电极系统3部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系统各电极的供电与测量状态。主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令，向电极供电并接收、存贮测量数据。数据采集结果自动存入主机，主机通过通讯软件把原始数据传输给计算机。计算机将数据转换成处理软件要求的数据格式，经相应处理模块进行畸变点剔除、地形校正等预处理后，做视电阻率等值线图。在等值线图上根据视电阻率的变化特征结合钻探、地质调查资料进行地质解释，并绘制出物探成果解释图。

目前, 国内外生产的高密度电法观测系统较多，主要是由多功能数字激电仪、多路电极转换器、高级电法处理软件等部分组成。

图2 高密度电法设备组成Fig.2 Equipment composition of high density resistivity method

2 工作方法

2.1 仪器选择

本次工作使用重庆奔腾数码研究所生产的WGMD-9超级高密度电法系统，集全中文掌上电脑、蓝牙、24位A/D、大功率控制等当今最新电子技术研制于一体。仪器的体积和重量均显著缩小，主要技术指标及功能在国内属先进水平，在各种野外复杂环境下能更好地工作。可广泛应用于金属与非金属矿产资源勘探、城市物探、铁道桥梁勘探等方面，亦用于寻找地下水、确定水库坝基和防洪大堤隐患位置等水文、工程地质勘探中，还能用于地热勘探。

2.2 测线布置

研究区位于利津县东部黄河滩区，北至胜利干渠，南部以宫家闸为界，全长约12.9 km，黄河两侧大堤为研究区东西边界，滩区总面积8.84 km2。

工作布置是由当地技术人员指认工区，介绍地质情况后，依据现场工作条件，在工区内现场布设。剖面线起始点采用RTK定点，测绳量距。本次工作共布设5条剖面测线，除2线长790 m以外，其他四条测线长均为890 m。尽量避开干扰地段，高密度装置采用温纳装置，点距10 m。

2.3 数据反演

此次工作采用2D RES软件进行数据的反演。删除所采集到的初始数据中的坏点，运用圆滑约束的最小二乘法进行数据反演，迭代5次后，得到RMS误差为2.7%。说明反演结果与模型拟合程度较高。

3 解释与推断

3.1 平面分布特征

如图3所示，地下20 m深度咸淡水界面变化明显，靠近黄河滩区，电阻率值较高，为淡水反映；远离黄河滩区，电阻率值逐渐降低，反映为咸水或卤水。以大堤柏油路东边界为基准，咸淡水界线为1线大堤东侧10 m、3线大堤西侧10 m、4线大堤西侧140 m、5线大堤西侧120 m连线，靠近黄河地区为淡水区，远离黄河地区为咸水区。

图3 研究区-20 m视电阻率等深平面图Fig.3 Apparent resistivity planar graph of 20 m underground

图4可以看出，-30 m深度咸淡水界面变化明显，靠近黄河滩区，电阻率值较高，为淡水反映；远离黄河滩区，电阻率值逐渐降低，反映为咸水或卤水。以大堤柏油路东边界为基准，咸淡水界线为1线大堤东侧30 m、3线大堤东侧10 m、4线大堤西侧100 m、5线大堤西侧70 m连线，靠近黄河地区为淡水区，远离黄河地区为咸水区。

3.2 剖面分布特征

图5-图9分别为5条高密度测线视电阻率等值线断面图。可以看出：黄河对地下水的影响呈现明显的梯度变化，在剖面上表现为电阻率值从东到西、从上到下逐渐变小。在靠近黄河滩地区，地层上部为淡水。高密度1、2测线淡水影响深度达40 m左右，往远离黄河方向影响深度逐渐变浅，高密度1线大堤往西110 m以后，黄河对地下水几乎没有影响。高密度3线、4线和5线，影响深度达30 m左右，往远离黄河方向影响深度逐渐变浅，高密度3线大堤往西270 m以后，黄河对地下水几乎没有影响。

图4 研究区-30 m视电阻率等深平面图Fig.4 Apparent resistivity planar graph of 30m underground

3.3 小 结

通过高密度电法划定了研究区咸淡水分界线及咸淡水在地层深度方向上变化情况。

地下20 m咸淡水界线为1线大堤东侧10 m、3线大堤西侧10 m、4线大堤西侧140 m、5线大堤西侧120 m连线，靠近黄河地区为淡水区，远离黄河地区为咸水区。

地下30 m咸淡水界线为1线大堤东侧30 m、3线大堤东侧10 m、4线大堤西侧100 m、5线大堤西侧70 m连线，靠近黄河地区为淡水区，远离黄河地区为咸水区。

图5 高密度1线视电阻率等值线断面图Fig.5 Apparent resistivity section contour map of 1th high density line

图6 高密度2线视电阻率等值线断面图Fig.6 Apparent resistivity section contour map of 2th high density line

图7 高密度3线视电阻率等值线断面图Fig.7 Apparent resistivity section contour map of 3th high density line

图8 高密度4线视电阻率等值线断面图Fig.8 Apparent resistivity section contour map of 4th high density line

图9 高密度5线视电阻率等值线断面图Fig.9 Apparent resistivity section contour map of 5th high density line

4 黄河滩区地下水矿化度分布

4.1 电阻率评价地下水矿化度的基础理论

地层岩石电阻率不仅与地层中组成岩石的矿物成分、岩石结构特征及孔隙度和孔隙结构有关，还与地下水的化学成分有关。实验证明，在其他条件不变的情况下，饱和含水岩石的电阻率与其地层水的电阻率成正比。影响地下水电阻率的主要因素是地下水中所溶解的盐类离子数量。地下水中所含离子大多为Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO-42、F-等，以上离子的总量减去HCO-3离子含量的一半约为地下水矿化度的值。地下水电阻率与离子含量成反比，地下水中离子含量越高，地下水电阻率值越低，地下水矿化度也越高。地下水矿化度是影响地下饱和含水岩石电阻率的一个重要因素[8]。

地下水矿化度的计算公式为：

(1)

其中，Δt=t0+tt·h-18。

式中：Δt为计算矿化度的地下水数据点温度与长温度(18 ℃)之差；t0为大地地表温度；tt为地温梯度，通常取值0.03 ℃/m；h为数据点的深度；α为温度系数，通常取值为0.025 Ω·m/℃；β为水溶液类型系数，对NaCl型水质可取值为-0.95；ρ为地层的视电阻率；P为相对电阻率；C为地下水的矿化度。

相对电阻率P通常利用阿尔奇公式来求解，关系式为：

(2)

式中：m为孔隙指数；φ为孔隙度。

4.2 利津县黄河滩区地下水矿化度模型

当勘探深度较大时(大于500 m)时，温度和压力对于地层电阻率影响比较显著，此时是一个不可忽略的因素，通常勘测深度较浅时(小于100 m)，由于影响机理较为复杂，一般做平均处理或粗略处理。在黄河滩区的地下水勘探中，由于勘测深度小于100 m，温度影响很小，温差超过20 ℃时，电阻率不超过2 Ω·m。所以在本次工作资料解释中，一般没有进行温度校正，以20℃中间温度为参考做定量解释，压力影响尚未考虑。

根据实测地层真电阻率值以及选择相关的参数，建立该地区矿化度评价数学模型，本研究区孔隙度为43.4%。

对于松散沉积物区域，相对电阻率可以用下式求得：

(3)

利津黄河滩区地表温度采用平均地表温度14.3 ℃，求得该地区的矿化度评价数学模型为：

(4)

如图10所示，地下水的矿化度与电阻率之间的关系具有以下特征：一是咸水区，电阻率值较低，曲线成直线型，表明矿化度对地层电阻率的影响作用较弱，同时也表明卤水区电阻率值主要受矿化度的影响，且电阻率变化范围小；二是淡水区，电阻率值较高，曲线呈直线状态，电阻率主要受岩性的控制；三是微咸水区，表明微咸水区电阻率受岩性和矿化度的双重影响，该区间也是确定淡水咸水分界线的关键区域段。综上所述总体特征为随着矿化度的减小，矿化度对地层电阻率的影响越来越大。

图10 利津县黄河滩区视电阻率与地下水矿化度的关系图Fig.10 The relation graph of apparent resistivity and mineralization in Lijin Yellow River beach

4.3 地下水矿化度分布

通过利津县黄河滩区地下咸淡水矿化度模型推断出的地下水矿化度，可以有效地说明地下咸淡水的分布规律。研究区地下水矿化度分布规律为浅层小于深层，离黄河滩区近的小于远的。2号线和3号线之间地下20 m区域内的地下水矿化度基本上在0.6～0.8 g/L之间，属于淡水，水质较好。2线、3线测线附近，距离黄河较近的区域(小于500 m)，地下水的矿化度基本上小于1 g/L，属于淡水，淡水的影响深度超过了30 m。

5 结 语

在确定地下咸淡水分布和矿化度分布规律方面，高密度电法是一种高效可行的方法。通过此次勘探，得到了高密度电法得到平面和剖面视电阻率等值线图，确定了利津县黄河滩区咸淡水分界线，并建立了用视电阻率评价地下水矿化度的模型。在分界线和黄河之间区域内，地层浅部淡水资源较富集，为地下淡水资源开发重点区域，建议开采深度不大于20m。本研究对利津县淡水水源地的划定有关键性的作用，更为沿黄河盐碱化地区将黄河滩区作为饮用水源地提供了借鉴。

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[1] 王 亮,付廷美.利津县黄河滩区地下水资源开发及利用研究[J].中国信息科技,2011,(10):34-35.

[2] 侯 聪,张治晖,赵 华.基于Visual Modflow模型的黄河滩地地下淡水资源评价[J].中国农村水利水电,2014,(1):123-127.

[3] 严加永,孟贵祥,吕庆田,等.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探,2012,36(4):576-584.

[4] 郭铁柱.高密度电法在崇青水库坝基渗漏勘查中的应用[J].北京水利,2001,(2):44-46.

[5] 杨湘生.高密度电法在湘西北岩溶石山区找水中的应用[J].湖南地质,2001,20(3):230-236.

[6] 王士鹏.高密度电法在水文地质和工程地质中的应用[J].水文地质工程地质,2000,(1):52-56.

[7] 宋文鹏,杜文秀.高密度电法在白云西矿地下水勘探中的应用[J].矿业工程,2015,13(3),12-14.

[8] 林满意,冯亿年,吴文君.地下水矿化度与视电阻率关系模型的建立[J].人民黄河, 2006, 28(6):42-43.