高密度电阻率法在闽南滨海平原区探测降落漏斗中的应用

伍成成 林加明

(福建省厦门地质工程勘察院，厦门，361008)

随着城市化的发展和经济快速发展，人们对地下水的开采量越来越大，尤其是对于缺水地区，超采地下水导致水位下降，降落漏斗迅速扩大，如不重视，会引起地面沉降、水质恶化、海水入侵等一系列环境地质问题。因此，及时监测漏斗范围，分析其发展趋势，对于城市建设、社会发展和环境保护具有重要的意义。

前人对缺水地区的水源地和城市开采地下水形成的降落漏斗研究较多，分析了其形成原因、造成影响和应对措施，但是对于滨海平原开采地下水的降落漏斗研究较少[1-4]。高密度电阻率法是在传统的直流电阻率法的基础上发展起来的二维探测技术，在以往的研究中，多用于探测隐伏断裂、溶洞探测、地质灾害勘察等领域[5-9]，直接利用此法圈定降落漏斗的案例较少。此次研究以福建漳州诏安宫口半岛为例，在利用高密度电阻率法勘查隐伏构造和沉积层厚度的基础上，尝试结合群孔抽水开采试验，探测降落漏斗的范围及其发展趋势，为当地科学合理开采地下水、保护生态环境提供参考依据。

1 研究区水文地质条件

研究区位于诏安宫口半岛闽粤交界处(图1)，三面环海，面积约30 km2。南北为基岩区，中间为狭长平原，没有河流和淡水湖泊，水资源较匮乏，地下水以降雨补给为主。地下水分布受地貌、岩性等因素控制，中部平原区坡度为1°～5°，平均海拔为7.7 m，发育第四系冲洪积层、海积层和风积层，主要含水层由细砂、中粗砂、卵砾石组成，渗透性较好。

图1 宫口半岛研究试验区位置Fig.1 Location of the experimental area in Gongkou Peninsula

根据调查,居民区、水产公司和农业种植区主要集中分布于半岛的中部平原区,尤其是半岛南部风-海积平原区地势平坦，又是连片种植区，地下水开采量大，容易超采。若开采量超过补给量，易形成降落漏斗，引起附近的咸水入侵。为了解抽水形成的降落漏斗的扩散规律和变化趋势，高密度电法试验区选择在南部的风-海积平原区开展群孔抽水试验。

以探测区典型L5K2孔为例，自地面起算，0～7.5 m为第四系全新统风海积细砂层，含泥量5%～10%，地下水为潜水；7.5～10.0 m为海积淤泥质土，为隔水层；10～41.7 m为第四系上更新统冲洪积中砂、砾砂、砾砂沉积层，地下水为承压水；41.7 m以下为风化层基岩裂隙水。因对上层风海积细砂潜水层开采量较大，因此以该层为试验目标，探测开采状态下降落漏斗变化情况。

根据勘探资料，风海积细砂层为潜水，探测区地面标高3.64～4.28 m，水位标高3.34～3.68 m，地下水流向自西北往东南流，试验含水层最大厚度9.64 m，最小厚度6.44 m，平均厚度7.97 m，整体上西北侧较东南厚。该层直接接受降雨补给，富水性贫乏-中等，水质受地表海水影响较大，位于岸线附近多为咸水，矿化度大于1 g/L，距离岸线较远为淡水，水化学类型HCO3·Cl-Ca·Na或Cl-Na型。

2 高密度电阻率法工作原理

高密度电阻率法是在传统的直流电阻率法的基础上发展起来的二维探测技术，通过一次性将所有电极位上的电极布置好，利用仪器自动采集数据。具有数据采集效率高，数据密度高，电阻率剖面二维化，成果直观等优点。高密度电法的测试成果的解释是以对迭代后所输出的拟电阻率断面图的对比为基础，通过对同一点位不同时间段测量得到的拟电阻率断面进行对比，结合抽水的情况分析，以确定在试验中高密度电法是否能有效对降落漏斗的形态进行探测。

该研究仪器使用重庆奔腾数控仪器厂生产的WDJD-3型多功能数字直流电法仪，采用α排列。使用前，对仪器进行校正，通过试验获取场地的物理参数。

3 野外实施

3.1 孔位布置和群孔抽水实施

图2 群孔抽水试验钻孔分布及高密度电法测线布置图Fig.2 Layout drawing of group drilling pumping test drillings and survey lines of high density resistivity method

此次研究在半岛南部风-海积平原区选择15口钻孔进行井群干扰抽水试验(图2)，其中4个抽水孔(编号L5K2-W、L5K2-S、L5K2-E、L5K2-N)以L5K2孔为中心呈近四边形布置，南北抽水孔间距55 m，东西向抽水孔间距40 m。观测孔布置11个(编号依次为L5K2-N-GC1、L5K2-N-GC2、QK1、QK2、L5K2-E-M、L5K2-E-GC1、L5K2-E-GC2、L5K2-W-GC1、L5K2-W-GC2、L5K2-S-GC1、L5K2B)，分布于4个抽水孔附近，间距5～10 m。同时为了探测漏斗的影响范围，在高速公路另一侧设置2个观测孔。

此次研究主要开采第四系上部的风-海积成因的细-中砂层潜水，因此试验钻孔深度平均为10 m，以不揭穿下部承压含水层为原则。根据钻孔设计，抽水井和观测井采用PVC-U水文地质成井专用管，管径DN 160 mm，成井类型为完整井，采用包网过滤器，填砾厚度为100 mm。根据单孔抽水的结果，群孔抽水采用4台0.75 kW水泵，设置于抽水井深度8 m。为防止抽出的水下渗，地表排水管排向南侧高速公路的排水沟流走。流量采用三角堰观测、水位采用万用表检测，操作严格按照有关规范[10]执行。

次群孔干扰抽水采用定流量抽水试验，4个抽水孔同时抽水，同步观测水位和流量。试验自2017-07-09T10：34开始，至2017-07-15T09：00结束，历时142.5 h，控制水位降深不超过含水层厚度的1/2。抽水期间无降雨，且周边无开采取水。因此，此次群孔抽水试验可以反映自然状态下风-海积浅层地下水相互干扰时对水位降深和单井出水量的影响。群孔抽水之前先进行单孔抽水，单孔抽水时钻孔抽水量(Q)为98.7～107.43 m3/d，降深(S)为3.291～3.813 m，单孔影响半径(R)平均为47.45 m，单位降深涌水量(q)为0.30～0.378 L/s·m。群孔抽水时，抽水量控制在90.41～103.01 m3/d，控制水位降深3.896～4.587 m，单位降深涌水量(q)为0.26～0.275 L/s·m。在抽水量和降深与单孔抽水基本一致的情况下，单位降深涌水量有所降低，表明了在群孔之间相互干扰，群孔孔位布置是合理的。

3.2 物探测线布置

物探测线布置以L5K2孔为中心，共布置2条测线，其中GM1测线近东西走向(NE74°)，测线GM2近南北走向(SE152°)，测线均长88.5 m。其中，2条测线均布置60根电极，一次性布设，电极间距1.5 m，采用温纳装置采集，采集层数19层，野外勘探严格按照有关技术规程[11]进行工作。场地地下水总体自西北往东南流，考虑现场实际水文地质条件，为提高操作效率，GM1测线只在抽水前0 h、抽水后1 h、7 h、142.5 h进行数据采集；GM2测线分别在抽水前20 h、0 h，抽水后8 h、22 h、32 h、46 h、56 h、70 h、80 h、94 h、104 h、118 h、128 h、142.5 h分别进行数据采集。

4 结果分析

4.1 高密度电阻率法探测结果

研究区群孔干扰抽水试验抽取的是上层风-海积砂层的潜水，根据电阻率变化梯度来判别高阻区界线。从实测的拟电阻率剖面图显示出浅部由于抽水疏干形成的高阻区(图3、图4)，而且随着抽水持续进行，地下水位下降，含水层被不断疏干，高阻区也随之扩大，增加厚度2～2.5 m。与单孔抽水不一样的是，群孔干扰抽水试验的高阻区不局限于抽水孔附近，而是分别以抽水孔为中心向两侧发展合并为一个高电阻率层，反映了各抽水孔之间良好的水力联系。

图3 GM1东西向剖面拟电阻率剖面Fig.3 GM1 survey line of high density resistivity profile

图4 GM2南北向剖面拟电阻率剖面Fig.4 GM2 survey line of high density resistivity profile

4.2 实测降落漏斗平面形态

抽水过程中，连续观测水位，确定其变化规律。群孔抽水结束时降落漏斗形态，其值表示水位标高(图5)。可以很明显的看到在抽水孔附近形成降落漏斗，其直径14～20 m，漏斗中心水位埋深4.061～5.124 m。漏斗的宽度大小受抽水量、水位降深、径流补给等因素的影响，随着抽水时间的延续，水位不断下降形成负值区，抽水孔得到周边水源补给，地下水流入抽水井中。

图5 群孔抽水降落漏斗平面形态Fig.5 Plane configuration of groundwater depression induced by group drilling pumping

4.3 高密度电阻率法探测降落漏斗与实测水位线对比

通过高密度电阻率法探测降落漏斗与实测水位埋深线对比(图6)，可以看到，除抽水井位附近外，高阻区界线与停止抽水时地下水水位线基本是吻合的，说明了高阻区与疏干区的一致性。受制于场地地层岩性、抽水时形成的地下水三维流场以及水跃现象，采用物探方法探测的二维电阻率剖面与实测的水位线存在一定的差距，特别是在抽水井附近二者差异较大，吻合度较差。但总体上看，探测剖面高低阻界线与实测水位线整体趋势上吻合，采用高密度电法可以探测抽水形成的疏干区的二维形态(深度、宽度)，根据高阻区的形态可以初步判断水位总体上是北高南低、西高东低。

图6 高密度电阻率法探测降落漏斗与实测水位线实测水位线对比Fig.6 Comparison of groundwater depression and measured water level through the high density resistivity method1—风海积细砂层；2—淤泥质土；3—高阻区界线；4—初始水位；5—停抽前观测水位

5 结语

(1)地下水作为部分企业和居民生活用水来源，特别是对于以地下水为主要供水来源的沿海地区来说，若持续开采量大而补给不足，不断扩大的降落漏斗易和咸水沟通导致海水入侵，使得脆弱的滨海生态环境更为严峻。因此，及时圈定漏斗范围，分析其发展趋势，具有重要的现实意义。

(2)在滨海平原区使用高密度电阻率法探测降落漏斗，探测其范围和变化趋势。通过和实测的水位线进行比对，结果表明二者具有较好的符合性。利用此法可以快速探测一些特殊地区的漏斗范围，具有一定的适应性。

(3)该次研究区试验仅针对单一均质的含水层，地质条件较为简单，周围干扰较小，采用此法在多含水层全孔抽水等复杂条件下方法的适用性还有待进一步的验证。