盐泵驱动下浅层含水层中海滩带和潮间带地下卤水资源的命运

《Water Resources Research》：Fate of Underground Brine Resources in Beach and Neritic Zones in Shallow Aquifers Driven by Salt Pumps

地下咸水在潮汐驱动下通过“盐泵”系统（液压梯度、盐度梯度、潮汐力）动态循环，本研究基于莱州湾南岸的数值模型，量化潮汐周期内地下咸水的迁移与盐分平衡。结果表明：潮汐波动主导地下水流动场，近岸区盐分补给比例达60%，远岸区仅9%；沿海地下咸水开采可同步增加近岸盐分补给与减少高盐层渗漏补给，有效减缓地下咸水盐分流失。

　　地下盐水（Underground Brine in Beach and Neritic Zones, UBBN）是全球许多干旱沿海地区常见的资源，广泛分布在泥质海岸的滩涂和近海区域。这些区域的盐水不仅受到海水的持续交换，还与潮汐、地下水流动和盐度梯度等因素密切相关，形成了一种被称为“盐泵”的动态循环系统。近年来，随着对地下盐水资源的重视，研究者们开始关注其在潮汐作用下的水盐迁移规律，以及人类开采行为对其储量和动态变化的影响。本文以中国莱州湾南部海岸为研究对象，结合现场观测和数值模拟，探讨了潮汐作用下地下盐水的水盐循环过程，并评估了沿海地下盐水开采与暂停对这些区域盐水储量的影响。

在泥质海岸，地下盐水的分布与地表形态、沉积物性质和地下水流动密切相关。不同类型的地貌单元，如潮汐沟、生物活动区和非生物活动区，对水盐交换的贡献存在显著差异。例如，在潮汐沟和生物活动区，由于渗透性较高，盐水的输出速率比周围区域高出4到8倍。这些区域往往成为地下盐水流失的主要路径，而近岸区域则可能成为盐水的补给区。研究发现，尽管整体上地下盐水存在净流失现象，但潮汐补给过程中，大约9%至60%的盐分被保留下来，补充到浅层盐水含水层中，尤其在近岸区域的上层淤泥覆盖层中积累显著。这种保留机制在一定程度上体现了地下盐水系统的稳定性，即使在净流失的背景下，仍能维持一定的盐度平衡。

此外，研究还揭示了潮汐作用下水盐交换的动态过程。在涨潮期间，海水通过地表沉积物界面进入浅层盐水含水层，带来较高的盐度；而在退潮期间，浅层盐水则向海中排放。这种周期性的水盐交换导致了盐水在近岸与远岸之间的持续流动。特别是在潮汐沟和生物活动区，由于地表渗透性较强，盐水的交换更为活跃，这些区域的盐水输出速率明显高于其他区域。因此，这些区域的盐水更容易受到开采活动的影响，而远岸区域则由于交换强度较低，盐水流失相对较慢。

在实际的开采活动中，沿海地下盐水（Coastal Underground Brine, CUB）的开采和暂停策略对盐水储量的维持具有重要意义。当开采活动进行时，近岸区域的地下水位显著下降，导致地下水流动速度加快，同时影响了未饱和带的范围和水饱和度。这些变化使得潮汐期间的盐水输入和输出速率同步上升，从而影响了整体的盐度平衡。然而，开采暂停可以恢复地下水位，使盐水在地表沉积物界面的流动方向发生变化，部分盐水被重新引导回开采区，从而减少了盐水向海洋的流失。这一发现表明，开采与暂停的结合方式可以在一定程度上缓解盐水流失，为可持续开发提供依据。

然而，值得注意的是，开采暂停虽然能够恢复部分盐水储量，但其效果有限。在近岸区域，即使在暂停期间，地下水盐度仍无法完全恢复至开采前的水平，部分区域甚至出现了盐度下降的现象。这表明，单纯的暂停并不能有效恢复地下盐水的盐度，需要更综合的管理措施。同时，由于沉积物的渗透性和盐度梯度的变化，盐水在不同地貌单元中的流动路径和速率存在差异，这进一步增加了地下盐水管理的复杂性。

为了更好地理解地下盐水的动态变化，研究团队构建了一个覆盖整个莱州湾的数值模型，将不同地貌单元的沉积物性质、盐度梯度和水文地质特征纳入考虑。通过该模型，研究人员能够模拟盐水的输入、迁移和输出过程，评估盐度平衡状态，并分析开采活动对盐水动态的影响。该模型的建立依赖于现场数据，包括地下水盐度测量、水文地质参数调查、孔隙水和海水盐度监测以及地下水位观测。通过将这些数据整合，研究团队成功地模拟了盐水在不同地貌单元中的迁移路径和速率，为理解地下盐水的循环机制提供了重要的依据。

此外，研究还采用示踪剂标记法，分析了潮汐作用下地表盐分（包括蒸发盐和海水盐）的迁移范围和流量。示踪剂的扩散和弥散效应虽然对盐分的迁移有一定影响，但总体而言，其迁移范围和流量与实际盐分的迁移相似。因此，示踪剂标记法在研究盐水循环过程中具有较高的可行性。通过比较不同示踪剂浓度下的迁移情况，研究人员进一步验证了模型的准确性，并确认了盐水在近岸区域的补给能力和远岸区域的流失情况。

在莱州湾地区，由于长期的潮汐作用和盐水开采，地下盐水的盐度和流量呈现出明显的时空变化。近岸区域的盐水补给能力较强，而远岸区域的盐水流失更为严重。这种差异使得地下盐水的储量分布不均，也对开采活动的可持续性提出了挑战。通过数值模拟，研究人员发现，在开采期间，盐水的输入和输出速率都会增加，这表明开采活动在一定程度上加速了盐水的循环。然而，在开采暂停期间，盐水的输入速率降低，输出速率增加，这可能加剧盐水的流失。

因此，本文的研究结果对沿海地下盐水资源的可持续开发具有重要的指导意义。首先，潮汐作用是地下盐水循环的关键驱动力，影响着盐水的输入、输出和分布。其次，开采活动虽然能够增加盐水的输入，但也可能导致盐水的流失加剧，尤其是在远岸区域。最后，通过合理规划开采与暂停的周期，可以有效控制盐水的流失，实现资源的可持续利用。此外，研究还强调了对沉积物渗透性、盐度梯度和地下水流动方向的综合考虑，这对于优化地下盐水开采策略至关重要。

综上所述，本文通过现场观测和数值模拟相结合的方法，揭示了潮汐作用下地下盐水的动态变化规律，以及开采活动对盐水储量的影响。研究结果表明，地下盐水系统具有一定的自我调节能力，能够在一定程度上保留盐分，但其稳定性仍受到开采活动和自然因素的双重影响。因此，未来的研究应进一步探索如何在保障资源可持续利用的同时，减少对生态环境的干扰，以实现人与自然的和谐共生。