印度本地治里沿海多层含水层系统中海水-地下水相互作用的水文化学、氡同位素与非监督机器学习联合研究：对可持续地下水管理的启示

《Journal of Contaminant Hydrology》：Seawater-groundwater interactions in coastal multi-aquifer systems of Puducherry, India, using combined hydrogeochemical, radon isotope, and unsupervised machine learning approach: Implications for sustainable groundwater management

　　

海水侵入淡水沿海含水层，因过量盐分及其他有机和无机成分溶解进入淡水环境而改变地下水化学组成。本研究旨在识别研究区五个主要含水层中的主导水文地球化学与盐度动态。研究共采集376个地下水样品：冲积层（n=108）、库达洛尔层（n=163）、卡达佩里库帕姆层（n=26）、图鲁瓦伊层（n=30）和瓦努尔-拉玛那塔普拉姆组（n=49）。结果表明，冲积层（海水混合指数：37.0%样品超标）和库达洛尔层（海水混合指数：12.5%样品超标）东部沿海地带存在显著海水入侵，而西部区域以含水层淡化为特征。水岩相互作用、反向离子交换和微生物硫酸盐还原等水文地球化学过程在冲积层、库达洛尔层和瓦努尔-拉玛那塔普拉姆组中表现显著。在卡达佩里库帕姆和图鲁瓦伊含水层中，人为源和碳酸盐风化占主导。自组织映射结果表明，约28.7%的冲积层、12.8%的库达洛尔层、15.3%的卡达佩里库帕姆层、36.6%的图鲁瓦伊层和10.2%的瓦努尔-拉玛那塔普拉姆组存在显著咸化地下水。综合离子比值、海水入侵指数和氡同位素证实了含水层特异性盐化来源。为应对挑战，研究建议采用处理后的地表水和雨水、控制井开采量、将井迁至盐水入侵区外、 revitalization of tanks and ponds（池塘和水塘修复）以及建立盐度/氡监测井等针对性含水层管理措施，以实现海水入侵的早期检测。研究结果将水文化学证据与适当管理策略相结合，以减轻海水入侵并保护当地社区及后代原始的地下水资源。

本研究发表于《Journal of Contaminant Hydrology》，聚焦于印度本地治里（Puducherry）沿海多层含水层系统中海水-地下水相互作用机制，旨在为可持续地下水管理提供科学依据。研究背景方面，海水入侵（Seawater Intrusion, SWI）是全球沿海地区面临的重大环境水文地质问题，指海水（Seawater, SW）向陆地方向迁移进入近海岸含水体的过程。该过程破坏沿海生态系统，导致土地退化与水质恶化，进而引发人口内迁。全球几乎所有沿海含水层均因人口增长带来的用水需求增加而面临不同程度的海水入侵威胁。过度开采地下水（Groundwater, GW）破坏了咸淡水之间的水动力平衡，导致水质恶化。印度因人口密度高且季风变率大，属于高脆弱区域，地下水排泄量显著。此外，全球环境变化与人为影响如海平面上升、风暴潮、海岸侵蚀、气候变异性和海洋淹没等因素进一步加剧了对沿海含水层的负面影响。海水入侵的迁移机制主要包括侧向侵袭、垂向向上迁移（上升锥进）以及垂向向下迁移（如与海洋水利连通的回水/潮汐通道导致的下渗）。地下水盐化（GW salinisation）的成因具有多源性，除海水入侵外，还包括源岩风化、水岩相互作用、气候变化及海平面上升等。传统研究多采用Piper图、水化学相演化图（Hydrochemical Facies Evolution Diagram, HFE-D）、离子比值、海水占比（f_sea）、离子比值变化（e_change）及海水混合指数（Seawater Mixing Index, SMI）等单一或部分水化学指标，但难以全面解析复杂的海水入侵动态。

氡-222（²²²Rn）作为天然示踪剂在本研究中具有关键作用。²²²Rn是由镭-226（²²⁶Ra）衰变产生的惰性气体，源于铀-238（²³⁸U）衰变链。通过α反冲机制，²²²Rn从沉积物矿物颗粒释放至地下水环境。含水层岩性、矿物组成、镭含量、水岩相互作用时长及风化程度等水文地质与地球化学因素共同控制²²²Rn在地下水中的浓度与迁移性。淡水中²²²Rn浓度较高主要归因于稀释程度低且水岩相互作用活跃；而咸水因离子强度较高导致²²²Rn析出率降低，浓度较低。因此，当²²²Rn贫乏的海水与²²²Rn富集的地下水混合时，稀释效应降低²²²Rn活度，使其成为有效区分海水入侵区的示踪剂。

现有研究在解析复杂水化学数据集时，线性模型如主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）和因子分析（Factor Analysis, FA）可能因地球化学数据的非线性与重叠特性而导致过度简化和误判。非监督神经网络算法如自组织映射（Self-Organising Map, SOM）通过将多维数据集投影至二维网格，揭示变量间的细微相关性，阐明复杂的水文化学过程。近期全球研究已将SOM与聚类技术结合用于解析复杂水化学数据集，如在中国东部工业密集区及鄱阳湖流域的应用。

本地治里-泰米尔纳德沿海区域的前期研究多侧重于地下水适用性评价，对盐化与地质或人为来源的相关性讨论有限，缺乏对含水层特异性水文化学过程与盐化机制的深入探讨。本研究旨在填补这一空白，整合水文化学示踪剂、²²²Rn和SOM聚类，解析含水层特异性盐化路径，区分海水入侵与地质、人为因素对地下水盐度的相对贡献。

研究采用的关键技术方法包括：（1）2023年7月采集376个地下水样品，涵盖冲积层（AVMF, n=108）、库达洛尔层（CUDF, n=163）、卡达佩里库帕姆层（KADF, n=26）、图鲁瓦伊层（TRVF, n=30）和瓦努尔-拉玛那塔普拉姆组（VNRPF, n=49），样品取自专用于生活和农业的管井，通过岩心录井确认滤水管位于目标含水层内；（2）水化学分析获取主要离子浓度，构建Piper图、HFE-D图；（3）计算海水占比（f_sea）、离子比值变化（e_change）、海水混合指数（SMI）等海水入侵评价指标；（4）²²²Rn同位素分析作为天然示踪剂判别咸淡水混合程度；（5）应用SOM非监督机器学习算法进行数据聚类与模式识别，揭示多维水化学数据中的隐含结构。

研究结果部分，研究区地理概况显示，研究区位于印度东南海岸，面积约921.0平方公里，涵盖整个本地治里及泰米尔纳德邦维卢布拉姆县部分地区，东临孟加拉湾，南接库达洛尔县，北和西接维卢布拉姆县，人口约136万，人口密度1477人/平方公里，属湿润热带气候。

关于离子浓度在海水-地下水混合过程中的变化，Piper图、主要离子化学和HFE-D结果表明研究区存在较高的海水入侵可能性。基于保守混合模型，通过离子浓度变化可估算海水-淡水混合过程中地下水组成的演变。计算得到的f_sea可有效估算海水与地下水相互作用导致的Na、Ca、Mg、K、SO₄和HCO₃等离子变化。海水中Na相对Ca富集，而淡水则相反。

冲积层和库达洛尔层的结果表明，AVMF和CUDF中海水入侵影响在研究区东北部沿海地带更为显著，指示高盐度指数、反向离子交换和微生物硫酸盐还原反应等来源（图2-8，表S1）。CUDF因生活、农业和工业用水过度开采而处于超采状态，形成更深的水力梯度。

研究结论与讨论部分指出，本研究综合水文化学指标、离子比值、²²²Rn同位素和非监督机器学习方法，评估了沿海多层含水层的地下水盐化动态。研究结果表明，海水入侵是改变浅层含水层（AVMF和CUDF）地下水地球化学命运的主要盐化过程，尤其在近岸区域。这些含水层中NaCl和Na-HCO₃相占主导，表明海水混合和离子交换过程活跃。SOM聚类分析量化了各含水层的盐化面积比例，其中图鲁瓦伊层（TRVF）盐化比例最高（36.6%），与该层较薄、易受海水渗透影响的水文地质特性相符。卡达佩里库帕姆层（KADF）虽盐化比例较低（15.3%），但人为源和碳酸盐风化的贡献更为突出，反映该层受农业活动和地质背景的双重影响。瓦努尔-拉玛那塔普拉姆组（VNRPF）虽仅10.2%样品显示盐化，但微生物硫酸盐还原作用的广泛存在表明该层存在独特的生物地球化学过程。

²²²Rn同位素证据有效区分了不同来源的盐化：海水入侵区呈现²²²Rn活度显著降低的特征，而地质成因盐化区保持较高²²²Rn水平。这一发现与Zhong等（2020）的理论模型一致，证实了²²²Rn作为咸淡水混合示踪剂的可靠性。综合离子比值（如Na/Cl、Ca/Mg、Cl/HCO₃）、海水入侵指数（SMI）和²²²Rn的三维判别体系，实现了含水层特异性盐化源的成功识别，克服了单一指标的局限性。

针对研究区面临的挑战，研究人员提出了一系列针对性含水层管理措施：利用处理后的地表水和雨水进行人工补给，以恢复水力平衡；实施控制性井开采，避免超采形成降落漏斗；将现有井迁至海水入侵区外，切断盐化路径；修复池塘和水塘，增强地表水入渗补给能力；建立盐度/²²²Rn监测井网络，实现海水入侵的早期预警与动态监测。这些策略将水文化学证据与具体管理行动相联结，为当地政府和社区提供了可操作的技术框架，以保护原始地下水资源并确保其可持续利用，惠及当地居民及后代。