使用瞬态电磁方法识别印度尼西亚西爪哇省加鲁特县桑托洛海滩地区的海水入侵现象

《Giant》：Identifying Seawater Intrusion in Coastal Areas Using the Transient Electromagnetic Method at Santolo Beach, Garut, West Java, Indonesia

海水入侵研究在印尼西爪哇Santolo海滩采用TEM方法，发现地下电阻率分为三层：表层高电阻（>50Ωm）、中层中等电阻（5-50Ωm）、深层低电阻（<5Ωm）的 seawater intrusion。水质检测显示TDS和EC值均低于饮用水标准，证实表层淡水未受污染，深层存在海水入侵现象

　　在沿海地区，海水入侵是一种对地下水造成污染的重要现象，通常由于地质条件、潮汐作用、气候变化、海平面上升以及人类活动等多种因素引起。海水入侵不仅会改变地下水的化学成分，特别是提高氯化物和钠离子的含量，还可能对环境和人类健康产生负面影响。因此，对海水入侵的监测和评估对于理解地下水质量变化和制定相应的管理策略至关重要。本文的研究聚焦于印度尼西亚西爪哇省加罗特地区的桑托洛海滩，通过应用瞬变电磁（TEM）方法和水文地质数据，对海水入侵的分布和地下水质量进行了综合分析。

### 研究背景与意义

桑托洛海滩位于印度尼西亚西爪哇省加罗特地区，是一个人口密集且以旅游业闻名的沿海区域。由于其靠近海洋，地下水极易受到海水影响，这对当地居民的日常用水、农业灌溉以及生态环境构成威胁。在这样的背景下，研究海水入侵的分布及其对地下水质量的影响显得尤为必要。通过了解海水入侵的具体位置和深度，可以为水资源管理提供科学依据，有助于采取有效措施防止污染扩散，保护淡水资源。

此外，海水入侵还可能将其他污染物，如重金属和有机物，一同带入地下水系统，进一步加剧水质问题。因此，建立一个可靠的海水入侵监测体系，对于维护沿海地区的生态平衡和经济可持续性具有重要意义。本文采用了TEM方法，结合水文地质参数，如总溶解固体（TDS）、电导率（EC）、pH值和水温，来综合评估地下水的水质状况。

### 研究方法

#### TEM数据采集与处理

TEM是一种利用电磁波探测地下电阻率分布的地球物理方法，通过人工源的直接电流（DC）突然切断来获取数据。该方法对地下电阻率变化非常敏感，特别适用于识别海水入侵的区域。在本研究中，使用了1D框架和中心环配置，进行TEM数据采集。具体来说，采用了WTEM-3Q浅层勘探系统，搭配PTT-40A天线和适配器，确保数据的准确性和分辨率。

数据采集覆盖了4.8平方公里的区域，共在21个点进行测量。这些点分布于不同的方向，形成九个剖面，其中最靠近海岸的点（T1）距离海岸仅35米，而最远的点（T21）则距离海岸达3,335米。为了提高计算精度，数据在处理过程中经过归一化处理，即根据电流值和发射线圈的大小进行标准化。此外，使用了32Hz的频率进行深层探测，每个电流周期持续2毫秒。

TEM数据的解释基于一个迭代反演过程，结合平滑约束方案。这种方法通过将观测数据与模型数据之间的差异最小化，从而构建出更精确的地下电阻率分布模型。平滑约束有助于减少模型的不稳定性，提高反演结果的可靠性。此外，使用了Occam反演算法，该算法通过在非线性问题中引入最大平滑性约束，确保模型的连续性和合理性。

#### 水文地质数据采集与分析

除了TEM数据，本研究还收集了多个水样，包括海水样本（T0）、六个浅井水样本（T6、T9、T12、T15和T21）以及沼泽水样本（T5）。这些样本在相同的条件下采集，并使用Combometer（HI98130，Hanna仪器）进行现场测量，以获取TDS、pH和温度数据。电导率（EC）则在印度尼西亚理工学院（ITB）的水质实验室进行测量。

水文地质数据的分析表明，所有样本的TDS和EC值均在一定范围内，且符合淡水或非咸水的标准。例如，根据世界卫生组织（WHO）和印度尼西亚卫生部第32号条例，TDS值低于600mg/L和1000mg/L的水样可被归类为清洁水，适用于饮用和灌溉。同时，研究还发现，不同地点的TDS和EC值存在差异，这可能与地理位置、地层结构以及人类活动有关。

### 研究结果

#### 地下电阻率结构分析

TEM数据的反演结果表明，桑托洛海滩地区的地下结构可以分为三个主要层：

1. **表层（0–15米）**：该层具有较高的电阻率（>50Ωm），主要由压实的沉积岩（如黏土或粉砂）构成。该层在靠近海岸的区域较厚，随着远离海岸的距离增加，其厚度逐渐减小。这可能与地表水的渗透和地下水的补给有关。

2. **中间层（15–40米）**：该层的电阻率处于中等水平（5–50Ωm），被认为是含水层，即地下水的主要储存区域。该层的厚度随着远离海岸的距离增加而增大，表明海水入侵的深度与距离之间存在一定的关联。

3. **导电层（>40米）**：该层的电阻率非常低（<5Ωm），通常被解释为海水入侵区域。海水的高离子含量使其具有较高的导电性，与淡水形成鲜明对比。导电层的深度随着远离海岸的距离增加而加深，表明海水入侵在远离海岸的区域更为严重。

#### 水文地质参数分析

水文地质参数的分析进一步支持了上述结论。TDS和EC值随着远离海岸的距离增加而升高，这表明海水入侵可能在较远的区域对地下水产生影响。然而，研究发现，TDS和EC值在远离海岸的区域可能并不完全由海水入侵引起，还可能受到人为污染的影响，如住宅区的污水排放。

相比之下，位于农业区的水样（如T5、T9和T15）表现出较低的TDS和EC值，表明这些区域的地下水受海水入侵的影响较小。此外，pH值和水温的测量结果显示，这些水样在pH和温度方面也符合清洁水的标准，进一步证明了地下水的质量状况。

### 讨论与分析

研究结果表明，尽管海水入侵在某些区域已经影响到地下水的深层部分，但表层和浅层地下水仍保持较高的质量，未受到显著污染。这可能与当地的地质条件和水文特征有关。例如，表层的高电阻率可能意味着该层具有较低的含水性，从而减少了海水入侵对浅层地下水的影响。

此外，研究还发现，不同地点的水文地质参数存在差异，这可能反映了不同的地层组成和地下水流动模式。例如，T5和T9的TDS和EC值较低，可能表明这些区域的地下水补给来自更深层的含水层，或者受到较少的人为干扰。

值得注意的是，虽然海水入侵在某些区域较为明显，但其对地下水质量的影响尚不显著。这可能意味着当前的地下水开采活动尚未达到足以引起明显污染的程度。然而，随着沿海地区的人口增长和经济活动的增加，海水入侵的威胁可能会进一步加剧，因此需要采取预防和缓解措施。

### 结论与建议

通过TEM方法和水文地质数据的结合分析，研究揭示了桑托洛海滩地区海水入侵的分布特征和地下水质量的变化趋势。结果表明，尽管海水入侵已经影响到部分深层地下水，但表层和浅层地下水仍保持较高的质量，适合饮用和农业灌溉。因此，当地居民和农业活动仍可以依赖这些地下水资源。

为了进一步保护淡水资源，研究建议采取多种措施，包括建立物理屏障（如地下可调节水坝）、实施人工补给（如雨水收集和回灌）以及采用先进的建模技术来预测海水入侵的发展趋势。此外，避免过度开采地下水，特别是在靠近海岸的区域，是减少海水入侵影响的重要策略。

本研究为沿海地区的水资源管理提供了重要的科学依据，同时也强调了在应对海水入侵时，需要综合考虑自然因素和人为活动的影响。通过持续的监测和科学的管理，可以有效维护地下水的质量，确保当地居民的用水安全和农业生产的可持续性。