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李海龙教授课题组在海水-地下水水量及物质交换方面取得系列进展

2017-11-03

近日,环境科学与工程学院李海龙教授课题组利用原位监测、数值模拟以及环境同位素示踪等手段方法,在研究海水-地下水水量及物质交换等方面取得一系列进展,在本领域国际知名期刊 Journal of Geophysical Research: Oceans和Journal of Hydrology上连续发表4篇论文。

海岸带海水-地下水相互作用包括两个重要过程:海底地下水排泄(Submarine Groundwater Discharge, SGD)和海水入侵(Seawater intrusion, SI)。SGD是指通过陆架边缘由海底进入海水中的所有水流,它包含了陆源淡水和再循环海水。由于不同流体组分在含水层混合并发生一系列复杂的生物地球化学作用和水岩相互作用,SGD中溶解物质(营养盐、金属元素、碳等)的含量往往高于地表水,它已成为海洋中各种化学物质(如氮、磷)的重要来源之一,同时也是各种污染物从陆地向海洋输送的一个重要而隐蔽的通道,对近岸海洋生态环境有着重要影响。课题组近年来一直围绕这一热点和焦点议题开展相关研究,近期取得如下进展:

(一)改进了镭、氡同位素质量平衡模型,提高了SGD的定量评估准确度。目前已有大部分研究,在利用镭、氡同位素质量平衡模型评估SGD过程中,都忽略了循环海水进入含水层时所带走的镭、氡同位素质量,从而导致SGD被低估。为了提高SGD及其携带的物质输入通量的评估精度,我们对现有同位素模型进行了改进,在模型中把循环海水进入含水层时所带走的镭、氡同位素质量作为一个新的汇项,对已有文献报道中许多研究者利用改进前的模型所评估的SGD,利用改进后的模型进行了重新评估,对比结果发现,使用改进前的模型,SGD将被低估1.9~93%,平均32.2%(图1)。我们把改进模型应用于胶州湾,结果显示,改进后的同位素模型对SGD的评估比改进前提高了30%~40%。胶州湾的SGD及其携带的营养盐和重金属输入通量都大于大沽河携带入海量 (Zhang et al., 2017)。

图1. 改进模型与原模型评估SGD 相对误差的绝对值|RE|随着近岸海水与地下水中镭或氡同位素活度比AR的变化 (Zhang et al., 2017)

(二)在胶州湾四种不同类型的湿地(沙滩、泥滩、潮沼及河口潮间带)建立了典型监测剖面,通过对每个剖面上水位、温度、盐度等的长时间(半个月)高频率(每小时一次)监测及广义达西定律的应用,定量研究了不同类型湿地的海水-地下水水量及物质交换。研究发现,各剖面中SGD变化范围为3.6×10-3~7.63 cm/d,最大值出现在沙滩剖面;沙滩对潮间带总SGD及其所携带的DIP贡献最大、泥滩次之;泥滩对潮间带SGD所携带的DIN贡献最大(图2)。SGD中高的DIN: DIP比值对胶州湾的浮游植物磷限制环境提供了额外的来源 (Qu et al., 2017)。

图2. 不同湿地对潮间带SGD及其所携带的DIN和DIP通量的贡献百分比

(三)解释了盐沼地植物分区的原因。土壤饱和度被认为是影响潮间带湿地植物分区的重要因素,但定量研究实际湿地土壤饱和度和植物分区关系的研究还很缺乏。我们综合长江口湿地的野外工作和室内数值模拟研究地下水流与植物分区的潜在联系。该研究场地由两个植物区(分别生长着芦苇和护花米草)和一个靠近河水的光滩组成。数值模型考虑了沉积物分层和各向异性,植物蒸散发,地形变化,特别是地形转变点,渗出面和潮汐荷载效应等复杂影响因素。通过数值模拟定量计算了土壤饱和指数SSI(土壤饱和时间占场地监测总时间的百分比)的空间分布。结果显示,植物根部0-0.3m范围内的平均SSI会在两种植物分界处和植物河向生长边界处分别突然增加11.4%和10.5%(图3)。这两个SSI的突然增加均不是由于地形突变造成的,河向SSI的增加是由于渗出面的产生导致的。结合两种植物的生理特性,我们推断,以SSI为定量指标的土壤饱和/非饱和条件是长江口湿地植物分区的重要决定性因素(Xiao et al., 2017)。

图3. 观测周期内地表平均淹没期和植物根部在不同土壤深度处饱和指数 (SSI)的空间变化分布图。监测井位置(黑色圆点)和植物分区的两个界限(x=400 m 和810 m)(Xiao et al., 2017)

(四)利用天然氡同位素(222Rn)对大亚湾SGD及其携带的营养物质输入进行了定量评估。大亚湾水体近年来富营养化程度加剧,且常有藻类爆发性繁殖发生。尽管常规环境调查与监测一直进行,但该地区SGD及其携带物质输入的研究却从未开展。课题组研究人员通过对大亚湾水体中222Rn的连续监测,利用氡同位素质量平衡模型评估了SGD(图4)。研究发现,大亚湾SGD及其携带营养物质输入量都超过了当地河流输入量,而这一过程在以往的研究中都被忽视。此外,具有高N/P的地下水输入可能对海湾生态环境有重要影响,在未来海湾环境管理中应注重这一过程 (Wang et al., 2017)。

图4. 大亚湾海底地下水排泄(SGD)随时间变化关系 (Wang et al., 2017)

上述研究工作得到了国家重点基础研究发展计划“973计划”(No. 2015CB452901, 2015CB452902)、国家自然科学基金 (No. 41430641) 等的支持与资助。

文章链接

[1] Zhang, Y., Li, H., Xiao, K., Wang, X., Lu, X., Zhang, M., An, A., Qu, W., Wan, L., Zheng, C., Wang, X., Jiang, X., 2017. Improving Estimation of Submarine Groundwater Discharge Using Radium and Radon Tracers: Application in Jiaozhou Bay, China. Journal of Geophysical Research: Oceans, 122, http://dx.doi.org/10.1002/2017jc013237

[2] Qu, W., H. Li, H. Huang, C. Zheng, C. Wang, X. Wang, and Y. Zhang (2017), Seawater-groundwater exchange and nutrients carried by submarine groundwater discharge in different types of wetlands at Jiaozhou Bay, China, Journal of Hydrology, http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.10.014

[3] Xiao, K., H. Li, A. M. Wilson, Y. Xia, L. Wan, C. Zheng, Q. Ma, C. Wang, X. Wang, and X. Jiang (2017), Tidal groundwater flow and its ecological effects in a brackish marsh at the mouth of a large sub-tropical river, Journal of Hydrology, 555, 198-212, http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.10.025

[4] Wang, X., H. Li, J. Yang, C. Zheng, Y. Zhang, A. An, M. Zhang, and K. Xiao (2017), Nutrient inputs through submarine groundwater discharge in an embayment: A radon investigation in Daya Bay, China, Journal of Hydrology, 551, 784-792, http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.02.036