印度喀拉拉邦西南部阿迪马拉图拉海岸地下淡水路径的水文地球物理研究：一种综合的水文地球化学与电阻率层析成像方法

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Hydrogeophysical insights into subsurface freshwater pathways along the Adimalathura Coast, Southwest Kerala, India: An integrated hydrogeochemical and electrical resistivity tomography framework

本研究综合运用遥感、地球物理探测及稳定同位素分析，揭示了印度特里凡特伦西南海岸Adimalathura等区域海水-地下水交换特征，通过SST异常和ERT成像定位了地下水流路径及范围，并基于水文地球化学和δ1?O、δD数据估算SGD流量，建立了适用于季风型海岸线的综合评估框架，为可持续的海岸地下水管理和海洋生态保护提供科学依据。

　　

Jesuraja Kamaraj|Upendra Badimela|Dev Kalarikal|Nidhin Kunnavil|Nandhu S. Nair|Arathi Keezhpalli|Reji Srinivas|Sreelash Krishnan

印度特里凡得琅国家地球科学研究中心（NCESS），695011

摘要

海底地下水排放（SGD）是海岸水文地质学中的一个关键组成部分，它调节着淡水流动、海水化学成分以及近岸海洋生态系统的功能。本研究采用综合方法，结合遥感观测、地球物理调查以及水文地球化学和稳定同位素（δ¹⁸O 和 δD）分析，探讨了特里凡得琅西南海岸（具体包括Adimalathura、Vizhinjam、Pulluvila和Aazhimala地区）的SGD现象、空间分布及其水文地质特征。卫星获取的海表温度（SST）数据显示，近岸区域的水温相对较低（23.7-25.5°C），而离岸水域温度超过30°C，这表明在旱季可能存在淡水排放。后续的多阵列电阻率层析成像（ERT）地质物理调查证实了这些观察结果，明确了7至50米深度范围内SGD的分布和流动路径。进一步分析表明，没有单一的探测配置能够完全解释SGD的复杂性：Wenner-Schlumberger配置主要用于确定深度和结构，而dipole-dipole配置则能捕捉到横向异质性。通过分析陆地地下水与海洋水体之间的水文地球化学和同位素差异（如孔隙水中δ¹⁸O和δD值的差异），确认了SGD的存在，并利用水位波动（WTF）方法估算了其排放量。本研究建立了一个全面的、经过现场校准的框架，整合了SST、水文地球化学、ERT和稳定同位素数据，以揭示受季风影响的海岸线上的SGD空间分布和流动动态，为更好地理解地下水与海水的相互作用提供了方法论支持，同时为可持续的沿海地下水管理和海洋生态系统保护提供了宝贵见解。

引言

海底地下水排放（SGD）的定义多种多样，通常指水从大陆边缘流入海洋的过程，不论其流体成分如何（Taniguchi等人，2002；Burnett等人，2003）。SGD主要分为两部分：淡水SGD（FSGD）和咸水循环SGD（RSGD），后者发生在海水侵入地下水流动路径并与淡水混合后最终被排放（Kaleris，2006；Prakash等人，2024）。在全球范围内，循环海水约占SGD总量的90%，而淡水SGD仅占排放量的10%（Moosdorf & Oehler，2017）。这种混合发生的区域被称为地下河口（STE），具有重大意义，因为在这里关键的地球化学反应会改变入侵海水的化学性质（Moore，1999；Taniguchi等人，2019）。SGD的流动受多种因素影响，包括水力梯度（Peng等人，2008）、水力传导性（Li等人，2016）、波浪和潮汐引起的压力差（Li等人，2016）、对流作用、含水层的补给速率（Jesuraja等人，2025a）以及地热差异（Selvam和Perumal，2025）。

历史上，SGD在多种文化中发挥了重要作用，影响着水资源管理、水产养殖和当地生态系统（Liu & Du，2022）。Moosdorf和Oehler（2017）全面回顾了全球各地的相关文献，指出淡水SGD作为饮用水、卫生、农业、渔业和文化活动的重要资源具有很高的价值。古希腊哲学家老普林尼曾记录了黑海和地中海地区的多个海底泉眼（Kohout，1966），而在夏威夷，SGD区域被用作人工水产养殖池塘（Moore，2010），并对维持关键藻类物种的生存具有重要的社会经济意义（Duarte等人，2010）。在缺水地区，SGD常与雨水收集结合使用（Moosdorf & Oehler，2017）。此外，SGD还影响当地渔业；例如，在日本Obama湾的研究发现，SGD区域由于营养物质富集而支持了丰富的鱼类种群（Utsunomiya等人，2017）。

电阻率层析成像（ERT）是一种广泛用于地下特征研究的地球物理技术，能够根据淡水与咸水的不同电导率进行有效区分：低电阻率代表咸水，高电阻率代表淡水（Alexopoulos等人，2025）。Mirzaei等人（2021）指出，ERT可以通过多种电极配置进行实施，包括Wenner、Schlumberger、dipole-dipole和pole-dipole阵列；其中Wenner-Schlumberger配置在地下成像方面表现出更高的准确性和细节度。在全球范围内，ERT已成为研究SGD的标准技术，在印度也被广泛用于描绘水文地质状况和量化SGD（Babu等人，2009；Antony & Ramanujam，2014；Purandara等人，2021；Kunnavil等人，2025）。本研究采用的第二种方法是通过遥感检测的海表温度（SST）异常来识别潜在的SGD区域。海水与排放地下水之间的温度差异为SGD的检测提供了有价值的热对比（Ye等人，2025）。多项印度研究证实了SST作为可靠遥感工具在识别SGD区域方面的有效性，包括Bhagat等人（2021）、Nandimandalam等人（2023）、Nayak等人（2024）、Prakash等人（2024）、Selvam等人（2022）和Sunilkumar等人（2025）的研究。

全球范围内，SGD被认为是塑造海岸生态系统的重要过程。近年来，印度通过多种方法加大了对SGD的研究力度（Jesuraja等人，2025b）。最近，在印度西海岸，多位研究人员采用了不同的方法研究SGD：George等人（2021）使用²²²Rn量化SGD流量；Poornima等人（2021）应用了数值建模；Poornima等人（2023）采用了地球物理方法；Kunnavil等人（2025）利用多代理技术识别了九个SGD热点。然而，这些研究均未采用结合遥感、地球物理、水文地球化学和稳定同位素分析的综合方法。本研究的目的是利用ERT技术以及水文地球化学和稳定同位素（δ¹⁸O和δD）参数和海表温度（SST）数据，确定特里凡得琅西南海岸（包括Adimalathura、Vizhinjam和Pulluvila地区，由Kunnavil等人，2025划定）的SGD范围，以绘制SGD分布图并支持沿海地下水管理。本研究提出了一种新的综合方法，结合地球物理、地球化学和遥感技术，详细描绘了特里凡得琅西南海岸的SGD路径。

研究区域

Adimalathura地区（北纬8°18′29″–8°25′52″，东经76°59′14″–77°04′32″）涵盖了Poovar、Adimalathura、Vizhinjam和Kovalam，全长约9公里，位于特里凡得琅区最南端的低洼海岸地带（图1）。该地区以红土悬崖和沙质至岩石质海滩为主，反映了活跃的海岸侵蚀和堆积过程。海岸平原主要由全新世时期的Teri沙构成。

野外采样措施

2025年3月进行了野外采样，收集了用于物理化学分析的孔隙水、地下水和海水样本。孔隙水通过压点式测压仪从海滩沉积物中提取，测压仪穿透海滩表面至约2米深度。采样后，使用装有0.45微米硝酸纤维素滤纸的注射器抽取孔隙水，并将其收集在无头部空间的250毫升瓶中。共收集了17个样本，其中包含5个孔隙水样本。

结果与讨论

本节整合了来自遥感、地球物理调查和水文地球化学分析的结果，全面评估了研究区域的SGD情况。通过结合多种证据，本研究旨在减少解释不确定性，并建立表面温度异常、地下电阻率结构、水文地球化学和稳定同位素特征之间的稳健关联。

总结与结论

本研究成功确定了特里凡得琅西南海岸（包括Adimalathura、Vizhinjam、Pulluvila和Kovalam地区）SGD的发生、空间范围和强度。通过整合遥感、ERT和水文地球化学及稳定同位素（δ¹⁸O和δD）参数，建立了一个稳健的、经过现场校准的SGD特征描述框架。2025年3-4月的Landsat影像热红外分析显示了近岸区域的持续降温现象。

未来研究的局限性与建议

尽管本研究采用的综合SST、ERT、水文地球化学和WTF方法为识别、验证和量化SGD提供了有力框架，但一些现场限制因素影响了数据采集的范围。海岸线可进入性受限，导致无法在整个海滩范围内部署连续的ERT测线，从而无法充分利用360米多电极系统。因此，部分测点不得不设置在内陆或距离海岸较远的位置。

作者贡献声明

Jesuraja Kamaraj：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，资源协调。Reji Srinivas：验证，正式分析。Sreelash Krishnan：数据可视化，项目管理。Arathi Keezhpalli：资源协调，数据管理。Upendra Badimela：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Dev Kalarikal：软件开发，方法论设计。Nidhin Kunnavil：原始草稿撰写。Nandhu S Nair：软件开发，数据管理。

未引用的参考文献

AL-Hameedawi, 2019; Kamaraj et al., 2025a.

数据可用性

数据可应要求提供

利益冲突

作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢NCESS主任和EHG小组负责人提供的持续支持和鼓励。作者感谢数据提供者，包括印度气象部门（IMD）、中央地下水委员会（CGWB）和喀拉拉邦水利部门提供的关键数据集。J. K和U. B两位作者特别感谢EHG, NCESS的IRMS实验室的技术支持。