近日，东方理工高等研究院/南方科技大学郑春苗研究团队利用海洋水动力模型和同位素数据，提出了一种基于模拟-优化框架的估算海底地下水排泄流量的新方法。研究成果以“基于水动力模型和同位素数据的海底地下水排泄估算的模拟-优化新框架 (A New Simulation-Optimization Framework for Estimation of Submarine Groundwater Discharge Based on Hydrodynamic Modeling and Isotopic Data)”为题在地学领域著名期刊Geophysical Research Letters上发表。

海底地下水排泄（Submarine Groundwater Discharge, SGD）是陆海界面重要的水文过程，对海洋生态系统的健康至关重要。传统的SGD估算方法源自1996年Moore提出的同位素质量平衡区域箱型模型，其准确度受限于各源汇项的计算精度，且难以考虑海洋水流的动态变化影响和SGD的空间异质性。郑春苗研究团队提出了一种基于模拟-优化框架的估算SGD的新方法（图1）。该方法用海洋水动力模型FVCOM模拟同位素在海洋中的迁移过程，将SGD的同位素输入作为边界条件，用优化算法DYCORS估算空间变化的SGD。该研究方法代表着自1996年以来SGD估算的重大进展，可同时考虑海洋水动力过程的影响和SGD的空间异质性，为更详细地估算SGD提供了新的强大工具。

郑春苗研究团队将该方法应用于大亚湾区域（图2），使用2015-2016年采样得到的地下水和海水的四种镭同位素（²²³Ra，²²⁴Ra，²²⁶Ra，²²⁸Ra）数据，分别估算春、夏、秋、冬四个季节的SGD。结果表明四个季节中，SGD从大到小依次为秋季、春季、夏季和冬季（图3）。该方法的估算总量与传统方法相当，多个同位素的估算结果可相互印证。地下水同位素的空间异质性给SGD的估算带来很大的不确定性，研究表明更多的地下水采样可为SGD的估算提供更详细的空间分布。海洋的水动力过程会影响海水同位素的活度变化，进而增大SGD估算的不确定性。研究结果显示，海水的同位素采样需要同时考虑水位波动和同位素活度对水位变化的延迟效应，避免极端同位素活度的影响。水动力和同位素运输模型可为海水同位素采样提供有效指导，以得到更有代表性的海水同位素活度数据。

图2. 位于粤港澳大湾区的研究区域大亚湾

 

 

图3. 不同方案下大亚湾海底地下水排泄量的计算结果

该研究由郑春苗团队与李海龙团队合作完成。郑春苗团队的北京大学博士生于江为论文第一作者，郑春苗和团队成员田勇为论文共同通讯作者。研究相关同位素数据由李海龙团队提供。该研究得到国家自然科学基金委重大研究项目（基金号：41890852）和国家环境保护流域地表水-地下水综合防治重点实验室的经费支持。计算资源由南方科技大学科学与工程计算中心（太乙超级计算机）提供。

论文原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GL09889