在变化中的海洋环境中，对近海淡化地下水动态的数值研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Numerical investigation of offshore freshened groundwater dynamics in a changing marine environment

近海淡水系统研究：基于三维数值模拟的加拿大Prince Edward Island大陆架地下水动态分析表明，下冰层补给与大气补给是近海淡水形成的主要机制，估算OFG体积达57,950 km3。地质异质性（如层状隔水层、断裂和渗透率各向异性）显著影响地下水液压连通性，促进近岸地下水向大陆架深层流动。研究揭示OFG分布受海水入侵、沉积层厚度及渗透率控制，厚且低渗透的海洋沉积层可抑制咸水入侵，维持淡水储层。结果对PEI依赖地下水资源的地区水资源管理和气候变化适应策略具有重要指导意义。

　　沿海地区的地下水短缺问题日益严重，特别是在高人口密度、污染或气候变化导致的海洋与大气压力叠加区域。这种情况下，一种潜在的替代水资源——海上淡化地下水（Offshore Freshened Groundwater, OFG）正在引起越来越多的关注。OFG是指位于海底下方，总溶解固体浓度低于海水的地下水，其存在和分布对沿海城市的可持续水资源管理具有重要意义。然而，目前对OFG的研究仍然有限，特别是在加拿大的大陆架上几乎没有相关的研究。本文通过三维数值模拟，探讨了OFG在该地区的形成机制，并分析了其与陆地地下水系统之间的联系。

研究发现，OFG的形成主要受到两个关键过程的影响：冰盖下的补给（sub-ice-sheet recharge）和降水补给（meteoric recharge）。这些过程在上一个冰河时期（Last Glacial Maximum, LGM）后持续发挥作用，为OFG的形成和维持提供了重要条件。模拟结果表明，OFG的总体积约为57,950立方公里，而整个海湾的海底地下水排放量（Submarine Groundwater Discharge, SGD）估计为每年1.15立方公里。OFG的存在不仅与地质结构有关，还受到海平面变化、沉积层厚度、各向异性（anisotropy）以及地层间的隔水层（aquitards）等水文地质因素的影响。

OFG的分布和动态变化受到地质和水文条件的显著影响。例如，地质结构中的各向异性能够促进陆地与海底含水层之间的水力连接，从而增强OFG的补给。相比之下，低渗透性、较厚的未固结海洋沉积层和地层间的隔水层则有助于减少海水的入侵，从而保护OFG。通过敏感性分析，研究发现当各向异性增加时，OFG的体积会扩大，而当渗透性增加或沉积层变薄时，OFG则更容易受到海水的影响。此外，模拟结果表明，不同的地层结构对OFG的保护作用也有所不同，上层较薄的隔水层在防止海水深入渗透方面更为有效。

研究还强调了OFG在沿海地区的重要性，特别是在人口密集、农业需求和水资源紧张的区域。以加拿大爱德华王子岛（Prince Edward Island, PEI）为例，该地区的经济高度依赖农业，而地下水在提供饮用水和灌溉用水方面起着关键作用。随着气候变化和海平面上升，地下水的可用性正面临挑战，OFG的发现为解决这一问题提供了新的思路。然而，OFG的开发和利用仍需谨慎，因为过度开采可能导致海水入侵，影响地下水的可持续性。此外，OFG的分布也对海洋生态系统和海底水文地质结构产生深远影响，例如通过海底地下水排放（SGD）向海洋输送营养物质和化学成分，从而改变海洋的生物地球化学循环和化学组成。

为了更好地理解和评估OFG的潜力，本文采用了一个结合地质和水文地质条件的三维模型，模拟了地下水流动和盐分输送过程。该模型考虑了区域地形、地层结构和地质构造的详细分析，使得研究能够更全面地揭示OFG的形成机制及其在不同地质条件下的动态变化。通过将实际钻孔数据和地球物理数据整合到模型中，研究团队能够更准确地描绘出地下含水层的分布和特征，从而为后续的水资源管理提供科学依据。

研究还指出，OFG的形成与地质结构的复杂性密切相关。例如，沉积层的厚度和渗透性对OFG的分布和保护至关重要。较厚的未固结沉积层能够有效阻挡海水的入侵，而较薄的沉积层则更容易受到海水的影响。此外，地层间的隔水层在防止海水向下渗透方面也起到了关键作用。这些发现表明，OFG的分布和可用性受到多种因素的共同影响，包括地质结构、水文条件以及气候变化等。

从海平面上升的历史来看，OFG的形成和演化与冰盖的消退和海平面的变化密切相关。在冰盖覆盖大陆架的时期，地下水通过冰下排水系统和冰缘湖泊补给到海底，形成了大量的OFG。随着海平面上升，这些地下水逐渐暴露在海水之下，受到盐水入侵的影响。然而，由于地质结构的各向异性，部分OFG得以保留，并通过陆地与海底含水层之间的水力连接持续补给。模拟结果表明，在某些情况下，OFG能够保持较高的淡水含量，即使在海平面接近现代水平时，仍然存在大量淡水。

此外，研究还发现，OFG的分布具有显著的空间异质性。在PEI的东部，由于地形和地质条件的不同，OFG的补给范围可能比西部更广。同时，不同地区的OFG对海平面变化的响应也有所不同，例如在靠近新不伦瑞克（New Brunswick）的区域，OFG的补给范围相对较窄。这种空间差异强调了采用三维模型的重要性，因为传统的二维模型无法充分捕捉到这些复杂的地下水流动路径和地质异质性。

OFG的动态变化不仅与地质条件有关，还受到水文因素的影响。例如，地下水的补给速率、渗透性以及沉积层的厚度都会影响OFG的形成和维持。在模拟中，研究团队通过调整不同参数，评估了这些因素对OFG体积和分布的影响。结果显示，当各向异性增加时，OFG的体积和分布范围会显著扩大，而当渗透性增加或沉积层变薄时，OFG则更容易受到海水的侵蚀。

OFG的存在对沿海生态系统和水资源管理具有重要意义。一方面，OFG能够为沿海地区提供额外的淡水资源，缓解水资源短缺问题；另一方面，其对海洋环境的影响也需要引起重视。例如，OFG的排放可能会影响海底生态系统的稳定性，改变海洋的化学成分和生物地球化学循环。因此，在考虑OFG的开发和利用时，必须权衡其对环境的潜在影响，并制定相应的管理策略。

尽管OFG的研究仍处于初步阶段，但其在应对全球沿海水资源危机方面展现出巨大潜力。特别是在水资源紧张、农业需求高以及沿海开发迅速的地区，OFG的利用可能成为一种重要的解决方案。然而，目前的研究仍存在一些局限性，例如缺乏详细的地下数据、对冰盖边界条件的简化以及对地下水补给速率的假设。因此，未来的研究需要进一步整合高分辨率地球物理调查和水文地质模型，以更准确地评估OFG的分布和动态变化。

综上所述，OFG作为一种潜在的淡水资源，其形成和演化受到复杂的地质和水文条件的影响。通过三维模型的模拟，研究团队揭示了OFG在加拿大爱德华王子岛周边大陆架上的分布特征，并强调了各向异性、沉积层厚度和隔水层结构在保护OFG方面的重要性。这些发现不仅有助于理解OFG的形成机制，还为未来沿海水资源管理提供了科学依据。随着全球气候变化的加剧，OFG的研究和利用将成为缓解沿海水资源危机的重要方向之一。