2025-09-19 | 科研部 南科大李海龙团队在海岸带地下水动态研究领域取得系列成果

近日，南方科技大学环境科学与工程学院讲席教授李海龙团队在海岸带地下水流动与溶质运移研究中取得了一系列重要成果，两篇相关论文连续发表在国际水资源领域权威期刊Water Resources Research上。研究系统评估了潮汐、渗出面蒸发、弱透水层、地形坡折点及填海造地等多重因素对地下水动态和盐分迁移的影响，揭示了潮滩地下水过程中的多种新机制，为理解海岸带水文地质过程及其相关生态环境管理提供了科学依据。

成果一：揭示海岸带地下水“隐形水路”与盐分运移新机制

潮间带地下水系统是陆海物质交换最重要的场所，其水动力和盐分分布直接影响海岸带的生态环境与生物地球化学过程。然而，坡折地形、弱透水层以及包括渗出面在内的地表蒸发等因素的耦合作用极为复杂，长期以来难以定量刻画。研究团队经过十多年的持续探索，不断改进数值模拟程序，结合莱州湾潮滩的实地观测数据，构建了多层含水层系统数值模型（图1），并系统分析潮汐、坡折点及弱透水层等多种因素对地下水流动和盐分运移的综合作用。结果显示，坡折点、大小潮周期和弱透水层的共同作用，促成了两个非典型淡水排泄通道和三个地下水循环单元的形成（图2），凸显了潮间带地下水动力过程的复杂性。图1. 潮滩下覆多层含水层系统的垂向剖面模型

图2. 一个大小潮周期中地下水的 (a) 平均流速与盐度分布、 (b) 主流动路径分布

研究团队结合野外观测和数值模拟，首次定量揭示了潮滩渗出面蒸发的重要作用。传统研究主要关注非饱和区的蒸发作用，而忽视了渗出面上的蒸发过程。研究团队通过改进的数值模型发现：渗出面蒸发不仅显著提高了地下水的盐度，还明显促进了地下水与海水的交换；在一个大小潮周期内，蒸发导致的水量损失占地下水排泄总量的45%（图3）。这一发现揭示了隐藏在潮滩表面下潮间带地下水动力过程的关键过程，为深入理解地下水盐分成矿过程、沿海盐渍化以及生态环境保护提供了新的科学依据。

图3. 一个大小潮周期内潮滩（a）地下水量和（b）盐量的流入和流出速率有无蒸发两种情况的对比

研究团队在MARUN软件中嵌入渗出面蒸发模块以及综合考虑弱透水层与坡折点等关键因素，构建了一种更符合实际的模型，用于分析潮间带地下水流动与溶质运移规律。该模型能够准确刻画地下水动力特征，为进一步研究多层滨海含水层中的地下水动态与溶质迁移提供参考，对理解潮间带内的生物地球化学过程具有重要启示意义。

研究成果以“The Influences of Evaporation and Aquitard on Groundwater Dynamics and Solute Transport in a Tidal Flat With a Slope Break”为题发表在Water Resources Research期刊。南方科技大学为论文第一单位。环境科学与工程学院博士后罗满华为第一作者，李海龙讲席教授为通讯作者。合作单位包括生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心、天津大学及加拿大达尔豪斯大学。该研究得到国家自然科学基金，深圳市科技创新局，广东基础与应用基础研究基金，粤港土壤与地下水污染防控及修复联合实验室及高水平专项资金支持。计算资源由南方科技大学科学与工程计算中心“太乙”集群提供。

成果二：潮滩地下水的秘密：——蒸发、海潮爬高与填海造地的“水下博弈”

泥质潮滩是地下水与海洋交汇的重要湿地，具有缓冲养分循环、拦截污染物、维持生物栖息地和调节有机碳收支等多种关键功能。然而，过去曾频繁发生大规模填海造地，极大地改变了海岸带的水文地质环境与生态平衡。尤其是在坡度平缓、渗透性较低的淤泥质潮滩，地下水流动与盐分输运过程受到潮汐、蒸发和填海造地等多重因素的共同影响，其作用机制需要进行深入定量研究。本研究以胶州湾典型淤泥质潮滩为对象，结合实地观测与数值模拟构建了填海造地前后的概念和数值模型（图4），系统探讨了填海造地、潮汐和蒸发对地下水流动和盐度分布的影响，揭示了其背后复杂的多因素耦合机制。

图4.填海造地前后潮滩下覆多层含水层系统的垂向剖面模型

研究结果表明，渗出面蒸发是导致地下水盐分积累的重要因素，部分区域地下水盐度远超海水（图5），且蒸发强度呈现明显的季节性变化。填海造地极大地改变了地下水流场格局，导致原本存在的多个地下水循环单元演变为单一的大循环单元，地下水向海排出通量减少将近一半。综上，研究区的盐度分布受内陆淡水补给、蒸发作用及潮汐活动的共同调控。

图5.在一个大小潮周期内，(a) 填海造地前和 (b) 填海造地后地下水平均流速和盐度空间分布；其中(c) 和 (d) 分别为 (a) 和 (b) 的局部放大图

观测结果显示，由于胶州湾具有“大肚子小湾口”特点，涨潮期间湾口海水流速能达到每秒数米，致使湾内坡度不足1‰的淤泥质潮滩上产生“海潮爬高效应（tidal run-up）”。研究团队将此概念首次引入数值模拟，结果表明，涨潮时海水并非水平推进，而是在宽阔潮滩上形成向陆地方向抬升的斜面（图6）。若忽略这一效应，将严重低估陆侧地下水水头，造成模型预测偏差。该概念的提出有效改进了大尺度潮滩地下水动力学的理论框架。

图6.在一个大小潮周期内，高潮时刻各观测井的潮滩地表处观测与模拟平均水头

该研究突破了传统假设，首次在淤泥质潮滩中揭示了渗出面蒸发、海潮爬高和填海造地等多因素对地下水与盐度动态的综合作用机制，发展了海岸带地下水水文学理论，为理解和应对填海造地带来的地下水环境风险、湿地退化及盐渍化问题提供了科学依据，为沿海生态保护与土地利用规划提供了重要参考。

研究成果以“Groundwater and Salinity Responses to Land Reclamation in Jiaozhou Bay (China): Field Observations and Modeling”为题发表在Water Resources Research期刊。南方科技大学为论文第一完成单位，环境科学与工程学院博士后罗满华为第一作者，李海龙讲席教授为通讯作者。合作单位包括中国科学院烟台海岸带研究所、河北地质大学及香港大学。该研究得到了国家自然科学基金、广东基础与应用基础研究基金、广东土壤与地下水污染防控及修复重点实验室、粤港土壤与地下水污染防控及修复联合实验室、高水平专项资金及香江学者计划项目的支持。计算资源由南方科技大学科学与工程计算中心“太乙”集群提供。

论文链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024WR038231

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025WR039936

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦滢

编辑：任奕霏