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我院李海龙课题组在海岸带地下水动力过程及环境效应研究中取得系列进展

2019-09-23

近期,水文水资源领域著名期刊《Water Resources Research》、《Advances in Water Resources》、《Hydrogeology Journal》和环境领域著名期刊《Environmental Pollution》、《Science of the Total Environment》等连续在线发表八篇论文,报道了我院李海龙教授课题组近期在海岸带水文水环境方面的系列研究成果。研究内容主要有如下两个方面:

1. 潮汐驱动的地下水动态的数值模拟和解析研究

以往潮汐驱动地下水动态的研究中,均假定海向边界海水盐度不随时间变化。课题组成员在中国东部海岸线和美国南卡罗莱纳州等地所做的大量的野外工作表明,河口盐度往往会随潮汐波动变化(图1)。然后通过数值模拟,探讨了潮汐变盐度对潮间带浅层含水层地下水流、盐分和氮素运移的影响。模拟结果表明,不同水文地质条件下都存在经典的上部盐晕和下部盐水楔,但是在变盐度海向边界条件下,盐水楔中的盐度被严重稀释。潮汐变盐度条件下的地下水运移时间比定盐度条件下的地下水运移时间明显要短,特别是在潮水沟底部含水层(潜流带)。潮汐变盐度显著增强了地表水-地下水交换。另外,由于地下水与上覆地表水的密度不同,在潮沟底部含水层中存在指状咸水流,进而形成一些局部水循环单元,减少了地下水在沉积物中的滞留时间,使潮沟底部地表水-地下水相互交换速率增大了一倍。通过耦合变密度水流、溶质运移和硝态氮反应运移过程,发现潮汐变盐度会影响脱氮过程,在地下水排泄之前改变氮负荷 (Xiao et al., 2019a)。

                                                          图1. 河口地区上游汇水区和潮沟-湿地含水层示意图

在内陆补给对滨海地下水动态影响的研究方面,前人很少考虑内陆地下水位的季节性波动对咸淡水界面空间位置变化的影响,而且人们想当然地认为,内陆地下水季节性波动时,咸淡水界面只是简单地以无内陆地下水位波动的稳定态咸淡水界面为平衡点来回摆动。该课题组利用数值模拟手段研究了海平面恒定但内陆地下水水头作季节性正弦波动的含水层中的地下水动态,模拟结果表明,咸淡水界面的波动范围并不总以无波动的稳定态为平衡点摆动。当渗透系数K≤10-4 m/s时,内陆水位波动引起的最大海水入侵距离也小于稳定态时的。一个周期内海水入侵时间大于海水后退时间。K≤10-4 m/s时,海水入侵时间随内陆水位波幅的增大反而减小,导致海水入侵距离减小。内陆水位季节性波动增加了海水再循环形成的地下水排泄量 (Qu et al., 2019)。

该课题组同时对弱透水海底沉积物和下覆半承压含水层中海潮引起的地下水位波动进行了解析研究。分析讨论了弱渗透层和承压含水层的海潮荷载效应,水力传导系数和弹性储水等对含水系统地下水位波动的影响。分析表明:随着承压含水层海潮荷载系数的增大,含水层中地下水水头波动的振幅增大(图2),相位差减小 (Song et al., 2019 Geofluids)。

                图2. 振幅比(Ar)随荷载系数(Le1)、弱透水层的无量纲厚度(θ)、承压含水层的无量纲厚度(ab)的变化

潮间带非均质性是海岸带地下水动态研究中的难点和热点。该课题组以滨海湿地螃蟹洞造成的表层沉积物优先流通道为研究内容,探讨了对地下水流和盐分运移的影响(图3)。建立了两种数值模型:一种是等效连续介质模型,既把螃蟹洞所在的位置考虑成螃蟹洞层,其水力特性代表沉积物骨架和螃蟹洞特性的整体平均值;另一种是优先流模型,即在表层嵌入若干高渗透子区域以模拟螃蟹洞形成的优先流通道的效应。数值模拟结果表明,两种模型均能较好地反映螃蟹洞对湿地沉积物饱和度和孔隙水盐分运移的影响。螃蟹洞能显著提高地表水-地下水交换,提高土壤通气强度和持续时间,促进盐沼盐分运移。上述影响具有空间差异性,在潮汐沟附近影响更大。优先流模型的结果表明,螃蟹洞和沉积物骨架之间的盐度不同,这和野外实测数据吻合。(Xiao et al., 2019b)。

图3.(a)地下水通过滨海湿地的概念模型,箭头表示地下水流向。黑框表示方格(b)和(c)的垂直截面;(b)当地表暴露时,螃蟹洞中的水可以补充沉积物蒸发损失;(c)当地表被淹没时,地表水优先通过螃蟹洞入渗;(d)地表水中溶质通过螃蟹洞的扩散过程示意图。

2. 海湾或河口地区海底地下水排泄及环境效应

渤海是我国最大的边缘海之一,人类活动引起的污染物排放已经给渤海带来了严重的生态威胁。课题组采用高通量测序方法对渤海湾和莱州湾中的海底沉积物进行微生物基因测序分析,并结合相应的理化性质,探讨了海底沉积物中微生物的分布特征及其与营养盐和重金属的相互关系(图4)。研究结果表明,有机物的代谢活动是影响渤海湾微生物分布的主要原因,而莱州湾中微生物的分布受黄河的影响较大;沉积物中重金属对低价态的硫的氧化过程有促进作用,对氨的氧化过程有抑制作用;莱州湾近海沉积物中的微生物群落和渤海湾大部分沉积物中的微生物群落受相同的因素影响,可能是海洋环流或地下水排泄引起。研究结果对渤海和其他边缘海的生态系统管理和修复有一定的指导意义 (Lu et al., 2019)。

 图4. 渤海湾和莱州湾中理化因子和微生物之间的关系的典范对应分析(CCA)图。A图和B图分别表示渤海湾和莱州湾中非重金属理化因子和微生物分布的关系;C图和D图分别表示渤海湾和莱州湾重金属和微生物分布的关系。图中的点表示站位名称,箭头表示理化因子。两个站位在坐标轴上距离的远近代表站位之间微生物组成相似性的大小:站位距离越近,说明站位的微生物组成相似性越大;箭头之间的角度代表对应的理化因子之间的关系:锐角说明两个理化因子之间是正相关关系,钝角说明两个理化因子之间是负相关关系。箭头的长短代表理化因子和微生物组成之间关系的强弱,箭头的长度越长,说明理化因子对微生物组成影响越大。

在渤海湾的研究中,课题组运用镭质量平衡模型估算了海底地下水排泄及其携带重金属的通量。通过考虑海水再循环的损失项,结合镭同位素与水盐质量平衡模型评估了渤海湾水体刷新时间,地下淡水排泄量和地下水总排泄量。新增了不同外海端元的选取对评估结果的影响。所估计的地下水淡水排泄量是黄河流量的2.0-5.4倍,地下水排泄量则比黄河流量高一个数量级。计算结果表明海底地下水排泄所携带入海的重金属远大于渤海湾地区河流携带入海的重金属量,对渤海湾水体污染产生重要影响 (图5)。因此该研究结果对渤海湾生态环境治理将提供基础背景数据 (Wang et al., 2019. STOTEN)。

图5. (a) 地下水、河水和海水中重金属浓度对比图。图中重金属浓度选取了四分之一和四分之三分位数。(b) 地下水排泄携带的重金属通量与河流携带的重金属通量对比图

相比海湾尺度,河口的研究区面积可能更小。然而随着中国城镇化进程的加快,城镇化河流因地下水排放造成的富营养化污染在世界范围内日益受到关注。淡澳河是粤港澳大湾区典型的城镇化河流,当前正在遭受一定程度的水污染。然而,通过地下水排泄携带的营养盐荷载尚未完全量化。鉴于此,课题组将水文调查和镭同位素方法相结合,从河流上游到河口地区采集了地下水和河水样本,以分析镭同位素和营养物质浓度,包括无机氮,磷和硅。研究结果表明,从河口到上游,地表水和地下水中镭的活性均呈下降趋势。利用短半衰期的镭同位素(223Ra和224Ra)建立的镭质量平衡模型,估算出研究区地下水排泄通量为2.0×105~6.7×105m3 d-1,与上游河流流量4.23×105m3 d-1相当。地下水携带的营养盐通量对整个淡澳河无机氮磷硅的贡献率分别为19%~44%、16%~39%和31%~60% (图6)。此外,地下水携带的营养盐中氮磷比高达190,这可能对河流中的营养盐结构产生潜在影响。这些研究结果可为今后设计从水陆统筹角度减缓淡澳河污染提供了基础数据 (Xiao et al., 2019c)。

图6. 地下水、海水与河水交互作用示意图及地下水输送营养盐通量百分比

天然放射性同位素氡(222Rn)是广泛用于量化海底地下水排放(SGD)的示踪剂。有两种常用的设备包括“RAD AQUA”和“Water Probe”(均为美国Durridge公司生产)用来估计海底地下水排泄通量。然而,尚无研究对比二者之间的差别。课题组将这两种方法同时用于监测同一地表水体大亚湾同一位置的222Rn浓度。基于所获得的时间序列和222Rn质量平衡模型,评估和比较了两种方法估算的SGD通量。结果表明,Water Probe测得的平均222Rn浓度仅约为RAD AQUA检测到的平均浓度的30%。基于用Water Probe测量的222Rn时间序列估算的平均SGD通量是基于RAD AQUA检测结果的69%。该研究结果表明,RAD AQUA可以更准确地捕获氡浓度变化的信号,是连续监测沿海地区氡和量化SGD的更好方法。因此,需要重新评估之前基于Water Probe方法的222Rn数据估算的SGD和相关营养通量的研究 (Wang et al., 2019)。

                                           图7. RAD AQUA (a)和Water Probe (b)两种连续测量水体222Rn的装置示意图

 

期刊论文链接:
1. Lu, M., Luo, X., Jiao, J.J., Li, H.L., et al., 2019. Nutrients and heavy metals mediate the distribution of microbial community in the marine sediments of the Bohai Sea, China. Environmental Pollution 255. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113069.
2. Qu, W.J., Li, H.L., et al., 2019. Numerical simulations of seasonally oscillated groundwater dynamics in coastal confined aquifers. Groundwater. https://doi.org/10.1111/gwat.12926.
3. Song, Z., Li, H.L., et al., 2019. Analytical Solution of Tidal Loading Effect in a Submarine Leaky Confined Aquifer System. Geofluids. https://doi.org/10.1155/2019/8017164.
4. Wang, Q.Q., Li, H.L., et al., 2019. Evaluations of submarine groundwater discharge and associated heavy metal fluxes in Bohai Bay, China. Science of the Total Environment. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.133873.
5. Wang, X.J., Li, H.L., 2019. Submarine groundwater discharge revealed by 222Rn: comparison of two continuous on-site 222Rn-in-water measurement methods. Hydrogeology Journal, 27:1879–1887. https://doi.org/10.1007/s10040-019-01988-z.
6. Xiao, K., Li, H., Xia, Y.Q., et al., 2019a. Effects of tidally-varying salinity on groundwater flow and solute transport: insights from modelling an idealized creek-marsh aquifer. Water Resources Research. https://doi.org/10.1029/2018WR024671.
7. Xiao, K., Wilson, A.M., Li, H.L., et al., 2019b. Crab burrows as preferential flow conduits for groundwater flow and transport in salt marshes: A modeling study. Advances in Water Resources, 132, 103408. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2019.103408.
8. Xiao, K., Li, G., Li, H.L., et al., 2019c. Combining hydrological investigations and radium isotopes to understand the environmental effect of groundwater discharge to a typical urbanized estuary in China. Science of the Total Environment, 695, 133872. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.133872.