厦门湾砂质潮间带海底地下水排泄的非均质性研究

2024-02-02王志秀郝奇琛李亚松刘春雷张媛静

河北地质大学学报 2024年1期

王志秀，郝奇琛，李亚松，刘春雷，张媛静

1.河北地质大学城市地质与工程学院，河北石家庄 050031；2.福建省水循环与生态地质过程重点实验室，福建厦门 361021；3.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061

0 引言

海岸带是海陆交界的生态过渡带，同时也是人类活动最频繁、经济最发达、生态环境最敏感脆弱的区域[1]。随着海岸带地区人口日益增长和工农业、城市建设迅速发展，近岸海域的生态环境面临着日益严重的污染问题，这对生态系统的正常功能构成了巨大威胁[2]。海底地下水排泄(Submarine Groundwater Discharge，SGD)是指无论流体组成或驱动力如何，通过大陆边缘从海底流向沿岸海域的所有水体，它包括海底地下淡水排泄(Submarine Fresh Groundwater Discharge，SFGD)和再循环海水排泄(Recirculated Submarine Groundwater Discharge，RSGD)，是海岸带地下水—海水相互作用中重要的水循环过程[3-5]。SGD不仅是海洋中水量和各种化学物质的重要来源之一，还是陆地向海洋输送各种污染物的重要隐蔽通道[6，7]。在已有的SGD研究中，有超过48%的研究案例SGD所携带的营养盐通量超过了当地河流的营养盐通量；有超过90%的案例SGD携带的营养盐通量超过了当地河流营养盐通量的10%[8]。由此看来，SGD是一个重要的、不可忽视的营养盐来源。此外SGD还会将相当可观通量的溶解性金属元素、微生物以及其他物质(总溶解无机碳，CO2和CH4等)带入海岸水体[6]。这些物质的过量输入极有可能导致海洋中化学物质收支失衡，影响海洋生态系统的稳定性[9]。目前，SGD已得到越来越多海洋学家和水文地质学家的关注。

全球海岸线十分漫长，地质、水文地质、构造条件等存在着明显的差异，海岸带的类型也很多(如砂砾质海岸、基岩海岸、泥质海岸、三角洲海岸、岩溶海岸、红树林海岸等)，不同类型海岸带的SGD差异很大[10]。除此之外，沿海地区地下水的流动还会受到自然地质非均质性的强烈影响[11]。含水层特征对于调节SGD起着至关重要的作用，可渗透和不可渗透的构造材料可以引导SGD，如裂缝、岩溶管道以及堤坝[12-14]。潮汐、三角洲和河流沉积物表现出明显的岩性空间变化，这些均体现为局部不同的水力特征。目前，含水层的非均质性和SGD间的关系已成为相关研究过程中必须考虑的重要问题[15，16]。Wang等[17]用二维解析描述了非均质含水层与地下水、海水之间的相互作用。研究结果表明，含水层的非均质性会对因海岸距离而产生地下水位涨落的时滞效应有直接影响。李海龙等[18]综述了海岸带水文地质学中的热点问题和待解决的主要问题，并指出在解决漏油滞留问题时，需要克服潮间带中非线性复杂因素带来的困难，理清当地非均质海滩地下水动态水化学变化规律，最后提出，目前研究中非均质和各向异性性质的深层、大尺度海底含水层在海岸带海水—地下水相互作用中的作用均没有考虑，有待后期进一步解决。Houben等[19]通过物理实验和数值模拟方法研究了沿海含水层非均质性及其对海岸带地下水流和SGD的影响，研究结果表明，沿海含水层的非均质性是由离散特征和空间分布的水力传导场引起的，它影响着沿海地下水的流动，影响咸水和淡水界面的形状和位置以及淡水向海洋排放的位置和通量。

本文基于2022年7月厦门湾潮间带垂直于海岸线布设18条剖面的盐度监测数据和典型剖面盐度动态监测数据(图1)，通过对地下水盐度数据进行分析，从整个砂质海岸的尺度，理清潮间带地下水盐度分布规律，圈定潮间带SGD的异常区，并讨论高渗透天窗对SGD的影响；从垂直于海岸线的角度，探究潮汐作用下垂直于海岸线方向上地下水的盐度变化规律，需要说明的是潮间带地下水盐度分布特点主要是潮汐周期作用的结果，与潮汐作用相比，季节变化因素影响较小，因此，本研究时段的产生的结论对其他季节或时段具有普适性。研究结果将为海岸带地下水管理与海洋生态环境保护提供一定的参考依据。

1 研究区概况

厦门湾位于中国东海台湾海峡西岸，福建省闽南九龙江入海口，湾外有小金门岛、大担岛、青屿、浯屿等屏障。厦门湾属于亚热带季风气候，温暖湿润，雨量丰富，夏季高温多雨，冬季温和少雨，年平均气温为20.9 ℃，多年平均降水量约1 530 mm，其中3—9月的降水量占全年降水量的80%以上。厦门市是闽西南经济合作区的发展核心，对水资源需求不断增加，淡水资源十分匮乏。在过去十年中，厦门市的总用水量呈波动缓慢上升，年平均用水量为6.28×108m3，年人均用水量为331.9 m3[20]。厦门湾潮汐属正规半日潮，平均潮差3.99 m，最大潮差6.92 m，平均涨潮时间6 h 18 min，平均落潮时间6 h 7 min(1960—1982年)[21]。厦门湾南岸砂质海滩潮间带整体地形平缓，上覆中粗砂，渗透性较好，下部为淤泥质沙(弱透水层)[22]。平缓的地形及砂层的高渗透性为潮间带海底地下水排泄提供了有利条件。

2 渗出面判断

利用Turner[23]推出判断渗出面是否存在公式：

(1)

式中，n为潮间带沉积物有效孔隙度；RT为潮差，m；T为海潮周期，h；KH为水平渗透系数，LT-1；∑为判断渗出面的参数，当∑<1时，则无渗出面；反之∑>1时，则存在渗出面。

根据对前期厦门湾砂质潮滩的调查，现将各个参数设定如下：RT取值范围为0.99～6.92 m，T=24 h，n=0.3，潮滩坡度β约为3%。通过查阅资料保守取值砂层最大粒径情况下KH=5.79×10-4m/s[24]，远大于实际砂层渗透系数。算得渗出面参数∑为104～106，远大于1，由此定量计算结果证明，厦门湾潮间带存在渗出面。此外，通过前期的野外调查，从落潮至涨潮期间，潮滩大部分区域均处于饱和状态，且可以直观的看到有地下水渗出，同样也印证了此处存在大面积渗出面。

3 剖面布置与数据观测

3.1 监测剖面布设

垂直于海岸线每隔约400 m布设一条监测剖面，每条剖面由内陆向海洋方向分别布设3～4个监测点，对地下水和近岸海水盐度、温度、电导率、pH等项目进行监测。根据结果分析，对发现的异常区H07～H09号剖面进行了加密测量，共布设18条剖面(图1)。

3.2 数据观测

于2022年7月26日至7月31日，使用多参数水质检测仪对潮滩渗出面渗出的地下水及近岸海水的盐度、温度、电导率、pH等项目进行数据采集，采用在潮滩渗出面挖出少量泥沙形成小沙坑并在下部挖出排水沟的方法，目的是使地下饱水带出漏汇集沙坑中，并由水沟流出，保证溢出的地下水始终处于不断更新的状态，每个监测点采取多次监测取平均值的方式，以保证溢出点地下水盐度数据的准确性(图2)。

图2 野外现场监测装置图Fig.2 Field diagram of monitoring device

4 数据分析

4.1 各剖面及海水盐度分布特征

图3展示了各剖面地下水最低盐度及高、低潮位海水盐度分布情况。其中，可以看出从砂质海岸两端大部分区域潮间带各剖面地下水最低盐度在25～30 g/kg之间上下波动的状态，潮滩的中间部位地下水盐度急剧下降，地下水盐度最低点位于H08号剖面上，盐度值为15.44 g/kg，明显低于其他监测剖面，说明此处存在明显的海底地下淡水排泄且排泄量相对较大；低潮位时，砂质海岸两端相同区域，近岸海水盐度在30～32 g/kg之间上下波动，中间部位盐度明显降低且盐度最低点同样位于H08剖面，盐度值为29.26 g/kg，这是由于该剖面附近存在较大量地下淡水排泄到海水中使得近岸海水盐度明显降低；高潮位时，各剖面位置的海水盐度呈现稳定的状态，盐度值均为33.8 g/kg左右，原因是此时海水水头大于内陆淡水水头，海水以入渗补给地下水为主，地下水排泄量较小。

图3 各剖面地下水最低盐度及高、低潮位海水盐度变化Fig.3 The lowest salinity of groundwater and changes in seawater salinity at high and low tide levels in each profile

图4展示了整个潮滩渗出面处地下水盐度空间分布情况。可以看出每条监测剖面沿剖面方向，由内陆向海洋盐度呈现先降低再升高，原因是剖面上部为上盐度羽(Upper saline plume，USP)区域，它主要是在海潮和波浪驱动作用下形成的，涨潮时海水从潮间带上部入渗，落潮时再次渗出，盐度接近海水盐度，与之相对应的是由咸淡水密度差产生的下盐水楔[25]，由于监测条件限制不能监测到。剖面中部盐度降低，原因是此处为陆源地下淡水排泄通道(FDT)，可能存在较大量的地下淡水排出；剖面下部盐度再次升高，是由于靠近海向此区域被海水淹没的时间较长，受海水影响较大，SFGD相对较小。以上规律均客观反映了SGD的水文过程(图5)。从整个潮滩来看，潮滩盐度分布不均匀，差异性较大。由图可以看出，潮滩有5处低盐度区域，这与图3中相应位置(剖面H03、H05、H06、H07、H08)地下水最低盐度分析结果一致，可以看出整个沙滩含水层存在着明显的非均质性，且位于潮滩中间位置(H08附近)可以看出有明显的最低盐度区域，潮滩的中间部位可能存在着明显的高渗透天窗。

图4 研究区潮间带地下水盐度等值线图Fig.4 Salinity contour map of intertidal groundwater in the study area

图5 海底地下水排泄过程示意图(据文献[2]修改)Fig.5 The schematic diagram of submarine groundwater discharge

通过以上分析结果表明：潮间带地下含水层的非均质性对海底地下淡水排泄有着较大影响，进而影响潮滩地下水盐度的空间分布。

4.2 高渗透天窗分布特征

根据H08号剖面附近的加密监测结果，绘制了潮滩中间部位(H08附近)盐度等值线图(图6)，据此圈定了潮滩中部高渗透天窗的范围，并计算了高渗透区域面积。计算结果显示：高渗透天窗的面积约10 027 m2，长220 m，宽80 m，分布范围较大。根据天窗和盐度的分布特征，推断该处应该有较大量的地下淡水排泄。

图6 局部潮间带地下水盐度分布图Fig.6 Salinity distribution map of local intertidal groundwater

4.3 典型剖面盐度动态变化

为探究潮汐作用下垂直于海岸线方向上地下水的盐度变化规律，于2022年7月30日14：30—23：00对H08号典型砂质剖面的四个监测点及海水进行了一个海潮周期的盐度动态监测，观测期间无降雨。图7显示了各监测点地下水和近岸海水盐度随潮位的变化情况。观测期内，近岸海水盐度呈现先下降再上升的趋势，原因是落潮过程中排出的地下淡水量不断增多，混入海水中，使得近岸海水盐度逐渐降低；涨潮过程海水水头逐渐升高，海水入渗量增大，淡水排泄量减小，导致海水盐度开始升高。监测点H08-1盐度基本处于稳定值，接近于海水盐度，此区域为USP部位，溢出点排出的是涨潮时入渗的海水再次渗出地表排泄，即为RSGD。监测点H08-2和H08-3的盐度为16～18 g/kg且呈现先上升后下降趋势，出现这种情况的原因可能是H08-2和H08-3为地下淡水主要的排泄通道，渗出面处地下水盐度较低，且潮汐作用可能对SFGD有一定的影响；监测点H08-4靠近海向，从落潮该点出漏到再次涨潮淹没仅有2个小时，期间盐度呈现逐渐降低的趋势，出现此现象的原因是此处靠近海洋方向上，以潮汐控制为主，地下淡水排泄量较小。