伍成成 林加明

(福建省廈門地質(zhì)工程勘察院，廈門，361008)

隨著城市化的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對(duì)地下水的開采量越來越大，尤其是對(duì)于缺水地區(qū)，超采地下水導(dǎo)致水位下降，降落漏斗迅速擴(kuò)大，如不重視，會(huì)引起地面沉降、水質(zhì)惡化、海水入侵等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。因此，及時(shí)監(jiān)測漏斗范圍，分析其發(fā)展趨勢，對(duì)于城市建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。

前人對(duì)缺水地區(qū)的水源地和城市開采地下水形成的降落漏斗研究較多，分析了其形成原因、造成影響和應(yīng)對(duì)措施，但是對(duì)于濱海平原開采地下水的降落漏斗研究較少[1-4]。高密度電阻率法是在傳統(tǒng)的直流電阻率法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的二維探測技術(shù)，在以往的研究中，多用于探測隱伏斷裂、溶洞探測、地質(zhì)災(zāi)害勘察等領(lǐng)域[5-9]，直接利用此法圈定降落漏斗的案例較少。此次研究以福建漳州詔安宮口半島為例，在利用高密度電阻率法勘查隱伏構(gòu)造和沉積層厚度的基礎(chǔ)上，嘗試結(jié)合群孔抽水開采試驗(yàn)，探測降落漏斗的范圍及其發(fā)展趨勢，為當(dāng)?shù)乜茖W(xué)合理開采地下水、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于詔安宮口半島閩粵交界處(圖1)，三面環(huán)海，面積約30 km2。南北為基巖區(qū)，中間為狹長平原，沒有河流和淡水湖泊，水資源較匱乏，地下水以降雨補(bǔ)給為主。地下水分布受地貌、巖性等因素控制，中部平原區(qū)坡度為1°～5°，平均海拔為7.7 m，發(fā)育第四系沖洪積層、海積層和風(fēng)積層，主要含水層由細(xì)砂、中粗砂、卵礫石組成，滲透性較好。

圖1 宮口半島研究試驗(yàn)區(qū)位置Fig.1 Location of the experimental area in Gongkou Peninsula

根據(jù)調(diào)查,居民區(qū)、水產(chǎn)公司和農(nóng)業(yè)種植區(qū)主要集中分布于半島的中部平原區(qū),尤其是半島南部風(fēng)-海積平原區(qū)地勢平坦，又是連片種植區(qū)，地下水開采量大，容易超采。若開采量超過補(bǔ)給量，易形成降落漏斗，引起附近的咸水入侵。為了解抽水形成的降落漏斗的擴(kuò)散規(guī)律和變化趨勢，高密度電法試驗(yàn)區(qū)選擇在南部的風(fēng)-海積平原區(qū)開展群孔抽水試驗(yàn)。

以探測區(qū)典型L5K2孔為例，自地面起算，0～7.5 m為第四系全新統(tǒng)風(fēng)海積細(xì)砂層，含泥量5%～10%，地下水為潛水；7.5～10.0 m為海積淤泥質(zhì)土，為隔水層；10～41.7 m為第四系上更新統(tǒng)沖洪積中砂、礫砂、礫砂沉積層，地下水為承壓水；41.7 m以下為風(fēng)化層基巖裂隙水。因?qū)ι蠈语L(fēng)海積細(xì)砂潛水層開采量較大，因此以該層為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，探測開采狀態(tài)下降落漏斗變化情況。

根據(jù)勘探資料，風(fēng)海積細(xì)砂層為潛水，探測區(qū)地面標(biāo)高3.64～4.28 m，水位標(biāo)高3.34～3.68 m，地下水流向自西北往東南流，試驗(yàn)含水層最大厚度9.64 m，最小厚度6.44 m，平均厚度7.97 m，整體上西北側(cè)較東南厚。該層直接接受降雨補(bǔ)給，富水性貧乏-中等，水質(zhì)受地表海水影響較大，位于岸線附近多為咸水，礦化度大于1 g/L，距離岸線較遠(yuǎn)為淡水，水化學(xué)類型HCO3·Cl-Ca·Na或Cl-Na型。

2 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是在傳統(tǒng)的直流電阻率法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的二維探測技術(shù)，通過一次性將所有電極位上的電極布置好，利用儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。具有數(shù)據(jù)采集效率高，數(shù)據(jù)密度高，電阻率剖面二維化，成果直觀等優(yōu)點(diǎn)。高密度電法的測試成果的解釋是以對(duì)迭代后所輸出的擬電阻率斷面圖的對(duì)比為基礎(chǔ)，通過對(duì)同一點(diǎn)位不同時(shí)間段測量得到的擬電阻率斷面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合抽水的情況分析，以確定在試驗(yàn)中高密度電法是否能有效對(duì)降落漏斗的形態(tài)進(jìn)行探測。

該研究儀器使用重慶奔騰數(shù)控儀器廠生產(chǎn)的WDJD-3型多功能數(shù)字直流電法儀，采用α排列。使用前，對(duì)儀器進(jìn)行校正，通過試驗(yàn)獲取場地的物理參數(shù)。

3 野外實(shí)施

3.1 孔位布置和群孔抽水實(shí)施

圖2 群孔抽水試驗(yàn)鉆孔分布及高密度電法測線布置圖Fig.2 Layout drawing of group drilling pumping test drillings and survey lines of high density resistivity method

此次研究在半島南部風(fēng)-海積平原區(qū)選擇15口鉆孔進(jìn)行井群干擾抽水試驗(yàn)(圖2)，其中4個(gè)抽水孔(編號(hào)L5K2-W、L5K2-S、L5K2-E、L5K2-N)以L5K2孔為中心呈近四邊形布置，南北抽水孔間距55 m，東西向抽水孔間距40 m。觀測孔布置11個(gè)(編號(hào)依次為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個(gè)抽水孔附近，間距5～10 m。同時(shí)為了探測漏斗的影響范圍，在高速公路另一側(cè)設(shè)置2個(gè)觀測孔。

此次研究主要開采第四系上部的風(fēng)-海積成因的細(xì)-中砂層潛水，因此試驗(yàn)鉆孔深度平均為10 m，以不揭穿下部承壓含水層為原則。根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)，抽水井和觀測井采用PVC-U水文地質(zhì)成井專用管，管徑DN 160 mm，成井類型為完整井，采用包網(wǎng)過濾器，填礫厚度為100 mm。根據(jù)單孔抽水的結(jié)果，群孔抽水采用4臺(tái)0.75 kW水泵，設(shè)置于抽水井深度8 m。為防止抽出的水下滲，地表排水管排向南側(cè)高速公路的排水溝流走。流量采用三角堰觀測、水位采用萬用表檢測，操作嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范[10]執(zhí)行。

次群孔干擾抽水采用定流量抽水試驗(yàn)，4個(gè)抽水孔同時(shí)抽水，同步觀測水位和流量。試驗(yàn)自2017-07-09T10：34開始，至2017-07-15T09：00結(jié)束，歷時(shí)142.5 h，控制水位降深不超過含水層厚度的1/2。抽水期間無降雨，且周邊無開采取水。因此，此次群孔抽水試驗(yàn)可以反映自然狀態(tài)下風(fēng)-海積淺層地下水相互干擾時(shí)對(duì)水位降深和單井出水量的影響。群孔抽水之前先進(jìn)行單孔抽水，單孔抽水時(shí)鉆孔抽水量(Q)為98.7～107.43 m3/d，降深(S)為3.291～3.813 m，單孔影響半徑(R)平均為47.45 m，單位降深涌水量(q)為0.30～0.378 L/s·m。群孔抽水時(shí)，抽水量控制在90.41～103.01 m3/d，控制水位降深3.896～4.587 m，單位降深涌水量(q)為0.26～0.275 L/s·m。在抽水量和降深與單孔抽水基本一致的情況下，單位降深涌水量有所降低，表明了在群孔之間相互干擾，群孔孔位布置是合理的。

3.2 物探測線布置

物探測線布置以L5K2孔為中心，共布置2條測線，其中GM1測線近東西走向(NE74°)，測線GM2近南北走向(SE152°)，測線均長88.5 m。其中，2條測線均布置60根電極，一次性布設(shè)，電極間距1.5 m，采用溫納裝置采集，采集層數(shù)19層，野外勘探嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)規(guī)程[11]進(jìn)行工作。場地地下水總體自西北往東南流，考慮現(xiàn)場實(shí)際水文地質(zhì)條件，為提高操作效率，GM1測線只在抽水前0 h、抽水后1 h、7 h、142.5 h進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；GM2測線分別在抽水前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分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié)果分析

4.1 高密度電阻率法探測結(jié)果

研究區(qū)群孔干擾抽水試驗(yàn)抽取的是上層風(fēng)-海積砂層的潛水，根據(jù)電阻率變化梯度來判別高阻區(qū)界線。從實(shí)測的擬電阻率剖面圖顯示出淺部由于抽水疏干形成的高阻區(qū)(圖3、圖4)，而且隨著抽水持續(xù)進(jìn)行，地下水位下降，含水層被不斷疏干，高阻區(qū)也隨之?dāng)U大，增加厚度2～2.5 m。與單孔抽水不一樣的是，群孔干擾抽水試驗(yàn)的高阻區(qū)不局限于抽水孔附近，而是分別以抽水孔為中心向兩側(cè)發(fā)展合并為一個(gè)高電阻率層，反映了各抽水孔之間良好的水力聯(lián)系。

圖3 GM1東西向剖面擬電阻率剖面Fig.3 GM1 survey line of high density resistivity profile

圖4 GM2南北向剖面擬電阻率剖面Fig.4 GM2 survey line of high density resistivity profile

4.2 實(shí)測降落漏斗平面形態(tài)

抽水過程中，連續(xù)觀測水位，確定其變化規(guī)律。群孔抽水結(jié)束時(shí)降落漏斗形態(tài)，其值表示水位標(biāo)高(圖5)。可以很明顯的看到在抽水孔附近形成降落漏斗，其直徑14～20 m，漏斗中心水位埋深4.061～5.124 m。漏斗的寬度大小受抽水量、水位降深、徑流補(bǔ)給等因素的影響，隨著抽水時(shí)間的延續(xù)，水位不斷下降形成負(fù)值區(qū)，抽水孔得到周邊水源補(bǔ)給，地下水流入抽水井中。

圖5 群孔抽水降落漏斗平面形態(tài)Fig.5 Plane configuration of groundwater depression induced by group drilling pumping

4.3 高密度電阻率法探測降落漏斗與實(shí)測水位線對(duì)比

通過高密度電阻率法探測降落漏斗與實(shí)測水位埋深線對(duì)比(圖6)，可以看到，除抽水井位附近外，高阻區(qū)界線與停止抽水時(shí)地下水水位線基本是吻合的，說明了高阻區(qū)與疏干區(qū)的一致性。受制于場地地層巖性、抽水時(shí)形成的地下水三維流場以及水躍現(xiàn)象，采用物探方法探測的二維電阻率剖面與實(shí)測的水位線存在一定的差距，特別是在抽水井附近二者差異較大，吻合度較差。但總體上看，探測剖面高低阻界線與實(shí)測水位線整體趨勢上吻合，采用高密度電法可以探測抽水形成的疏干區(qū)的二維形態(tài)(深度、寬度)，根據(jù)高阻區(qū)的形態(tài)可以初步判斷水位總體上是北高南低、西高東低。

圖6 高密度電阻率法探測降落漏斗與實(shí)測水位線實(shí)測水位線對(duì)比Fig.6 Comparison of groundwater depression and measured water level through the high density resistivity method1—風(fēng)海積細(xì)砂層；2—淤泥質(zhì)土；3—高阻區(qū)界線；4—初始水位；5—停抽前觀測水位

5 結(jié)語

(1)地下水作為部分企業(yè)和居民生活用水來源，特別是對(duì)于以地下水為主要供水來源的沿海地區(qū)來說，若持續(xù)開采量大而補(bǔ)給不足，不斷擴(kuò)大的降落漏斗易和咸水溝通導(dǎo)致海水入侵，使得脆弱的濱海生態(tài)環(huán)境更為嚴(yán)峻。因此，及時(shí)圈定漏斗范圍，分析其發(fā)展趨勢，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)在濱海平原區(qū)使用高密度電阻率法探測降落漏斗，探測其范圍和變化趨勢。通過和實(shí)測的水位線進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明二者具有較好的符合性。利用此法可以快速探測一些特殊地區(qū)的漏斗范圍，具有一定的適應(yīng)性。

(3)該次研究區(qū)試驗(yàn)僅針對(duì)單一均質(zhì)的含水層，地質(zhì)條件較為簡單，周圍干擾較小，采用此法在多含水層全孔抽水等復(fù)雜條件下方法的適用性還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。