阿根廷巴塔哥尼亚地区一条受潮汐影响的富营养化河流中地下水排放量的评估：采用222Rn时间序列方法

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Assessment of groundwater discharge into a eutrophic, tidally-influenced river in Patagonia, Argentina: A 222Rn time series approach

　　

毛里西奥·法莱斯基尼（Mauricio Faleschini）|阿梅里科·I·托雷斯（Américo I. Torres）|佩德罗·J·德佩特里斯（Pedro J. Depetris）|路易斯·F·H·尼恩切斯基（Luis F.H. Niencheski）|何塞·L·埃斯特维斯（José L. Esteves）|卡洛斯·F·费雷拉·德安德拉德（Carlos F.Ferreira de Andrade）

化学海洋学与水污染实验室，海洋系统研究中心，CCT-CONICET CENPAT，布朗大道2915号，9120，普埃托马德林，丘布特省，阿根廷

摘要

海底地下水排放（SGD）是溶解物质的重要来源，它将营养物质和其他化学物质从大陆输送到沿海海洋和河口。我们研究了潮汐范围和河流流量对丘布特河（CHR）河口营养物质供应和地下水输送速率的影响（位于阿根廷巴塔哥尼亚地区）。2015年夏季、2015年冬季和2017年冬季进行了氡（²²²Rn）的时间序列测量。同时还对CHR河口的表层水和永久性井中的地下水进行了物理化学分析。随着距离CHR河口的距离增加，表层水中的²²²Rn活性（2-20 dpm L^-1）和电导率（EC）（312-22,400 μS cm^-1）发生变化。井中的地下水显示出较高的²²²Rn活性（700-1,000 dpm L^-1）和中等至较高的电导率值（820-1,800 μS cm^-1）。与河流流量和潮汐高度相关，²²²Rn的时间序列显示出不同的变化模式。SGD的输送速率为：2015年澳大利亚夏季为30.08±7.52 cm d^-1，2015年澳大利亚冬季为20.29±6.39 cm d^-1，2017年澳大利亚冬季为13.99±5.28 cm d^-1，分别占CHR河流输送到海洋沿岸区域总水量的10.2±2.6%、7.4±2.3%和2.5±1.0%。SGD提供了1.4±0.5至3.1±0.8吨/天的溶解无机氮（DIN）、0.13±0.05至0.27±0.10吨/天的溶解无机磷（DIP）以及1.3±0.5至2.8±0.7吨/天的溶解无机硅（DISi）。我们的研究结果表明，SGD和CHR河流提供的无机营养物质促进了沿海地区丰富生物多样性的发展，从而支持了当地的经济活动。

引言

河口区域被认为是天然的生物地球化学反应器，这是由于不同类型的水混合而成的。每种类型的水通常具有不同的物理和化学特性，其中盐度是它们之间的主要差异。当河流携带的陆地物质与海水混合时，河水中的离子和矿物质会经历物理化学变化。这种现象在全球多条河流中都有报道（例如，Liu等人，2018年；Nakajima等人，2024年）。这两种水混合过程中发生的物理和化学过程已被建模，表明整个海岸线都存在多种生物地球化学控制因素（例如，Robert等人，2004年；Turner等人，2004年；Martino等人，2004年）。此外，到达河口的淡水已经经过了数百公里的传输，在此过程中经历了自然变化（例如，矿物溶解、水解、沉积、再悬浮和沉淀），在某些情况下还受到人为影响（例如，废水排放、化肥和农药的使用）。

从大陆边缘流向沿海海洋的水流形成了海底地下水排放（SGD），无论流体的组成或驱动力如何（Burnett等人，2003年；Taniguchi等人，2019年）。SGD可能发生在离海岸线几米到几公里的海域，具体取决于水的组成、水文地质特征和该地区的驱动力（Moore 2010年；Bratton 2010年；Santos等人，2021年）。一旦SGD进入海洋环境，它就会提供多种化学物质，包括碳、溶解气体、潜在的有毒元素以及溶解的无机和有机营养物质（Moore，2010年；Wilson等人，2024年）。在地下河口中，营养物质的浓度表现出复杂且非保守的行为（Wilson等人，2024年）。另一方面，富含营养物质的地下水排放到海洋沿岸区域可能会促进浮游植物的繁殖、富营养化以及生态系统的退化（Hu等人，2006年）。SGD的微生物方面几乎尚未被探索（Ruiz-González等人，2021年）。河口区域同时存在多种异质现象，这使得SGD的理解变得复杂。研究SGD需要采用跨学科的方法，以解决潮汐高度对示踪剂动态（如氡-222（²²²Rn）活性、电导率（EC）和无机营养物质）的影响等复杂问题的分析。研究河口地区SGD的复杂性在于，它不仅涉及淡水流动，还涉及溶解固体含量变化较大的地下水（Moore等人，2008年），再加上海水的循环。此外，河流排入海洋的淡水可能伴随着从河床进入的地下水，后者的营养物质浓度比表层水高出两个数量级。因此，研究这两种水的物理特性和化学特性至关重要。其他对SGD有显著影响的物理过程还包括水力梯度、波浪作用以及潮汐泵送或潮汐调节（Burnett等人，2008年；Peterson等人，2010年；Taniguchi等人，2019年）。

多种天然地球化学示踪剂（例如²²⁶Ra、²²⁸Ra、²²⁰Rn、²²²Rn、¹⁸O、²H和CH₄）已被广泛用于量化SGD（Burnett等人，2006年；Taniguchi等人，2019年）。²²²Rn是一种有用的同位素，因为其在地下水中的含量比在表层水中高几个数量级。此外，可以使用高精度自动化设备进行²²²Rn的观测（Burnett和Dulaiova，2003年）。²²²Rn是一种惰性、稀有且具有放射性的气体（半衰期：3.82天），存在于大多数岩石类型中。当表层水接触到富含氡的地下水时，²²²Rn会立即通过放射性衰变和大气扩散释放出来。因此，在靠近地下水排放点的地方，通常测量到最高的²²²Rn活性（Makings等人，2014年）。

巴塔哥尼亚地区有八条河流流入大西洋（例如，Depetris等人，2005年），其沿海区域延伸超过2000公里。丘布特河（CHR）流经多个城市中心后，将其水排放到恩加尼奥湾（西南大西洋），形成了一个小型河口。最近对丘布特河下游和中部流域的地质学和水文学进行了研究（Pasquini等人，2005年；Depetris和Pasquini，2021年），以及地下水和水营养输入的多个方面（Torres等人，2021年）。近年来，还对CHR河口区域的一些特征进行了研究，如碳氢化合物的存在（Commendatore和Esteves，2004年）、浮游植物与潮汐振幅的关系（Helbling等人，2010年）、地质特征（Isla等人，2015年）以及新兴污染物的排放（Giarratano等人，2022年）。然而，尽管该地区拥有漫长的海岸线和大量淡水流入大西洋，但关于巴塔哥尼亚河口区域SGD过程相关的营养动态数据仍然很少。

在本研究中，使用²²²Rn活性和电导率的时间序列作为示踪剂，以估计在半日潮汐制度影响下，从CHR河口向沿海海洋输送的SGD速率和无机营养物质通量。最后，还评估了位于CHR河流域下游井中的地下水的这些参数的行为。这项研究通过提供首个关于巴塔哥尼亚河流河口的数据，扩展了SGD研究的边界。该河流流量较大，流入大西洋，且所在地区具有半干旱气候（年降水量约为200毫米）和显著的潮汐范围（最大可达5米）。

章节片段

研究区域

CHR河流从西向东流经阿根廷丘布特省的整个领土（图1）。它发源于安第斯山脉，流经800多公里后最终注入恩加尼奥湾（大西洋）。在其整个流程中，CHR河流经过许多小型和中型城镇，这些城镇的人口数量从最少150人（例如迪克弗洛伦蒂诺阿梅吉诺镇）到最多108,000人（例如特雷莱乌市）不等。

表层水和地下水中的²²²Rn和电导率

图2展示了CHR河流表层水和附近地下水井中²²²Rn活性和电导率的分布。CHR河流中下游区域的表层水中²²²Rn活性范围为20至22 dpm L^-1，在罗森市降至一半（约2 dpm L^-1），这是由于河口区域受到海洋影响的结果。距离河口最远的采样点（约77公里）的电导率约为300 μS cm^-1，而在河口处的电导率达到最大值（22,400 μS cm^-1）。

结论

在河口环境中，²²²Rn和电导率是阐明SGD动态的有用示踪剂。这些示踪剂有助于区分从CHR河流排放到海洋的地下水和表层水。第一次和第二次²²²Rn时间序列测量分别在两种不同的潮汐范围内进行（Δ潮汐高度= 3.7米和1.9米），基线河流流量条件下（约33 m³ s^-1）。相反，第三次²²²Rn时间序列测量是在中等潮汐条件下进行的。

CRediT作者贡献声明

卡洛斯·F·费雷拉·德安德拉德（Carlos F. Ferreira de Andrade）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论制定、概念化。何塞·L·埃斯特维斯（José L. Esteves）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、调查、资金获取。路易斯·F·H·尼恩切斯基（Luis F.H. Niencheski）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论制定、调查、资金获取。佩德罗·J·德佩特里斯（Pedro J. Depetris）：撰写——审稿与编辑、概念化。阿梅里科·I·托雷斯（Américo I. Torres）：

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢阿根廷CESIMAR-CCT-CONICET CENPAT的“化学海洋学与水污染实验室”以及巴西里奥格兰德联邦大学的“水化学实验室”的工作人员。这项工作部分由阿根廷“科学、技术及生产创新部”与巴西“高级人员培训协调局”之间的双边合作项目BR/RED-1302资助。我们还要