王志秀，郝奇琛，李亞松，劉春雷，張媛靜

1.河北地質(zhì)大學 城市地質(zhì)與工程學院，河北 石家莊 050031；2.福建省水循環(huán)與生態(tài)地質(zhì)過程重點實驗室，福建 廈門 361021；3.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061

0 引言

海岸帶是海陸交界的生態(tài)過渡帶，同時也是人類活動最頻繁、經(jīng)濟最發(fā)達、生態(tài)環(huán)境最敏感脆弱的區(qū)域[1]。隨著海岸帶地區(qū)人口日益增長和工農(nóng)業(yè)、城市建設(shè)迅速發(fā)展，近岸海域的生態(tài)環(huán)境面臨著日益嚴重的污染問題，這對生態(tài)系統(tǒng)的正常功能構(gòu)成了巨大威脅[2]。海底地下水排泄(Submarine Groundwater Discharge，SGD)是指無論流體組成或驅(qū)動力如何，通過大陸邊緣從海底流向沿岸海域的所有水體，它包括海底地下淡水排泄(Submarine Fresh Groundwater Discharge，SFGD)和再循環(huán)海水排泄(Recirculated Submarine Groundwater Discharge，RSGD)，是海岸帶地下水—海水相互作用中重要的水循環(huán)過程[3-5]。SGD不僅是海洋中水量和各種化學物質(zhì)的重要來源之一，還是陸地向海洋輸送各種污染物的重要隱蔽通道[6，7]。在已有的SGD研究中，有超過48%的研究案例SGD所攜帶的營養(yǎng)鹽通量超過了當?shù)睾恿鞯臓I養(yǎng)鹽通量；有超過90%的案例SGD攜帶的營養(yǎng)鹽通量超過了當?shù)睾恿鳡I養(yǎng)鹽通量的10%[8]。由此看來，SGD是一個重要的、不可忽視的營養(yǎng)鹽來源。此外SGD還會將相當可觀通量的溶解性金屬元素、微生物以及其他物質(zhì)(總?cè)芙鉄o機碳，CO2和CH4等)帶入海岸水體[6]。這些物質(zhì)的過量輸入極有可能導致海洋中化學物質(zhì)收支失衡，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9]。目前，SGD已得到越來越多海洋學家和水文地質(zhì)學家的關(guān)注。

全球海岸線十分漫長，地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造條件等存在著明顯的差異，海岸帶的類型也很多(如砂礫質(zhì)海岸、基巖海岸、泥質(zhì)海岸、三角洲海岸、巖溶海岸、紅樹林海岸等)，不同類型海岸帶的SGD差異很大[10]。除此之外，沿海地區(qū)地下水的流動還會受到自然地質(zhì)非均質(zhì)性的強烈影響[11]。含水層特征對于調(diào)節(jié)SGD起著至關(guān)重要的作用，可滲透和不可滲透的構(gòu)造材料可以引導SGD，如裂縫、巖溶管道以及堤壩[12-14]。潮汐、三角洲和河流沉積物表現(xiàn)出明顯的巖性空間變化，這些均體現(xiàn)為局部不同的水力特征。目前，含水層的非均質(zhì)性和SGD間的關(guān)系已成為相關(guān)研究過程中必須考慮的重要問題[15，16]。Wang等[17]用二維解析描述了非均質(zhì)含水層與地下水、海水之間的相互作用。研究結(jié)果表明，含水層的非均質(zhì)性會對因海岸距離而產(chǎn)生地下水位漲落的時滯效應有直接影響。李海龍等[18]綜述了海岸帶水文地質(zhì)學中的熱點問題和待解決的主要問題，并指出在解決漏油滯留問題時，需要克服潮間帶中非線性復雜因素帶來的困難，理清當?shù)胤蔷|(zhì)海灘地下水動態(tài)水化學變化規(guī)律，最后提出，目前研究中非均質(zhì)和各向異性性質(zhì)的深層、大尺度海底含水層在海岸帶海水—地下水相互作用中的作用均沒有考慮，有待后期進一步解決。Houben等[19]通過物理實驗和數(shù)值模擬方法研究了沿海含水層非均質(zhì)性及其對海岸帶地下水流和SGD的影響，研究結(jié)果表明，沿海含水層的非均質(zhì)性是由離散特征和空間分布的水力傳導場引起的，它影響著沿海地下水的流動，影響咸水和淡水界面的形狀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月廈門灣潮間帶垂直于海岸線布設(shè)18條剖面的鹽度監(jiān)測數(shù)據(jù)和典型剖面鹽度動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖1)，通過對地下水鹽度數(shù)據(jù)進行分析，從整個砂質(zhì)海岸的尺度，理清潮間帶地下水鹽度分布規(guī)律，圈定潮間帶SGD的異常區(qū)，并討論高滲透天窗對SGD的影響；從垂直于海岸線的角度，探究潮汐作用下垂直于海岸線方向上地下水的鹽度變化規(guī)律，需要說明的是潮間帶地下水鹽度分布特點主要是潮汐周期作用的結(jié)果，與潮汐作用相比，季節(jié)變化因素影響較小，因此，本研究時段的產(chǎn)生的結(jié)論對其他季節(jié)或時段具有普適性。研究結(jié)果將為海岸帶地下水管理與海洋生態(tài)環(huán)境保護提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廈門灣位于中國東海臺灣海峽西岸，福建省閩南九龍江入?？?，灣外有小金門島、大擔島、青嶼、浯嶼等屏障。廈門灣屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量豐富，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，年平均氣溫為20.9 ℃，多年平均降水量約1 530 mm，其中3—9月的降水量占全年降水量的80%以上。廈門市是閩西南經(jīng)濟合作區(qū)的發(fā)展核心，對水資源需求不斷增加，淡水資源十分匱乏。在過去十年中，廈門市的總用水量呈波動緩慢上升，年平均用水量為6.28×108m3，年人均用水量為331.9 m3[20]。廈門灣潮汐屬正規(guī)半日潮，平均潮差3.99 m，最大潮差6.92 m，平均漲潮時間6 h 18 min，平均落潮時間6 h 7 min(1960—1982年)[21]。廈門灣南岸砂質(zhì)海灘潮間帶整體地形平緩，上覆中粗砂，滲透性較好，下部為淤泥質(zhì)沙(弱透水層)[22]。平緩的地形及砂層的高滲透性為潮間帶海底地下水排泄提供了有利條件。

2 滲出面判斷

利用Turner[23]推出判斷滲出面是否存在公式：

(1)

式中，n為潮間帶沉積物有效孔隙度；RT為潮差，m；T為海潮周期，h；KH為水平滲透系數(shù)，LT-1；∑為判斷滲出面的參數(shù)，當∑<1時，則無滲出面；反之∑>1時，則存在滲出面。

根據(jù)對前期廈門灣砂質(zhì)潮灘的調(diào)查，現(xiàn)將各個參數(shù)設(shè)定如下：RT取值范圍為0.99～6.92 m，T=24 h，n=0.3，潮灘坡度β約為3%。通過查閱資料保守取值砂層最大粒徑情況下KH=5.79×10-4m/s[24]，遠大于實際砂層滲透系數(shù)。算得滲出面參數(shù)∑為104～106，遠大于1，由此定量計算結(jié)果證明，廈門灣潮間帶存在滲出面。此外，通過前期的野外調(diào)查，從落潮至漲潮期間，潮灘大部分區(qū)域均處于飽和狀態(tài)，且可以直觀的看到有地下水滲出，同樣也印證了此處存在大面積滲出面。

3 剖面布置與數(shù)據(jù)觀測

3.1 監(jiān)測剖面布設(shè)

垂直于海岸線每隔約400 m布設(shè)一條監(jiān)測剖面，每條剖面由內(nèi)陸向海洋方向分別布設(shè)3～4個監(jiān)測點，對地下水和近岸海水鹽度、溫度、電導率、pH等項目進行監(jiān)測。根據(jù)結(jié)果分析，對發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)H07～H09號剖面進行了加密測量，共布設(shè)18條剖面(圖1)。

3.2 數(shù)據(jù)觀測

于2022年7月26日至7月31日，使用多參數(shù)水質(zhì)檢測儀對潮灘滲出面滲出的地下水及近岸海水的鹽度、溫度、電導率、pH等項目進行數(shù)據(jù)采集，采用在潮灘滲出面挖出少量泥沙形成小沙坑并在下部挖出排水溝的方法，目的是使地下飽水帶出漏匯集沙坑中，并由水溝流出，保證溢出的地下水始終處于不斷更新的狀態(tài)，每個監(jiān)測點采取多次監(jiān)測取平均值的方式，以保證溢出點地下水鹽度數(shù)據(jù)的準確性(圖2)。

圖2 野外現(xiàn)場監(jiān)測裝置圖Fig.2 Field diagram of monitoring device

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 各剖面及海水鹽度分布特征

圖3展示了各剖面地下水最低鹽度及高、低潮位海水鹽度分布情況。其中，可以看出從砂質(zhì)海岸兩端大部分區(qū)域潮間帶各剖面地下水最低鹽度在25～30 g/kg之間上下波動的狀態(tài)，潮灘的中間部位地下水鹽度急劇下降，地下水鹽度最低點位于H08號剖面上，鹽度值為15.44 g/kg，明顯低于其他監(jiān)測剖面，說明此處存在明顯的海底地下淡水排泄且排泄量相對較大；低潮位時，砂質(zhì)海岸兩端相同區(qū)域，近岸海水鹽度在30～32 g/kg之間上下波動，中間部位鹽度明顯降低且鹽度最低點同樣位于H08剖面，鹽度值為29.26 g/kg，這是由于該剖面附近存在較大量地下淡水排泄到海水中使得近岸海水鹽度明顯降低；高潮位時，各剖面位置的海水鹽度呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，鹽度值均為33.8 g/kg左右，原因是此時海水水頭大于內(nèi)陸淡水水頭，海水以入滲補給地下水為主，地下水排泄量較小。

圖3 各剖面地下水最低鹽度及高、低潮位海水鹽度變化Fig.3 The lowest salinity of groundwater and changes in seawater salinity at high and low tide levels in each profile

圖4展示了整個潮灘滲出面處地下水鹽度空間分布情況?？梢钥闯雒織l監(jiān)測剖面沿剖面方向，由內(nèi)陸向海洋鹽度呈現(xiàn)先降低再升高，原因是剖面上部為上鹽度羽(Upper saline plume，USP)區(qū)域，它主要是在海潮和波浪驅(qū)動作用下形成的，漲潮時海水從潮間帶上部入滲，落潮時再次滲出，鹽度接近海水鹽度，與之相對應的是由咸淡水密度差產(chǎn)生的下鹽水楔[25]，由于監(jiān)測條件限制不能監(jiān)測到。剖面中部鹽度降低，原因是此處為陸源地下淡水排泄通道(FDT)，可能存在較大量的地下淡水排出；剖面下部鹽度再次升高，是由于靠近海向此區(qū)域被海水淹沒的時間較長，受海水影響較大，SFGD相對較小。以上規(guī)律均客觀反映了SGD的水文過程(圖5)。從整個潮灘來看，潮灘鹽度分布不均勻，差異性較大。由圖可以看出，潮灘有5處低鹽度區(qū)域，這與圖3中相應位置(剖面H03、H05、H06、H07、H08)地下水最低鹽度分析結(jié)果一致，可以看出整個沙灘含水層存在著明顯的非均質(zhì)性，且位于潮灘中間位置(H08附近)可以看出有明顯的最低鹽度區(qū)域，潮灘的中間部位可能存在著明顯的高滲透天窗。

圖4 研究區(qū)潮間帶地下水鹽度等值線圖Fig.4 Salinity contour map of intertidal groundwater in the study area

圖5 海底地下水排泄過程示意圖(據(jù)文獻[2]修改)Fig.5 The schematic diagram of submarine groundwater discharge

通過以上分析結(jié)果表明：潮間帶地下含水層的非均質(zhì)性對海底地下淡水排泄有著較大影響，進而影響潮灘地下水鹽度的空間分布。

4.2 高滲透天窗分布特征

根據(jù)H08號剖面附近的加密監(jiān)測結(jié)果，繪制了潮灘中間部位(H08附近)鹽度等值線圖(圖6)，據(jù)此圈定了潮灘中部高滲透天窗的范圍，并計算了高滲透區(qū)域面積。計算結(jié)果顯示：高滲透天窗的面積約10 027 m2，長220 m，寬80 m，分布范圍較大。根據(jù)天窗和鹽度的分布特征，推斷該處應該有較大量的地下淡水排泄。

圖6 局部潮間帶地下水鹽度分布圖Fig.6 Salinity distribution map of local intertidal groundwater

4.3 典型剖面鹽度動態(tài)變化

為探究潮汐作用下垂直于海岸線方向上地下水的鹽度變化規(guī)律，于2022年7月30日14：30—23：00對H08號典型砂質(zhì)剖面的四個監(jiān)測點及海水進行了一個海潮周期的鹽度動態(tài)監(jiān)測，觀測期間無降雨。圖7顯示了各監(jiān)測點地下水和近岸海水鹽度隨潮位的變化情況。觀測期內(nèi)，近岸海水鹽度呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，原因是落潮過程中排出的地下淡水量不斷增多，混入海水中，使得近岸海水鹽度逐漸降低；漲潮過程海水水頭逐漸升高，海水入滲量增大，淡水排泄量減小，導致海水鹽度開始升高。監(jiān)測點H08-1鹽度基本處于穩(wěn)定值，接近于海水鹽度，此區(qū)域為USP部位，溢出點排出的是漲潮時入滲的海水再次滲出地表排泄，即為RSGD。監(jiān)測點H08-2和H08-3的鹽度為16～18 g/kg且呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，出現(xiàn)這種情況的原因可能是H08-2和H08-3為地下淡水主要的排泄通道，滲出面處地下水鹽度較低，且潮汐作用可能對SFGD有一定的影響；監(jiān)測點H08-4靠近海向，從落潮該點出漏到再次漲潮淹沒僅有2個小時，期間鹽度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是此處靠近海洋方向上，以潮汐控制為主，地下淡水排泄量較小。

圖7 各監(jiān)測點地下水和海水鹽度隨潮位的變化Fig.7 The salinity of groundwater and seawater varies with tidal level at each monitoring point

5 結(jié)論

基于廈門灣砂質(zhì)海岸潮間帶滲出面的地下水鹽度的空間分布特征，對砂質(zhì)潮間帶的地下淡水排泄的非均質(zhì)性進行了分析，結(jié)論如下：

(1)潮間帶地下水鹽度及海水鹽度變化可以間接指示海底地下水排泄的強弱，廈門灣潮間帶地下水鹽度值最低達到15.44 g/kg，鹽度值遠低于海水鹽度(一般為35 g/kg)，說明廈門灣砂質(zhì)海岸存在著明顯的海底地下淡水排泄。

(2)垂直于海岸線方向由內(nèi)陸向海洋地下水鹽度呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律。從廈門灣整個潮灘尺度來分析：地下水鹽度分布不均勻，差異性較大，廈門灣砂質(zhì)海岸具有明顯的非均質(zhì)性。

(3)通過對潮間帶中部最低鹽度區(qū)域進行加密監(jiān)測，圈定了廈門灣潮間帶的高滲透天窗范圍，并定量計算了區(qū)域面積，推測高滲透天窗對海底地下淡水排泄量影響較大。

(4)通過典型剖面地下水、近岸海水鹽度動態(tài)監(jiān)測，結(jié)果表明：潮汐對于潮間帶地下淡水排泄具有一定影響，潮間帶海底地下淡水排泄量存在隨潮汐變化的情況，有待后期進一步探究。