（环境工程专业论文）胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送.pdf

胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 摘要 随着青岛市工农业生产的迅速发展和人口的剧增，近年来进入胶州湾的营养 盐呈上升趋势，赤潮事件时有发生，这极大地影响和制约着胶州湾海洋产业的可 持续发展。而以往对胶州湾的陆源营养盐输送的相关研究中，通常忽略了地下水 的作用。研究表明，若海岸带地下水向沿海水体输入的n 、p 增加，势必将改变海 水原有的n p 比值和以n 或p 为限制性营养元素的状况，不仅直接导致富营养化 和浮游植物勃发，还可能改变沿海水体中浮游植物的种群结构，并进而影响到整 个生态系统的平衡。国外已有学者将海岸带地下水的营养盐输送入海与赤潮的发 生相联系。而我国在这方面的相关研究还很少。 鉴于此，本论文以胶州湾为研究对象，全面收集胶州湾周边地区的气象，地 质、水文地质等背景资料，根据胶州湾周边含水层分布情况，合理布殴长观孔， 进行地下水位观测及水样的采集，开展地下水样的常规离子及营养盐测量实验， 分析海湾周边地下水的水位动态变化及水文地球化学特征，并计算地下水向海湾 的n 、p 、s i 无机营养盐的输送量。 研究表明，地下水向海湾的输送受水文地质条件、降水，开采及海湾环境条 件的影响。2 0 0 1 2 0 0 3 年胶州湾周边主要含水层向海湾输送的地下水量分别为： 2 1 6 、1 8 7 、2 4 0 1 d m 3 ，其中自沙河平原地下水的输送贡献率大于9 5 ，而大 沽河平原因地下水库截渗坝的建立，其输送贡献率小于1 。 研究区地下水向胶州湾的营养盐输送中，n 0 3 _ 的输送量最大，每年达4 3 6 6 1 0 6 m o l ，其中农业污染严重且地下水输送量较大的白沙河平原的输送贡献 达9 9 ；其次是可溶性s i o 。，每年达0 6 1 0 7 1 0 6 m o l ，白沙河平原的输送贡 献达9 6 ；而研究区地下水的n o ；、n h + 、p 0 。输送量较小，每年分别为2 5 5 6 、 5 1 3 2 6 、0 6 8 3 1 0 3 m o l ，除2 0 0 1 2 0 0 2 年洋河平原的p 旷输送贡献达7 0 外，其余均主要为白沙河平原地下水输送。研究区地下水向海湾的n 0 3 一输送量占 河流输送量的2 0 ，其主要来源于沿海农业发展过程中化肥农药的过量使用，应 该引起高度的重视。 关键词：胶州湾地下水水文地球化学特征断面法营养盐输送 g r o u n d w a t e rh y d r o g e o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d n u t r i e n t sd i s c h a r g ei n t oj i a o z h o ub a yf r o ma m b i e n ta r e a s a b s t r a c t b e c a u s eo fq u i c kd e v e l o p m e n ta n dt h ei n c r e a s i n gp o p u l a t i o ni nq i n g d a oc i t yi n r e c e n ty e a r s ，t h ee u t r o p h i c a t i o np m b l e mo fj i a o z h o ub a yb e c o m e sm o r ea n dm o r e s e r i o u s ，r e dw a t e rb l o o mo c c u r s ，i ti n f l u e n c e st h es u s t a n i a b l ed e v e l o p m e n to fo c e a n i n d u s t r yo fj i a o z h o ub a y a l t h o u g ht h el a n d - s o u r c en u t r i e n t sd i s c h a r g ef r o ml a n di n t o j i a o z h o ub a yh a sb e e nr e s e a r c h e d ，b u tt h ec o n t r i b u t i o no fg r o u n d w a t e ri su s u a l l y n e g l e c t e d r e s e a r c hh a ss h o w e dt h a tt h ef u n c t i o no fg r o u n d w a t e ri nt r a n s p o r t i n g n u t r i e n ti ss o m e t i m e sv e r yi m p o r t a n t , g r o u n d w a t e rc a nt a k ena n dpt ot h es e a ，t h e ni t m a yc h a n g et h en pa n dt h es i t u a t i o no fa sn o rpf o rl i m i t e dc o n d i t i o n ，a n dc a u s e e u t r o p h i c a t i o na n dp h y t o p l a n k t o nb l o o m s ，e v e nc h a n g et h ep o p u l a t i v es t l c t u r e , a n d t h e ni tc a ni n f l u e n c eb a l a n c eo ft h ee c o s y s t e m s o m ef o r e i g nr e s e a r c h e r sh a sr e l a t e d t h eg r o u n d w a t e rn u t r i e n t sd i s c h a r g ew i t ht h ee u t r o p h i c a t i o np r o b l e m , b u tt h er e l a t e d r e s e a r c hi nc h i n ai sf e w t h i st h e s i sf i r s t l yg e n e r a l i z e st h eg e o g r a p h i c ，g e o l o g i c a la n d h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t o no ft h ea r e aa r o u n dj i a o z h o ub a yb yc o l l e c t i n gc o m p r e h e n s i v ed a t u m t h e n t h eo b s e r v a t i o nb o r e sw e r es e tt oo b s e r v et h eg r o u n d w a t e rl e v e ld y n a m i ca n da l s o c o l l e c tg r o u n d w a t e rs a m p l ef o ra n a l y s i n gt h ec o n t e n to fg e n e r a li o na n dn u t r i e n t s a n dt h e nb yg e n e r a l i z i n gg r o u n d w a t e rl e v e ld y n a m i c ，h y d r o l o g yg e o c h e m i s t r y c h a r a c t e r i s t i ca n di t sn u t r i e n t sd i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o ni ng r o u n d w a t e ra r o u n dj i a o z h o u b a y , t h eg r o u n d w a t e ra n di t sn ，pa n ds ii n o r g a n i cn u t r i e n t sd i s c h a r g ei n t oj i a o z h o u b a y a r ee s t i m a t e du s i n gt w ok i n d so fs e c t i o nm e t h o d s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eq u a n t i t yo fg r o u n d w a t e rd i s c h a r g i n gi n t ot h eb a y f r o mt h er e s e a r c h e da r e ai sh l i g e ，a n di ti s s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yf a c t o r so f h y d r o l o g yg e o l o g yc o n d i t i o n ，p r e c i p i t a t i o n ，e x p l o i t a t i o na n dt h eg u l fe n v i r o n m e n t t h eg r o u n d w a t e rd i s c h a r g ei n t ot h eb a yf r o mt h ey e a r2 0 0 1t o2 0 0 3a r e2 1 6 ，1 8 7 ， 2 4 0 x 1 0 b m 3r e s p e c t i v e l yt h eb a i s h aa q u i f e rg r o u n d w a t e rd i s c h a r g ei st h el a r g e s ti n t h es t u d ya r e a , a c c o u n t i n gt om o r et h a n9 5 ，a n db e c a u s eo ft h ec o n s t r u c t i o no ft h e g r o u n d w a t e rr e s e r v i o ri nd a g ua q u i f e r , i t sc o n t r i b u t i o ni sl e s st h a nl t h ed i s c h a r g eo fn 0 3 。a n dd i s s o l v e ds i 0 2a l el a r g e t h e r ea r ea b o u t4 3 6 6 a n do 6 l 1 1 0 6 m o lp e ry e a rr e s p e c t i v e l y , t h eb a i s h aa q u i f e rd i s c h a r g e sm o r et h a n 9 6 a n dt h ed i s c h a r g eo fn o r n 8 4 + a n dp 0 4 3 a r e2 5 5 6 5 1 3 2 6a n d0 6 8 3 x i0 m o lp e ry e a rr e s p e c t i v e l y , t h ey a n ga q u i f e rc o n t r i b u t e s7 0 i nd i s s o l v e d s i 0 2d i s c h a r g ef r o m2 0 0 1t o2 0 0 2 o t h e r sa r em o s t l yd i s c h a r g e db yt h eb a i s h a a q u i f e r t h e d i s c h a r g eq u a n t i t yo fn 0 3 。v i ag r o u n d w a t e ri n t oj i a o z h o ub a ya c c o u n t st o 2 0 o ft h en 0 2 。d i s c h a r g ev i af i v e r , a n dt h en 0 3 m a i n l yc o m e sf r o mt h ei n c r e a s i n g u s eo fc h e m i c a lf e r t i l i z e ra n dp e s t i c i d ei nt h ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r ei nt h e s e a s i d e ，o fw h i c hw es h o u l dc a u s eah i g hv a l u e k e y w o r d s ：j i a o z h o ub a y ：g r o u n d w a t e r ：h y d r o l o g y g e o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c ： s e c t i o nm e t h o d ：n u t r i e n t sd i s c h a r g e 独创声明 、本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得( 洼；麴瀣直墓丝爰噩挂型直盟 笪：查拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：计玉论签字日期：武年月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向固家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：叶玉礁 导师签字： 如畔 签字日期：2 d 年6 月f a 日签字日期：“年f 月，o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 0 前言 海岸带是陆地与海洋的交接地带，即海岸线向陆、海两侧扩展一定宽度的带 形区域，中国的全国海岸带和海涂资源综合调查规定：海岸带的宽度为离岸 线向陆侧延伸l o 公里，向海延伸至1 5 米水深线( 中国大百科全书编辑委员会， 2 0 0 0 ) 。海岸带资源丰富、人口密集、商业发达、交通便利、经济活跃、城市化 进程迅速，它是人类社会繁荣发展最具潜力和活力的地区。2 0 0 1 年我国5 个沿海 经济发达地区的人口约占全国总人口的3 0 9 6 ，而g d p 占全国g d p 的8 0 之多。然而， 由于海岸带的环境承载力有限，经济增长和人口的增加使得海岸带面临着越来越 大的环境压力，许多突出的环境问题，如沿海赤潮、海水入侵、水体污染、湿地 退缩等，严重地影响和制约着海岸带地区的可持续发展，因此海岸带环境管理已 成为各国政府和全社会高度重视的问题。 海岸带地下水不仅是工农业生产和城市发展不可缺少的重要资源，它也是海 岸带环境的重要组成部分和全球水循环的重要环节。然而，随着海岸带工农业生 产的大力发展和经济的快速增长，打着人类污染“烙印”的海岸带地下水携带了 大量的污染物质和营养盐排泄入海，影响着近岸海洋生态系统的平衡，造成水体 的污染和富营养化，甚至是引发赤潮。研究表明，有些地区的海岸带地下水硝酸 盐输送入海量占陆源总输送量的5 0 以上( c a p o n edg ，s l a t e rjm ，1 9 9 0 ) 。鉴于 我国目前比较严峻的近海水域环境状况，我国应引起高度重视，并加强对海岸带 地下水营养盐输送入海的调查和研究，以便为海岸带环境管理提供一定的依据， 更好地促进沿海地区社会经济与环境的协调发展。 胶州湾是黄海的一个半封闭型海湾，位于山东半岛南侧。随着青岛市工农业 生产的迅速发展和人口的剧增，进入胶州湾的营养盐呈上升趋势，赤潮事件时有 发生，这极大地影响和制约着胶州湾海洋产业的可持续发展。尽管对胶州湾的陆 源营养盐输送量进行过研究，但往往忽略了地下水的营养盐输送作用。鉴于此， 本文在国家自然科学基金重点项目“胶州湾流域生源要素流失与海湾富营养化演 变过程”( 基金号4 0 0 3 6 0 1 0 ) 的资助下，研究了胶州湾周边地下水的水位动态特 征、水文地球化学特征，并在此基础上计算了地下水向胶州湾的营养盐输送量。 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 1 研究意义、现状与研究内容 1 1 研究意义 近岸水体的富营养化是全球性海洋环境的灾害性问题，其后果常常是形成高 生物量的水体并引发灾难性的赤潮( i o c s c 0 r ，1 9 9 9 ) 。有充足的证据表明，近 几十年来伴随着富营养化，有害赤潮的发生频率及其带来的危害确实显著地增加 了( 1 0 c s c o r ，1 9 9 9 ) 。由于陆地向海洋排放的营养元素在近岸水体的积累，使 得环境中某些营养元素之间的比例改变，引起那里植物种群结构发生变化，进而 影响到整个生态系统的平衡( 例如多瑙河一黑海、密西西比河一墨西哥湾) 。这种 情况在发达国家和发展中国家都十分普遍，它常常引起近岸环境发生难以逆转的 变化( 如生态系统多样性问题) ，而且对人类生存环境具有直接的威胁( 1 0 c s c o r ， 1 9 9 9 ) 。 欧旺与美洲的有关海洋环境污染控制与生态系统健康的一些国际计划，都将 富营养化问题的研究放在十分重要的位置( e c o a b ，1 9 9 5 ；e u r o h a b ，1 9 9 8 ) ，如 1 9 9 9 年春联合围教科文组织政府问海洋委员会( i c o ) 与国际海洋科学研究指导 委员会( s c o r ) 联合成立了国际赤潮的生态学与海洋学计划委员( g e o h a b - g l o b a l e c o l o g ya n do c e a n o g r a p h yo fh a r m f u la l g a lb l o o m s ) ，并在第一次会议中将 富营养化定为它的五个工作计划之一。 由于近年来陆源污染物质及营养盐入海量的不断增加，我国近海赤潮发生次 数也呈明显上升趋势。1 9 9 0 1 9 9 9 间，我国近海累计发现赤潮2 0 0 余次，平均 每年2 0 次，其中1 9 9 7 1 9 9 9 年3 年间共发生赤潮4 5 次；2 0 0 0 年2 9 次；而2 0 0 1 年赤潮发生次数增多、发生时间提前、影响范围扩大，全年共发现赤潮7 7 次， 累计面积达1 5 万i ( m 2 ；2 0 0 2 年上升为7 9 次，累计面积超过1 万陆2 ；2 0 0 3 年更 达i1 9 次，累计面积约1 4 5 5 万k 2 ；2 0 0 4 年和2 0 0 5 年赤潮发生次数有所减少， 分别为9 6 次、8 2 次，但累计面积大幅度增加，分别为2 6 6 3 、2 7 0 7 万k m ，( 国 家海洋局，1 9 9 0 2 0 0 5 ) 。 通常在富营养化的研究中更多地注重地表水与排污的影响，而地下水、大气 沉降与地面冲刷的贡献被忽视( z h a n g 。1 9 9 4 ；p a e r l 。1 9 9 7 1b u r n e t t ，1 9 9 9 ) ，这 2 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 些都给入海污染物( 营养盐) 削减措施的评估带来很大的不确定性( 国家海洋局北 海监测中心，青岛市海洋与水产局，1 9 9 8 ) 。研究表明，随着地表水污染的有效控 制，污染物通过地下水等途径向流域的输送作用日益显著。地下水中由于p 易于 被滞留于颗粒相，使得n i p 比值远高于1 8 ( w e i s k e lpl 【，h o w e sbl ，1 9 9 2 ；s l o m p cp ，v a nc a p p e l l e np ，2 0 0 4 ) 。若海岸带地下水向沿海水体输入的n 、p 增加， 势必将逐渐改变沿海水体原有的n p 比值和以n 或p 为限制性营养元素的状况， 不仅直接导致富营养化和浮游植物勃发，而且可能改变沿海水体中浮游植物的种 群结构，因此在沿海富营养化和赤潮的研究中。海岸带地下水应该受到足够的重 视。国外已有学者将海岸带地下水的营养盐输送入海与赤潮的发生相联系 ( l a r o c h ej ，1 9 9 7 ：g o l b e rcj ，s a n u d o - w i l h e l m ysa ，2 0 0 1 ) ，而我国在这方面 的相关研究还很少。 胶州湾位于山东半岛南侧，它是黄海的一个半封闭型海湾，具有面积较小( 约 为4 2 3 k m 2 ) 、水深较浅( 平均水深为7 m ) 、湾口狭小( 约2 5 k m ) 、水交换周期较长 ( 5 d ) 等特点。胶州湾是人类活动影响剧烈的典型海域，从2 0 世纪6 0 年代至9 0 年代，胶州湾海水的p o 。一p 、n 0 3 一n 、n h 。州和d i n 浓度分别增加了1 4 、4 3 、4 1 和3 9 倍( 沈志良，2 0 0 2 ) ，“赤潮”事件经常发生，仅1 9 9 9 年夏季胶州湾东岸水 域有记录的赤潮就达4 次，给胶州湾自然环境与海洋产业造成了严重的危害( 青 岛市环保局，1 9 9 9 ) 。 本论文拟以胶州湾为研究对象，全面收集胶州湾周边地区的气象、地质、水 文地质等背景资料，在胶州湾周边合理布设长观孔，进行地下水的水位观测及水 样的采集，开展地下水样常规离子及营养盐测量实验，据此分析海湾周边地下水 的水位动态变化及水文地球化学特征，并计算地下水向海湾的n 、p 、s i 无机营 养盐的输送量。本项研究对认识胶州湾陆源地下水对海湾的营养盐输送贡献、合 理开采利用胶州湾周边地区的地下水资源、近岸海域污染防治以及海岸带环境管 理等均有着极其重要的实际意义。另外，我国近岸海域环境污染和生态损害状况 不容乐观，该项研究对其它海域的环境质量调查研究也提供了一定的思路，具有 一定的指导意义。 3 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 1 2 国内外研究现状 1 2 1s g d 的定义及驱动力 虽然陆地地下水排泄不如河水排泄那么明显，但是如果沿海含水层与大海是 相连通的，且存在一定的水力梯度，陆地地下水也可能会直接排入大海，自流含 水层可以从海滨延伸相当长的距离，在出露点排入大海( k o h o u tfa ，1 9 6 6 ) 。 有时，一些深层含水层也可能因它上面的承压层存在裂隙或破碎带而发生地下水 和海水的相互交换。海底的地下水排泄( s u b m a r i n eg r o u n d w a t e rd i s c h a r g e ， s g d ) 就是海岸带海底地质体中的水向近海的排泄( 不考虑其成分、来源和驱动 力) ( b u r n e t twc 等，2 0 0 3 ) 。s g d 的来源有陆源地下水和循环海水( o b e r d o r f e rj a ，2 0 0 3 ；t a n i g u c h im 等，2 0 0 2 , b u r n e t twc 等，2 0 0 3 ) ，而其驱动力有水力梯 度、海洋作用( 潮汐作用、波浪作用) 、密度梯度、热梯度等，多数情况下，s g d 是这些作用的共同结果( b u r n e t twc 等，2 0 0 3 ) ，s g d 作用过程参见图1 一l 。不同 学科运用不同方法对s g d 进行定量研究所获得的结果是有差异的，水文地质学家 一般运用模型法研究陆源地下水入海量( q 。n ) ；而海洋学家运用渗流仪和示踪 技术研究总的地下水入海量( 瓯。t ) ，q 。e 包含了陆源地下水入海量( q 。) 和循 环海水量( q 。* ) 。一些计算表明，q 。往往只是q 。e 的一小部分，例如，输往夏 威夷k a h a n a 湾和日本大坂湾的q 。e 中分别只有1 6 和4 2 9 的q 。( g a r r i s o n gh 等，2 0 0 3 ；t a n i g u c h im 。1 w a k a w ah ，2 0 0 4 ) 。地下水入海量可表示为单位 时间通过单位面积海床的地下水水量( l m d 。) ，或是单位时间通过单位长度海 岸线的地下水水量( l m d - 1 ) 。由于潮汐、海流、波浪或密度差的作用以及人为 因素导致的含水层水头降低，也会发生海底地下水补给现象( s u b m a r i n e g r o u n d w a t e rr e c h a r g e ，s g r ) ，有时s g r 会在远离源头的地方排泄，甚至形成地 表咸泉，h a w a i i 就出现了这种情况。 4 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营井盐输送 c 一对流作用h 一水头驱动t 一潮汐作用- 一波浪作用 图l 一1s g d 作用过程示意图( t h i b o d e a u xlj 。b o y l ejd ，1 9 8 7 ：b u r n e t twc ，e ta 1 ，2 0 0 3 ) 1 2 2 国内外s g d 研究方法 虽然很早就认识到了海底泉的存在，并且也把它当成了一种资源加以利用， 但当时并没有把海底地下水输送( s g d ) 真正纳入科学研究的范畴。直到1 9 8 0 年 j o h a n n e sre 提出在某些情况下，s g d 在数量上和在化学方面都具有很重要的作 用( j o h a n n e sre ，1 9 8 0 ) ，原来的观念才开始发生改变。科学家们逐渐认识到 缘于陆地的海底地下水可能会携带一些污染物质和营养盐入海，从而影响近岸海 水生态系统的平衡。 尽管目前已有不少关于s g d 的研究案例，但其分布空间却十分有限，基本上集 中在发达地区，如美国东海岸、地中海沿岸、波罗的海沿岸以及日本和澳大利亚 的个别沿海地点，而在其它地区则基本上是空白( t a n i g u c h im 等，2 0 0 2 ) ，参见图 1 - 2 。因此开展对广大空白地区的s g d 的研究无论是对区域水资源环境的管理和保 护。还是对全球水循环资料的积累都具有十分重要的意义。 5 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 图卜2 世界海底地下水排泄站点图( t a n i g u c mm 等。2 0 0 2 ) s o d 的研究方法主要有三种：原位测量方法；模型技术；示踪技术。 现分别介绍如下。 1 2 2 1 原位测量方法 1 手工渗流仪( m a n u a is e e p a g em e t e r ) 这是出现最早的渗流仪。2 0 世纪4 0 年代，l s r a e l s o n o w 和r e e v e r c ( 1 9 4 4 ) 发明了一种手工渗流仪并用于测量灌溉渠的渗漏水量，而l e edr ( 1 9 7 7 ) 后来 对这个仪器作了一些改进，并把它用来测量流向某一特定区域的地下水流量。这 种l e e 型渗流仪的主要部分是一个2 0 8l 的钢质鼓形圆桶，其一端完全开口，而 另一端只在边上有一个很小的开口，它通过导水管连着一个塑料袋( 图1 - 3 ) 。 测量时把渗流仪完全开口端插入沉积物中1 0 1 3 c m ，通过某测量时段内塑料袋 中的水量变化及其所通过的沉积物表面积就可以计算出地下水的渗流速度。 该渗流仪构造简单、制作容易、造价便宜，但使用起来耗费人力，且塑料袋 的机械性能、圆桶底部的渗漏、流管的摩擦阻力、波浪作用或压力差等都会引起 测量误差。c a b l e 等( 1 9 9 7 ) 提出可通过在塑料袋中充水以及调整测量时间来减 d , n 量误差，并且通过控制实验( c o n t r o le x p e r i m e n t ) 可估计出风、波等因素对 渗流的影响。 6 腔州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 图1 - 3 手工渗流便( 左) 和连续热型自动渗流仪( 右) ( t a n i g u c h im 等，2 0 0 3 ) 2 连续热型自动渗流仪( c o n t in u o u sh e a t - t y p ea u t o m a t e ds e e p a g em e t e r ) 为克服手工渗流仪的缺陷，后来出现了连续热型自动渗流仪。这种渗流仪由 集水漏斗、加热器、温度计、数据记录器组成( 图1 - 3 。它利用水流运动引起 的热对流原理，即科用流管中水流上升位置和下降位置之间的温度梯度来计算渗 流速度。温度梯度由一加热器连续加热产生，水流速度越大，温差越小；水流速 度越小，温差越大；当没有水流通过时，温差最大。而数据记录器则自动记录采 样频率、采样持续时问等相关信息。 3 热脉冲型自动渗流仪( h e a tp u l s e t y p ea u t o m a t e ds e e p a g em e t e r ) 热脉冲型自动渗流仪是t a n i g u c h i m 和f u k u o y ( 1 9 9 3 ) 发明的，后来k r u p a 等( 1 9 9 8 ) 又作了一些改进( 图1 - 4 。热脉冲庙镍铬合金丝感应加热器产生，在 加热点前后端分别放置温度计，为适应不同的流速，在加热点后面不同距离处放 置了多个温度计，以监测热脉冲的到达。熟脉冲的传递时间是水流对流速率的函 数，根据热脉冲的传递时间和传递距离就可得到地下水的渗流速度。这种渗流仪 能以每五分钟一次的频率连续进行几天的测量。 4 超声波型自动渗流仪( ult r a s o n ic - t y p ea u t o m a t e ds e e p a g em e t e r ) p a u l s e n 和s m i t h 等( 2 0 0 1 ) 发明了超声波自动渗流仪( 图1 - 4 ) 。他们 在流量计圆柱管的两端各安装了一个超声波换能器，其相向交替( 或同时) 收发 超声波，通过超声波顺着水流与逆着水流传播的时间差就可测出水流的流速。这 种渗流仪的测量精度可达到0 8 6 4 c = d 。其计算公式如下： 7 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 = l ( v v ) ( 卜1 ) = l ( v + v ) ( 卜2 ) 由( 卜1 ) ( 卜2 ) 式可得：v = l ( 吒一) 2 ( 卜3 ) 式中：l - - - 流量计圆柱流管长度( 超声波传播路径长度) ；v 一水流速度； ，声速；一超声波逆水流传递时间；超声波顺水流传递时间。 图卜4 热脉冲自动渗流仪( 左) 和超声波自动渗流仪( 右) ( t a n i g u e h im 等，2 0 0 3 ) 渗流仪法得到的是总的地下水入海量。m a t s o nba ( 1 9 9 3 ) 用原位测量法的 研究结果表明地下水向海排泄量与海岸线的长短、地下水水头、含水层性质等因 素密切相关。t a n i g u c h i 等( 2 0 0 3 ) 在墨西哥湾东北海岸的渗流仪对比实验中得 出以下结论：自动渗流仪与手工渗流仪测得的结果相吻合( 8 0 ) ；短时段的测 量结果偏高或偏低，而经过几个潮周期的连续自动测量会得到比较可靠的结果； 海底地下水渗流速度离海岸越远越小。渗流仪的发展和连续自动测量技术的运用 可更好地了解s g d 的动态变化规律，但有时近岸含水层系统的不均匀性导致了海 底地下水水量与水质的差异，这时需要以相当大的密度来布置渗流仪，这会使得 工作量与成本成倍增加。 1 2 2 2 模型技术 水文地质学家假设流向海岸的地下水会以s g d 的方式排泄，他们运用模型方 法研究陆源地下水入海量( q 。) 。模型方法主要有：达殖定律法、水量均衡法 和数值模拟法。 ( 1 ) 达西定律法 8 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 达西定律的最简单表述形式为： q = 一r a 酬d l ( 卜4 ) 式中：q 一通过含水层的流量；k 一渗透系数；a 一过水断面面积； 砌出一水力梯度。 国内张权、邱汉学等( 2 0 0 2 ) 就用该法计算得出1 9 9 9 年5 月青岛王哥庄地区 向海湾的地下水输送量与河流输送量比值为0 4 3 ，而地下水n 鸭一输送量占陆源总 输送量的3 0 9 6 。朱新军、刘贯群等( 2 0 0 5 ) 也用该法计算了青岛市胶州湾周边地 下水向海湾的营养盐输送量，研究表明其输送量不可忽视，且该法与水量均衡法 所得结果相吻合。 ( 2 ) 水量均衡法 对于个水文地质单元来说，在地下水补给与消耗的不平衡发展过程中，任 一时段的补给量与消耗量之差等于水文地质单元中水体积的变化量。由此可建立 水均衡方程式： q 。+ q ，+ q i + 姨一( z + q + q 湖) = q ( 卜5 ) 式中：q ，一大气降水入渗补给量；q ，一一河水入渗补给量：z 一潜水蒸发量； q f 灌溉入渗补给量；q 一一侧向径流补给量；q 。一海底地下水排泄量； 见一人工开采量；晓一一地下水储存量( 可由动态资料观测确定) 确定出研究时段虎除q 。外的各支出补给项及储存项，就可根据水均衡方程 求出地下水入海量。其中，蒸发量一般用各种气候( 温度、日照辐射量、风速等) 和生态( 植被类型、覆盖度等) 参数来估算，误差较大( 0 b e r d o r f e rja ，2 0 0 3 ) ， 所以该法反映的是宏观的陆源地下水入海量。国内的郭占荣和黄奕普( 2 0 0 3 ) 、 朱新军和刘贯群等( 2 0 0 5 ) 就用该法计算了流入海湾的地下水量。 ( 3 ) 数值模拟法 随着计算机的广泛应用，数值模拟方法己成为水文地质学领域处理地下水流 方程的一种普遍使用方法。数值模拟方法考虑具体的水文地质条件( 如k ) 等， 可得到随时空变化的地下水入海量，且具有一定的预测性。目前进行s g d 研究的 数值模拟法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法、有限分析法。 有限差分法是用差商近似控制方程中的微商，然后耦合初始条件和边界条件 9 胶州湾阍边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 求解封闭线性方程组。美国地质调查局在2 0 世纪8 0 年代开发了专门用于孔隙介质 中的三维有限差分地下水流数值模拟软件m o d f l o w ，后来加拿大有关专家又在其 基础上研制开发了v i s u a ln l o d f l o w ，并于1 9 9 4 年在国际上公开发行。其软件包由 m o d f l o w ( 水流评价) 、m o d p a t h ( 平面和剖面流线分析) 和m t 3 d ( 溶质运移评价) 三大 部分组成，它是目前国际上最新流行的三维地下水水流与溶质运移模拟评价的标 准专业软件系统。邱汉学、郑西来等( 2 0 0 3 ) 以及s m i t haj 和n i e l dsp ( 2 0 0 3 ) 应用该软件计算了地下水入海量。 有限单元法是求解偏微分方程定解问题的另一种数值方法。f e f l o w 是德国 珥a s y 水资源规划和系统研究所开发的基于三维有限元的地下水模拟可视软件 包，它可以完成对水量、水质、温度的模拟，是迄今为止功能最齐全的地下水模 拟软件之一。s m i t h t i z a , a d z k i ( 2 0 0 3 ) 就用该软件计算了墨西哥湾东北海岸的 地下水入海量。 大部分模型法仅研究陆源地下水入海量q 。，所以模型计算得到的结聚往 往要比直接测爷法和示踪剂法得到的结果低( b u r n e t tb ，u r n e r j ，2 0 0 1 ：b u r n e t t wc 等，2 0 0 2 ) ，虽然f e f l o w 软件可以模拟循环海水入海量q 删，但在离岸较 远海域的水文地质参数的确定、s g d 海洋驱动力约束条件的确定以及模型校准方 面还有一定的难度，其研究结果很难与其它两种方法所得结果进行比较。 1 2 2 3 示踪技术 地球化学示踪剂是一种新兴的s g d 测定技术。近几年来，具有保守性及在地 下水中相对富集又容易测量的自然地球化学示踪剂，如= r a 、“r a 、“r a 、。r a ( m o o r ews ，2 0 0 0 ) 、2 r 玎( c a b l eje 等，1 9 9 6 ) 、b 分+ ( s h a wtj 等，1 9 9 8 ) 、 c 1 ( b u g n agc 1 9 9 6 ) 、c 1 ( g a r r i s o ngh 等，2 0 0 3 ) 等，以及一些人工示踪 剂也在研究s g d 时得到了广泛应用。这些研究方法得到的是总的地下水入海量。 另外t a i u i g u c h im 等人( 2 0 0 3 ) 用地球物理示踪剂温度来研究s g d 。下面以2 f h l 为例简要介绍示踪技术。 任一时段研究区内测定的近岸水体中r n 2 的各来源及损失项有：垂向损失量 ( 即2 2 2 r n 向大气的逃逸量) 、海水混合损失量、衰变损失量、沉积物和海水中4 r a 的衰变产生量、来自沉积层的输入量( 来自s g d 及弥散) 。若研究区某研究时段内 1 0 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 的2 r n 浓度变化量及除s g d # f 的各个r r l 搬源汇项都可定量计算出来，就可以根据质 量守恒定律计算得到通过s g d 带入的2 2 2 r n 浓度变化量。而这个变化量又是海底地 下水排泄速率及其2 r n ( 非4 r a 衰变产生的2 r n ) 浓度的乘积，通过检测其2 i i i l 浓度，就可以计算出地下水的渗流速率。 示踪剂技术是一种很有发展前景的s g d 研究方法。m o o r ews ( 1 9 9 6 ) 用。r a 做示踪剂对s o u t ha t l a n t i cb i g h t 地区的地下水进行了研究，发现地下水向此 海岸带的排泄量占地表水排泄量的4 0 。l a m b e r tmj 和b u r n e t twc ( 2 0 0 3 ) 在佛罗里达洲地下水入海量的对比实验表明，通过2 r n 和自动渗流仪得到的研 究结果非常接近。t a n i g u c h 等( 2 0 0 3 ) 在澳大利亚西边的c o c k b u r ns o u n d 的温 度示踪研究表明，温度法得到的s g d 速率比手工渗流仪研究得到的结果偏低，这 是因为前者的研究没有涉及循环海水s g d 。 1 3 研究前景展望 s g d 是海陆相互作用的重要组成部分，也是全球水循环的重要环节，国际社 会已将海岸带研究列入重大计划。近几年来，海洋研究科学委员会( s c o r ) 成立 了s c o r w g - 1 1 2 ( 1 9 9 7 ) 和s c o r w g 一1 1 4 ( 1 9 9 9 ) 两个工作组，他们将分别致力于 s g d 的量化及其对海岸带的化学和生物的影响过程、s g d 对当地和全球的生物地 球化学循环的重要性两方面的研究，这将会加快s g d 的研究进程，使研究朝着更 深入、更宽广的方向发展。与此同时，笔者认为目前的s g d 研究中有些方面也需 要进一步的完善与发展，具体表现如下： ( 1 ) 研究方法的误差确定。由于s g d 的影响因素众多，在研究s g d 时进行了很 多假设，从而使得量化最终结果的不确定性有一定的难度，这是一直有待 解决的问题。 ( 2 ) 利用模型方法量化再循环海水s g d 是模型理论的一个重要课题。需要建立 水文和海洋作用相结合的更符合实际的模型来研究s g d ，且模拟出不同来 源的s g d 及其在生物地球化学循环方面产生的影响。 ( 3 ) 改进自动渗流仪，提高其原位抗干扰技术，延长其测量时段，提高其测量 精度。 ( 4 ) 寻找取样量小且易于测定的更加理想的示踪剂。 胶州湾周边地下水水文地球化学特征及营养盐输送 ( 5 ) 进行相互校准实验。在研究s g d 时，需要采用多种方法进行相互比较研究， 仅仅靠某种方法得出的结论是不可靠的。 最后要说明的是，尽管已经证明s g d 比原来想象中的更重要，但也有可能在 某些地区并不重要，指出这一点是很有必要的，但是也绝不能因此而忽视地下水 输送入海的研究。特别是我国在地下水与海水相互作用研究方面还很薄弱，仅在 海水入侵方面有些研究成果，相信近年来随着国家和有关专家对海岸带问题的关 注，将会加快我国在这一研究领域的步伐。 1 4 研究内容及方法 本论文拟对胶州湾周边的地下水位的年际，年内动态变化、地下水的水文地 球化学特征以及地下水向胶州湾的n 、p 、s i 无机营养盐输送的时空规律进行研 究，以认识胶州湾周边地下水状况及地下水对海湾的陆源营养盐输送所起的贡 献。具体步骤如下： 1 全面收集胶州湾周边地区的自然地理、气象、水文、地质、农业等方面 的背景资料，充分了解胶州湾及其周边地区的相关研究成果。 2 根据胶卅f 湾周边地区地下水的分布状况，在三个主要的含水层( 大沽河、 白沙河一墨水河、洋河含水层) 的沿海一带合理地设置了地下水输送入海 断面，并布设相应的长期观测孔，并从2 0 0 1 年6 月2 0 0 4 年7 月进行 地下水位的长期观测及地下水样的采集。 3 地下水位数据处理，进行地下水样常规离子及n 、p 、s i 无机营养盐的测 量实验。 4 根据收集和观测的地下水位数据，研究胶州湾周边地下