采用综合地球物理-水化学方法对城市化沿海含水层海水入侵的空间显式评估

《Journal of Cleaner Production》：Spatially explicit assessment of seawater intrusion in urbanized coastal aquifers using an integrated geophysical-hydrochemical approach

　　

•一种用于空间显式海水入侵（SWI）评估的新型综合框架（HWMSWI）。•HWMSWI揭示超过47%的面积受到海水入侵的严重影响。•地表水网络与海水迁移及先前证据在空间上相互关联。•采用ERT、VES和采样的分阶段工作流程优化了沿海SWI研究中的资源利用。引言沿海含水层是全球社会与生态系统至关重要的淡水储库（Guo等人，2014；Richardson等人，2024）。它们为居住在人口密集、经济重要的沿海地区的全球40%以上人口提供关键的国内、农业和工业用水。除供水之外，这些含水层与近岸生态系统动态互动，影响养分循环，支持河口栖息地，并通过调节陆海污染物通量来缓冲污染（Derrien等人，2025）。然而，这种临近性也使它们变得格外脆弱。气候变化与人类活动压力（如地下水过度开采、土地利用变化和快速城市化）相结合，日益 destabilize 这些脆弱的系统（Hermans等人，2023）。这些压力因子的汇聚对全球沿海地区的地下水可持续性、生态系统健康和水安全构成重大挑战（Guo等人，2024）。在这一系统性压力的背景下，海水入侵（SWI）——即淡水-海水界面向陆地方向的迁移——已成为沿海含水层完整性面临的最严峻且最具体的威胁之一（Lu等人，2015；Lu和Werner，2013）。由气候和人为压力因子的综合作用所驱动，SWI不仅代表水力置换，更涉及复杂的地球化学改变。除了最初的混合和盐渍化之外，SWI还会引发一系列次生地球化学过程，如广泛的阳离子交换、矿物溶解以及有害组分的活化。这些过程从根本上改变了地下水地球化学性质，使其趋向海水组成，不可逆地降低饮用水、农业用水和工业用水的水质。本质上，SWI代表一种持续性的混合与盐渍化过程，海水永久性地损害了淡水资源（Akshitha等人，2021）。SWI造成的具有破坏性的社会经济和生态影响已被全球广泛记录，使其成为可持续发展的首要障碍（Benaafi等人，2023；Jeen等人，2021；Zha等人，2025；Zhang和Yi，2024）。因此，准确绘制地下水盐渍化的范围和严重程度是实现可持续水资源管理和沿海生态系统保护的基本要求（Ruidas等人，2023）。在过去二十年中，界定淡水-咸水界面已成为全球研究重点，促使了对全球沿海含水层盐渍化的众多研究（Weymer等人，2022）。传统且最成熟的方法依赖于从监测井中直接采集地下水样本（Jasechko等人，2020；Lovrinovi?等人，2021）。该方法涉及对采集水样进行详细的地球化学和同位素分析，并结合水力头数据推断流动方向和混合过程（Ba等人，2025；Chen等人，2021；Mazzourh等人，2025）。该方法的有效性根本上取决于高密度的监测井网络。然而，由于高昂的成本和后勤限制，井网通常较为稀疏（Zhi等人，2024）。这种低空间分辨率无法捕捉沿海含水层固有的非均质性，留下关键的数据空白。因此，亟需一种能够提供高分辨率、空间连续信息的先进技术，以克服基于井的监测的局限性。地下水盐渍化是SWI最直接的表征，创造了独特的地球物理目标，因为咸水具有显著高于淡水的电导率。这种对比性已确立了基于电阻率的方法，特别是垂直电测深（VES）和电阻率层析成像（ERT），作为主要的SWI探测工具，现已广泛用于沿海地区淡水-咸水界面的界定（Alao和Abubakar，2025；Omosuyi等人，2021）。然而，一个根本性的挑战依然存在，因为地下电阻率是一个非唯一参数，不仅受孔隙水盐度的影响，还受岩性、孔隙度、粘土含量和含水饱和度的影响（Gaikwad等人，2022；X. Wu等人，2025）。这导致了地球物理等效性现象，即不同的地下组合产生相似的电阻率响应，给盐渍化范围和严重程度的解释带来模糊性。此外，尽管高效且无损，这些方法主要仅产生单一数据类型：视电阻率（Gallas，2023）。仅依赖此参数对于理解SWI复杂的地下水地球化学过程提供的洞察有限（Surian等人，2025）。为减轻电阻率重叠造成的模糊性，Dar-Zarrouk（D-Z）参数——将层电阻率和厚度浓缩为复合指标的参数——已被重新审视（Arjdal等人，2024；Maillet，1947）。纵向电导和横向电阻等参数可以区分原始电阻率重叠的含水层。然而，应用单一的D-Z参数阈值通常仅能实现定性或半定量的盐度评估。缺乏一个综合多种电阻率衍生指标的完整框架来进行准确、可靠和全面的SWI评估。这些方法学上的缺口阻碍了非均质沿海含水层中有效的盐渍化评估和管理。青岛是中国东部位于胶州湾沿岸的一座主要沿海大都市，典型地体现了这些挑战。该地区此前的SWI调查主要依赖于稀疏的监测井或单一地球物理方法，在空间连续、高分辨率的盐渍化制图方面存在关键空白。此外，先前建立D-Z参数-盐度关系的研究主要集中于均质冲积含水层，对青岛沿海区典型的非均质双介质系统（孔隙和基岩裂隙）关注有限。为解决这些缺口，本研究在方法学层面做出了若干独特的贡献。首先，系统定量比较了同一沿海系统中孔隙含水层和基岩裂隙含水层中D-Z参数-盐度关系，揭示了岩性对电地球物理-地球化学耦合的根本控制作用。其次，开发了SWI分层加权模型（HWMSWI），该模型分层整合多种电阻率衍生指标。这些指标根据预测强度和地下水地球物理意义进行加权，使框架能够克服单一参数解释固有的模糊性。第三，D-Z参数与含水层介质中诊断性地下水地球化学指标的系统相关性分析，为将地球物理信号解释为SWI特有地球化学过程提供了经验证的基础。在应用层面，本研究在两个方面推进了SWI勘探设计。第四，引入了资源效率评估维度，通过定量比较不同野外方法在成本、时间、人员和环境足迹方面的差异，并提出一种平衡空间分辨率、模型可靠性和环境及操作可持续性的分阶段工作流程。第五，通过部署了据我们所知是中国沿海城市最密集的VES调查之一（78 km2面积上的340个测站），该框架揭示了地表水网络作为潜在盐渍化通道的结构作用。基于这一综合框架，本研究旨在：（1）建立青岛胶州湾北部沿海地区（NCRJB）非均质含水层中地球电参数与地下水盐度之间的稳健定量关系；（2）开发并验证HWMSWI框架以实现空间连续的SWI严重程度制图；（3）划定这一城市化沿海环境中SWI的空间模式和主导机制。本研究的方法学发现和成果旨在具有可转移性，为全球面临类似地下水文挑战的沿海城市提供可持续、可复制的高分辨率SWI评估模型。各章节摘要研究区域与水文条件胶州湾北部沿海地区（NCRJB）位于中国东部重要的沿海大都市——青岛市（Ji等人，2024a）。研究区面积约78 km2，地理范围为东经120°11′–120°19′和北纬36°14′–36°19′（图1）。该地区拥有多样化的景观，包括城市区域、工业园区、农业用地、森林和村庄。城市和工业用地主要集中在中部和东部。方法与材料本节从七个部分描述材料和方法。第3.1节概述了总体研究框架。第3.2节描述了地下水采样和实验室分析。第3.3节电阻率层析成像调查、第3.4节垂直电测深调查分别详述了电阻率层析成像和垂直电测深调查。第3.5节介绍了Dar-Zarrouk参数的计算，第3.6节开发了分层加权模型。结果本节从七个部分呈现综合地球物理和地球化学调查的发现。第4.1–4.2节特征描述了孔隙和裂隙含水层中的一般地球化学特征和主要溶质来源。第4.3–4.4节呈现了ERT和VES调查结果。第4.5节建立了定量参数-TDS关系，该关系为第4.6节中的空间分布图和第4.7节中的SWI严重程度分类提供了支撑。讨论本节从五个部分解释发现结果并讨论其意义。第5.1节将地球物理指标与地下水地球化学过程进行验证。第5.2节考察了HWMSWI框架的方法学设计和稳健性，包括其保守分类理念和灵活加权架构。第5.3节评估了野外方法的资源效率并提出优化工作流程。第5.4节将方法学进展置于更广阔的背景下。结论NCRJB中D-Z参数与地下水盐度之间的定量关系表明，电地球物理-地球化学耦合受地下水盐度和含水层岩性的共同控制。在孔隙含水层中观察到强相关性，咸孔隙水主导了整体电信号；而在基岩裂隙中相关性减弱，因为电阻性基质掩盖了盐度特征。HWMSWI框架整合了这些多指标。作者贡献声明（CRediT）董吉：撰写——原稿、方法学、调查、资金获取。马健：撰写——审阅与编辑、监督、调查、数据整理。张浩：调查、数据整理。郭岩绪：验证、方法学、资金获取、概念化。孙曦：调查、数据整理。侯晶：数据整理。资金支持本工作由山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024QE349）、青岛市城市地质调查项目（项目编号：ZFCG2019001542）、中国高等教育学会高等教育研究规划项目（项目编号：CX230303）、潍坊学院博士科研启动基金（项目编号：2022BS34）资助。利益冲突声明作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。致谢作者衷心感谢副主编和匿名审稿人，其建设性意见极大地改进了本手稿。第一作者谨向青岛市勘察测绘研究院的王泽勇、李雪专、徐树兵和王芹表示诚挚的感谢，感谢他们在野外调查期间提供的宝贵协助与合作。董吉|马健|张浩|郭岩绪|孙曦|侯晶