镭氡同位素评估渤海湾海底地下水排泄及其陆源物质输送通量

发布时间：2020-10-30 21:40

　　 已有研究表明,海底地下水排泄(简称SGD)是陆源物质向海洋输送的一个重要而隐蔽的通道,其携带的陆源物质通量甚至超过地表径流。因此,SGD影响着海洋水体中元素的生物地球化学循环,对海洋生态环境具有重要作用。渤海湾沿岸地区经济发达,港口众多,入海排污口较多,导致海域出现不同程度的生态环境问题。然而,渤海湾SGD携带的陆源物质通量鲜有报道,其重要性也一直被忽略。准确评估渤海湾SGD携带的营养盐和重金属通量及其环境效应,对渤海湾水域生态环境保护与治理具有重要意义。本研究以天然镭、氡同位素示踪为主要研究方法,通过考虑海水再循环引起的镭、氡损失,改进了现有质量平衡模型,在此基础上,首先联立水、盐和改进的镭质量平衡模型,评估了渤海湾枯水季(2017年4月)和丰水季(2017年8月)水体刷新时间、SGD以及海底地下淡水排泄量(简称SFGD),并增加了不同外海端元对评估结果的影响。结合纳潮量模型,得到渤海湾枯水季水体刷新时间为64.4-98.9天,丰水季为55.3-73.6天。枯水季SGD为(3.11-7.43)×10~8 m~3 d~(-1),丰水季为(4.47-11.98)×10~8 m~3 d~(-1),比2017年黄河年平均入海径流量(2.45×10~7 m~3 d~(-1))大一个数量级。枯水季SFGD为(2.70-8.00)×10~7 m~3 d~(-1),丰水季为(1.85-9.35)×10~7 m~3 d~(-1)。然后利用改进的氡质量平衡模型,估计得到枯水季渤海湾西部SGD为(5.9±3.9)×10~8 m~3 d~(-1)。通过利用镭、氡同位素来评估渤海湾SGD,两者结果相互验证,提高本研究评估的SGD的可靠性。研究结果显示,SGD输入的溶解无机氮(DIN)、溶解无机磷(DIP)和溶解无机硅(DSi)通量比河流、沉积物和大气沉降输入的通量大1-3个数量级,表明SGD是渤海湾水体中营养盐的主要来源。渤海湾水体频繁发生赤潮与SGD输入的营养盐存在一定的联系。另外,SGD输入的重金属(Fe、Mn、Zn、Cr和Cd)通量比河流输入的重金属通量大1-2个数量级,比较发现,SGD是渤海湾水体中Fe、Mn和Zn的主要来源。因此,渤海湾SGD对海洋水体中元素的生物地球化学循环具有重要的作用,在今后评估污染物来源过程中,需考虑SGD携带的陆源物质通量的估算。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X55
【部分图文】：

2输入的研究，评价SGD输入的营养盐和重金属通量的重要性，对渤海湾水域生态环境保护与治理具有重要意义。另外，也能为继续开展此类科学研究工作奠定基础，具有重要的学术意义。1.2国内外研究现状与进展1.2.1海底地下水排泄定义及驱动力海底地下水排泄（SGD）定义为：不论水流的组成、来源和驱动力如何，只要是通过海陆界面由海底排放进入海洋的所有地下水流都算作SGD（Burnettetal.,2003）。SGD组成主要包括两个部分：一个是来自内陆的纯淡水补给量（SubmarineFreshGroundwaterDischarge，简称SFGD）；另一个是海水进入含水层后又流回到海洋中的部分，称为海水再循环量（RecirculatedSalineGroundwaterDischarge，简称RSGD），如图1-1所示。图1-1海底地下水排泄过程示意图（改自WHOI）

5图1-2天然放射性Th、U衰变系基于镭同位素源汇项，建立稳定态镭同位素质量平衡模型，即输入通量等于损失通量，进而估算出SGD输入的镭同位素的通量，再通过选取合理的镭同位素地下水端元，估算出SGD通量，该质量平衡模型被广泛运用于很多研究中（如Moore,1996,Mooreetal.,2006;Petersonetal.,2008;Wangetal.,2015;Zhangetal.,2017）。氡质量平衡模型评估SGD的原理与镭同位素基本相同，只是在源汇项上稍有差异，如氡的损失项中包括大气逃逸损失项，而镭同位素却没有。氡也被广泛运用于评估SGD的研究中（如Burnettetal.,2003;Burnettetal.,2006;Kimetal.,2005;Santosetal.,2009;Zhangetal.,2016）。Zhangetal.(2017)指出在已有的镭、氡同位素质量平衡模型评估SGD的研究中，如果不考虑RSGD造成的示踪剂的损失，将影响SGD的精确评估。

61.2.3海底地下水排泄的研究现状国外对SGD的研究始于上世纪90年代，自Moore（1996）在Nature上发表了利用镭同位素法评估SGD的文章以来，镭氡环境同位素示踪法在SGD的研究中得到广泛应用。以“Submarinegroundwaterdischarge”为主题在“webofscience”数据库中搜索，自1996年以来共有1298篇关于SGD的研究，在2013年以后，每年增加一百多篇，成为研究热点（图1-3）。图1-4为全球除中国以外的国家利用镭、氡同位素法评估SGD的研究地点分布图。目前世界范围内研究SGD场地最多的国家仍是美国，尤其美国的东海岸是SGD研究非常成熟的海岸之一（图1-4）。Moore（2007）利用镭同位素法研究了美国东南部大陆架地区SGD随季节性变化；McCoyetal.（2007）利用氡同位素法评估了该地区SGD，验证了与Moore（1996）一致的结果。Becketal.（2008）利用镭的四种同位素评估了纽约大南湾地区SGD。此外，在美国进行过SGD研究的地区还有坦帕湾（Swarzenskietal.,2006）、墨西哥湾地区（Santosetal.,2009）、旧金山湾（Kimberlyetal.,2011）、萨拉索塔湾（Mwashoteetal.,2013）、纽约长岛（Garcia-Orellanaetal.,2014;Tamborskietal.,2015;Tamborskietal.,2017）、莫比尔湾（Danieletal.,2019）以及夏威夷岛（Petersonetal.,2009;Nelsonetal.,2015;Kellyetal.,2019）等。图1-3.以“Submarinegroundwaterdischarge”为关键词，在“webofscience”上检索的全球SGD每年发表的SCI论文数量（统计于2019年12月31日）
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本文编号：2863031