%5E%28222%29Rn指示北部湾北部近海SGD输送的时空特征初探.pdf

第 卷 第 期 年 月海 洋 学 研 究 .佀祥城陈晓陈法锦等.指示北部湾北部近海 输送的时空特征初探.海洋学研究():.:.():.:.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()国家自然科学基金委共享航次项目()广东省自然科学基金项目()南方海洋科学与工程广东实验室(湛江)项目()广东省普通高校创新团队项目()广东省冲一流专项资金项目()广东海洋大学大学生创新创业训练计划项目()第一作者简介:佀祥城()男河南省濮阳市人主要从事近海陆架区海水地下水交互方面的研究:.通信作者简介:金广哲()男副教授主要从事海底地下水排泄对近海环境和营养盐迁移转化的影响方面的研究:.指示北部湾北部近海 输送的时空特征初探佀祥城陈晓陈法锦金广哲师梓洋谢旭峰才华(.广东海洋大学 海洋与气象学院近海海洋变化与灾害预警实验室广东 湛江.广东海洋大学 海洋与气象学院广东省高等学校陆架及深远海气候、资源与环境重点实验室广东 湛江 .辽宁省公共资源交易中心辽宁 沈阳)摘 要:放射性同位素氡 ()是来源于地层中铀衰变生成的惰性元素 由于其性质稳定容易测量且在地下水和地表水中活度差异显著近年来被用作示踪剂广泛应用在海底地下水排泄()的研究中 本文选取北部湾北部海水的 活度作为研究对象通过 年 月 月以及 月次年 月在北部湾北部海域的两个航次采样分析了北部湾北部海域水体 的空间分布和季节性变化特征并结合 的质量平衡模型估算了北部湾北部海域的 通量 结果表明 分布特征受到季节变化和陆源 过程的显著影响冬季活度的平均值与夏季相比减少了约 夏季底层水 活度较高断面特征显示 过程明显且多集中于研究区北部而冬季底层水 活度较低断面特征显示 过程较弱 通过构建质量平衡模型估算出北部湾北部海域夏季与冬季 速率分别为.和.夏季 速率明显高于冬季且夏季以近岸 过程为主冬季以离岸 为主 北部湾北部海域存在着明显的 过程而且由于该区域被陆地和岛屿三面环绕 过程很可能是陆源物质向近岸海域输送的重要自然途径关键词:海底地下水排泄()氡同位素()质量平衡模型北部湾北部中图分类号:.文献标志码:文章编号:():.引言海底地下水排泄()指陆地来源的地下水在近海海域通过岩石裂隙和沉积物孔隙进入海洋的过程是生态圈水循环中不可忽视的一部分 研究表明海底地下水排泄在海岸带水文研究中占有重要地位 但由于海底地下水排泄具有隐蔽性开展原位定量观测存在诸多困难导致 过程长期以来被海洋学者忽视 自 年 建立 示踪 的模型后原位定量观测问题得到了突破 通过数十年的不断探索学者发现 过程携带了淡水、生源要素、碳、痕量金属等多种物质汇入近海在某些海岸营养盐通量甚至高于河流输送通量对近海的水资源利用和生态环境有着重要的影响 此外人类活动产生的生活污水和工业污水也会通过土壤渗透汇入地下水并可能借助 运移至近海这意味着 也可能是一种陆源物质输送的重要通道 因此 作为近海的典型陆 海相互作用过程对海岸带水体生态环境有着显著影响常用的 测量方法有直接测量法、水文模型法和地球化学示踪法 种 地球化学示踪法通常使用、和 等铀钍衰变系列的天然放射性同位素进行 示踪其中 和在海洋科学中的创新应用备受关注是目前评估大范围 最有效的方法 相比于其他示踪剂具有以下明显优势:地下水中 的活度通常较海水中高 个数量级可以很好地指示 过程其半衰期较短(.天)可以用来示踪几天至几周的 过程与 同位素相比其测定前无需富集可以进行现场测定 具有化学行为的保守性只通过外海混合、放射性衰变与大气逸散 种形式损失因此 被视作便捷高效的地下水示踪剂能够较好地表征 通量的动态变化现已被广泛运用在与 相关的研究中 如 发现在佛罗里达州近海水体中探测到的海底泉区域与 活度高值分布范围重合度很高 利用 质量平衡模型估算出 的 速率为 温廷宇利用 质量平衡模型估算出黄海沿岸桑沟湾海域的 速率为.浙江象山沿岸 速率为.北部湾北部拥有丰富的滩涂资源和渔业资源但近几十年来水体富营养化日益严重赤潮频发引起了社会对该海域生态和经济问题的关注作为陆源物质输入途径之一 对北部湾海域的营养盐含量和结构变化有着较大影响 通过研究北部湾北部海域 的时空特征可以更好地了解北部湾海域海水地下水的相互作用过程及营养盐的生物地球化学过程 本文选取北部湾北部海域海水的 活度作为研究对象初步明确海水中 的空间分布和季节性变化特征以探究北部湾北部海域 过程尤其是离岸 过程的强度特征 通过构建海水中 的质量平衡模型估算出北部湾北部海域的 通量为该区域的富营养化治理以及近海生态管理提供科学依据 数据与方法.研究区概况北部湾位于我国南海大陆架西北部是天然的半封闭海湾水深从近岸到中间区域逐渐加深平均深度为 最深处达 北部湾属热带季风气候终年受东亚季风影响 月 月为雨季 月次年 月为旱季 北部湾北部海域被陆地和岛屿三面环绕北临广西壮族自治区南部东临广东省雷州半岛和海南省西部西临越南北部 汇入该区域的河流众多共计 余条年总径流量约(.)主要河流有:南流江、钦江、茅岭江、昌化江、珠碧江、红河、马江等 沉积物以粉砂为主近岸粒度较细中央海域粒度较粗.数据介绍 年 月 月以及 月次年 月分别搭载“海科”和“粤湛渔科 号”船在北部湾北部进行了多学科综合科学考察实验研究调查站位设置如图 所示共设置 个站位站位间隔按照航次断面设置大致在 左右 为描述由陆向海 活度的变化特征在进行数据分析过程中选取站位、为 断面站位、为 断面进行分析 海水样品使用 梅花采水器(美国 公司 年)分层采集采样时依据水深情况选取表层、中层和底层水 采样时使用溢流法避免水体样品中溶解的 散逸随后立即通过(美国 公司 年)测样瓶连接 测氡仪(美国 公司 年)以 模式参照 的海水佀祥城 等:指示北部湾北部近海 输送的时空特征初探分析方法在舱内实验室进行分析 测氡仪内置泵体鼓气通过滤头将水样中的气体以气泡的形式捕捉到仪器中进入循环检测模式 每个样品的检测包含 个周期每个周期设为 分钟 测氡仪测量 的活度时精度可达到 在分析海水样品的同时使用一台 测氡仪测量空气中 的活度进行数据校正图 北部湾北部采样站位.质量平衡模型 通量的估算采用稳态 质量平衡模型将研究区域的海水视作封闭水体海水中 的源主要包括地下水输入、河流输入和从沉积物向上覆水的扩散汇主要包括从海水向大气的逸散、自身衰变和海水混合损失源与汇的差值即为地下水输入的通量 根据 在海水中的迁入、迁出过程质量平衡方程式可以表达为 ()式中:是河流排放流量对 活度的影响是来自底部沉积物的扩散对 活度的影响为地下水终端的 活度为 速率 为来自 的 的通量为海水中剩余的 活度 和 分别是沿海海水中的 和 活度 为 的衰变常数(取值.)为 放射性衰变造成的损失为与近海海水混合造成的损失 为 在湾内的库存量是水体刷新时间为从海水中逸散到大气中的通量依据公式()输入的 通量()可以通过其他项的数据计算来获得 将 输入的 通量除以进入到该系统的地下水端元活度()即可得到海底地下水排泄速率()结果与讨论.北部湾北部底层水 活度分布北部湾北部夏季底层水 活度范围为 平均活度为 这个结果高 于 区 域 的 活 度()和 区域的 活度()但与 研究的 区域 活度()相比较低表明北部湾北部存在着较活跃的 过程 如图 所示夏季 活度总体上具有近岸高、远岸低的空间分布特征 海水的 活度以 站位为界北部(平均值 )显著高于南部(平均值 )但在南部海南岛西北侧 站位附近底层水存在 活度值高于 的站位指示这些区域在夏季也可能存在着较强的 过程 距涠洲岛西南区域 处的 站位(.水深)出现了此海域内 活度的最大值()这表明涠洲岛近岸可能是 输送的热点区域 刘花台 等认为在地下淡水和地下咸水中均有 富集的情况下沿岸海水中高 活度的出现指示存在强烈的海底地下水排泄 在香港吐露港以及 在宁波象山湾的 通量估算中也发现了高 活度区域及其对 过程的指示作用图 北部湾北部夏季底层水 活度分布.海 洋 学 研 究 卷 期如图 所示冬季底层水的 活度范围为 平均活度为 在冬季南北部 活度分布基本相同 与夏季相比研究区冬季底层水 活度显著下降例如在广西沿海与海南邻昌礁地区的 站位海水的 活度在夏季为 冬季则低至 所有站位底层水活度较夏季平均减少了约 从 活度的季节性差异可以推断冬季 过程要显著弱于夏季可能是由于冬季的降水量较少导致地下水补给减少 由于北部湾降水量存在明显的季节性差异:雨季通常在 月此期间地下水得到充分补给地下水位上升陆地向海洋的水力梯度变大 速率也随之增加而 月次年 月为旱季北部湾降水量较少地下水补给降低水力梯度逐渐减小 速率随之降低图 北部湾北部冬季底层水 活度分布.夏季北部湾北部水体中 活度分布呈现出明显的层化特征 图 为研究区夏季 和 断面的 活度分布特征各断面底层到表层的 活度均呈递减趋势 断面底层水中 活度最高值为 向上扩散约 后在 的中层水体中 活度降至.表层水(.)与中层水的 活度平均值基本一致 断面也呈现出类似的规律 在 断面中 站位附近的表层水中 活度高于 这可能是受河流和近岸 输送的高 活度水团的影响 在水平方向上各断面 活度均呈现出近岸高离岸低的特征例如 断面近岸 站位底层水 活度为 随着离岸距离的增加 活度逐渐降低到 站位降为 表明该区域夏季近岸 过程显著强于离岸 过程图 北部湾北部夏季 和 断面 活度分布.与夏季相比冬季 和 断面的 活度明显较低且垂向分布上无明显变化如图 所示断面水体中底层水 活度平均值为 断面为 其活度与表层水、中层水相差不大远低于夏季的平均值 在 断面的 站位处底层海水 活度出现最大值 指示该区域存在较强的离岸 现象 从整体上看夏季底层水 活度较高断面特征显示底层水 过程明显而冬季底层水活度较低受降水量减少的影响近岸 活动减弱离岸 贡献突出图 北部湾北部冬季 和 断面 活度分布.佀祥城 等:指示北部湾北部近海 输送的时空特征初探.通过质量平衡模型计算 通量.河流输入通量河流的 活度通常比海水高 个量级因而河流输入通量是通过 质量平衡模型计算 速率时不可忽视的参数 将河水 活度与日径流量的乘积除以研究区面积(取平均潮位时的水面积.)可以估算出单位面积上河流输入的 通量其中 月份为.月份为.沉积物扩散通量当沉积物孔隙水中 活度高于上覆水时沉积物水界面将发生 交换 有研究报道我国近海沉积物 扩散通量比较稳定基本维持在.由于降水量对沉积物扩散通量影响不大故取上述文献中列出的 月的平均值.作为沉积物扩散通量数据的平均值进行模型计算.衰变损失通量海水中的 由地下水排泄和海水中自有的 衰变两种途径产生 郭占荣 等、袁晓婕 等和张艳的测定结果表明海水中 比 的活度小 个量级可以认为海水中的 活度变化受到海水中 衰变的影响较小基本由外源地下水补充 因此本文中计算的衰变损失通量以 的自身衰变为主 将各站位海水中过剩的 活度乘以平均深度再乘以 的衰变常数()可得到各站位的衰变损失通量.混合损失通量 质量平衡模型中的混合损失是指研究区域内高 海水与区域外低 海水混合导致的 稀释 由于开阔大洋海水中 活度比近海小两个数量级此次计算时假设研究区域外 活度为 在水体交换流出和流入相等的条件下得到模型中的 混合损失通量为.大气扩散通量 微溶于水当海气界面未达到平衡时 将会通过该界面逸散至大气 文献报道了我国不同海域不同季节测量的 大气扩散通量为.参考上述各海域测量的平均值取 月份 大气扩散通量为 月份为.代入模型进行计算.速率估测不同站位的 速率估算是以各站位附近水体为孤立单元考虑 的源与汇在孤立单元间的差异通过质量平衡模型计算得到地下水输入的通量并用该通量除以地下水端元的 活度以此计算夏季与冬季的 速率 具体计算如下:将河流输入、沉积物扩散、衰变损失、混合损失和大气扩散通量等参数代入 质量平衡模型得到经过校准后 输入的 通量将其除以 年 月在雷州半岛附近测定的 个地下水端元的平均 活度(.)得到海底地下水排泄速率北部湾北部海域的 平均速率乘以研究区域面积(.)得到 夏季排泄通量为.冬季排泄通量为.年排泄通量