基于地球物理方法下的深圳海水入侵研究

　　20 世纪 80 年代以来，我国沿海地区城市的海水入侵现状日趋严重，据国家海洋局监测结果显示，辽东湾北部及两侧的滨海地区海水入侵的面积已超过4 000 km2,莱州湾海水入侵面积已达2 500 km2[1].监测及研究结果显示在深圳地区也存在不同程度的局部海水入侵区[2,3],并对其经济、生活产生了危害影响。目前研究海水入侵现象，主要通过打设水文观测井来进行研究。随着海水入侵范围的不断扩大，监测范围也要随之扩大，而在深圳这样的城市密集区，打设水文观测井变得越来越困难，而且成本也比较高。同时，水文观测井是点状分布的，难以形成线状和面状的监测体系。通过研究海水入侵含水层的水文特征和地球物理特征，建立海水入侵含水层水文特征和地球物理特征的相关关系。利用该相关关系，可以通过开展地球物理勘测来进行海水入侵含水层的动态监测，形成线状、面状的监测网络，减少打设水文观测井的数量，达到既节约监测成本，又扩大监测范围的目的。

　　监测结果可以为政府决策提供依据，采取有效措施减缓和防治海水的进一步入侵，保护深圳地区有限的地下淡水资源，为深圳地区的可持续健康发展打下坚实的基础。

　　1 地球物理方法研究海水入侵概况
　　
　　1. 1 国内外研究现状
　　
　　国外很早就采用地球物理方法，尤其是电法来研究海水入侵问题。1967 年，Van Dam and Meulenkamp[4]在荷兰采用电阻率方法进行了地下水的研究； 1969 年，Zohdy[5]在美国德州 EI Paso 附近利用电测深的方法进行了地下水的调查； 2009 年以来，不断有学者采用电法来研究海水入侵，取得了不错的效果，比如，Adepe-lumi 等人[6]采用垂直电测深方法来划分海水入侵，Hodlur 等人[7]采用综合地球物理数据分析方法对海水和淡水进行了分层。

　　我国也较早采用了地球物理方法来研究海水入侵问题：

　　1989 年，中国科学院地理研究所在山东莱州市朱旺建立了海侵监测剖面，该剖面是为了研究海水入侵专设的固定剖面，在垂直海岸 2 000 多米的范围内打了 7 组观测井，每组分三个不同深度定期取样化验水质，1989 年4 月15 日和1990 年4 月16 日在两次取样化验水质的同时，对相应深度地层的电阻率值进行了测定，并绘制了电阻率与氯离子含量相关曲线； 刘竹梅等[8]进行了物探技术检测海水入侵研究； 刘青勇等[9]介绍了电阻率法在防治莱州湾地区海水入侵中的应用，对海、咸水入侵区地层电阻率的变化规律，咸、淡水界面的确定，圈定海水入侵通道及界面运移规律做了分析； 李福林等[10]介绍了水化学与电法在海水入侵监测中的应用，根据大量实测资料，获得海水入侵监测的 2 种指标，即由特征离子比值构成的水化学指标和由电阻率和充电率组成的电法指标，并推导了这 2 种指标的相互关系； 王凤和等[11]介绍了电导仪法在海水入侵监测分析中的应用，提出可用电导仪法代替滴定法对海水入侵监测点地下水氯化物、矿化度进行测定； 李福林等[12]介绍了 Gamma 测井系统在山东莱州海水入侵监测中的应用； 刘冀闽等[13]介绍了电导率法在海水入侵监测中的应用，证明电导率法在海水入侵的监测工作中是行之有效的。

　　1. 2 前期研究主要成果
　　
　　1） 电阻率与氯离子含量的关系。如图 1 所示是 1989 年中国科学院地理研究所在山东莱州市朱旺海侵监测剖面上获得的电阻率与氯离子含量关系曲线，从曲线看出，电阻率与氯离子含量存在负相关关系，氯离子含量越高，电阻率越小。经对曲线进行详细分析，氯离子含量对电阻率的影响可分三段： 当氯离子含量小于 250 mg/L 时，电阻率随氯离子含量的增加而减小的速度特别快； 当氯离子含量在 250 mg/L ~5 000 mg/L 时，电阻率随氯离子含量增加而减小的速度变缓； 当氯离子大于 5 000 mg/L 时，电阻率随氯离子增加而减小的速度非常缓慢。这说明氯离子的含量对电阻率的影响也是有一定的范围，超出这个范围就不明显了。

　　2） 地下水矿化度与电阻率的关系。如图 2 所示是前苏联某地区松散类地下水矿化度与电阻率的关系曲线，由图可以看出地下水矿化度与电阻率二者之间的关系具有以下特征： a. 咸水区，电阻率值较低，曲线呈直线形态，表明矿化度对地层电阻率的影响作用减弱，同时也表明咸水区电阻率值主要受矿化度的影响，且电阻率变化范围缩小； b. 淡水区，电阻率值较高，曲线亦呈直线形态，电阻率变化范围迅速增大，表明矿化度对地层电阻率的影响作用增强。同时也表明淡水区的电阻率主要受岩性控制； c. 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，该区间也是确定淡咸水分界线的关键区段。综上所观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。同时，曲线也显示咸、淡水区电阻率的较大差别，这也是划分孔隙类地下水淡咸水的重要理论依据，其对实际应用具有较强的指导意义。此外，不同的地区，电阻率值的大小受岩性成分、孔隙度大小的影响，电阻率背景值不同，粗颗粒的岩性其电阻率背景值较高，这就造成不同地区判别矿化度的电阻率值标准不同，但二者之间的关系形态不变，仅是整条曲线左右移动。

　　根据统计，地层水电阻率与地下水矿化度的函数关系为：

　　logρ水= a + b·logM （ 1）其中，ρ水为地层水的电阻率； M 为矿化度； b 为与矿化度有关的系数； a 为与温度有关的系数。【1】

　　
　　2 深圳海水入侵区划分标准
　　
　　2. 1 深圳划分海水入侵区的水文指标
　　
　　由于目前我国对海水入侵程度分级尚无统一划分标准，因此海水入侵（ 或海咸水） 地质灾害的分区，就带有一定的地区性，目前有关文献资料所采用的灾害分级标准也具有一定的地区性。

　　依据前期工作所取得的大量资料、经过综合分析、统计计算取得了深圳市海岸地带地下水的背景值（ 对照值） .根据该值结合深圳市的实际情况并参照其他地区对海水入侵区进行分区的标准，确定深圳地区海水入侵分区划分标准（ 见表 1） .【2】

　　
　　2. 2 深圳海水入侵区的地球物理特征
　　
　　在深圳西部选择了 18 个测区，进行了高密度电法或联合剖面法的测试，测线跨过已知的海水入侵分界线，获得了入侵区域与非入侵区域的电性特征差异，具体数值见表 2.

　　2. 3 深圳划分海水入侵区的电阻率指标
　　
　　表 2 是对前期现场实验数据及野外电法测量数据进行的统计结果，从表 2 中我们可以看出，海水入侵区域与非入侵区域存在着明显的电性差异，根据深圳地区电阻率与海水入侵指标氯离子浓度及矿化度的关系，我们可以将视电阻率值小于 30 Ω·m 的范围定性为海水严重入侵区域，将 30 Ω·m ~50 Ω·m 之间的范围定性为海水轻度入侵区域，将电阻率值大于 50 Ω·m 的范围定性为无入侵区域。【3】

　　
　　3 深圳西部地区海水入侵现状
　　
　　3. 1 物探成果
　　
　　为了采用地球物理方法研究深圳西部地区海水入侵现状，布置了大量的高密度电法剖面和联合剖面法测线，也收集了大量在深圳地铁 11 号线勘察过程中采集的高密度电法资料和电阻率测井资料。

　　如图 3 所示，是在深圳西部实测的高密度电法视电阻率剖面图，根据 30 Ω·m 和 50 Ω·m 的等值线分布，可以划分出严重入侵区、轻度入侵区和无入侵区。【4】

　　
　　3. 2 海水入侵划分结果
　　
　　根据布置的高密度电法和联合剖面法成果，结合收集到的地铁 11 号线勘察过程中的高密度电法资料以及电阻率测井资料，按上面确定的电阻率判别指标，对深圳西部地区的海水入侵区进行了划分，深圳西部地区可以划分为三块海水入侵区，第一块是宝安西海岸及南山西海岸，入侵面积约 109. 053 km2,第二块是南山东海岸，入侵面积约 69. 255 km2,第三块是福田罗湖的深圳河沿岸，入侵面积约 11. 421 km2.该划分结果与采用水文指标划分的结果基本一致。

　　4 结论与认识
　　
　　通过以上的研究，可以得出如下结论：

　　1） 采取地球物理方法，尤其是电法来研究海水入侵是可行的。2） 海水入侵区的电阻率值与判断海水入侵的主要指标氯离子浓度及矿化度之间存在一定的相关关系，在不同的地区有不同的对应关系。3） 以深圳地区为例，可以将视电阻率值小于30 Ω·m的范围定性为海水严重入侵区域，将 30 Ω·m ~50 Ω·m 之间的范围定性为海水轻度入侵区域，将电阻率值大于 50 Ω·m 的范围定性为无海水入侵区域。4） 不同地区电阻率值与海水入侵指标氯离子和矿化度指标的关系可能不尽相同，但基本规律是一致的，因此本文的研究结果对其他沿海地区采用物探方法研究海水入侵具有指导意义。

　　参考文献：

　　[1] 丁 玲，李碧英，张树深。 海岸带海水入侵的研究进展[J].海洋通报，2004,23（ 2） :82-87.
　　[2] 赵锐锐，成建梅，刘 军，等。 基于 GIS 的海水入侵危险性评价方法---以深圳市宝安区为例[J]. 地质科技情报，2009,28（ 5） : 96-100,108.
　　[3] 殷建平，谢 强，孙宗勋，等。 深圳沿岸海水入侵灾害现状研究[J]. 海洋环境科学，2011,30（ 40） :541-545.