单价盐分部分淡化水渗透到不同沿海沙丘土壤过程中的地球化学相互作用

《Journal of Hydro-environment Research》：Geochemical interactions during infiltration of monovalent-partial desalinated water into different coastal dune soils

该研究通过柱实验评估一价选择性脱盐水（mPDW）在德国兰格奥格沙丘土壤中的水力回灌（MAR）适用性，发现不同土壤类型对mPDW的地理化学响应差异显著。灰色沙丘土壤因低有机质和有效阳离子交换容量（CEC）最适宜MAR应用，而棕色沙丘因高有机质导致红氧化反应，海滩沙丘因碳酸盐溶解和离子交换过程最活跃。研究揭示了土壤母质、有机质含量和水文地质条件对MAR可持续性的关键影响，为沿海地区淡水透镜保护提供了理论依据。

　　随着全球人口增长和气候变化的加剧，沿海地区的淡水资源正面临越来越严重的威胁，尤其是淡水透镜体（freshwater lenses）的盐水入侵问题。这些淡水透镜体是许多岛屿上的主要淡水资源来源，由于其密度小于海水，它们通常位于海平面之上，被一层咸淡水混合带所包围。然而，随着地下水过度开采和盐水入侵的加剧，这些系统变得越来越脆弱。因此，寻找有效的补给策略显得尤为重要。本研究探讨了一种新型的地下水补给方法——使用单价离子选择性膜进行电容去离子化（Capacitive Deionization, CDI），从而生产出单价部分脱盐水（monovalent-partial desalinated water, mPDW），这种水主要去除单价离子如Na?和Cl?，而保留双价离子如Ca2?和Mg2?。通过在德国南部北海的屏障岛Langeoog的三种不同土壤类型（海滩沙、灰色沙丘和棕色沙丘）中进行柱状实验，评估了mPDW渗入土壤后可能引发的水化学变化和地质化学反应，以确定其在地下水补给中的适用性。

### 土壤特性与环境背景

Langeoog岛是北海沿岸的一个典型屏障岛，其地质形成与海洋地质和生物过程密切相关。岛屿的土壤类型多样，包括海滩沙、灰色沙丘和棕色沙丘，这些土壤类型反映了不同的土壤发育阶段。海滩沙主要由细沙和少量中沙组成，其碳酸盐含量较高，这与海洋环境中的贝壳碎片有关。灰色沙丘土壤则主要由中沙和细沙构成，碳酸盐含量较低，有机物含量也相对较少。而棕色沙丘土壤则富含有机质和铁氧化物，这使得其在水化学反应中表现出更高的复杂性。这些土壤的特性，如孔隙度、渗透性、pH值和矿物组成，对地下水补给的效果具有重要影响。

研究发现，不同土壤类型的反应机制存在显著差异。海滩沙表现出较强的碳酸盐溶解和离子交换反应，而棕色沙丘土壤则更倾向于发生还原反应，导致铁氧化物的溶解和硫酸盐的减少。灰色沙丘土壤的反应则介于两者之间，表现出相对平衡的水化学变化。这些差异主要是由于土壤中有机质和铁氧化物含量的不同，以及它们对水化学条件的响应能力不同。

### mPDW的渗透效应

在实验中，将合成的mPDW渗入不同土壤类型后，观察到了一系列水化学变化。其中，离子交换反应是主要的反应类型，表现为Na?的暂时吸附和Ca2?、Mg2?的释放。海滩沙和灰色沙丘土壤中，Ca2?和Mg2?的浓度在渗入mPDW后有所下降，表明它们被土壤颗粒吸附。然而，在棕色沙丘土壤中，Ca2?和Mg2?的浓度在渗入后持续低于输入浓度，这可能意味着这些离子被土壤中的铁氧化物或有机质优先吸附，从而减少了它们在地下水中的迁移能力。

值得注意的是，mPDW的渗入不仅改变了水的化学组成，还对土壤本身的化学性质产生了影响。棕色沙丘土壤的“有效阳离子交换容量”（effective CEC）在mPDW渗入后增加了50%，表明土壤中存在更多的交换位点，可能与有机质的增加有关。此外，渗入mPDW还导致了土壤pH值的变化，尤其是棕色沙丘土壤，其pH值从酸性（约3.7）逐渐上升至中性（约7.7），这可能与铁氧化物的溶解和碳酸盐的反应有关。

### 地质化学反应的动态变化

在渗入过程中，不同土壤类型表现出不同的反应动态。例如，在海滩沙中，碳酸盐的溶解导致HCO??浓度显著上升，达到6.5 mmol/L，这表明在渗入过程中，碳酸盐与mPDW中的离子发生了反应。而在棕色沙丘土壤中，由于有机质和铁氧化物的存在，发生了更为复杂的还原反应，导致Fe2?浓度上升至2.2 mmol/L。这种反应不仅改变了水的化学组成，还可能对地下水的水质产生深远影响，如铁氧化物的溶解可能释放出一些重金属或有机污染物。

实验还显示，渗入的水在不同土壤中表现出不同的渗透特性。海滩沙由于其高渗透性，使得mPDW能够迅速扩散并影响周围的地下水。而灰色沙丘土壤的渗透性稍低，但其水化学反应仍然显著。相比之下，棕色沙丘土壤由于其较高的有机质和细颗粒含量，表现出更强的化学反应能力，但也可能带来更高的污染风险。因此，在选择mPDW渗入的地点时，需要综合考虑土壤的化学特性和渗透能力。

### 地质化学反应的可持续性

尽管mPDW在某些土壤中表现出良好的渗透效果，但其在实际应用中仍需考虑可持续性问题。首先，mPDW的生产成本较高，且在去除盐分的同时，也可能会带来某些营养物质的流失，这可能影响地下水的营养平衡。其次，虽然mPDW能够部分去除盐分，但其在不同土壤中的反应机制仍然存在不确定性，特别是在长期应用中是否会导致土壤结构的改变或渗透性的下降。

然而，研究结果表明，mPDW在某些土壤类型中具有较高的可行性，尤其是在灰色沙丘土壤中。这种土壤的反应机制较为平衡，能够有效维持地下水的化学稳定性，同时减少盐水入侵的风险。因此，将mPDW应用于灰色沙丘土壤可能是实现可持续地下水补给的一种有效策略。此外，实验还发现，mPDW的渗入能够促进地下水的淡化，这对于缓解沿海地区日益严重的地下水盐化问题具有重要意义。

### 水化学反应的动态变化

在渗入过程中，水化学的变化是动态的，且受到多种因素的影响。例如，在海滩沙中，由于碳酸盐的溶解，HCO??和Ca2?的浓度显著上升，这表明水与土壤之间的化学反应较为活跃。而在棕色沙丘土壤中，由于有机质的存在，发生了更为复杂的还原反应，导致Fe2?的浓度上升。这些反应不仅影响了水的化学组成，还可能对地下水的水质产生深远影响。

此外，实验还发现，mPDW的渗入对土壤的化学特性产生了影响。例如，棕色沙丘土壤的pH值在渗入后显著上升，这可能是由于铁氧化物的溶解和碳酸盐的反应所致。这种pH值的变化可能会进一步影响土壤中的其他化学过程，如离子交换和矿物溶解。因此，在评估mPDW的适用性时，必须考虑到这些动态变化对土壤和地下水系统的影响。

### 实验的局限性与未来研究方向

尽管本研究提供了关于mPDW在不同土壤类型中反应机制的重要信息，但其仍存在一些局限性。首先，实验仅关注了主要离子的反应，而对微量元素、有机污染物、微生物过程和堵塞机制的研究尚未深入。这些因素在实际应用中可能对地下水的质量和补给效果产生重要影响。其次，实验的持续时间较短，未能充分模拟长期的地下水补给过程。因此，未来的研究应考虑延长实验时间，以更全面地评估mPDW在不同土壤类型中的长期效果。

此外，本研究的结果表明，mPDW技术在某些土壤类型中具有较高的可行性，但在其他土壤类型中可能面临更多的挑战。例如，棕色沙丘土壤由于其较高的有机质和细颗粒含量，可能会在长期使用中导致渗透性的下降。因此，在实际应用中，需要进一步优化mPDW的配方和渗入方式，以确保其在不同土壤类型中的适用性。

综上所述，本研究通过柱状实验评估了mPDW在Langeoog岛不同土壤类型中的渗透效应和水化学变化，为未来在沿海地区实施地下水补给提供了重要的科学依据。尽管存在一些局限性，但研究结果表明，mPDW在某些土壤类型中具有较高的可行性，尤其是在灰色沙丘土壤中。未来的研究应进一步探讨mPDW在不同土壤类型中的长期影响，以及如何优化其配方和应用方式，以实现更高效的地下水补给和更可持续的水资源管理。