一种基于TDS的地下微咸水判别方法探索

董晓宏，张 宁

(四川省冶勘设计集团有限公司, 四川 成都 610000)

微咸水是界于咸水和淡水之间的水，其在地下空间开发利用及灌溉利用方面均存在不利影响，尤其是抽排至浅层或地表对地表淡水资源和建筑物基础有一定的腐蚀作用。近年来成都东进战略布局愈发凸显，地下空间开发利用提上日程，而成都东部丘陵地区主要以红层砂泥岩为主，地下普遍发育有微咸水，其埋深深浅不一，故对成都东部地区微咸水(咸水)的空间分布特征的探明具有重要意义。

微咸水在不同的领域定义不同，但均以矿化度作为衡量指标。微咸水一般有以下3种定义：(1) 含盐量0.2%～0.5%的水或矿化度(即每升水含有的矿物质含量)在2 g/L～5 g/L的水[1]，多偏重于灌溉利用方面；(2) 根据水文地质手册(第二版)，一般定义为地下水矿化度在1 g/L～3 g/L的水[2-3]；(3) 矿化度在1 g/L～24 g/L的天然水[2-3]。本文以矿化度在1 g/L～3 g/L的地下水作为微咸水。检测微咸水的方法较多，其中，分层取样在室内检测矿化度是最传统的检测地下水矿化度的方法，但该法在大范围开展时面临极大的成本和工期问题，需要每个孔进行分层抽水取样，而取样首先需要在口径稍大的水文孔中进行，其次需要有严格试验条件和专用的装备。由于一般工地水文孔数量有限，仅靠水文孔难以较精确的探明微咸水的空间分布特征，而且如果大范围开展分层抽水取样难度极大，成本较高。地球物理方法地下水矿化度测试法是另一种常用的测试方法，许多学者在水文地质勘察领域开展了研究应用。在2000年初，国内学者陆续开展咸淡水判别的方法研究，主要是电阻率法、激发极化法和自然电场法综合手段。 近几年来，地球物理方法在含水层探测、咸淡水分界中应用逐渐增多，胡顺洋等[4]探索了高密度电阻率法在浅层地下水水文地质勘测中的应用情况，表明其可有效探测含水层的分布情况；刘宏伟等[5]阐述了高密度电阻率法和EH-4法2种地球物理探测技术识别海(咸)水入侵界线的原理、依据并以实例研究表明这2种方法的有效性；修源等[6]探索建立了利用高密度电法评价地下水矿化度的模型，并划分了咸淡水界面；李志有[7]通过野外抽水和取样水质化验的方法开展了水化学特征和含水层间水力联系分析研究；李立亮等[8]探讨了利用测井曲线异常对咸淡水界面进行划分的方法；王海军等[9-10]探讨了人工井液电阻率结合抽水试验、地质条件等划分含水层位置及其参数的方法，获得了较好的效果；陈松等[11]研究了高密度电法在划分海水入侵的范围的效果，结果显示可以大致识别咸淡水界线；陈学群等[12]、张翔翔等[13]也应用高密度电阻率法对沿海地区的咸淡水界面进行了研究 ，取得了不错的效果；束龙仓等[14]在海水入侵范围评价中提出了现场电导率法和高密度电阻率法(TEcG)综合确定咸淡水界面的方法；赵建粮等[15]探索了利用电阻率法(对称四级激电测深法)的变化特征圈定咸淡水区域的方法；董建兴等[16]通过水文地质调查、水文地质钻探、取样分析测试等方法，对四川盆地南缘红层咸水发育规律进行了研究，发现咸水发育主要受地层岩性和地下水循环条件控制；陈鹏等[17]利用188个深度160 m～220 m钻孔开展分层取样、井液电阻率测试、岩芯分层TDS测试等综合方法查明成都东部新区空港新城咸淡水界面的平面分布特征、垂向分布特征及水化学特征，为广大红层丘陵区查明咸淡水分布规律提供了借鉴。

综上，以往主要利用以电法为主的地球物探手段对含水层的确定或咸淡水界线进行划分，一般在矿化度变化较明显的含水层效果较好，但均存在咸淡水混合导致界面不准的问题。近年来该方法在西南红层地区应用较少，且由于红层砂泥岩深部承压水很容易越流补给到浅层潜水，造成高矿化度水与低矿化度水的混合，导致地下水水化学成分发生显著的变化[18]，对电法测试造成不利影响。故有必要探索一种相对简易的方法对微咸水进行判别，以降低成本，缩短工期。通常，钻孔岩心中所含易溶盐的含量是相对比较稳定的，因此，本研究通过测定岩心中易溶盐含量并反演地下水易溶盐含量，验证基于该原理的地下微咸水简易判别法在技术上的可行性[19-21]。

1 试验原理

1.1 方法及步骤

根据成都东部红层丘陵区钻探结果，钻孔岩心一般在一定深度处即会出现白色晶体析出，一般在砂岩中析出，析出程度较轻，随着深度的增加，白色晶体量逐步增多，尤以暴晒后最为明显(见图1)。经化学分析，该物质主要以硫酸盐为主，是在地下水中的易溶盐在水分蒸发后的析出物。据此，通过对岩心中的易溶盐进行淋滤试验，可以在一定程度上反映该段地下水的易溶盐含量。为了能够充分利用非水文孔进行辅助判别微咸水为位置，本文提出一套利用岩心淋滤液进行矿化度测试来反映地下水矿化度的简易方法。

图1 微咸水段岩芯盐晶析出典型实物照片

由于微咸水均为矿化度作为标准，矿化度与TDS(溶解性总固体)概念基本相同，前者采用烘干残渣加重碳酸根一半表示[22]。本区以硫酸盐作为为主，可视为二者基本相同，故用TDS代替矿化度进行微咸水和咸水的判别是可行的，TDS测试简便快速，可大规模开展。

该方法具体操作步骤如下：

(1) 取样。首先在水文孔进行分层抽水试验并取水样，水样需选取水量和水质比较稳定阶段的水样。然后在钻孔取心后，将表层的泥质物去除，保证测试岩样的初始状态都是相同的外界条件。应注意的是，岩心尽量减少清水清洗，如果必须要清洗，则要保证所有岩样有基本相同的操作。

(2) 浸泡。钻孔中每隔5 m左右取一节10 cm左右的样品(透水性相对较差的泥岩可适当加宽距离)，为了方便对比，条件具备条件下尽量取透水性较好的砂岩，模仿大自然淋滤过程，浸泡在一定体积的纯净水中。浸泡的时候需保证岩心没入水中。

(3) 测试。在岩样试样浸泡一定时间后分别测试岩样淋滤液的TDS值(绿之源TDS&EC水质检测笔)。另外对抽水试验段水样进行TDS测试。见图2。

图2 取样浸泡-模拟自然淋滤及TDS测试

(4) 对比分析。将抽水试验中水样和岩样测试TDS值作对比，通过大量数据，得出岩样测试和抽水水样TDS值的相关关系，作为通过岩样推测水样TDS的依据之一。

(5) 测试其他非水文孔的岩样淋滤液TDS值，根据附近水文对比孔得出的岩/水TDS比值，推算反演测试孔中相应位置地下水的TDS值，并用插值法计算微咸水的界线。

1.2 关键指标的确定

在试验的过程中，有些关键步骤关系着试验结果的有效性，因此，需要在取样种类、取水样的有效性、水岩比、浸泡时间、试验用水、试验温度[19]等方面加以注意：

(1) 取样种类。由于不同岩石的渗透性、吸水率、孔隙率均有所不同，对易溶盐的溶解性也有所不同，如果岩性差异过大，势必造成易溶盐的含量差别很大，对试验结果有较大的影响。由于抽水试验一般针对的砂岩含水层，故在其他孔取样时应主要将砂岩作为对比样。

(2) 取水样的有效性。由于水样是作为和岩样淋滤液对比的关键，这就要求分层抽水试验必须进行严格止水，如果止水不严格，则会造成上下水体混合，对水淹和岩样淋滤液的TDS值产生误导性，严重影响利用该方法对其他孔的微咸水进行判断。

(3) 水岩比的确定。在实际溶解过程中，由于盐类不同，其在水中的溶解度也有所差别。本试验测试的目的模仿大自然的条件，但同时要能析出主要的易溶盐，二者需要做平衡。如果加水过多，可能会造成岩样淋滤液数值过低，偏差变大；如果加水过少，则有可能会不能淹没岩样，导致部分易溶盐无法析出。根据有关研究，最佳水土比例为5∶1[20-21]，但考虑到岩样中含有的易溶盐较少，水量过多会造成岩样淋滤液的TDS值过低，误差变大，故综合考虑采取水岩体积比为1∶1或2∶1。本次试验采用1∶1。

(4) 浸泡时间的确定。由于在相同土水比例情况下，其实际浸提时间长短不同，最终得到的结果亦各不相同。为了能够有相比性，岩样浸泡时间一般应保证相同的时间。本次试验考虑试验的方便性和保证易溶盐充分析出，浸泡时间采取24 h和48 h。

(5) 试验用水。由于自来水或是天然水，他们水质中都含有不少矿物质，如果直接将他们用来做试验，那么势必会导致结果准确性受影响，根据相关规范要求应使用不含二氧化碳的蒸馏水。但由于考虑到野外试验的条件限制，一般使用纯净水即可，试验前可以对简易水质检测仪器对试验用水进行检验。

(6) 试验温度。对土工试验易溶盐试验来说，试验温度的高低会影响易各种盐类的溶解度，从而造成结果准确性出现偏差。因此在室内可以用空调等保持试验温度的相对稳定性，减少因温度造成的误差。

1.3 微咸水综合判别原则

采用简易易溶盐测试法对微咸水进行判断的方法具有较好的有效性。但由于地质条件的复杂性，有必要根据不同地质条件采用的不同方法对试验结果进行修正，综合考虑试验结果和地层本身的地质特性，在判别微咸水中应考虑以下原则：

(1) 采用水样/岩样淋滤液的TDS比值作为计算的基准值时，如果某区二者的TDS比值比较接近，可采用附近孔内测试平均值作为计算参数计取；如果单孔不同深度测试的二者的TDS比值随深度变化而出现较大的变化，根据附近水文孔的对应深度的水样/岩样淋滤液TDS比值作为计算参数计取。

(2) 岩样淋滤液如果出现TDS值突变且经换算达到微咸水的情况，如果顶部存在厚层泥岩(5 m以上)，则可以泥岩底部作为微咸水界线，如果均为砂岩，则采用插值法计算微咸水界线。

(3) 如果周围大部分岩样淋滤液的TDS值均较小，个别岩样TDS值很大，不应判断为微咸水界线，应从岩样TDS值大部分突然增高等来综合判断微咸水界线。

(4) 如个别数值异常，可根据周围大多数测试数值的情况予以剔除，排除因未知因素造成的对微咸水宏观变化的影响。

以上原则考虑了操作过程、地质条件等影响，能够最大程度的保证地下水微咸水判断的准确性，具有较好的可操作性和有效性。

2 方法验证

2.1 项目概述

以西南红层地区某项目为类，需要对微咸水的埋深及分布特征进行判别，本项目所处的位置为成都龙泉山以东的丘陵地区，主要地层以红层砂泥岩为主，岩层产状近水平，倾向北西，区域位置见图3。工作区共50个孔，本次选取了33孔进行测试，其中水文对比孔8个，测试孔25个，根据地质条件的差异对工作区进行了分区，钻孔布置及分区见图4。

图3 工作区区域位置图

图4 工作区钻孔布置及分区图

2.2 单孔(水文对比孔)测试成果及评价

为了验证本测试方法的有效性，本次在某工地分不同片区选取多个水文孔进行岩样淋滤液和水样易溶盐测试，本次在试验段和非试验段均取样进行了易溶盐测试，以对比不同岩性之间淋滤液易溶盐的差异。本次测试时间为24 h和48 h，水岩比为1∶1，试验用水为纯净水，试验温度控制为室温25℃。本次单孔测试成果见表1和表2。不同时间下，典型的JS42号孔岩样淋滤液和水样随着深度变化曲线见图5。

图5 JS42孔不同时间下岩样淋滤液(水样)TDS和深度的关系

表1 JS42孔水文孔易溶盐测试成果表

表2 JS42孔水样和岩样淋滤液TDS比值统计表

从图5和表1、表2可以看出，在JS42号孔中，岩样淋滤液TDS值随着孔深的增加有逐渐增大的趋势，在某个度深度TDS值突然明显增大；岩样淋滤液TDS值和浸泡时间有关，一般48 h数值大于24 h，除去个别异常点外，一般二者的比值为1.2～1.5倍，平均1.3倍，具有较好的规律；在同一深度下，水样和岩样淋滤液TDS比值一般为6.6～8.5倍，平均7.5倍；不同岩性对岩样的淋滤液TDS值有一定影响，岩性不同会呈现幅度的波动。

2.3 分区(水文对比孔)测试成果及评价

本次在不同地质区域选取了8个水文孔进行了野外易溶盐测试，其中在A片区测试了4个孔，在B片区和C片区各测试了两个孔。测试结果统计见表3和图6。

图6 不同片区钻孔水样TDS/岩样淋滤液TDS和深度的关系

表3 水文孔易溶盐测试成果统计表(24 h)

从表3和图6中可以看出，不同片区由于地质条件差异较大，导致水样/岩样淋滤液的TDS比值在不同的片区有一定波动，不同片区规律总结如下：在A片区，整体上主要以细砂岩为主，占比70%以上，局部夹砾岩、中粗砂岩，泥岩占比较低。在抽水试验段水样/岩样淋滤液的TDS比值变化不大，为5.1～9.7倍，平均7.1倍。在该片区，水样/岩样淋滤液的TDS比值具备较好的相关关系，利用其平均值作为基准数，采用其它钻孔岩样淋滤液的TDS值推测判断地下水的TDS值具备较好的可靠性和有效性。

在B片区，上部主要以细砂岩夹泥岩为主，在中深部泥岩的含量逐渐增加，多呈泥岩和砂岩不等厚互层状。在抽水试验段水样/岩样淋滤液的TDS比值变化较大，为6.3～13.7倍，平均9.9倍。在该片区，水样/岩样淋滤液的TDS比值在不同深部变化较大，此时可以采用不同深度的比值作为基准值对周边孔的微咸水进行判断，具备一定的有效性，某种程度上可以对地下水的TDS值进行推测。

在C片区，泥岩比重较大，多呈泥岩和砂岩不等厚互层状。在抽水试验段水样/岩样淋滤液的TDS比值变化较大，为5.5～14.6倍，平均11.5倍。在该片区，水样/岩样淋滤液的TDS比值在不同深部变化较大，尤其是TDS值突然大幅增高的情况下，此时可以采用不同深度的比值作为基准值对周边孔的微咸水进行判断，仍具备一定的有效性，但可靠程度有所降低。

从以上测试成果统计可以看出，在大部分都是砂岩的地区该方法的适用性效果最好，在泥岩比重增加或砂泥岩不等厚互层地区适用性逐渐下降，尤其是在地下水TDS值变幅较大的地层，其有效性也有所下降，此时可分层进行参考，并根据地质条件进行判别，以降低误差。

2.4 全区微咸水埋深特征判别结果及评价

根据对比孔和工程孔的岩芯淋滤液测试结果，运用以上判别原则对水文对比孔及测试孔的微咸水埋深判别结果见表4，微咸水空间分布特征图见图7。

表4 微咸水埋深判别结果

从图7可知，本区微咸水埋深总体上由南东至北西逐渐加深，其方向与岩层倾向大体一致，深度由30 m左右逐渐加深过渡至200 m以上，呈现较好的梯度变化，中部和南部略有起伏，具有较好的规律性。

图7 微咸水分布埋深等值线图

总体上来说，本方法通过少量对比孔的判别结果对普通钻孔进行判别，大大提高了微咸水埋深判别的适用性及精度，判别的精度可根据岩芯的取样距离的加密而提高，其可靠性和精度基本可以满足实际需要。本方法对地下微咸水的埋深的判别结果和地层的倾向和产状具有较高的一致性，符合沉积学中易溶盐沉积规律和当地对红层地下水的主要认识，再次在宏观的角度证明了该方法的可靠性和实用性。

3 结 语

根据对红层地区大量钻孔的微咸水埋深特征地野外测试成果，提出了一种基于岩芯淋滤液的TDS值判别法对微咸水埋深进行判别，该方法在砂岩占比较高的地区具备较好的适用性，在泥岩占比增高或砂泥岩不等厚地层区域有效性相对有所下降，但通过一些人为校正可大大减小误差，提高适用性。该法能够充分利用非水文孔进行微咸水的判断，操作简单，且可大大降低微咸水判断的成本并节约工期，且能有效减少电法物探所面临的钻孔打穿后地下承压水与上层水混合所造成分界面不准的问题，具备较好的实用和推广意义。