细菌和微真核生物在南方至北方调水工程东线沿线塑造土壤有机质（DOM）组成中的互补作用

《Journal of Hydro-environment Research》：Complementary roles of bacteria and microeukaryotes in shaping DOM composition along the Eastern Route of South-to-North Water Diversion Project

沿海地区通过scavenger井同时提取淡水与咸水地下水，可有效缓解淡水短缺和盐水入侵问题。本研究基于FRESHMAN试点项目的高分辨率三维变量密度地下水流动与盐分传输模型，结合30年抽水情景模拟，提出考虑参数不确定性的优化方法，确定关键抽水曲线以平衡淡水提取率与允许的氯离子浓度阈值，揭示咸水提取对抑制盐水入侵和提升淡水可采量的协同作用机制。

　　在沿海地区，淡水短缺和海水入侵是日益严峻的水资源问题。随着全球人口的增长，特别是低海拔沿海区域的人口密度增加，这些区域的地下水系统正承受着前所未有的压力。淡水是维持沿海生态系统和人类活动的重要资源，但其储量正在因过度开采和污染而减少。此外，气候变化的影响也加剧了这一问题，包括海平面上升和干旱频率增加等，进一步威胁到沿海地区的淡水资源。面对这些挑战，寻找有效的地下水管理策略变得尤为重要。

为了解决上述问题，科学家们提出了“清道夫井”（scavenger wells）这一概念。该方法通过同时抽取淡水和咸水地下水，不仅能够扩大沿海地区的淡水供应，还能有效抑制海水入侵。清道夫井的核心原理在于，通过在淡水和咸水含水层中安装抽水井，可以拦截咸水地下水，从而减少海水上涌的风险。同时，这种操作还能延长淡水含水层的“新鲜”状态，甚至使其保持永久的淡水供应。此外，抽取的咸水地下水经过反渗透处理后，可以作为补充饮用水资源，为沿海地区提供额外的水资源保障。

然而，尽管已有多种方法对清道夫井的操作策略进行了优化，如使用MODFLOW和MT3D模型、人工神经网络模型、集成替代建模方法以及近似数学公式等，但目前尚缺乏一种基于高分辨率三维变密度地下水流动和耦合盐分迁移模型的综合方法，用于优化清道夫井策略并考虑参数不确定性。这种模型可以更精确地模拟地下水系统的动态变化，包括盐分迁移过程，从而为水资源管理提供科学依据。此外，由于清道夫井策略涉及复杂的地下水流动和盐分传输机制，参数不确定性对结果的影响不容忽视。因此，开发一种能够综合考虑这些因素的方法，对于确保清道夫井的可持续性至关重要。

本研究结合了“FRESHMAN试点”这一被密切关注的清道夫井现场研究项目，并使用高分辨率三维变密度地下水流动和耦合盐分迁移模型（3D-VD-FT模型）进行优化。自2022年起，“FRESHMAN试点”正式启动，旨在探索清道夫井概念及其在沿海地区作为替代水资源的应用。通过多种类型的水文地质现场数据，研究人员对3D-VD-FT模型的水文地质参数进行了校准，并评估了该模型在再现观测到的地下水盐度变化方面的表现。

本研究的主要目标是开发一种能够同时优化清道夫井操作策略并考虑参数不确定性的方法。该方法包括对三种类型的30年场景进行模拟，并定量确定关键抽水曲线，以展示同时抽取淡水和咸水地下水如何提高最大允许的淡水抽水率（图1）。首先，模拟了无抽水的场景，以评估水文地质参数对长期氯浓度分布的全局敏感性。其次，模拟了仅抽取淡水地下水的场景，以确定在不抽取咸水地下水情况下，不同允许氯浓度对应的最大允许淡水抽水率。第三，模拟了同时抽取淡水和咸水地下水的场景，以确定在较高淡水抽水率的情况下，需要抽取的咸水地下水量以满足不同允许氯浓度的要求。最后，从第二和第三组场景中，确定了针对不同允许氯浓度的关键抽水曲线。这些曲线可以作为支持清道夫井操作策略的工具，有助于更好地管理沿海地区的地下水资源。

研究区域位于荷兰的Meijendel和Berkheide沙丘区以及北海，总面积约为5x5平方公里。FRESHMAN试点项目位于这些沙丘区的中心地带，该区域具有150年的地下水开采和注入历史，导致地下水盐度分布随时间发生变化。沙丘区的地下水系统因长期的人类活动而受到盐化影响，这为研究清道夫井的效果提供了良好的背景。通过长期监测，研究人员能够获取详细的地下水盐度变化数据，从而为模型校准和验证提供依据。

模型结果表明，在清道夫井开始抽水的前几个月，淡水与咸水地下水界面的深度较初始状态有所加深，这与观测结果一致。在抽水井附近，氯浓度的降低也符合预期。然而，模型在再现地下水盐度变化的绝对精度方面仍存在不足，尤其是在淡水下涌和咸水上涌的幅度上，模型的预测结果与实际观测存在一定的偏差。此外，模型的准确性主要体现在地下水盐度趋势的模拟上，而无法完全捕捉到具体的盐度变化细节。

模型的性能和局限性主要体现在以下几个方面。首先，模型在模拟地下水盐度变化时，其绝对精度仍需提高。尽管模型能够再现淡水下涌和咸水上涌的趋势，但在具体数值上仍存在低估。其次，模型的校准过程依赖于现场数据，这可能受到数据质量和时空分辨率的限制。此外，模型在模拟地下水流动和盐分迁移过程中，可能忽略了某些关键的物理过程，如地下水与地表水之间的相互作用、土壤渗透率的变化等。这些因素都可能影响模型的预测精度，从而对清道夫井策略的优化产生影响。

研究还发现，清道夫井策略的优化不仅取决于抽水速率，还与允许的氯浓度、参数设置以及地下水系统的空间分布密切相关。例如，在一个30年的周期内，若淡水抽水速率为1200立方米/天，氯浓度阈值为0.30克/升，那么所需的咸水与淡水抽水比例范围为1.6–2.6:1。这一比例表明，为了维持可持续的抽水，必须在一定范围内平衡咸水和淡水的抽取。此外，不同的氯浓度阈值和抽水速率会导致不同的比例需求，这需要在实际操作中进行灵活调整。

研究还强调了清道夫井策略在沿海地区水资源管理中的重要性。通过同时抽取淡水和咸水地下水，不仅可以有效缓解海水入侵，还能提高淡水的可用性。同时，这种策略还能为沿海地区提供额外的饮用水资源，特别是在面临淡水资源短缺和盐化威胁的情况下。因此，清道夫井策略的优化不仅有助于提高水资源的利用效率，还能增强沿海地区的水资源安全。

在实际应用中，清道夫井策略需要综合考虑多种因素，包括地下水系统的结构、盐分迁移的路径、抽水速率的控制以及参数的不确定性。例如，不同类型的地下水含水层可能对抽水策略的响应不同，因此需要针对具体情况进行优化。此外，参数不确定性可能导致模型预测结果的偏差，因此在制定抽水策略时，必须充分考虑这些不确定性，并采取相应的应对措施。

本研究的成果表明，清道夫井策略可以作为沿海地区地下水管理的重要工具。通过高分辨率三维变密度地下水流动和耦合盐分迁移模型的校准，研究人员能够更准确地模拟地下水系统的动态变化，并优化抽水策略。此外，关键抽水曲线的确定为实际操作提供了科学依据，有助于制定合理的抽水计划。这些曲线不仅能够指导清道夫井的运行，还能为其他类似的地下水管理策略提供参考。

然而，尽管本研究取得了一定的进展，仍存在一些局限性。例如，模型的校准过程依赖于现场数据，这可能受到数据质量和时空分辨率的限制。此外，模型在模拟地下水盐度变化时，其绝对精度仍需提高，尤其是在淡水下涌和咸水上涌的幅度上。因此，在未来的研究中，需要进一步改进模型的预测能力，并增加更多的现场数据以提高校准的准确性。

总体而言，清道夫井策略的优化是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素，包括地下水系统的结构、盐分迁移的路径、抽水速率的控制以及参数的不确定性。通过高分辨率三维变密度地下水流动和耦合盐分迁移模型的校准，研究人员能够更准确地模拟地下水系统的动态变化，并为水资源管理提供科学依据。此外，关键抽水曲线的确定为实际操作提供了指导，有助于制定合理的抽水计划。这些成果不仅有助于提高沿海地区的水资源利用效率，还能增强水资源安全，为可持续发展提供支持。

在实际应用中，清道夫井策略的优化需要结合具体的水文地质条件和环境因素。例如，不同地区的地下水系统可能具有不同的结构和特性，因此需要根据具体情况调整抽水策略。此外，气候条件的变化，如海平面上升和干旱频率增加，也会影响地下水系统的动态变化，因此需要在模型中考虑这些因素。通过结合现场数据和模型模拟，研究人员能够更全面地理解地下水系统的运行机制，并制定更有效的管理策略。

未来的研究方向包括进一步提高模型的预测精度，增加更多的现场数据以增强校准的准确性，以及探索更广泛的抽水策略。此外，还需要研究不同类型的地下水含水层对清道夫井策略的响应差异，以及如何在不同气候条件下优化抽水策略。这些研究将有助于更好地理解和应用清道夫井策略，为沿海地区的水资源管理提供更科学的依据。

本研究的成果表明，清道夫井策略在沿海地区的应用具有重要的现实意义。通过同时抽取淡水和咸水地下水，不仅可以有效缓解海水入侵，还能提高淡水的可用性。同时，这种策略还能为沿海地区提供额外的饮用水资源，特别是在面临淡水资源短缺和盐化威胁的情况下。因此，清道夫井策略的优化不仅有助于提高水资源的利用效率，还能增强水资源安全，为可持续发展提供支持。

为了实现这一目标，研究人员需要进一步改进模型的预测能力，并探索更广泛的抽水策略。此外，还需要研究不同类型的地下水含水层对清道夫井策略的响应差异，以及如何在不同气候条件下优化抽水策略。这些研究将有助于更好地理解和应用清道夫井策略，为沿海地区的水资源管理提供更科学的依据。同时，清道夫井策略的优化还需要结合具体的水文地质条件和环境因素，以确保其在实际应用中的有效性。

本研究的成果不仅为清道夫井策略的优化提供了科学依据，还为沿海地区的水资源管理提供了新的思路。通过结合现场数据和模型模拟，研究人员能够更全面地理解地下水系统的运行机制，并制定更有效的管理策略。此外，关键抽水曲线的确定为实际操作提供了指导，有助于制定合理的抽水计划。这些成果将有助于提高沿海地区的水资源利用效率，增强水资源安全，并为可持续发展提供支持。

总之，清道夫井策略的优化是一个复杂而重要的过程，需要综合考虑多种因素，包括地下水系统的结构、盐分迁移的路径、抽水速率的控制以及参数的不确定性。通过高分辨率三维变密度地下水流动和耦合盐分迁移模型的校准，研究人员能够更准确地模拟地下水系统的动态变化，并为水资源管理提供科学依据。此外，关键抽水曲线的确定为实际操作提供了指导，有助于制定合理的抽水计划。这些成果将有助于提高沿海地区的水资源利用效率，增强水资源安全，并为可持续发展提供支持。