变质岩山丘区裂隙水海水入侵监测技术研究——以荣成市俚岛镇为例

王尚玉，庄会波，刘 丹，孙乃波，宋明政，刘 江

(1.山东省威海市水文局，山东 威海 264200；2.山东省水文局，山东 济南 250002；3.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014)

海水入侵是指由于地下水的过度开采导致地下水水位下降，海水与淡水资源之间的水动力平衡遭到破坏，导致咸淡水界面像陆地方向移动[1-2]。自20世纪80年代以来，沿海地区长期过度开采浅层和深层地下水，导致现有的地下水供应和需求之间的差距日益扩大[3]。变质岩山丘区也存在着地下水过度开采现象，造成海水入侵裂隙水含水层，引起土地盐渍化、水质恶化等一系列环境地质问题[4-6]。科学可行的地下水监测技术建立海水入侵动态监测系统是有效防治海水入侵、更好地管理沿海含水层的基本途径[7]。

由于地质和水文地质环境不同，入侵物源、入侵方式、入侵机制不同，形成不同类型的海水入侵[8]。第四系松散岩层主要发生均匀入侵，我国莱州湾、沧州市等地以该种入侵方式为主[9-10]；而在我国沿海地带的裸露裂隙岩溶地区主要发生非均匀入侵，水平方向和垂直方向上均存在差异。近年来，研究发现威海市、大连市等地海水入侵现象不仅发生于海口地表水及滨海第四系覆盖区，在基岩地区裂隙含水层同样存在[11-13]。通过已有调查研究发现，在荣成市俚岛镇滨海基岩出露区，部分生活饮用水深井已经遭受海水侵入，但目前海水入侵研究主要集中在沿海口地表水及滨海第四系覆盖区，裂隙岩溶介质的海水入侵研究程度较低。

本文以荣成市俚岛镇裂隙水海水入侵区为研究区，通过对研究区域进行地下水富水性调查、海水入侵现状调查，初步确定海水入侵咸淡水界面，在对原有的海水入侵现状分析的基础上，提出“点-面结合”、“直接-间接结合”海水入侵动态监测系统布局方案，为查明俚岛镇基岩地区裂隙水含水层海水入侵现状、海水入侵与基岩裂隙的关系，以及了解入侵形式、类型及入侵机理提供数据基础，为下一步的基岩地区裂隙水海水入侵的监测、研究与防治提供参考依据。

1 研究区概况

山东省威海市俚岛镇位于胶东半岛最东端，三面环海，西邻寻山街道办事处，镇域面积108 km2。俚岛镇属暖温带大陆性季风型湿润气候，海岸线长达30 km，海洋性气候特点突出，年平均气温为11.8℃左右，平均日照2 600 h左右。

俚岛镇地区岩浆岩广泛出露，主要为新元古代荣成序列的片麻岩类及中生代燕山晚期伟德山序列的花岗岩类，中元古代四堡期海阳所序列的中细粒变辉长岩零星出露；此外，区内脉岩尚发育，主要为东西向分布的花岗斑岩脉(图1)。区内断裂构造发育，主要为区内北西向的俚岛断裂，断裂构造不仅形成俚岛断陷盆地，控制了区内侵入岩的侵位，对中深部基岩中地下水的赋存、运移也有明显的影响(图2)。

图1 俚岛镇区域地质图 图2 俚岛地区地质构造图

2 地下水海水入侵现状

海水入侵现状特征分析是海水入侵监测技术研究的基础。根据2018年地下水位监测数据，分别绘制2018年9月和2018年12月地下水位等值线图(图3)，12月份地下水位明显低于9月份地下水位，表明地下水位年内变化受降水影响明显。

图3 俚岛镇2018年基岩裂隙地下水位等值线图

根据水质调查结果，俚岛镇浅层地下水的Cl-浓度大多未达到250 mg/L的界限值，未遭受海水入侵危害。但俚岛镇后疃村与颜家村一带部分基岩井存在Cl-浓度异常现象(图4)。后疃村和颜家村存在多个水井中Cl-浓度超标的现象，其中颜家村的深水井中地下水Cl-浓度甚至高达3067 mg/L。后疃地段海水入侵距离约为1 059.63 m，入侵面积约为0.213 3 km2；颜家地段Cl-浓度异常区宽度450～730 m，入侵面积约为0.262 2 km2。后疃地段海水入侵范围明显受到断裂带控制，其入侵的形态在平面上呈现指状；从颜家地段基岩区海水入侵的现状图(图4(b))中可以看出，该地段海水入侵也较明显地受到断裂带控制，依据其入侵形态，推测在该地段或有一组近东西向的断裂带存在。部分基岩裂隙水含水层氯化物含量超过标准限值，海水入侵是造成这种不利局面的主要原因。

图4 现状海水入侵分布图((a)后疃，(b)颜家)

3 裂隙水海水入侵动态监测系统的设计

为了掌握研究区基岩裂隙水海水入侵咸淡水界面的位置及其变化规律，本次研究按照“点面结合”的监测原则，根据上述研究区内水文地质条件及海水入侵现状，依据海水入侵防治的要求构建符合当地实际情况的监测系统。

3.1 电法物探监测

电法物探技术作为主要的地球物理方法成为地下水环境监测的重要手段。海水入侵区地层中盐分的积累使得电阻率降低，非海水入侵区地层呈高电阻率值，在电阻率剖面曲线上普遍呈台阶状的变化特点[14]，因此可通过物探测得的地层电阻率值差异确定海水入侵过渡带的时空变化特征。本次监测系统沿垂直于海岸带方向布设3条剖面，每个剖面布设8～12个测深点，测深点的选取原则为在界面附近密，远离界面处稀疏，布极方向平行于咸淡水界面。实际工作采用对称四级电测深法，供电电极根据研究区的基岩埋深情况，AO=120 m。

3.2 地下水水位、水质动态监测

3.2.1 监测井的布设

本次地下水位、水质动态监测在大范围水位、水质调查基础上建立定点水位、水质监测网，即根据俚岛镇海水入侵现状及区内地下水动态变化分析，在鸡冠嘴-东庄村布设1个监测剖面，4个监测站，监测站位置的选择应保证监测到的水质类型包括咸水、微咸水和淡水，因此，俚岛镇基岩裂隙海水入侵监测剖面的4个监测站分别有1处位于咸水区，2处位于咸淡水过渡区，1处位于淡水区，自南向北分别位于东庄村东侧301省道旁—杨家山村南厂房门口—后疃村西北侧(图5)。监测剖面设计监测一层含水层(0～120 m)，每个监测站位设计监测井1眼，共计监测井4眼。此外，除监测剖面上的监测井外，充分利用咸淡水过渡带附近的民用井进行监测。

图5 俚岛镇监测方案设计剖面位置图

3.2.2 监测井成井结构设计

本次研究地下水监测井结构按照《地下水监测站建设技术规范》(SL360-2006)及《国家级地下水监测井建设规范》有关要求，结合地下水监测目标含水层的厚度、岩性特征、埋藏条件、多年地下水动态变化特征以及地下水水质条件等方面情况及海水入侵监测的具体特点进行设计[15-16]。

(1)井深设计

俚岛镇基岩裂隙海水入侵监测区为基岩构造裂隙水，监测层位为0～120 m含水层，对应的监测井类型为承压水监测井，设计井深为120 m。

(2)井孔结构设计

根据岩层性质及已有钻孔资料，上部17 m为第四系及风化带地层，岩性较为破碎，本监测系统的水位、水质监测井设计为三级变径，开孔直径为426 mm，选择325*6 mm的PVC-U管进行地层护壁，井壁管高于监测井口地面0.3 m；20～60 m处变径为273 mm，60～120 mm处变径为219 mm，20～120 m为基岩地层不设井管。此外，设井口保护装置，井口基座高度50 cm，入地部分深度30 cm。孔口帽设计钢管直径45 cm，壁厚10 mm，并配有锁固装置及监测房保障监测井安全。俚岛镇基岩裂隙海水入侵监测区井结构设计情况详见表1所示，监测井结构设计图见图6所示。

图6 俚岛镇基岩裂隙海水入侵监测区监测井结构设计图

表1 基岩裂隙海水入侵监测区井结构设计信息表

3.3 Gamma测井监测

利用Gamma测井系统，可对海水入侵的层位进行有效监测，可以有效反映不同层位的水质特征，提高海水入侵动态监测效果，李福林等人(2007)已将该技术成功应用于山东莱州海水入侵监测中[17]。本次研究利用Auslog测井系统对Gamma值、电导率及温度随深度变化特征进行监测，该方法获得地下条件的连续横断面图像，有助于完善控制海水入侵运移和再分布的水文地质参数数据库。

3.4 监测频次

3.4.1 物探监测频次

每年进行两次直流电法物探测量，时间选择在每年的1月和7月。

3.4.2 水位监测频次

根据《地下水动态监测规程》(DZ/T 0133-1994)，本监测方案监测井属于省级监测点的基本监测站，遥测水位应按照每日监测1次的频次。

3.4.3 水质监测频次

以海水入侵或咸水界面下移的专门监测孔的水质测定项目，以水质简分析为主，每年监测四次，高监测频率对地下水水质变化的不良发展更加敏感。有条件时，可安装电动含盐量记录仪进行监测，有效防治因混合等作用对水质的扰动，并严格按其要求制作标定曲线等，配合物探监测网，全面控制海水入侵的动态变化。

3.4.4 测井

实现数据采集和处理的自动化，快速分辨井孔中含水层特性和水质状况，实现海水入侵的动态监测，将Gamma测井结果与电法物探结果结合，有效反映复杂水文地质条件下的海水入侵状况，大大提高海水入侵的动态监测和解译功能。

4 结语

(1)初步查明研究区基岩裂隙，尤其是基岩构造裂隙发育区海水入侵的范围、途径及程度；本次研究以荣成市俚岛镇的基岩裂隙入侵为典型区域，利用反映海水入侵的可监测因素及其变化规律，为海水入侵监测奠定了理论基础，确立了监测的技术途径。

(2)所构建的监测系统主要涉及3个层次的动态监测：一是电法物探技术通过电阻率变化与海水入侵界面运移规律的分析和监测；二是地下水位、水质动态变化与海水入侵规律分析河监测；三是Gamma测井。通过海水入侵监测系统的建设对水位、水质及海水入侵界面运移规律进行实时监测，准确掌握海水入侵的动态变化特征，对海水入侵的综合防治提供重要的数据支撑，为当地的地下水资源开发与管理及可持续发展具有重要意义，为制定水资源管理及综合防治海水入侵的优化方案提供科学依据。