李明波,张宇丰,郭秀军,4❋❋,吴 振,武 斌,马 健,聂佩孝
(1. 山东省第四地质矿产勘查院,山东 潍坊 261021; 2. 山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室,山东 潍坊 261021; 3. 中国海洋大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266100; 4.山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东 青岛 266100)
泥质海岸是世界重要的海岸类型之一,广泛分布于海湾及河流入海区域。当前泥质海岸的关注问题集中在滨海湿地土壤盐渍化以及滨海卤水资源可持续开发上。厘清泥质海岸表层细粒沉积层中水体与溶质的分布、迁移规律,是解决以上环境及资源问题的基础。泥质海岸地下水水文过程模型的建立始于21世纪初,至今仍在修改、完善。当前研究该问题的主要方法包括地球化学分析、数值模拟及原位地球物理调查。传统研究主要基于地下水常规离子分析、氢氧同位素测试等地球化学分析结果,确定泥质海岸多层含水层系统中水、盐的来源,以此为基础建立地下水与溶质的补给模型[1-2];随着算法优化,数值模拟与原位水文观测结合的方法开始用于泥质海岸多层含水层中流场、溶质分布及变化规律的研究[3-9]。马倩、常雅雯与郭雪倩将多层含水层系统中各地层视为均质,初步模拟分析了多层含水层系统中流场与溶质的分布演化过程,评价了弱透水层中天窗区对越流补给的影响,量化了海底地下水排泄通量[5-7]。Xin等[8]与Xiao等[9]模拟了受生物活动影响更为复杂的地下水循环过程。证明了生物通道能够显著促进表层沉积物中海水的循环速率;地球物理电学观测是一类新兴的地下水文过程观测方法,Su等[10]应用此方法分析了潮汐对泥质海岸沉积物电性的影响,并划分了莱州湾滨海含水层系统中的海水入侵通道。Fu等[11]基于电阻率层析成像(Electrical resisitivity tomography,ERT)监测结果,建立了泥质海岸多层滨海含水层系统中的水盐运移模型;张宇丰等[12]基于ERT与水文参数监测结果,讨论了表层细粒沉积层的渗透性差异对海水-潜水卤水交换过程的影响,初步量化了潮汐循环中多层滨海含水层内发生的盐分通量。
综上可知,当前已有研究更多关注泥质海岸多层滨海含水层系统,并以此建立大尺度的水盐运移模型。事实上,潮间带生卤、土壤盐渍化及生物活动的区域多集中在表层细粒沉积层中[9,13-15]。在蒸发与潮汐循环作用下,潮间带细粒沉积层中孔隙水盐度维持在较高水平的动态平衡中,每年每平方千米的表层细粒沉积层可为地下卤水资源补给16万m3大于10波美度的卤水[15]。活跃的生物活动产生的通道能够增大表层细粒沉积物的渗透性与异质性,显著加快海水-地下水的交换速率,不仅为潮间带生卤补给浅层卤水资源提供优先路径,还促进了基质中孔隙水与海水等其他水体间的溶质交换,改变基质中孔隙水盐度,影响土壤盐渍化进程[8-9,11-13]。准确、细致认识细粒沉积层中水盐运移规律是揭示潮滩生卤补给潜水卤水机制与通量的基础,可为滨海地下卤水资源以及生态环境管理提供理论支持,但目前未有研究能够精细描述潮汐循环中细粒沉积层中水盐的运移过程。
为精细刻画以上过程,要求监测技术对地下介质变化的反应有较高灵敏度,同时具有较高的空间分辨能力。由于不同含盐量沉积物存在明显电性差异,电学监测可基于此物理前提对水盐运移过程进行刻画[16-18]。电阻率探针技术在垂直方向上具有较高的分辨能力,其还能避免ERT监测随探测深度增加探测灵敏度下降的缺点。目前电阻率探针技术主要应用于海底水土界面划分[19]、海洋土蚀积过程监测[20-21]、海底浅层气迁移过程监测[22-23]以及土壤盐渍化监测[24],但目前尚未对电阻率探针监测泥质潮滩水盐运移过程的能力进行分析。
本研究选取莱州湾南岸泥质潮滩为研究区开展工作,分析环状电阻率探针(Ring electrode resistivity probe,REP)监测潮汐过程表层细粒沉积物中水盐运过程的灵敏度,评价依据孔隙水盐度变化比量化分析孔隙水盐分累积与释放过程的误差,并基于REP监测结果初步描述潮汐过程中泥质海岸表层细粒沉积层中的水盐运移过程。
研究区位于中国山东省莱州湾南岸的淤泥质海岸。该区域地形平缓,平均坡度小于千分之三(<3‰),宽阔的潮滩向莱州湾内延伸5～20 km,平均水平水力梯度1.64%,地下潜水位高程约为-0.8 m[25-26]。该区域地层自上而下可分为表层细粒沉积层、潜水卤水层、弱透水层及承压卤水层四层,分别为厚约4～5 m的粘质粉土层;厚约6～8 m的中细砂层;厚5～7 m的粘质粉土层;中砂层与细砂层[26-28]。
研究区潮汐属于不规则半日潮,平均潮差约为 0.9 m,平均涨潮时间382 min,平均落潮时间366 min。莱州湾南岸属暖温带大陆性季风气候,年均降雨量和蒸发量分别为559.5和1 936.7 mm[26],蒸发作用强烈。莱州湾海域自上更新世以来经历了三次海侵与海退,在滨海含水层系统内形成了水平带状分布的三至五层卤水。位于顶部的潜水卤水TDS值在50～140 g/L之间[26,29]。
2.1 REP参数设置及电阻率计算方法
本研究中使用的环状电极探针总长4 m,数据采集段长3.45 m,24个不锈钢电极环(C1—C24)等间距分布,电极极距a为0.15 m,电极环半径b为0.03 m,装置示意图与实物图见图2。电学测量选用Wenner排列,数据采集时两个供电电极发射电流,形成电场,电场大小正相关于供电电极间的距离,环电极探针所测电阻率数据为电场范围内介质整体的电阻率,根据Wenner排列测量原理,有效测量半径为1.5倍的极距,即0.225 m。
测量仪器为Geopen公司生产的E60DN分布式电法仪及多电极智能电缆。使用12 V直流电源对测量仪器及主机供电。测量供电时长为1 s,电流大小为1 A。每次测量分别以Ci与Ci+3为供电电极A、B,以Ci+1与Ci+2为测量电极M、N(i为测量次数)。测量时记录电位差ΔVi与电流Ii,基于公式(1)可计算得到细粒沉积层不同深度位置的沉积物电阻率ρi[23]。
(1)
2.2 REP测量精度验证
分别在淡水及海水环境下测试REP测量精度。使用自来水与自配高盐度水(盐度为30)分别模拟淡水环境与海水环境。淡水及海水电阻率分别为23.64与0.251 Ω·m。使用REP测量不同环境中介质电阻率,每类环境中重复试验3组,取三组试验的均值与介质电阻率实测值对比,分析REP装置自身的测量误差。
图3显示了两个REP(R1 与R2)在淡水及海水环境中的测量误差。在淡水环境中,REP的测量误差区间在±1%之内;在盐度较高的海水环境中,电极受极化影响程度升高,REP测量误差区间虽有增大但未超过±3%,约1/2的数据点落在误差区间±1%之内。因此REP基本能够满足在不同类型地下水环境中开展监测工作的测量精度要求。
2.3 REP原位布设及数据采集方法
在距离G1点80及110 m位置分别布设电阻率探针R1和R2,具体点位如图1所示。采用旋转贯入的方式将电阻率探针置入沉积物中。装置布设完成后需稳定1周再进行测量。
图1 研究区位置、工作布设位置及地质钻孔柱状图Fig.1 Location,working point and geological columns of study area
图2 REP监测系统示意图(a)及REP探杆实物图(b)Fig.2 Schematic diagram of REP monitoring system(a) and REP physical photo(b)
图3 不同环境中两个REP(R1与R2)测量误差图Fig.3 Error diagram of two REP measurements (R1 &R2) in different environments
在单个潮汐循环内的不同潮时(a、b、c与d时刻)开展测量工作(测量时刻见图4)。a与d时刻海水未覆盖潮滩;b与c时刻,海水覆盖潮滩。每组测量工作总时长约为70 s。
图4 REP测量时刻及潮位信息Fig.4 REP measurement time and tide level
本研究利用重复测量与互异性测量的方法评估电阻率测量误差[30]。在不同潮时的测量工作包含2次顺序测量(重复测量)及1次逆序测量(互异性测量)。理论上,供电电极次序互换以及测量电极次序互换不会使某一位置处REP测量电阻率数值发生改变。在本次原位监测中,重复测量、互异性测量结果与三次测量结果均值的误差均在±2.5%之内。本次研究最终采用三次测量结果的均值。
2.4 沉积物物理关系
泥质潮滩沉积物中黏粒含量较高,表面电导率与孔液电导率会同时影响沉积物电阻率ρ[31]。Nguyen等人和Shao等人提出的阿尔奇公式的变形可分离表面电导率及ρw对ρ影响,从而建立孔隙水电阻率(ρw)与ρ的关系[32-33]:
(2)
式中:F′为有效地层因子;b为表面电导率对ρ的贡献,与流体电导率无关。
莱州湾南岸泥质潮滩表层沉积物F′为2.5,b为0.335[12]。代入公式(2)可建立ρ与ρw的关系。
2.5 孔隙水盐度变化换算方法
孔隙水盐度S可依据Manheim公式(3)[34]由ρw换算得到,ρw则是基于REP测量得到的ρ与沉积物物理关系换算得到:
(3)
孔隙水盐度变化情况由相邻观测时刻的孔隙水盐度变化比(δS)体现,计算公式如下:
(4)
式中:S0为前一时刻孔隙水盐度;St为后一时刻孔隙水盐度。
结合公式(3),(4),可将REP探测的ρ转化为孔隙水盐度变化比δSREP:
(5)
式中:ρw0为前一时刻ρ换算所得的ρw;ρwt为后一时刻ρ换算所得的ρw。
3.1 REP探测细粒沉积物电阻率能力评价
图5(a)显示了涨潮过程表层细粒沉积物ρ的变化情况。距离岸线不同位置的测量结果呈现出相近的分布及变化规律。a时刻,自滩面向深部ρ逐渐降低,在高程-0.825～-2.475 m之间ρ稳定在0.68 Ω·m左右。在-2.475 m以深区域,由于接近潜水卤水层的顶界,ρ逐步降低;b时刻,海水淹没潮滩,在高程-0.825 m以浅区域ρ显著降低(由0.82 Ω·m降低至0.63 Ω·m),在高程-0.825～-2.475 m之间ρ降低幅度较小,但在-2.475 m以深区域ρ降低幅度再次升高。
图5(b)显示了退潮过程表层细粒沉积物ρ的变化情况。退潮过程中ρ整体升高(由0.63 Ω·m升高至0.7 Ω·m),在细粒沉积层顶部与底部ρ升高趋势显著。此外,在R1测点高程-1.425 m处与R2测点高程-1.725 m处,分别存在局部ρ显著升高区域。
REP监测结果显示,表层细粒沉积物电阻率随深度加深发生复杂的变化。细粒沉积层的浅部与深部易受到海水以及深层卤水的影响,在潮汐循环中ρ出现了更大的波动。由于该区域沉积物渗透性普遍较低(10-7～10-6ms-1)[12],细粒沉积层中部的ρ波动幅度较小。
在相同研究区、相同季节中,Fu等人使用ERT技术观测到表层细粒沉积物ρ的波动范围为0.47～0.91 Ω·m[11]。本次研究中REP测量ρ的波动范围(0.54 ～0.83 Ω·m)与Fu等人基本一致。但REP监测结果与ERT监测数据反演结果相比,前者数据点数量在垂向上更密集(21个 vs 4个),垂向分辨率更高,ρ在垂直方向上具有更复杂的分布规律(见图5)。这说明虽然ERT技术在水平方向上具有较高分辨能力,且ERT与REP监测技术均能够准确、灵敏的捕捉到介质性质的改变,但在垂直方向上ERT技术难以捕捉更细致的规律。因此单纯采用ERT数据对地下水水文过程进行分析时,可能由于数据垂向分辨率较低,难以对水盐运移过程做出精确解释。在未来分析泥质潮滩水盐运移过程时,可以采用ERT与REP综合调查的方法,并依据研究尺度以及数据采集所需时长综合确定REP电极间距等其他测量参数,以达到调查、研究所需的期望分辨率。
3.2 δSREP准确度分析
图7 潮汐过程δSREP、δSP的对比结果Fig.7 ρw calculation results and δSREP、δSP comparison results during tidal cycle
图8 δSP与的关系及误差区间Fig.8 Relationship between δSP and and error interval
REP探测所得ρ经过拟合式与公式(5)转换的δSREP与实际的孔隙水盐度变化比(δSP)存在±10%的误差。涨潮过程,孔隙水盐度升高,δSREP与真实值相比普遍偏小,约为0.9～1倍的δSP;退潮过程,孔隙水盐度降低,δSREP与真实值相比普遍偏大,约为1～1.1倍的δSP。
依据以上REP探测方法及数据处理方法所得孔隙水盐度变化比,在定量分析孔隙水盐分释放与累积过程方面具有较高的可信程度。结合装置测量精度验证结果可知,造成这种误差的因素有多种,包括装置自身误差(±3%),测量误差(±2.5%)以及依据沉积物物理关系将ρ换算为ρw所产生的误差。当进行区域孔隙水盐通量计算,特别是涉及大范围区域盐通量量化分析时(例如潮滩生卤产生盐分总量评价、滨海卤水资源盐分开采总量评价等),为避免产生较大误差,可结合原位实测孔隙水盐度变化,修正基于REP测量值计算的δSREP。
3.3 基于REP探测结果的泥质潮滩细粒沉积层中水盐运移过程评价
当前研究认为,泥质潮滩中分别存在细粒沉积层的盐分累积区和盐分释放区,各区域分布范围在短期内不会随潮位升降发生明显改变。潮汐过程中,潮滩大部分区域细粒沉积层深部的等效水头高于浅部,这意味着泥质潮滩大部分区域以地下水排泄释放盐分为主[6-7];在泥质潮滩局部存在高渗透性区域(10-4～10-5m/s),例如生物活动产生的洞穴集群分布区,在该区域主要发生高盐度海水与地下卤水的交换,当海水淹没滩面后,细粒沉积层将接受大量盐分补给[8-9,11-12]。周期性发生的风暴潮作用与旱季强烈的蒸发作用是细粒沉积层中孔隙水盐分再分配的重要因素[12,26]。
然而本次调查研究结果显示(见图7),在细粒沉积物垂向渗透系数(10-6～10-7m/s)较低的区域内,高盐度海水与地下卤水仍能够在涨潮阶段补给细粒沉积层,补给的盐分会在退潮过程中释放。这意味着潮汐即为调控细粒沉积层中水盐再分配的重要因素,泥质潮滩中各区域均会随潮汐涨落发生盐分的累积与释放,其水盐运移过程如下。
涨潮过程中(见图7(a)、(a′)),细粒沉积层累积盐分,其顶、底部盐分累积量较高。由滩面向细粒沉积层顶部补给的盐分主要来自蒸发盐的溶解下渗。上涨的海水携带滩面蒸发浓缩的盐分,通过表层沉积物中密集分布的生物通道向细粒沉积层中运移[9,12-13,26];从细粒沉积层底部向其内部补给的盐分主要来自越流的地下卤水。该区域浅层卤水水位高程高于细粒沉积层底面,具有微承压水性质。随潮位升高,浅层地下水水位随之升高,进一步促进了卤水自细粒沉积层底部向其内部补给[7]。对比细粒沉积层顶部与底部区域的ρw与δSREP可知,涨潮期间细粒沉积层中的盐分更多来自滩面的高盐度水体。
高潮时期间(见图7(b)、(b′)),细粒沉积层顶、底部从累积盐分转变为释放盐分,沉积层中部区域开始快速累积盐分。在本阶段内,在滩面累积的蒸发盐被海水溶解稀释,海水盐度逐步降低。受此影响,细粒沉积层顶部孔隙水盐分通过滩面向海水中释放,另一部分盐分向细粒沉积层中部运移;地下卤水水位在本阶段持续升高但盐度降低,受此影响,细粒沉积层底部的盐分开始向卤水层中释放,另有一部分盐分在竖直向上的流场驱动下向细粒沉积层中部运移[6-7]。
退潮过程中(见图7(c)、(c′)),细粒沉积层整体丧失盐分,其顶、底部的盐分释放速率小幅度升高,而中部区域盐分释放速率显著提升。随着潮位下降,海水从滩面快速退去,渗出面在潮滩范围内大面积发育,同样在竖直向上的流场驱动下,大量高盐度孔隙水通过潮滩渗出面向外排泄[5,12]。
与已建立的水盐运移过程模型相比[6-9,11-12],本研究刻画的潮汐作用下泥质潮滩细粒沉积层水盐运移模型更符合实际情况。其体现在泥质潮滩各个区域中的孔隙水盐度不会随时间变化而无限制升高或降低,而在本研究刻画的水盐运移模型中,不同深度细粒沉积层中孔隙水普遍经历了盐分累积与丧失过程(见图7)。这主要得益于REP监测技术较高的时空分辨率。
本研究基于原位测试结果,分析了REP监测技术对泥质潮滩细粒沉积物中孔隙水盐度变化的分辨能力,初步细致刻画了泥质潮滩细粒沉积层中水盐运移过程,所得主要结论如下:
(1)REP监测结果能够准确反映泥质潮滩沉积物电阻率随潮汐涨落的变化。REP技术比ERT技术拥有更高的垂向分辨能力,可捕捉到更细致的垂向电阻率分布及变化规律。将ERT与REP监测技术结合可实现区域水盐运移过程精细刻画。
(2)δSREP与δSP存在±10%的误差。造成该误差的原因包括系统自身误差,测量误差以及依据沉积物物理关系将REP测量的ρ换算为ρw所产生的误差。虽然以上误差的存在对粗略定量分析细粒沉积层中水盐运移过程的影响不大。但应用该方法量化分析大范围区域的地下水盐通量时,需结合实测孔隙水盐度变化,修正基于REP测量值计算所得δSREP。
(3)潮汐循环中细粒沉积层内水盐运移过程如下:涨潮时期为细粒沉积层顶、底部累积盐分的主要阶段。高盐度水体分别通过滩面入渗及浅层卤水越流的途径向细粒沉积层中补给;在高潮时期间,受盐度降低的海水与卤水影响,细粒沉积层顶、底部的盐分开始逐步丧失,但沉积层中部孔隙水盐分累积速率加快;退潮时期为细粒沉积层盐分丧失阶段,在竖直向上的地下水流场驱动下,高盐度水体通过潮滩渗出面向外释放。
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