来源:Sustainability 发布时间:2022/3/8 17:06:07
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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

论文题目: Assessment of Groundwater Resources in Coastal Areas of Pakistan for Sustainable Water Quality Management Using Joint Geophysical and Geochemical Approach: A Case Study

期刊:Sustainability

作者:Muhammad Hasan,Yanjun Shang,Mohamed Metwaly, Weijun Jin,Majid Khan and Qiang Gao

发表日期:21 November 2020

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/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。中国科学院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/盐水含水层可能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。

1. 材料和方法

1.1 D-Z参数

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 (ρL)、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ρL能清晰划分淡水/盐水,无任何重叠,对淡水/盐水含水层进行评估时,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。

1.2 物理化学法

根据当地水文地质环境,在地面以下75–125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个地下水样本进行理化分析。

2. 结果分析

2.1. VES模型解释

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

表1. 测井岩性曲线与电阻率之间的校正

20–25 ?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。这种情况下需要使用更全面的技术,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)。

表2. 淡水和盐水的D-Z参数的估算

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。

2.2 D-Z参数分析

•纵向电导 (Sc)

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 37–39、44、45和48–50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13–42 km的海水入侵。

图3. (a) 纵向电导的分布;(b) 用纵向电导解释淡水-盐水划分。

•横向电阻 (Tr)

高横向电阻表示淡水,低横向电阻表示盐水。在盐水和淡水之间存在宽的横向电阻范围 (1711–3849 Ωm2),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1–29,盐水的范围为30–50。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16–40 km的海水入侵。

图4. (a) 横向电阻分布;(b) 用横向电导解释淡水-盐水划分。

•纵向电阻率 (ρL)

高纵向电阻率表示淡水,低纵向电阻率表示盐水。在盐水和淡水之间存在宽的纵向电阻率 (3.3–9.4 Ωm),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15–40 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。

2.3 物理化学参数分析

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中物理化学分析的主要目的是确认由无创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1–11未超出PSQCA/PCRWR的允许范围,圈定为淡水;样品12–20超出了可接受的范围,圈定为盐水。

3. 研究结论

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。

原文出自Sustainability 期刊.

Muhammad Hasan et al. Assessment of Groundwater Resources in Coastal Areas of Pakistan for Sustainable Water Quality Management Using Joint Geophysical and Geochemical Approach: A Case Study. Sustainability 2020, 12(22), 9730

Sustainability 期刊介绍

主编:Marc A. Rosen, University of Ontario Institute of Technology, Canada

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。

2020 Impact Factor:3.251

2020 CiteScore:3.9

Time to Publication:38

Average Publication Time:42.32

 
 
 
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