一种多示踪剂方法揭示了高能量海滩地下河口的地下水停留时间以及动态端元混合特性

《Water Resources Research》：A Multi Tracer Approach Reveals Groundwater Residence Times and Dynamic Endmember Mixing in the Subterranean Estuary of a High Energy Beach

地下河口在高压条件下作为高效生物地球化学反应器，不同理化性质水体混合产生化学作用，影响排海地下水成分如营养盐供给。通过1.5年监测200米海滩剖面，结合电导率、氚氦年龄、温度和溶解硅等示踪剂，揭示了地形变化对地下水流动、年龄及海水-淡水混合模式的影响。

　　

摘要

在高能量条件下，地下河口（Subterranean Estuaries, STEs）作为有效的生物地球化学反应器，其中具有不同物理化学性质的水体相互混合。STE内的化学反应调节着排入海洋的地下水中的溶质组成，例如为沿海生态系统的浮游生物生长提供养分。地下水的停留时间是理解地下水流动和传输机制的基础，因此对于解释（生物）地球化学数据至关重要。本研究以受到高能量影响的屏障岛Spiekeroog为例，展示了海滩表面的形态变化如何影响地下水流、地下水年龄和混合模式。为此，我们结合了多种环境示踪剂，包括电导率、表观氚-氦法测得的地下水年龄、温度（T）和溶解二氧化硅（Si），这些数据是在1.5年期间从沿岸200米长的横断面不同深度和位置采集的。表观地下水年龄、传输时间和海水混合比例的结果有助于划分出不同成分主导的区域。上层咸水羽流（USP）的循环海水在高潮线附近渗透，年龄最短，传输时间仅为几天到几周；而在沙丘底部附近，从岛屿内部进入海滩的淡水已有数年历史，随后形成了位于USP下方的淡水排放管，并流向排放区，在18米以下的深度遇到了已有数十年历史的微咸水。这些结果不仅支持了对地球化学数据的解释，还加深了对高能量海滩系统中生物地球化学反应器运作机制的理解。

通俗语言总结

在沙质海滩的地下，由于高潮和海浪的作用，大量海水渗入潮间带，形成了一个有效的生物反应器。在这里，淡水和海水混合，发生化学反应，改变了地下水在流入海洋之前的成分。这一过程为沿海生态系统提供了养分，例如促进了藻类的生长。我们的研究提供了全面的环境示踪剂数据集，揭示了地下24米深度范围内的混合模式和地下水年龄。这些数据对于解释生物地球化学数据以及理解相关过程至关重要。

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据来源说明

北海的水位数据由德国联邦海运与水文局（Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, BSH）提供，北海的温度序列数据由Spiekeroog时间序列站提供。

本研究收集的现场数据可在Zenodo存储库中找到，引用如下：Meyer, R., Reckhardt, A., Greskowiak, J., Seibert, S. L., Skibbe, N., Sültenfu?, J., & Massmann, G.（2025）。与本文相关的研究数据：《多示踪剂方法揭示高能量海滩地下河口的地下水停留时间和动态成分混合》[数据集]。Zenodo。 https://doi.org/10.5281/zenodo.15704381。