（海洋地质专业论文）九龙江河口区的地下水输入研究.pdf

九龙江河口区的地下水输入研究 作者姓名：黄磊 论文题目：九龙江河口区的地下水输入研究 作者简介：黄磊，男，1 9 8 4 年1 0 月出生，2 0 0 6 年0 9 月师从厦门大学 郭占荣副教授，于2 0 0 9 年0 6 月获硕士学位。 中文摘要 - 。一一一一一一。： 本论文依托国家自然科学基金项目“近岸海域的海底地下水排泄及其海洋生态环境； i 效应研究( 4 0 6 7 2 1 6 6 ) ”，通过运用天然存在的镭同位素( 2 2 4 r a ，2 2 6 r a ) 示踪技术，对 i 九龙江河口区的地下水输入通量进行评价，并对其输送的营养盐数量进行评估。 ： 相对只有河水端元和海水端元保守混合的水体而言，九龙江河口区水体显然存在； i h 的过量，推测有经由其它途径输入的r a 。通过识别九龙江河1 3 区2 2 4 r a 和2 2 6 r a 的源i ： i 汇项，认为它们的源项主要有：s g d 输入的镭，河流输入的镭，河流悬浮颗粒解吸的i ； ；镭，沉积物扩散的镭，沉积物再悬浮解吸的镭，径流和涨潮输入的镭；汇项主要有：放 ；射性衰变损失的镭，径流和退潮输出的镭。 ； !通过构建九龙江河e l 区2 2 4 r a 的质量平衡模型，量化各个源汇项，计算出海底地下； i 水排泄量为2 1 3 x 1 0 s m 3d ；通过构建九龙江河口区2 2 6 r a 的质量平衡模型，量化各个源； ；汇项，计算出海底地下水排泄量为1 8 9 1 0 8 m 3d ；两者平均为2 。0 1 x 1 0 8 m 3d 。根据以； i i 往类似的研究成果，该海底地下水排泄量中再循环海水可能占6 0 0 旷9 0 。 ； ji i近岸地下水样及潮间带地下水样中营养盐含量测量结果表明：溶解总无机氮平均浓i ： i 度为3 7 9i 工g m l ，活性磷酸盐平均浓度为0 4 5l 上g m l ，活性硅酸盐平均浓度为1 1 4 4 肛g m l 。 i 如果以陆源地下水排泄量占海底地下水排泄总量的1 0 考虑，且认为营养盐在近岸含水i ： i 层和地下河口中的化学行为是保守的，那么陆源地下水向河口区输送的溶解无机氮约为； ： 2 7 8 x 1 0 4 t a ，活性磷酸盐的输送量约为o 3 4 x 1 0 4 t a ，活性硅酸盐的输送量约为8 3 9 x 1 0 4 ； 如。跟河流输入河口区的营养盐通量相比，陆源地下水输送氮的通量约占河流输入的i 九龙江河口区的地下水输入研究 ；2 7 ，硅的通量约占河流输入的9 2 ，而磷的通量则高出河流输入的3 4 。 - i - - - - - - - - - - - - - 一- - 一- 一一一- 一一- 一- - 一- - - - _ - - - - - _ - - - - - - - - - - - _ 一- - - - - - - - - _ - - - - - - - - _ _ - - - - - 一_ - - 一- - - - - - - - - 一- - - - - - - - - 一- - 一- - 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一一- - - - - - j 关键词： 2 2 4 r a ；2 2 6 r a ；镭质量平衡；海底地下水排泄( s g d ) ；营养盐； 九龙江河口 九龙江河口区的地下水输入研究 r e s e a r c ho ng r o u n d w a t e rd i s c h a r g ei n t oj i u l o n g j i a n ge s t u a r y h u a n g l e i a b s t r a c t t h i sp a p e r , s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fs u b m a r i n eg r o u n d w a t e rd i s c h a r g ea n di t s e c o e n v i r o n m e n t a le f f e c t si nt h ec o a s t a la r e a ( 。4 0 6 7 216 6 ) ，w h i c hb e l o n g st ot h en a t i o n a l n a t m a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，c a l c u l a t e sf l u xo fs g di nj i u l o n g ji a n ge s t u a r yv i a u s i n gn a t u r a l l y o c c u r r i n gr a d i u mi s o t o p e s ( 2 2 4 r a , 2 2 6 r a ) t r a c e rt e c h n i q u ea n de s t i m a t e sf l u xo f n u t r i e n t s ，w h i c hl e a dt ot h ed i s c u s s i o no ft h e i rp o t e n t i a li n f l u e n c eo ne c o e n v i r o n m e n t a l o b v i o u s l y , e x c e s sr ae n r i c h m e n ti nj i u l o n g ii a n ge s t u a r yr e l a t i v et oc o n s e r v a t i v em i x i n g b e t w e e nr i v e re n d m e m b e ra n do c e a ne n d m e m b e r , s p e c u l a t i n gh a v ee x t r ar af r o mt h eo t h e rj w a y b yi d e n t i f y i n gt h et o t a lr a ( 2 2 4 r a , 2 2 6 r a ) i n p u ta n do u t p u to ft h ej i u l o n g j i a n ge s t u a r y , w e ； f o u n dt h a tt h er ai n p u t sc o n t a i nr i v e rt r a n s p o r t , i o ne x c h a n g ef r o ms u s p e n d e dp a r t i c l e ，i ；d i f f u s i o nf r o ms e d i m e n t s ，d e s o r p t i o nf r o mr e s u s p e n d e ds e d i m e n t sp a r t i c l e s ，r u n o f fa n dr i s i n g t i d e ；w h i l eo u t p u t sc o n s i s to fr a d i o a c t i v ed e c a y , r u n o f fa n de b b ； t h r o u g hc o n s t r u c t i n gt h e2 2 4 r am a s sb a l a n c em o d e lo fj i u l o n g ji a n ge s t u a r y , q u a n t i z i n gi a l ll 【i n d so fs o u r c ea n ds i n kt e r m s ，e s t i m a t e dt h a tt h es g df l u xi s2 1 3x1 0 8m 3d q ；t h r o u g h c o n s t r u c t i n gt h e2 2 6 r am a s sb a l a n c em o d e lo fj i u l o n g j i a n ge s t u a r y , q u a n t i z i n ga l lk i n d so f s o u r c ea n ds i n kt e r m s ，e s t i m a t e dt h a ts g df l u xi s1 8 9 1 0 8m 3d 一，a n dt h ea v e r a g es g df l u x ； ；i s2 01 lo sm 3d b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ho fs g d ，t h er e c i r c u l a t e ds e a w a t e rc o u l di ；a c c o u n tf o r6 0 - - 9 0 o ft h et o t a ls g d ； t h ea n a l y s i sr e s u l t sa b o u tn u t r i e n t so fc o a s t a lg r o u n d w a t e rs a m p l e sa n di n t e r - t i d a l ； g r o u n d w a t e rs a m p l e ss h o wt h a t ：t h ea v e r a g ec o n s i s t e n c yo f t o t a ld i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e n i sa b o u t3 7 9r i g m l ，r e a c t i v ep h o s p h a t ei sa b o u t0 4 5p g m l ，r e a c t i v es i l i c a t ei sa b o u t11 4 4 i t g m 1 s u p p o s i n gt h a ti ft h ef r e s hg r o u n d w a t e rd i s c h a r g ea c c o u n tf o r10 o f t o t a ls g d ，a n di ；h a v ec o n s e r v a t i v ec h e m i c a lp r o c e s sb e t w e e nn e a r s h o r ea q u i f e ra n ds u b t e r r a n e a ne s t u a r y , i i i i 九龙江河口区的地下水输入研究 f 。： t h et o t a ld i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e nf l u xo ff r e s hg r o u n d w a t e ri m p u ti n t oe s t u a r yi sa b o u t i 2 7 8x1 0 4t a , r e a c t i v ep h o s p h a t ei sa b o u t3 3 7x1 0 3t a , r e a c t i v es i l i c a t ei sa b o u t8 3 9 1 0 4 ；t a c o m p a r e d 诹t l ln u t r i e n t sf l u xt h a tr i v e rt r a n s p o r t si n t ot h ee s t u a r y , t h en i t r o g e nf l u xo f f r e s hg r o u n d w a t e ri m p u ti n t o e s t u a r yi sa c c o u n t i n gf o r2 7 o fr i v e rt r a n s p o r ti n t ot h e ； ： e s t u a r y ，r e a c t i v es i l i c a t ei sa c c o u n t i n gf o r9 2 ，h o w e v e r , r e a c t i v ep h o s p h a t ei s3 4 h i g h e ri t h a nr i v e rt r a n s p o r ti n t ot h ee s t u a r y i ； ! 一j k e y w o r d s ： 2 2 4 r a ；2 2 6 r a ；r am a s s b a l a n c e ；s g d ；n u t r i e n t s ；j i u l o n g ji a n ge s t u a r y i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人 在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当 方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的资助， 在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课题或课题组 负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。) 声明人( 签名) ：童磊 枷7 年石月一日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等 规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文( 包 括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查 阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共 建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、 缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于 年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应是 已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审 定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论 文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：童磊 2 两7 年莎月，7e l 九龙江河口区的地下水输入研究 l 。前言 l 。l 研究意义 因地理位置的优越性，沿海地区向来是每个国家较为发达的地带。这一地带历来是 人口、能源和资源的流入地，为社会创造了大量的物质财富和精神财富。特别是近二十 年来，人口、城市和经济发展日益向沿海地带集中逐渐成为一种趋势。然而，与此同时 伴随着许多突出的环境问题，如沿海赤潮、海水入侵、水体污染、湿地退缩等，都严重 制约和影响着海岸带地区的可持续发展。因而海岸带环境管理已成为各国政府和全社会 高度重视的问题。能够为海岸带环境管理提供理论基础和决策依据的海岸带陆海相互作 用( l o i c z ) 研究也就成为了当今地球科学领域的翦沿课题瑟】。本文研究的海底地下水 排泄( s u b m a r i n eg r o u n d w a t e rd i s c h a r g e ，篱称s g d ) 就是一个了解较少的l o i c z 过程， 目前已经受到国际上很多相关学者的重视。 海底地下水排泄最早是以泉的形式被人们发现，并作为淡水资源一直被沿海或岛屿 的居民利用，距今已有近2 0 0 0 年的历史【2 1 。后来，人们发现s g d 不仅以泉的形式出露， 而且还更多地以带状或面状渗流的形式出现。只要陆上的含水层直接延伸到海里，并且 陆上的永位( 或水头) 嵩于海水水位，就会存在s g d ，甚至有些海区可麓遍及整个大 陆架 3 1 。所以，b u r n e r 等将海底地下水排泄定义为：“从海底进入海域的所有水流，蔼 不管这些水流的物质组成和驱动力是什么f 2 l ( 图1 ) 。从来源上讲，海底排泄的地下水 分成两类，即陆源地下水和海源地下水。陆源地下水是指从广大内陆地区的含水层流入 海洋的地下水，它般是淡水。海源地下水主要由3 部分组成：由于潮汐作用，使海 水进入近岸含水层和海底沉积物中，然后以地下水的形式流回海洋；由于波浪作用， 使海水进入近岸含水层和海底沉积物中，然焉以地下水的形式流回海洋；由于海水与 淡水的密度差异，海水以盐承楔伸入淡水层下，并盈在咸淡水界面壶扩散、对流形成混 合带，海水与陆源淡水混合流回海洋。以上3 种海源地下水实际上是海水在近岸含水层 和海底沉积物中的往复循环，故将其统称作“再循环海水 ，它们只发生在近岸含水层 和海底沉积物的小范围内。 九龙江河口区的地下水输 研究 图1 海底地下水摔泄概念示意图( r o b i n s o ne t a l j o o t ) f i g 1 c o n c e p t u a l d i a g r a mo fs u b t e r r a n e a ne s t u a r y ( o 密度驱动的循环；潮汐驱动的循环； 波浪驱动的循环；地下淡水捧泄。f d t 表示地 下淡水排泄通道：u s p 表示上部咸水羽状体。阴影的明暗程度指示地下河口中盐度的分布状况，颜 色越深表示盐度越高) 从对海水数量的贡献来讲，陆源地下水是海水的净收入，而再循环海水对海水的数 量既没有造成增加也没有造成减少。虽然，每个潮汐周期和波浪周期内再循环海水的数 量很有限，但是，由于潮汐作用和波浪作用周期短，频繁地流入流出，所以，在绝大多 数沿岸海域，再循环海水的数量远大于陆源地下水的入海量。从对海洋化学物质的贡献 来看，无论是陆源地下水还是再循环海水，通过与含水层介质和海底沉积物的水一岩相 互作用，二者都会携带可溶解的化学物质进入海洋，对海洋化学物质收支平衡都有重要 贡献，同时对海洋地球化学循环有重要影响【4 】。 虽然s g d 的单位入海通量较小，一般介于5 1 0 0 m 3 1 1 1 2 y r ，但是如果按6 0 0 0 0 0k m 的全球海岸线计算，全球淡水s g d 达2 4 0 0k m 3 y r ，相当于全球地表水入海量的6 2 1 。 当然，s g d 在海岸线上的输入量也是极不均匀的。在某些海岸带，s g d 输入量接近或 超过当地地表水输入量，如在g r e a ts o u t hb a y ，n e wy o r k ，s g d 输入量比地表水输入 量多2 0 以上1 5 卅；在s o u t h a t l a n t i cb i 西n 东南，s g d 约占地表水入海量的4 0 7 j 。 九龙江河口区的地下水输入研究 越来越多的科学家认识到海底地下水排泄不仅仅是简单的地下水输入海洋，更重要 的是有大量的营养盐、污染物和其它化学物质随着地下水输入海洋，影响近岸海域的水 质，进而影响近岸海域的生态环境，以及生活在海岸带的动物群和植物群。全球陆源地 下水输入量只占河流入海量的6 左右，但其输送的溶解物质则约占地表水输送量的 5 0 【8 j ：在g r e a ts o u t hb a y ，n e wy o r k ，s g d 输入的营养盐占该海湾总营养盐的5 0 以上【9 】；在g e o r g i aa n ds o u t hc a r o l i n as h e l ls g d 输入的氮和磷通量超过当地河流输入 的氮和磷通型1 0 1 1 】。在w a q u o i tb a y t l 2 】和n e we n g l a n d 的几个海湾，地下水输入的营养 盐使海水富营养化，造成鱼类和贝类的死亡【1 3 】；在y e o j ab a y ，地下水输入的营养盐比 河流输入的营养盐高一个数量级，使得有害藻类大量繁殖，导致赤潮爆尉1 4 d 5 。 针对九龙江河口区，在河流径流输入、地表水营养盐、悬浮泥沙、沉积物粒度、沉 积动力学、盐度、潮汐、重金属等方面都有相当多的研究报道，但是至今未对海底地下 水排泄进行过研究，因而在河口区的水量和溶解物质来源方面忽略了一项重要的来源， 这对于全面客观地制定九龙江河口区乃至厦门海域的海岸带管理和生态环境保护方案 是不利的。综上所述，本文对九龙江河口区的地下水输入进行研究，不仅具有重要的理 论价值，而且具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 海底地下水排泄的现象最早由古罗马地理学家s t r a b o ( 6 3 b c - 2 1 a d ) 在书中记 载。他在著作中提到：“在地中海距离叙利亚西北部一海湾l a t a k i a2 5 英里远的地方有 处海底泉水，人们将泉水用铅漏斗和皮革管收集到小船上，然后运到l a t a k i a 城作为生 活用水。”开发利用s g d 的最典型例子是：为了获得淡水资源，在希腊东南海滨建造了 一条拦海大坝，将海底泉水拦截起来，结果在海中形成一个淡水湖，用来灌溉岸上的田 地。 虽然发现海底地下水排泄由来已久，而且也认识到s g d 的作用和影响，但是对它 的科学研究却迟迟未能开展起来。其原因主要有三个方面，一是与河流向海洋输入相比， s g d 的测定要困难得多，因为s g d 处在海水下面并且时空变化非常大；二是s g d 属 于发生在陆海界面的一个过程，而传统上陆海界面是陆地环境与海洋环境的分界，也 是陆地水文地质学研究领域和海洋学研究领域的分界，水文地质学家只重视研究对陆地 九龙江河口区的地下水输入研究 环境有影响的海水入侵等问题，却不关心s g d 对海洋环境的作用，而海洋学家注意到 了能看得见的地表水输入，却低估了看不见的地下水输入，因而s g d 在很长时期被水 文地质学家和海洋学家忽视了；三是起初人们对s g d 在水循环、营养盐和化学物质输 入及海洋生态环境效应等方面的重要性认识不足。所以直到2 0 世纪8 0 年代后期，s g d 的研究才逐渐开始得到重视和发展。 到目前为止，对s g d 的研究共有以下三种方法： ( 一) 物理测量法 物理测量法主要有：渗流仪法，温度法和电导率法。2 0 世纪4 0 年代，i s r a e l s o n 和 r e e v e 发明了一种手工渗流仪，用于测量灌溉渠的渗漏水量，l e ed r 在2 0 世纪7 0 年 代对它作了一些改进，并用来测量流向某一特定区域的地下水流量，可测量的渗流速度 下限为3 - - - 5 m li n 2m i n ；t a n i g u c h i 等在渗流仪上安装了水质仪，不仅能够连续地、自 动地测量地下水渗流量，而且可以直接准确地测定地下水水质；p a u l s e nr j 则利用超声 波渗流仪来测量地下水入海通量。 ( 二) 水文地质模型法 水文地质模型法主要包括：达西定律法、水量均衡法、数值模拟法、水文分割法和 流网法。2 0 世纪8 0 年代，美国地质调查局开发了专门用于孔隙介质中的三维有限差分 地下水流数值模拟软件m o d f l o w ，后来加拿大有关专家又在其基础上研制开发了v i s u a l m o d f l o w , 它是目前国际上最新流行的三维地下水水流与溶质运移模拟评价的标准专业 软件系统。邱汉学等以及s m i t h 和n i e l d 就用该软件计算了地下水入海通量；2 0 世纪9 0 年代m i l l h a mn p 等和c o r b e t td r 等采用达西定律和水均衡法估算了地下水流入海湾 的通量。 ( 三) 地球化学示踪法 地球化学示踪法主要有2 2 2 i u 示踪法、镭同位素示踪法、c h 4 示踪法、b a 示踪法和 s i 示踪法等，其中i h 的4 个放射性同位素应用最多最普遍( 图2 ) 。本文仅对r a 的应 用作重点介绍。 早在1 9 6 5 年l a z a r e v 1 6 】等就报道了黑海沿岸水体的2 2 4 r a 与其母体2 2 8 r a 处于平衡， 但随后的近2 0 年里，有关r a 的报道近乎空白，直至1 9 8 3 年，e l s i n g e r 和m o o r e 1 报 道了w i n y a h 湾和d e l a w a r e 湾水体中的2 2 4 r a ，才使海水中r a 的研究进入一个新阶段。 4 九龙江河口区的地下水输入研究 美国东南的大西洋沿岸及墨西哥湾沿岸是利用地球化学示踪法，特别是以i h 为示踪剂 研究s g d 最集中的区域。1 9 9 6 年，m o o r e 报道了美国南卡罗莱纳州沿海r a 的质量平 衡计算结果，他发现河水输入、入海颗粒物解吸、海底沉积物释放等来源都不足以解释 沿岸水体中r a 的含量较高，由此他断定沿海地下水的输入是r a 的一个重要来源，这 一研究直接引发了此后运用r a 同位素研究s g d 的热潮。之后，在墨西哥湾的a p a l a c h e e b a y 1 引、s o u t hc a r o l i n a 的p o r tr o y a ls o u n d l l 9 1 、美国东部g r e a ts i p p e w i s s e t tm a r s h l 2 0 1 、 k o r e a 南部的y e o j ab a y 1 4 1 、意大利s i c i l y 东部沿海【2 1 1 、f l o r i d a 的t a m p ab a y l 2 2 】等地都 有运用r a 同位素评价s g d 的研究事例。 谚 卷 瓮 。 叠 o a k 蝣 c o 墓 | l ， o 日l 图2r a 同位素法与s g d 的研究( e d i t o re ta 1 2 0 0 8 ) f i g 2 n u m b e ro fp u b l i c a t i o n sp e ry e a r ( 1 9 9 8 2 0 0 7 ) h a v i n gt h ek e y w o r d s ( a ) “r a d i u m a n d o c e a n a n d ( b ) “r a d i u ma n dg r o u n d w a t e r 用镭同位素研究s g d 主要有以下三种应用方法： 计算水体驻留时间 九龙江河口区的地下水输入研究 如果河口水中溶解的i h 主要来源是s g d ，且在近岸地下水中r a 同位素的比度相 对恒定，那么可以根据2 2 4 r a ( 或2 2 8 r a ) 在近岸地下水和河l z l 表层水体中的比度值，再 结合2 2 4 r a 的衰变系数，估算水体的年剐2 3 1 。 涡动扩散系数法 如果r a 的来源主要是s g d ，其它来源都可忽略不计，且水体混合以扩散为主， 流态较稳定，那么，根据2 2 3 r a ( 或2 2 4 r a ) 比度随离岸距离增大呈指数减小，计算混合 系数( 又称涡动扩散系数) ，再结合2 2 6 r a ( 或2 2 8 r a ) 的离岸比度梯度，计算r a 的扩散 通量，并将该扩散通量转换成地下水输入量【2 4 1 。 质量平衡法 如果r a 的来源有多种，且不可忽略，那么，查明镭同位素的各个源汇项，构建镭 同位素质量平衡模型，将研究区过量的镭作为地下水输入的镭，然后将过量的镭通量转 换成地下水输入量( c h a r e t t ee ta 1 ，2 0 0 1 ；k i me ta 1 ，2 0 0 5 ；s w a r z e n s k i ，2 0 0 6 ) 。 2 0 世纪9 0 年代后期以来，s g d 的研究受到了国际科学界的高度重视，成为陆一海 相互作用研究的一个热点。国际科学理事会海洋研究科学委员会( s c o r ) 和i g b p 核 心项目“海岸带陆海相互作用( l o i c z ) ”共同成立了两个工作组来专门研究s g d ，这 两个工作组一个是1 9 9 7 年成立的s c o rw g 1 1 2 工作组，专门开展“沿海海洋过程的海 底地下水排泄量及其影响”研究，目的是“更精确更全面地查明海底地下水的排泄量并且 查明s g d 是如何影响沿岸海域的化学过程和生物过程”。另一个是1 9 9 9 年成立的s c o r w g 1 1 4 工作组，专门开展“可渗透性海洋沉积物中的物质运移和反应”，目的是“进一步 查明地下水通过可渗透性海洋沉积物输送到局部和全球生物地球化学循环的重要性及 其对周围环境的影响，【2 5 1 。在2 0 0 0 年8 月，s c o r 和l o i c z 又共同组织了s g d 的多种 方法相互比较研究，目的是比较分别由渗流仪法、同位素示踪法和数值法获得的海底地 下水排泄量以及评价这些方法的优势、不足和适用条件。这次比较研究选择在全球三个 具有代表性的地方进行，即佛罗里达的东北墨西哥湾、西澳大利亚的c o c k b u ms o u n d 和纽约的l o n gi s l a n d 【2 6 1 。2 0 0 0 年，国际原子能机构( i a e a ) 与联合国教科文组织 ( u n e s c o ) 合作，制定了一个5 年研究计划，目的是：( 1 ) 进步发展用2 2 2 i h 示踪 技术对s g d 的入海通量和运移动力进行评估；( 2 ) 在2 2 2 r n 评价s g d 的模型中，运用 r a 同位素示踪技术帮助评价由于水体混合作用和大气损耗作用对测量结果造成的影 6 九龙江河口区的地下水输入研究 响，对模型的假设前提进行重要的限定；( 3 ) 在不同地域、不同地质环境、不同时间尺 度下( 短期：如一次潮汐变化；长期：如一次季节性变化) ，用该模型对s g d 进行测试。 目前，国外在海底地下水排泄领域已经取得了不少研究成果，主要集中在美国的东 南海岸、地中海沿岸、波罗的海沿岸、南美洲的巴西以及日本和澳大利亚的个别沿海地 区( 图3 ) 。我国学者在地下水和海洋相互作用方面，研究较多的是海水入侵，在海底 地下水排泄方面的研究起步较晚，研究成果也非常少见，与我国1 8 万多公里绵长海岸 线和类型多样的海岸带很不相符合。目前见到的国内关于s g d 的报道仅有：邱汉学 ( 2 0 0 3 ) 、廖小青( 2 0 0 5 ) 等人用水文地质数值模拟法评价了黄河农场地区的地下水入 海通量【2 7 。2 8 】；李福林等( 2 0 0 5 ) 对莱州湾东岸海底地下水的水文地球化学特征进行了研 究 2 9 1 ；刘贯群等( 2 0 0 7 ) 、朱新军等( 2 0 0 5 ) 、张权等( 2 0 0 2 ) 利用达西定律或水量均衡 法评价了胶州湾、王哥庄湾的地下水输入和营养盐入海通量【3 0 。3 2 1 。国内学者在应用地球 化学示踪法研究s g d 方面，还处于刚刚起步阶段，郭占荣等( 2 0 0 8 ) 利用r a 同位素 研究了隆教湾的海底地下水排泄，p e t e r s o n 等与我国的陈建耀( 2 0 0 8 ) 合作，利用r a 同位素和2 2 2 r n 研究了黄河三角洲的s g d 3 3 】；香港大学t s e 等( 2 0 0 8 ) 利用2 2 2 r n 评价 了p l o v e rc o v e 的s g d 3 4 1 。 正如b u r n e t t 和t a n i g u c h i 所指出的那样，目前全球大部分沿岸海域没有s g d 数据， 尤其是亚洲、非洲和南美的海域【3 副。迄今为止在我国开展的有关s g d 工作极其有限。 以上事实反映出我国与欧美、日本、澳大利亚等国家在s g d 研究方面存在较大差距。 7 九龙江河口医的地下水输 研究 图3 海底地下水排泄调查分布图( b u r n e t te ta l , 2 0 0 6 ) f i g 3 l o c a t i o no f p u b l i s h e di n v e s t i g a t i o n so f s g d 1 3 研究内容和目的 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 识别r a 的源汇项，构建r a 的质量平衡模型。 识别镭的源项：河流输入的镭，河流悬浮颗粒解吸的镭，沉积物扩散的镭，沉积物 再悬浮解吸的镭，径流和涨潮输入的镭，s g d 输入的镭；镭的汇项：放射性衰变损失 的镭( 2 2 6 r a 忽略) ，径流和退潮输出的镭。在此基础上，对镭的两种同位素2 “1 乇a 和2 2 6 r a 分别构建质量平衡模型。 ( 2 ) 量化源汇项，计算地下水输入量。 通过实测和模拟实验，对镭的各个源汇项进行评价，运用质量平衡模型，算出地下 水输入的镭的通量，进一步计算河口区地下水的输入量。 ( 3 ) 评价地下水输入的营养盐数量及其对海域生态环境的可能影响。 通过对近岸地下水和潮间带地下水中营养盐古量的分析，算出地下水输入河口区的 营养盐通量，并与河流输入的营养盐通量进行对比，评价其对河口区营养盐的贡献。 九龙江河口区的地下水输入研究 1 3 2 研究目的 本文选择九龙江河口区为研究对象，通过识别河口区水体中镭的各个源汇项，构建 镭同位素质量平衡模型，计算地下水的输入量，评价地下水输入的营养盐数量及其对海 域生态环境的可能影响，为九龙江河口的海岸带管理与海域生态环境保护提供科学依 据，提升我国海底地下水排泄的研究水平。 9 九龙江河口区的地下水输入研究 2 1 地理位置 2 研究区概况 九龙江发源于福建省西南部博平山脉东麓，流经2 市6 县，为福建省第二大河流。 流域面积1 1 9 0 9k m2 ，水系总长1 1 4 8k m 。有北溪、西溪、南溪三条主要支流。九龙江 河口区位于厦门港西南部，与北部的厦门西港、东面的厦门外港构成倒“t 字形格局 ( 图4 ) 。河口区是东西走向的沉溺河口，东西长2 lb ，南北平均宽6 5 虹。口小腹大， 口门处宽约4 5 虹，腹内最宽处达8 - 9k m 。近河端处港道河汊发育，形成浒茂洲、乌 礁洲、玉枕洲等数片砂洲。靠海端有海门岛、鸡屿等小岛屿。 图4 九龙江河口湾位置示意图 f i g 4 l o c a t i o nm a po fj i u l o n g j i a n ge s t u a r y 2 2 地形地貌特征 九龙江流域大部分地区地形起伏坡度比较大，一般超过3 0 0 ，切割深度2 0 0 4 0 0m ， 干流、支流流经闽西山区及漳州平原。其间众多的沙洲把水道分成很多汊道，河水主要 沿南岸入海。九龙江河口湾水深多超过5m ，海底地形由内向湾口倾斜，坡度约为o 1 1 0 龙江河u 的地t 水输入研究 02 ，湾内水下沙洲发育，大部分呈指状向湾口方向延伸，长度达8k m 。这些水下沙 洲实质上是河口湾西侧湾头三角洲的水下延伸，其中太多为不同发育时期、不同级别的 系列栏门沙，因此沟道发育，蜿蜒穿行于沙洲之中，构成了河口湾内复杂的海底地貌( 图 5 ) ，河口湾周围陆地属闽粤沿海花岗岩丘陵区，风化强烈，地貌类型多样，主要包括基 岩海岸、红土台地、淤泥质平原和沙质平原等四种： 基岩海岸：主要分布在厦门岛东北岸和东南岸的突出部位及一些基岩岛屿，如胡里 山、白石、石胄头、鼓浪屿南岸、北岸以及鸡屿等。这些岸段多由坚硬花岗岩、火山岩 或变质砂岩构成，因常年受波浪冲蚀，海蚀地貌发育，多海蚀崖、海蚀平台、海蚀洞、 海蚀柱和海蚀槽沟等地貌形态。 红土台地海岸：花岗岩风化后形成的风化壳组成了红土台地，多分布在厦门岛北岸、 东北岸和厦门西港西岸等岸段。 淤泥质平原海岸：这类海岸分布于九龙江口北岸的海沧、青礁至贞庵岸段。长约 7 , 2k m 。海岸由淤泥质平原组成，地势低平，水动力复杂。 沙质平原海岸：主要见于厦门岛东岸和东南岸，岸线呈n e - s w 和s e e - n w w 方向 展布。沿岸分布有顺风向发展的海岸沙丘。 2 4 。 驰。2 5 驰。2 0 i i ? 。驰i 1 7 。嚣1 1 8 。0 0 1 1 8 。0 5 图5 九龙江河口湾底部沉积地貌( 王元领，2 0 0 5 ) f i g 5 p h y s i o g n o m yo f j i u l o n g j i a n g e s t u a r y 九龙江河i s l 区的地下水输入研究 2 3 区域地质背景 九龙江流域地质构造大致分东西两部分：东部属福建省新华夏沉降带，分布中生代 侵入岩与火山岩，构造方向为n n e 向。西部属新华夏隆起带，大部分为上古生界和中 生界地层分布，构造方向为n e 或n n e 走向，自西而东相间排列的复式向斜，复式背 斜和断层线。 九龙江流域( 漳州段) 的侵入岩主要为花岗岩及闪长岩等，分布最广的是似斑状粗 粒黑云母花岗岩，多分布于中下游，火山岩性为凝灰熔岩、流纹岩及凝灰岩等。第四系 地层主要分布在沿河谷盆地和下游平原，河谷盆地以残积壤土与冲、洪积砂卵石为主； 平原区以冲积砂粘土、粘土、淤泥、卵砾石为主，残坡积次之；滨海区以海积淤泥、砂 质淤泥、砂等为主。 九龙江河口湾指自浒茂洲、玉枕洲以东至象鼻嘴屿仔尾连线的水下三角洲海域， 九龙江入海泥沙组成水下三角洲，前缘抵湾口，汉道河床、潮流冲沟发育。北侧为侵蚀 剥蚀台地，广泛分布着花岗岩风化后的残积红土层，贞庵、象鼻嘴一带由砂泥岩、火 山岩组成圆缓低丘，海沧附近为花岗岩风化的红土台地，临海形成海蚀土岸和砂泥滩。 南侧为丘陵，构成基岩海岸，岸线曲折，多湾澳，主要出露燕山期花岗岩类岩石，局部 有侏罗纪南园组火山沉积岩分布。西侧为河口段，系冲海积平原，其间因港道河汊发育 而被分割成大小不同的几个区片，即浒茂洲、乌礁洲、玉枕洲等，呈三角洲状。沉积物 主要由粘土和粉沙质粘土组成，下层乃海相淤泥。东侧为口外海区，即厦i j ； l - 港，水深 宽坦，海底以淤泥质沉积为特征。 2 4 气候水文 九龙江口区为典型的亚热带河口区，气候温和，雨量充沛，生物资源丰富，初级 生产力较高。多年平均气温1 9 2 l 。多年平均日照时数1 8 0 0h - 2 2 0 0h 。一月份平 均气温6 7 9 2 ，极低气温2 o 5 7 ；7 月份平均气温2 7 2 2 8 8 ，极 端高温4 1 2 。年无霜期3 0 0d - - - , 3 3 0d 。每年5 - 9 月为雨季，1 0 1 月为旱季。流域多 年平均降水量1 4 0 0 1 8 0 0m m 。北溪上游1 5 0 0 - , - 1 6 0 0m i l l ，西溪中上游1 6 0 0 - 1 8 0 0i n l l l ， 1 2 九龙江河口区的地下水输入研究 沿海约1 2 0 0 , - - 1 3 0 0r l l r l l 。降水量年内分配很不均匀，春夏多雨，夏秋季节受台风影响频 繁，易发生洪水灾害。流域多年平均水面蒸发量1 0 0 0 1 5 0 0m i l l ，陆面蒸发量7 0 0i i l i n 左右。流域年平均径流量1 4 8 1 0 1 0 m 3 。 河口潮汐为正规半日潮。潮流为半日潮流、往复流。潮流急，潮差较大，平均距海 面为3 5 7 m 。据厦门海洋站1 9 6 0 - - - 1 9 8 7 年2 8 年的逐时潮位资料统计( 厦门理论最低潮 面) ：多年平均潮差3 9 9m ，多年最大潮差6 4 2m ，多年最小潮差0 9 9m ，最高高潮位 7 2 2m ，最低低潮位0 0 9m ，平均高潮位5 6 7 m ，平均低潮位1 6 9m 。表层落潮流速高 于涨潮流速，底层则相反。潮流流向与港湾地形走向基本一致，为东西流向。潮汐作用 是影响河口河水海水混合的主要因素。 九龙江河口区的波浪以风浪为主，外海传入的涌浪占次要地位。其中对厦门港沉积 作用影响较大的波浪是冬季偏北向、夏季偏南向的风浪。风浪的常浪向为e ，占全年的 1 5 ，强浪方向为s e ，最大波高为1 9m ，平均波高约为0 5m 。在枯水季节，波浪是 仅次于潮流的重要水动力因素，它对于湾口北部浅水沙洲的形成及其推移质砂粒的运动 起着重要作用，并且风浪对西海岸的侵蚀作用明显强于东岸。 九龙江水体盐度为3 4 0 3 1 8 0 ，平面分布呈较明显东高西低、北高南低的纵横梯度。 中低潮时层状结构发达，靠近海端处有盐楔出现。高潮时混合较为剧烈，垂直分布趋于 均匀，在海门岛至鸡屿连线以西的浅水区域，还可出现盐水上涌至表层的现象。 河口水水温全年波动在1 3 3 2 之间。p h 值变化范围为7 7 7 8 4 7 ，平均8 1 8 ，其 平面分布与盐度基本一致。水体溶解氧在5 5 7 l o 0 0m g d m 3 之间变化，氧饱和度平均 达1 0 0 。 九龙江河口区的地下水输入研究 3 研究方法 3 1 样品采集 ( 1 ) 河口水样 分别于2 0 0 7 年9 月2 8 日、2 0 0 7 年1 0 月1 9 日和2 0 0 8 年6 月2 3 日，用潜水泵采 集河1 ：3 水样2 7 个，每个水样体积6 0l ，取自表层河口水。