卢德宝，黄冬菁，李东风，史正涛

(1.浙江水利水电学院水利与环境工程学院，杭州 310018; 2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098; 3.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

地下水资源是人类生存与社会发展的重要资源，尤其是对于地表水资源相对缺乏的北方干旱、半干旱地区，地下水具有不可替代的作用[1]。然而，由于人类活动的影响，地下水环境问题正面临着前所未有的挑战。地下水一旦被污染，治理成本高昂，效果欠佳，且无法达到彻底根治[2]。因此，地下水环境治理应坚持“以防为主，防治结合、防重于治”的方针。目前，地下水脆弱性评价仍是保护含水层的主要防治手段，其对维护自然资源与生态环境的和谐，实现地下水资源可持续开发利用具有重要意义[3-5]。

“地下水脆弱性”于1968年被Marget第一次提出，直至1993年美国国家科学研究委员会才确立了学术界普遍认可的定义：地下水脆弱性是污染物达到最上层含水层之上的某特定位置的倾向性和可能性[6]。基于此，国内外学者提出了众多地下水脆弱性评价模型来评估水层易受污染程度，常用的方法包括迭置指数法如DRASTIC模型、RISKE模型、COP模型等、过程模拟法、统计分析法等[7-13]。此类方法充分考虑了地下水脆弱性、人体健康风险、生态环境等多方面因素，但在评价的准确度与精度上还存在一定限制。近来，一种基于含水层脆弱指数(AVI)的评价方法[14]，在国外取得广泛应用[15-17]。此种方法用垂直方向上地下水水面到地表的厚度和渗透系数来估算水力阻力，根据每一含水层水力阻力沿水流方向和垂直水流方向的变化来反映地下水脆弱性。

基于此，本文拟建立一种基于电阻率(ERT)勘探技术的地下水脆弱性评价方法，该方法是在含水层脆弱等级法(AVI)基础上建立起的一种低成本、非侵入、高精度的地下水脆弱评价方法，其通过待评价区的水文地质条件的电学特征来圈划出污染敏感带，从而完成待评价区域的地下水脆弱等级分区，为管理人员提供决策依据。通过该方法进行地下水脆弱性评价和水源保护区划分，采取工程、非工程及管理措施，防止地下水污染，保护生态环境，促进水资源可持续利用，保障社会、经济和环境的可持续发展具有重大的现实意义。

1 方法构建

地下水脆弱性用于衡量地表污染物进入含水层的难易程度，脆弱性评价是根据某一地区的地下水比其他地区更易受污染而进行的，因此，地下水脆弱性评价一般包含了对污染物从地表通过包气带向含水层迁移的判断，包气带是决定含水层系统脆弱程度的关键因素[18,19]，也是第一道防污染防线，其在保护地下地下水方面非常重要，特别是对于在土壤薄或发育不良的区域。因此，根据包气带的综合特性来评价地下水脆弱性，具有较强的理论及现实意义。目前，在众多的地下水脆弱性评价方法中，含水层脆弱性指数(AVI)法是评估含水层是否易受地表损害的一种广泛使用的方法。该方法一般使用水力阻力值来定量描述污染水体的垂向流动难易程度，从而确定研究区地下水脆弱等级。目前，计算该评价方法中的水力阻力C主要有两种方案[10]，一种使用以下公式获得水力阻力C:

(1)

式中：ki和hi分别为含水层以上的水层的水力传导系数和厚度。

另一个是美国国家地质调查(SGD)提出的基于保护层阳离子交换能力(CE)的脆弱性量化系统，其脆弱性的量化可由以下公式计算：

(2)

式中：di和GLi分别为每个覆盖层的厚度和阳离子交换容量。

由于电导率与阳离子交换容量(GLi)呈线性关系，水力传导率(Ki)可由电导率(σi)或电阻率(ρi)代替，用于计算水力阻力(C)。由此可知，基于综合电导率含水层脆弱性评价模型可表示为：

(3)

也可表达为：

(4)

(5)

因此，根据电阻率测深及二维成像反演计算即可得到含水层以上各层的电阻率(ρi)和厚度(hi)，从而确定综合电阻率(IEC)值，其单元位为欧姆-1(Ω-1)或西门子(S)。该评价方法流程图见图1，详细计算步骤如下：

(1)将研究区网格化，根据各区域的地形地貌特征特点，选定一维或二维的电阻率测定方案。

(2)依据测定方案，利用电阻率进行阵列勘探，将全部电极置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集，获得视电阻率数据。

(3)使用全局牛顿-高斯方程法对一维、二维电阻率数据进行反演计算[20]，具体方程如下：

(6)

式中：s为感度矩阵；d为观测数据；ρ为模型的电阻率；G为正演算子；Rdd与Rmm分别为观测数据与模拟数据的协方差矩阵；ρ0为初始电阻率模型；Δρk为第k此迭代后的模拟电阻率。

(4)根据以上反演计算的结果，得到并分析垂直电测深(VES)与二维电阻率成像图，分别提取出测量沉积层电阻率ρi、含水层上方第i层沉积层厚度hi。

(5)根据公式(3)，计算出研究区内所有测量点的含水层上方每一层IEC值，测量点含水层上方若有多个不同电阻率的沉积层时，取IEC值最大的一层作为该测量点的评价参数。

(6)根据待研究区的实际需求，将IEC值分级(表1)，结合每一测量点的辐射范围，得到研究区的地下水脆弱性评等级图。

本研究对于IEC值分级借鉴了Mohammed Madi等人[21]的方案并结合Röttger等[22]提出的基于渗透时间地下水脆弱性评价标准，通过电阻率判断岩土成分以及包气带厚度，并根据获得IEC值，对地下水脆弱等级进行分类，共分为5个脆弱性等级，分别为特别低(IEC>4 000 S)、低(IEC=2 000～4 000 S)、中(IEC=1 000～2 000 S)、高(IEC=500～1 000 S)和特别高(IEC<500 S)，可知数值越低，包气带越薄，污染物越易下渗，具体分级见表1。

图1 基于综合电阻率法的地下水脆弱性评价流程

脆弱性程度脆弱性指数(S)特别高<500高500～1000中1000～2000低2000～4000特别低>4000

2 应用实例

本研究的研究区位于浙江省宁波市象山县西南部，包括定塘、大塘和晓塘3个行政区，位于北纬29°13′和东经121°50′，面积83.3 km2。该区域地势西北向东南倾斜，主要地貌类型属侏罗系晚期火山岩低山丘陵。涧溪密布，大多源短流促，独注入海。平原河网，密度不大，流域破碎，范围狭小，水系不发育。研究区土壤类型主要为水稻土类，黄泥沙田、淡塘泥田、黄泥土和石砂土等，土壤剖面层次分明，有团粒结构，黏度适中，通气性好，易下渗[23]。

本文在综合了各区域的地形地貌特征特点基础上，将研究区网格化分9个区域，选定一维或二维的电阻率测定方案，之后进行阵列勘探，获得视电阻率数据。一维电测深使用GeoPen公司生产的E60DN 型高密度电法仪进行勘测，测定时保持测量电极MN的位置固定，不断增大供电电极距的同时，逐次进行观测，最后根据公式(7)，计算得到视电阻率值。

(7)

(8)

在实际工作中，由于AB极距不断加大，若MN的距离始终保持不变，则MN间的ΔU将逐渐减小，以至于无法观测。因此，随着AB极距的加大，需要适当地加大MN距离，以保证顺利进行观测。图2给出了研究区域内定塘与大塘区块的电测深数据处理结果，据此，可以提取出不同岩层的电阻率及其厚度。

图2 研究区域电测深勘探结果

二维电阻率测定亦采用E60CN，最大供电电流为4 A，最大供电电压为400 V，输入阻抗为20 MΩ，采样精度为1 μV，41个电极，电极间距5 m，使用温纳装置测量。测得的视电阻率数据使用RES2DINV程序进行反演，得到电阻率模型剖面。根据一维与二维电阻率勘探及成像结果，分别提取出测量沉积层电阻率ρi、含水层上方第i层沉积层厚度hi(见图3)。

图3 研究区二维电阻率成像结果

根据公式(3)，计算出研究区内所有测量点的含水层上方每一层IEC值，测量点含水层上方若有多个不同电阻率的沉积层时，取IEC值最大的一层作为该测量点的评价参数，表2给出了研究区9个区块的IEC值。

结合研究区的实际情况，根据计算出的IEC值可以看出该研究区的脆弱性范围在22～4 297 S，根据表1的评价标准，将IEC值分级即可得到研究区的地下水脆弱性评价结果空间分布图(图4)。从图4可以看出，研究区的地下水脆弱程度可以划分为5个等级。该脆弱性分布图不仅反映了研究区的地质条件，而且还反映了区域内地形影响。当含水层上方的低电阻率厚度增大时，获得的IEC值将显著增大。研究区中的极低的脆弱性主要出现在以黏土砂岩构成的包气带区域，位于研究区的东南部。中等脆弱程度主要出现在以砂岩为主的包气带区域。而研究区的西部、北部和南部以高度脆弱程度为主，其包气带主要由砂质黏土、砂岩和部分饱和沙组成。

表2 研究区IEC值 S

图4 地下水脆弱性等级图

通过研究可以发现，基于IEC方法获得脆弱性分布图主要通过两个关键性参数来确定，其可靠性一般取决于所使用的勘探电阻率数据的质量。此外，应用IEC评价方法的困难之处同时也是此类方法的限制，就是得到参数不是绝对值，而是一个相对值。因此，在不同研究区运用该方法进行地下水脆弱性评价时，还需要结合研究区的实际情况以及勘探数据质量，进行综合性分析，尽可能的消除不确定因素的影响。

3 结 语

地下水是人类生存与发展的重要资源，通过脆弱性评价模型划分脆弱等级是保护地下水资源的重要手段。本文在含水层脆弱性评价法(AVI)的基础上，建立了以探测区沉积物电性特征为主要评判参数的脆弱性评价方法。在通过野外试验来确定地下沉积物的电阻率特征、水力参数与电性参数的定量转换关系后，根据岩性的相关物理、电性参数，建立评价模型，能够消除不确定性，从而形成了一套基于电阻率勘探技术地下水脆弱性评价体系,成功运用于宁波市象山县西南部地下水脆弱性评价。该评价方法充分利用了实测电阻率数据，使得评价结果更加符合研究区的实际情况。