为干旱地区的可持续地下水管理绘制海水入侵图谱：来自沙特阿拉伯东部阿尔霍夫夫地区的地球物理方法

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Mapping Seawater Intrusion for Sustainable Groundwater Management in Arid Regions: A Geophysical Approach from Al-Hofuf, Eastern Saudi Arabia

本研究利用垂直电测 sounding（VES）结合地质结构分析，在沙特阿拉伯Al-Hofuf地区首次构建高分辨率海水入侵模型，揭示了构造地质对入侵范围的影响，并验证了VEs在该类环境中的有效性。

　　

Kamal Abdelrahman|Alfahad A. Almakrami|Saad S. Alarifi

沙特阿拉伯国王沙特大学科学学院地质研究中心地质与地球物理系

摘要

海水入侵影响了沿海含水层的可持续性，特别是在像沙特阿拉伯东部这样的干旱地区，那里的地下水是主要的水源。本研究使用Schlumberger电极阵列进行了垂直电测深（VES）技术，在沿海-内陆剖面（AB/2）的20个站点对Al-Hofuf地区的海水入侵进行了测绘和特征分析，测深深度达到400米。通过一维建模反演电阻率数据并进行了统计验证（R2 > 0.97），揭示了四个地球电层。上部不均匀的第四纪沉积物表现出可变的电阻率，而一层低电阻率的富粘土层（3.4–39 Ω·m）起到了隔水层的作用。下部的裂隙化和喀斯特化石灰岩（12.2–132 Ω·m）构成了主要的淡水含水层。靠近海岸的点（VES-20、VES-16、VES-10）显示出非常低的电阻率，表明有活跃的海水入侵现象，而内陆点（VES-7、VES-8）则显示出高电阻率，表明为淡水或干沙。空间分析显示，海水入侵延伸至内陆35公里范围内，沿着渗透性良好的沙层和裂隙化石灰岩分布。构造地质特征，尤其是南北走向的背斜和向斜，调节了盐水的迁移，起到了部分流动屏障的作用。将地球电学结果与构造地质图相结合，首次为Al-Hofuf地区建立了高分辨率的海水入侵模型，识别出脆弱区域和潜在的含水层补给（MAR）地点。这种成本效益高且可扩展的方法支持了干旱沿海地区的可持续地下水管理，符合可持续发展目标6。

引言

水资源短缺是全球最紧迫的挑战之一，尤其是在可再生地表水资源极少或不存在的干旱和半干旱地区（Alfarrah & Walraevens, 2018; Hussain et al., 2019; Chen et al., 2024; Cui et al., 2024; Li et al., 2025; Wang et al., 2025）。在沙特阿拉伯，尤其是在东部省份，地下水是家庭、农业和工业用水的主要来源（Benaafi et al., 2022; Al-Zarah, 2011）。自20世纪中叶以来，人口快速增长、农业集约化和工业扩张导致地下水消耗增加，含水层水位下降，水质恶化（Werner et al., 2013; Chang et al., 2018; Fu et al., 2024; Zhao et al., 2024）。海水入侵（SWI）是最严重的后果之一，即咸水向淡水含水层迁移，直接影响了地下水的可用性和可持续性（Michael et al., 2013; Khadra & Stuyfzand, 2018; Liu et al., 2024; Wei et al., 2024）。

气候变化、海平面上升和人口增长加剧了海水入侵的严重性，这些因素减少了补给量并增加了对沿海含水层的需求（Van Camp et al., 2014; Hussain et al., 2019; Huang et al., 2025; Li et al., 2025）。这些因素凸显了可靠监测和早期检测海水入侵的紧迫性，以便为沿海地区的可持续水资源管理提供信息（Abegeia and Nedaw, 2024; Ren et al., 2024; Satriyo et al., 2024; Wu et al., 2024）。尽管沙特阿拉伯Al-Hofuf地区由于靠近海岸线和复杂的构造地质而具有高敏感性，但对该地区海水入侵的范围和动态了解仍然有限（El Mahmoudi et al., 2015; Alfaifi et al., 2019）。

地球物理技术对于划定咸水-淡水边界至关重要，例如电阻率层析成像（ERT）、时域电磁法（TDEM）和垂直电测深（VES）等方法在全球范围内得到了广泛应用（Chen et al., 2018; Niculescu & Andrei, 2021; Lei et al., 2024; Yu et al., 2025）。ERT可以生成详细的2D或3D图像，但需要密集的电极阵列、大量时间和较高成本。TDEM能够深入探测，但在近地表电阻率条件下效果有限。相比之下，VES是一种非侵入性的现场技术，特别适合在干旱地区进行快速评估，能够以相对较低的成本可靠地检测与盐度梯度相关的垂直电阻率变化（Adagunodo et al., 2018; Hasan et al., 2019; Bayowa et al., 2023; Ibrahim et al., 2024）或近地表地下水潜力（Li et al., 2024; Zhao et al., 2025）。这些特点使得VES特别适合Al-Hofuf地区的物流和水文地质条件（图1）。

尽管人们认识到含水层在沙特阿拉伯东部的重要性，但以往大多数关于Al-Ahsa的研究都集中在土壤盐度上（El Mahmoudi et al., 2015; Mohammed et al., 2022）。到目前为止，还没有系统性的地球物理研究将VES与构造地质相结合来研究Al-Hofuf的海水入侵。鉴于该地区南北走向的背斜和向斜强烈影响地下水流动，并可能调节盐水的入侵，这构成了一个重要的知识空白。

本研究通过结合垂直电测深（VES）和构造地质分析，首次建立了Al-Hofuf地区的高分辨率海水入侵模型。通过整合电阻率数据与构造控制信息，我们识别了脆弱的含水层区域，划定了咸水-淡水界面，并评估了褶皱对地下水流路径的影响。指导本研究的核心问题是：构造地质与含水层性质之间的相互作用如何控制Al-Hofuf地区海水入侵的内陆范围和分布？

因此，本研究旨在利用垂直电测深（VES）数据确定海水入侵在浅层和深层含水层中的空间范围和深度，同时描述地下岩性的地球电学电阻率结构，以区分咸水、半咸水和淡水区域。此外，还旨在评估构造特征（特别是背斜和向斜）对地下水流动和盐水入侵控制的影响。最后，该研究证明了VES作为一种非侵入性、成本效益高且基于现场的方法，适用于干旱沿海地区含水层脆弱性的快速评估。

据我们所知，这项研究是首次系统地将垂直电测深（VES）数据与Al-Hofuf地区的详细水化学参数相结合，从而建立了经过验证的海水入侵模型。该研究通过将地球电学电阻率解释与独立的水质指标相结合，超越了传统的水化学评估方法，能够更准确地划定咸水、半咸水和淡水区域。其新颖性不仅在于这种综合方法，还在于明确考虑了影响地下水流动和盐水入侵的构造控制因素，特别是背斜和向斜。此外，通过证明VES作为非侵入性、快速且成本效益高的含水层脆弱性评估工具的有效性，该研究展示了一种实用的方法，可以在其他先进地球物理调查资源有限的干旱沿海地区应用。

部分内容摘录

地质框架

沙特阿拉伯东部省份由以碳酸盐和蒸发岩为主的多层含水层系统构成（图2）。这些岩层表现出横向和纵向的异质性，形成了控制地下水流动和盐度迁移的含水层-隔水层交替层（Benaafi et al., 2022; Khogali et al., 2024）。Al-Hofuf地区位于阿拉伯平台的边缘，由于构造原因，浅层地下水系统容易受到海水入侵的影响

方法论

本研究采用了垂直电测深（VES）技术来描述地下岩性并评估海水入侵路径。该方法旨在在分辨率和深度穿透之间取得平衡，同时考虑了沿海含水层的水文地质复杂性。

选择VES是因为它能够提供适合划定分层含水层系统的可靠深度-电阻率剖面。在可用的电极配置中，Schlumberger电极阵列是最适合的方法

结果

在整个研究区域内共进行了20次垂直电测深（VES）调查。表2显示了VES数据测量结果。电阻率值范围从<10 Ω·m到>150 Ω·m，显示出显著的横向和纵向变化。沿海和沙丘环境中的浅层始终显示出非常低的电阻率值（<10 Ω·m），表明高盐度或富含粘土。中间区域的电阻率值介于10–50 Ω·m之间，这是半咸水的特征

结论

本研究证明了垂直电测深（VES）在描述水文地质结构和检测研究区域沿海含水层中的海水入侵方面的有效性。通过将电阻率数据与构造特征（如背斜-向斜系统）相结合，我们划定了含水层边界、隔水层位置和潜在的盐碱化区域。这些发现提供了关于构造地质如何影响地下水盐度的新的区域尺度见解

作者贡献声明

Kamal Abdelrahman：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件应用，方法论设计，数据整理，概念构思。Alfahad A. Almakrami：撰写——初稿，数据可视化，资源获取，方法论设计，数据整理，概念构思。SAAD ALARIFI：撰写——审稿与编辑，资源获取，研究实施，资金筹集，数据整理，概念构思

未引用的参考文献

Abegeja and Nedaw, 2024; Al-Amri and El-Khalili, 2017; Al-Ghamdi et al., 2020; Al-Harthi and El-Sayed, 2019; Al-Hassan et al., 2013; Al-Husseini and Matthews, 2010; Al-Shaibani, 2008; Bear et al., 1999; Benaafi et al., 2022; Cardoso et al., 2018; Custodio, 2010; El Yaouti et al., 2009; El-Sayed and Al-Garni, 2019; Ghassemi and Post, 2017; Han et al., 2016; Jha et al., 2021; Kallioras et al., 2010; Khogali et al., 2024; Li et al., 2018; Li et al., 2025; Mahesha and Nagaraja, 1996; Oude Essink et

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢主编和副主编的支持和宝贵合作。本研究得到了沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学持续研究资助计划（ORF-Ctr-2025-5）的支持。