中国科学院尚彦军教授团队：利用联合方法评估地下水资源的可持续水质管理 MDPI Sustainability

  人口的密集定居致使饮用、灌溉、工业、消费等各种淡水资源需求增加，地下水被过度开采，世界大部分沿海地区海水入侵。可持续水质管理研究需要划定盐水入侵，以实现地下水资源的可持续管理。中国大学地质与地球物理研究所尚彦军教授团队利用垂直电流勘探 (Vertical Electrical Sounding, VES) 获得测量参数用于地下三维制图，通过不同的厚度和电阻率排列计算Dar-Zarrouk (D-Z) 参数 (即纵向电导率、纵向电阻和横向电阻)，以消除岩性相似情况下电阻率值对于淡水/盐水含水层也许会出现的模糊重叠显示，同时与当地钻孔获得的水文地质信息和水样的物理化学分析相结合，来准确圈定岩性和含水层。详细研究过程发表在了Sustainability期刊。

  为了可持续的水质管理，本文使用了几种方法来描述盐水入侵淡水。VES测量获得的视电阻率如下:

  使用莫斯科国立大学开发的IPI2WIN软件反演视电阻率得到离散层的地下模型。VES模型得到的反演电阻率称为真电阻率。为了解释VES模型，将VES结果与从附近钻孔获得的水文地质和岩性数据来进行了关联，通过反演软件得到的厚度和电阻率与当地的钻孔信息相关联，将模型约束为六层。

  为消除淡水/盐水含水层重叠模糊性或淡水和盐水混合，本研究引入了D-Z参数，即纵向电阻率 (L)、纵向电导 (Sc) 和横向电阻 (Tr)，通过不同的厚度和电阻率排列来计算 (图1c)。Tr、Sc和L能清晰划分淡水/盐水，无任何重叠，对淡水/盐水含水层做评估时，不会将它们的数值混杂。

  图1. (a) 电阻率测定示意图；(b) 用IPI2WIN软件建立VES 4的地下模型，并在演绎的VES 4模型与1井的岩性测井之间进行校准；(c) 对同一VES模型的纵向单位电导 (Sc) 和横向单位电阻 (Tr) 的估算。

  根据当地水文地质环境，在地面以下75125米的压力计穿孔/穿透深度处，从20口监测井/压力计中采集了20个地下水样本做理化分析。

  在这项研究中，20个钻孔的测井岩性曲线与邻近的VES模型作对比，将地下地层约束为6层 (表1)。

  2025 ?m之间的电阻率值混合会导致淡水和盐水的重叠 (图2b)，仅凭VES无法区分淡水和盐水。这种情况下需要用更全面的技术，例如从VES模型计算出的D-Z参数来描绘淡水和盐水，不会出现任何重叠 (表2)。

  图2. (a) 勘探深度达200 m 的三维反演电阻率示意图； (b) 根据 (a) 和当地水文地质信息得出的盐水和淡水的三维划分。

  低纵向电导表示淡水，高纵向电导表示盐水。在淡水和盐水之间观察到很宽的纵向电导值范围，从20.3到59 mho，可见两种含水层之间有明显区别。VES 3739、44、45和4850显示出较高的纵向电导，表明阿拉伯海附近盐度较高。从图3可观察到约有1342 km的海水入侵。

  高横向电阻表示淡水，低横向电阻表示盐水。在盐水和淡水之间有宽的横向电阻范围 (17113849 m2)，表明两种含水层之间有明显分离。横向电阻圈定淡水的范围为129，盐水的范围为3050。通过横向电阻圈定了两个不同的淡水和盐水地下水层，无任何重叠。从图4可以观察到大约有1640 km的海水入侵。

  高纵向电阻率表示淡水，低纵向电阻率表示盐水。在盐水和淡水之间有宽的纵向电阻率 (3.39.4 m)，表明两种含水层之间有明显的分离。纵向电阻率圈定淡水和盐水的测深范围和横向电阻一样。纵向电阻率的解释也可以清楚地区分盐水和淡水含水层。从图5可以观察到大约有1540 km的海水入侵。

  图5. (a) 纵向电阻率分布；(b) 用纵向电阻率解释淡水-盐水划分。

  在PSQCA/PCRWR允许范围内的样品被划分为淡水样品，而超出允许范围的样品则被划分为盐水样品。表3中物理化学分析的最大的目的是确认由无创VES方法的D-Z参数圈定的盐水和淡水层。

  表3. 利用PSQCA/PCRWR允许范围对调查区域20个地下水样品进行了物理化学评价

  对主要阴离子、阳离子、电导率、总溶解固体和pH进行的理化分析表明，地下水样品111未超出PSQCA/PCRWR的允许范围，圈定为淡水；样品1220超出了可接受的范围，圈定为盐水。

  盐水和淡水的划分对于可持续淡水管理至关重要。电阻率值的混合导致淡水与盐水层重叠，影响水质管理评估的精准性。该研究中，由VES计算的D-Z参数可在任何水文地质 (均质或非均质) 环境中为可持续水质管理评估地下水资源，解决含水层重叠问题，可成为昂贵实验室测试分析方法的低成本替代方法。

  主题涵盖环境、经济、社会、工程科学等等领域的可持续性研究，已被SCIE、SSCI等数据库收录。

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