趙煥庭，王麗榮，宋朝景

（中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301）

南海是新生代熱帶海洋，整個(gè)新生代時(shí)期造礁石珊瑚繁生。造礁石珊瑚附著在硬質(zhì)淺海海底后逐漸發(fā)育成珊瑚礁，礁緣波浪破碎帶的產(chǎn)物被拋上外礁坪，堆積礁緣脊礫石堤，在內(nèi)礁坪上堆積潮間帶淺灘，并逐步發(fā)展為潮上帶未長(zhǎng)草木的裸沙洲和有植被的灰沙島。南海諸島的灰沙島有49 個(gè)，其中，南沙群島有面積較大的已命名的灰沙島17 個(gè)（包含6 個(gè)干出沙洲），總面積近2 km2；而西沙群島，則有大小灰沙島31 個(gè)（包含至少7 個(gè)干出沙洲）；東沙群島有灰沙島1 個(gè)?；旧鲜侨率乐衅诟吆Ｃ嬉詠?lái)形成的新灰沙島，最早只有4 千多年的歷史，其長(zhǎng)度和寬度都小于2 km，面積小，大多小于0.5 km2，且較低矮。新灰沙島海拔一般不過(guò)8 m，多為3～6 m，高潮時(shí)不會(huì)被淹沒(méi)。而全新世中期高海面以前就形成的老灰沙島，只有1 個(gè)，就是西沙群島的石島，海拔最高，約15 m。這些灰沙島雖雨水較多，但都沒(méi)有溪流（趙煥庭等，1994；中國(guó)科學(xué)院南沙綜合科學(xué)考察隊(duì)趙煥庭，1996；趙煥庭等，1997）。有些較大的灰沙島，部分降雨通過(guò)滲透進(jìn)入含水層補(bǔ)水，并在補(bǔ)水與損失過(guò)程中維持平衡狀態(tài)，發(fā)育有浮在底層內(nèi)滲海水上的淡水體，即淡水透鏡體。由于南海灰沙島大多遠(yuǎn)離陸地，因而淡水透鏡體就成為維持島上居民生產(chǎn)生活和海島陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要淡水資源。

中國(guó)歷代漁民在南海捕撈，有時(shí)需要臨時(shí)登島尋找水源補(bǔ)給生活用水，有時(shí)則需要駐島半年至數(shù)年，因此必須挖井自給淡水和澆灌蔬菜、木瓜及番薯。他們對(duì)南海諸島水井和其中可供飲用的，瞭若指掌，記在腦子里，還記錄在駕風(fēng)帆船使用指南針羅盤的航海指南《更路簿》 [手抄寫(xiě)本，現(xiàn)存至少有13 種版本（廣東省地名委員會(huì)編，1989）] 中。《南海諸島志》 （陳史堅(jiān)等，1989） 也記述了這些島嶼中分布的淡水井。政府鑒于淡水資源在海島建設(shè)中至關(guān)重要，早在1968年安排廣東省海南地質(zhì)隊(duì)調(diào)查勘探西沙群島地下水資源，在永興島和東島共打了5 口水文地質(zhì)井，最大井深111.8 m，成果未刊。1995-1999年解放軍有關(guān)院校的學(xué)者和工程單位的科技人員開(kāi)展了西沙群島地下水資源的調(diào)查、勘探和實(shí)驗(yàn)，陸續(xù)刊出研究成果（周從直等，1999；馬潁等，2000；梁恒國(guó)等，2002；周從直等，2004；周從直 等，2006；梁恒國(guó)等，2006；趙素麗，2007；周從直等，2008；甄黎等，2008；束龍倉(cāng)等，2008；趙軍等，2009；李決龍，2009；周從直等，2010；方振東等，2012）。南海地理位置非常重要，珊瑚礁灰沙島就成為維護(hù)海洋權(quán)益和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)海洋資源的重要依托。本文以永興島為例對(duì)淡水透鏡體研究作些評(píng)述，對(duì)南海諸島灰沙島淡水透鏡體的形成和開(kāi)發(fā)利用狀況等進(jìn)行討論并提出建議，希望對(duì)灰沙島淡水透鏡體更好地開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)管理。

1 淡水透鏡體的理論

淡水透鏡體被稱為Ghyben-Herzbrg 透鏡體，這是Ghyben 和Herzbrg 分別于1889年和1901年在歐洲大陸沿海地區(qū)供淡水問(wèn)題的獨(dú)立研究中分別發(fā)現(xiàn)的（Gyben，1889；Herzberg，1901）。之后，國(guó)外許多學(xué)者引入了淡水透鏡體的理論來(lái)研究珊瑚礁島地下淡水，例如，研究珊瑚礁島淡水透鏡體結(jié)構(gòu)、制作了珊瑚礁島地下淡水透鏡體圖式、概括珊瑚礁島淡水透鏡體的理論模式圖等；國(guó)內(nèi)也有人較早注意到南海諸島灰沙島地下淡水透鏡體的存在（趙煥庭等，1994；張利軍等，1994）。

在堡礁和遠(yuǎn)離大陸的海島上，地下淡水和地下內(nèi)滲海水之間由于密度的不同而形成類似透鏡形狀的、薄且漂浮在內(nèi)滲海水之上的淡水透鏡體（圖1） （White et al，2007）。而通常淡水和底層內(nèi)滲海水之間的邊界以一個(gè)寬且微咸過(guò)渡帶或混合區(qū)的形式出現(xiàn)，并由于混合和擴(kuò)散作用，地下水的咸度隨淡水向內(nèi)滲海水深度的增加而增加（White et al，2010）。淡水透鏡體的形成、發(fā)育和演化依賴很多因素，如，水文地質(zhì)、氣候、島嶼地形、潮汐、土壤和植被等，但對(duì)于碳酸鹽巖島來(lái)說(shuō)，控制淡水透鏡體形態(tài)的主要因素是地質(zhì)、地形及植被的空間格局，有時(shí)，潮差也很重要。碳酸鹽巖島多由過(guò)去高海平面時(shí)形成的碳酸鹽巖和近期碳酸鹽沉積物構(gòu)成，這些巖石的成巖變化的程度是決定其含水層性質(zhì)的最重要因素?？偟膩?lái)說(shuō)，老的巖石經(jīng)歷了更廣泛的成巖作用，孔隙度和滲透系數(shù)都會(huì)很高，而這又會(huì)影響淡水透鏡體的形成和發(fā)育，而形成年代晚且未固結(jié)的砂礫沉積層中，地下水流為粒間孔隙流，發(fā)育有廣泛的淡水透鏡體（Schneider et al，2003）。

圖1 珊瑚礁島嶼淡水透鏡體示意圖

2 永興島地質(zhì)地貌環(huán)境

南海珊瑚礁灰沙島的基礎(chǔ)多為遠(yuǎn)離大陸的碳酸鹽巖島，先后從晚漸新世中期于禮樂(lè)灘（ASCOPE，1981） 和從中新世于西沙群島（曾鼎乾，1990；吳作基 等，1982；張明書(shū) 等，1989） 開(kāi)始成礁，并與更新世和近期海平面變化緊密相關(guān)。這里，關(guān)注的是永興島的灰沙島地質(zhì)特征和地表狀況與淡水透鏡體的關(guān)系。

永興島在南海諸島中陸地面積最大，自然條件優(yōu)越，又是南海航行中最重要的航線所經(jīng)，臺(tái)灣海峽和巴士海峽—馬六甲海峽航線就在它的東側(cè)通過(guò)，因此區(qū)位重要。1959年我國(guó)在此設(shè)置了“西沙群島、中沙群島、南沙群島辦事處”，屬?gòu)V東省海南行政區(qū)，成為南海諸島中心。1988年海南省建立后歸海南省直屬。2012年6月21日永興島成為新設(shè)置的海南省三沙市的首府。目前它有1 座中型飛機(jī)場(chǎng)，可起降波音737 型飛機(jī)。沿島西側(cè)礁坪上，自西北－西南，已分期建成3 個(gè)大港池，可供1 千至5 千t 級(jí)艦船靠泊。1979年在永興島和石島之間的礁坪上筑造了1 條寬3 m、相對(duì)高1.8 m 的石堤，可通車，后改造為混凝土公路。永興島上混凝土路成網(wǎng)，沿路散布政府機(jī)關(guān)、事業(yè)單位、軍營(yíng)，西部臨港帶則呈現(xiàn)商店與街道構(gòu)成的現(xiàn)代小城鎮(zhèn)雛形。永興島上還設(shè)有中國(guó)最基層行政村級(jí)的永興居民委員會(huì)，2012年7月統(tǒng)計(jì)有38 戶159 人，居民主要從事漁業(yè)捕撈、加工和商貿(mào)等產(chǎn)銷活動(dòng)。2014年永興島常住和流動(dòng)人口已逾3 千，人氣較旺盛。

永興島位于西沙群島東北部宣德群島的東南部，它和石島同處1 座臺(tái)礁，該臺(tái)礁呈梨形，東端尖，西邊鈍圓，長(zhǎng)軸NEE－SWW 向，長(zhǎng)約4 100 m，短軸NNW－SSE 向，寬約3 000 m，礁頂?shù)慕钙汉完懙孛娣e共約8.3 km2。該臺(tái)礁礁體是中新世以來(lái)的生物堆積，厚1 251 m，基底為古生代變質(zhì)巖。礁頂分布兩座灰沙島，即東北部較小的老灰沙島石島和西南部大的現(xiàn)代灰沙島永興島（圖2），兩島間距近800 m。

圖2 永興島航空照片

據(jù)西石1 井（位于石島的東南側(cè)丘坡上，井深200.63 m，未穿透礁相地層） 資料，石島是1 個(gè)在晚玉木冰期低海面時(shí)珊瑚礁島上的風(fēng)沙堆積體，現(xiàn)存厚度從“西石1 井”井口至井深24.68 m（張明書(shū)等，1989），按井口高程若干米計(jì)，則分布至海平面以下約20 m，后在大氣－淡水環(huán)境下已固結(jié)成巖，變成石山，冰后期海水上漲成為老灰沙島，南北向長(zhǎng)約500 m，東西向?qū)捈s260 m，面積0.08 km2，海拔15.9 m。沙丘巖較松脆。石島周圍已被海浪侵蝕后退，四周多為海蝕崖和袋狀海灘。島上生長(zhǎng)稀疏的灌木草叢，有水井，但水質(zhì)不好，不宜飲用。

永興島是一個(gè)堆積在其礁頂西南部質(zhì)地疏松的新灰沙島，呈不規(guī)則橢圓形，島嶼陸地NWW－SEE向長(zhǎng)約1 950 m，寬約1 350 m，面積共2.13 km2，是南海諸島中面積最大的一個(gè)島嶼。最高點(diǎn)位于西北部沙堤上，海拔為8.2 m。永興島是在全新世冰后期海面上漲至最高以來(lái)發(fā)育的（趙煥庭 等，1994）。對(duì)永興島的地層已有詳細(xì)的鉆探、釆芯研究。據(jù)西永1 井（位于島的東南側(cè)沙堤間洼地，井深1 384.6 m，穿透礁相地層） 資料（曾鼎乾，1990），井深0～1 251 m 為礁相地層。據(jù)西永2 井（位于島中部洼地的西側(cè)，井深600.02 m，未穿透礁相地層） 資料（張明書(shū)等，1989），作為淡水透鏡體圍巖部分，即地表至地下數(shù)十米的地層，列出如下：井深0.0～0.5 m，灰黃色生物骨屑含礫砂層；0.5～3.0 m，棕褐色生物骨屑礫砂層；3.0～3.3 m，棕褐色枝狀珊瑚礫塊層；3.3～4.0 m，棕褐色生物骨屑砂礫層；4.0～5.0 m，灰白色藻屑灰泥，雜有珊瑚礫塊；5.0～5.2 m，白色礁格架灰?guī)r，屬澙湖點(diǎn)礁；5.2～5.6 m，褐黃色生物骨屑砂礫層；5.6～10.8 m，褐灰色、灰黃色生物碎屑灰?guī)r；10.8～13.15 m，棕褐色生物骨屑砂礫層，向下礫石增多；13.15～17.72 m，棕褐色生物骨屑砂礫層夾生物碎屑灰?guī)r，層底為沉積間斷；17.72～20.77 m，灰白色礁格架灰?guī)r。以下至31.36 m 均為礁格架灰?guī)r。將上述地層進(jìn)一步歸納為：0.0～17.72 m 為晚更新世上段，17.72～31.36 m 為晚更新世下段。從西永1 井井深14 m 處澙湖相生物碎屑14C年齡為6 790±95aBP（張明書(shū)等，1989） 看，我們認(rèn)為，西永2 井井深17.72 m 應(yīng)為晚更新世與全新世之間的沉積間斷，0.0～17.72 m 為全新世松散的生物骨殼碎屑砂礫層，17.72 m 以下為更新世及更老的、巳成巖的礁灰?guī)r。礁坪向上增長(zhǎng)至今，永興島西北礁坪珊瑚礁灰?guī)r14C年齡為1 754±40 aBP，礁坪上的洲島形成時(shí)間相應(yīng)同步。西沙群島的沙島（甘泉島） 成島時(shí)期為冰后期距今五、六千年的高海面時(shí)，沙洲因埋藏有文物而確定成洲時(shí)期為人類歷史時(shí)期（盧演儔等，1979）。又從永興島西北海灘上的海灘巖（已被專業(yè)人員打標(biāo)本和游客砸釆而逐漸消失了，產(chǎn)地亦已被新的漁業(yè)補(bǔ)給綜合港池碼頭建設(shè)而徹底毀了）14C年齡為2 680±95 aBP（余克服 等，1995），可知大約3 000 a 前已有海灘，推測(cè)沙堤可能同時(shí)亦已存在了，則永興島出現(xiàn)了。

永興島的地貌與沉積特征為從島緣向島中央依次分為海灘、沙堤、沙席和洼地（圖3），呈環(huán)狀展布（趙煥庭等，1994；余克服等，1995）?；疑硩u整體地形呈碟形洼地（袁家義等，1992）。島周圍的礁坪，東、西礁坪不對(duì)稱，西部寬250～500 m，而東部寬400～1 000 m，東部最寬達(dá)1 500 m。礁前水下斜坡陡竣，一般坡度為十幾度，是珊瑚叢生帶和原生礁帶，斜坡上往復(fù)流作用和造礁生物生長(zhǎng)的結(jié)果，形成礁緣坡脊－槽溝系，礁緣一圈處于波浪破碎帶，常見(jiàn)破碎波翻滾。大浪把礁前礁塊（直徑可達(dá)0.2～3.0 m） 和生物碎屑擲上礁緣，堆積成寬100 m 左右、高0.2～0.5 m 不等的礁突起帶，略呈堤狀。礁坪大體平整，堆積以礫石為主，向島岸砂屑增加。內(nèi)礁坪略低，一般退潮時(shí)仍積薄層（5～50 cm） 淺水。環(huán)島1 圈為潮間帶海灘，寬50 m 左右；向里又1 圈為沙堤，寬100 m 左右。島西北部至東北部沙堤單一，較高，一般高達(dá)6～8 m，也較寬，達(dá)100～150 m；西北側(cè)沙堤坡角達(dá)32°；東部至南部沙堤由3 道組合，每道高4～6 m，寬80～100 m，坡度較和緩。植物繁茂，種類多。沙堤上植被以草海桐（羊角樹(shù)）、銀毛樹(shù)和海巴戟為主，濃密的厚藤覆蓋至與海灘交接處。沙席處于沙堤背風(fēng)坡與島內(nèi)洼地的過(guò)渡部位，是風(fēng)驅(qū)動(dòng)海灘砂、沙堤砂越過(guò)沙堤頂后，在沙堤背風(fēng)坡下披覆在洼地上的沉積。永興島沙席環(huán)沙堤背風(fēng)坡分布，寬500 m以上，海拔一般在2 m 以上，過(guò)去有人稱作沙平臺(tái)（王國(guó)忠等，1986；呂炳全等，1987）。由此有人認(rèn)為這表示地殼上升的結(jié)果，其實(shí)這僅是風(fēng)力加積的產(chǎn)物。堆積物以砂為主，也含少量小礫。植被茂盛，以白避霜花（麻楓桐）、海岸桐、欖仁樹(shù)和椰樹(shù)為主。過(guò)去鳥(niǎo)多，還有逸生“野黃牛、野豬、野雞”，林下沙席上堆積鳥(niǎo)糞層（朱庭祜，1928；沈鵬飛，1930；王本菼 等，1947；陸發(fā)熹，1947）。1930年陳銘樞編纂《海南島志》 據(jù)廣東省政府1928年調(diào)查資料，當(dāng)時(shí)永興島鳥(niǎo)糞層面積1 291 600m2，平均厚0.25m，鳥(niǎo)糞層體積322900m3，除去植物根系約占的1 成之外，鳥(niǎo)糞層體積實(shí)為290 610 m3，計(jì)223 550 t。似高估了。1947年陸發(fā)熹估計(jì)松散層鳥(niǎo)糞60 000 t，塊狀鳥(niǎo)糞層40 000 t （陸發(fā)熹，1947）。沙堤圍圈的島內(nèi)澙湖或淺水礁塘，隨著沙席的擴(kuò)展而萎縮消亡。礁塘1974年可涉水而過(guò)，行將自然干涸。1994年時(shí)已成為潮濕洼地，沉積中、細(xì)砂，還生長(zhǎng)莎草科植物。

永興島多年平均降雨量1 505 mm，雨量豐沛，地下淡水（島水） 淺藏，水位埋深0.3～2.9 m，落潮時(shí)最大埋深達(dá)4.0 m（李決龍，2009）。不少單位和居民都開(kāi)挖水井取水。初期，島上人少，尚可滿足需要。據(jù)1993年調(diào)查（張利軍，1994），后來(lái)人多了，過(guò)量抽取地下水，淡水透鏡體被破壞并被咸化了，但雨后島水會(huì)變淡些。由于島水已受到環(huán)境與人為污染，不符合飲用標(biāo)準(zhǔn)，也不宜洗澡與洗衣服，一般只供沖洗公地和澆灌用。各單位和居民歷來(lái)都在建筑物建有雨水收集系統(tǒng)，供生活用；同時(shí)島領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)實(shí)施定期運(yùn)來(lái)大陸優(yōu)質(zhì)自來(lái)水供飲用，每年計(jì)12 萬(wàn)t左右。成本（含運(yùn)費(fèi)） 為20 元/t，耗資240 萬(wàn)元。

圖3 永興島地貌與沉積剖面圖

3 永興島淡水透鏡體

南海諸島雖然無(wú)徑流可滲水，也無(wú)庫(kù)塘可滲水，但降雨提供了地下淡水的豐沛的來(lái)源?；疑硩u碟形洼地有利于降雨滲入地下時(shí)向島中部匯集，但集雨面積要足夠，以使地下淡水能夠匯集，不至于全部泄入海洋和澙湖、或全部混入下層中的內(nèi)滲咸水中去。參照南印度洋可可群島South Keeling 環(huán)礁勘測(cè)成果，灰沙島寬度小于270 m 時(shí)，降雨和滲入沙土的淡水很快流入海洋，不能形成淡水透鏡體（周從直等，1999）。永興島勘探資料表明，井深17.72 m 沉積間斷面以上為全新世碳酸鹽生物骨殼堆積物，即珊瑚貝殼斷肢碎屑砂礫，由于未發(fā)生成巖作用，呈松散狀態(tài)，孔隙率（或孔隙度，指砂土樣中孔隙的體積與砂土樣的總體積之比） 較高，滲透率也較高。借用西沙群島琛航島鉆孔巖芯礁砂土樣實(shí)測(cè)孔隙率（宋朝景等，1994），西琛21 孔孔深4.9～9.2 m 釆15 個(gè)樣，一般為45.1～50.7，平均48.7；西琛15 孔孔深2.4～12.0 m 釆54 個(gè)樣，一般為48.7～58.6，平均51.7?？梢?jiàn)孔隙率之高，雨水容易從砂礫間滲下，并藏在砂礫自身的孔隙（內(nèi)孔隙） 中和砂礫間的空隙（外孔隙） 中；海水也容易從礁體外橫向滲入到礁體海面以下的砂礫層中。沉積間斷面以下為更新世和此前更古老的碳酸鹽發(fā)生成巖作用，固結(jié)成礁灰?guī)r，只部分保留原始沉積物自身的孔隙和間隙（個(gè)數(shù)變少和尺度變小），使孔隙率變低，滲透率變低，但由于新增成巖時(shí)產(chǎn)生的次生孔隙，特別是成巖后遭遇地質(zhì)歷史上海平面大下降或地殼上升運(yùn)動(dòng)使礁體陸露成島，喀斯特地下水垂直（溶洞） 與水平體系（地下河） 發(fā)育，則使礁灰?guī)r總的孔隙率不低，反而變高，滲透性更強(qiáng)，當(dāng)海平面上升或地殼下降運(yùn)動(dòng)使礁體沉沒(méi)海中時(shí)，海水較容易滲入，使礁體內(nèi)外被海水浸泡、并隨潮汐使礁體內(nèi)海水水位升降，使礁體內(nèi)潮間帶海水與礁體外海水發(fā)生往復(fù)式流動(dòng)、交換。更新世礁灰?guī)r的海水也可能向上滲入到全新世生物骨殼沉積層中，由于海水比重比淡水大，海水頂托淡水。這樣，由地表滲入的雨水保留在生物骨殼沉積層中，從而為淡水透鏡的形成提供了基本條件。

1995年，解放軍總后勤部批準(zhǔn)“珊瑚島礁淡水資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究”立項(xiàng)并下達(dá)了研究任務(wù)，由海軍后勤部基建營(yíng)房部和解放軍后勤工程學(xué)院等單位有關(guān)科技人員組成課題組，于1995-1999年間實(shí)施。周從直等抓住了該項(xiàng)目的科技核心——灰沙島淡水透鏡體的形成、淡水資源消長(zhǎng)、合理開(kāi)發(fā)和修復(fù)保護(hù)等問(wèn)題，開(kāi)展了西沙群島現(xiàn)場(chǎng)勘探、調(diào)查研究和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、模擬試驗(yàn)，陸續(xù)刊出成果。認(rèn)同淡水透鏡體的含鹽量一般限制在氯離子濃度600 mg/L 之內(nèi)，這一濃度邊界也常被視作淡水透鏡體的幾何邊界。他們參考了加勒比海大開(kāi)曼群島中央淡水透鏡體的數(shù)值模擬所建立的基于質(zhì)量守恒、達(dá)西定律和Ghyben-Herzbrg 關(guān)系導(dǎo)出的的數(shù)學(xué)模型，模擬了永興島淡水透鏡體的演變過(guò)程，選用有限差分法，選用回補(bǔ)率每年280 mm、滲透系數(shù)為每天7～700 m，計(jì)算了淡水、海水界面的座標(biāo)，與實(shí)測(cè)值吻合很好，為確定開(kāi)釆水量和開(kāi)釆強(qiáng)度提供了依據(jù)。同時(shí)指出島水由于有機(jī)污染，色度嚴(yán)重超標(biāo)，水有異味，磷含量高，必須作正規(guī)的水處理（周從直等，1999）。他們介紹了用有限差分法計(jì)算了永興島淡水透鏡體的包絡(luò)面，與實(shí)測(cè)值比較誤差在3%～15%之間。制作了永興島淡水透鏡體等深圖（圖4） 和淡水透鏡體三維視圖（圖5），這為科學(xué)開(kāi)發(fā)西沙地下淡水資源提供了可靠的資料（周從直等，2004）。

周從直等（2006） 分析了永興島淡水透鏡體的形成機(jī)理及其影響因素，最重要的是氣象氣候因素。根據(jù)永興島1989-1998年10年的月平均降雨量及最高、最低年降雨量，用有限差分法計(jì)算了永興島淡水透鏡體的外形和貯水量的變化。結(jié)果，根據(jù)模擬計(jì)算值繪制的淡水透鏡體形狀，中央厚，邊緣薄。年中淡水貯水量變化同雨量變化相應(yīng)，水頭值4月最小（16 m），10月最大（17.2 m），兩者相差7.5%，相應(yīng)的淡水貯量相差約10.5%。年際淡水透鏡體中央最厚點(diǎn)變化也同雨量變化相應(yīng)，豐水年、平水年和枯水年的水頭模擬值分別為18.7 m、16.5 m 和15.5 m，豐水年比平水年多13.3%，枯水年比平水年少6.0%，對(duì)應(yīng)的淡水貯量分別多16.8%和少7.2%。這闡明了淡水透鏡體存在一個(gè)不斷回補(bǔ)和損耗的過(guò)程，即降雨是回補(bǔ)，使淡水透鏡體增厚，淡水貯量增加；損耗使淡水透鏡體變薄，貯量減少?；匮a(bǔ)只是在下雨時(shí)才有可能發(fā)生，損耗的表征是淡水-咸水界面處的淡水流失，其動(dòng)力是淡水透鏡體中央向邊緣存在的水力坡度。損耗是一個(gè)持續(xù)發(fā)生的過(guò)程，因此淡水透鏡體是一種不斷自行損耗的、可再生的自然資源，可以充分開(kāi)發(fā)利用。梁恒國(guó)等（2006） 介紹了影響淡水透鏡體的自然因素，除了氣象氣候條件外，還有島嶼面積、水文地質(zhì)（滲透率）、植被（枯枝落葉造成有機(jī)污染，但未提及涵養(yǎng)水源與蒸騰損耗） 等，而人為因素方面則是過(guò)量抽取淡水，使井中水頭急劇下降，淡水透鏡體底部的海水被帶動(dòng)上升，海水與淡水的交界面出現(xiàn)猶如一倒立的錐面，俗稱“倒錐”，淡水透鏡體被破壞，細(xì)分為兩個(gè)，使淡水儲(chǔ)量減少；另外，地面建筑物的排污、收集、處理系統(tǒng)缺失，導(dǎo)致污水滲入地下，造成污染。甄黎在束龍倉(cāng)的指導(dǎo)下完成了島嶼淡水透鏡體形成與演化的物理模擬（甄黎等，2008）。同時(shí)趙軍等（2009） 也做了類似的淡水透鏡體形成及倒錐演變過(guò)程的室內(nèi)物理模型的模擬試驗(yàn)。

圖4 永興島淡水透鏡體等深圖（據(jù)周從直等，2004）

圖5 永興島淡水透鏡體三維視圖

周從直等（2010） 進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和試驗(yàn)獲得的水文地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用有限差分法和Visual Madflow 對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，獲得了透鏡體內(nèi)淡水流向、水頭分布、過(guò)渡帶厚度與淡水貯量的季節(jié)變化，計(jì)算結(jié)果，以氯離子濃度600 mg/L 值求等值面為透鏡體的包絡(luò)面，揭示永興島淡水透鏡體最大厚度為16.9 m，最大厚度處過(guò)渡帶厚度為8.3 m。透鏡體淡水貯量為1 472 000 m3，很豐富。淡水貯量年內(nèi)變化，4月最小，9月最大，9月淡水貯量較4月多8.5%。與降雨量相比，淡水貯量變化滯后1～2 個(gè)月。該項(xiàng)成果可用于制定淡水透鏡體的開(kāi)釆策略，有利于地下淡水資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。方振東等（2012） 研究認(rèn)為，在一定的水文地質(zhì)條件下，淡水透鏡體處于動(dòng)態(tài)平衡，其上表面高出海平面。其水頭差保證了淡水透鏡體中淡水持續(xù)向海水滲流，使因彌散而進(jìn)入淡水透鏡體的海水向外退縮，淡水透鏡體才得以存在。永興島淡水透鏡體水頭的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差為－3.86%～－0.58%；取年均降雨量的40%為回補(bǔ)量，計(jì)算淡水透鏡體的最大厚度為15 m；淡水透鏡體東西不對(duì)稱，西部（向宣德環(huán)礁澙湖側(cè)） 較厚，東部（向大海側(cè)） 較薄。從水井抽取淡水，水井水位降深，使水井下方靜壓降低，過(guò)渡帶便在抽水過(guò)程中逐漸上升，形成倒錐。倒錐上升高度隨抽水強(qiáng)度和時(shí)間的增加而增加，隨井底到淡水透鏡體底部邊界距離的增加而減少。抽水初期，倒錐上升較迅速，之后，上升趨勢(shì)減緩。

鑒于永興島地下淡水外觀因明顯受到枯枝爛葉的污染，富含腐殖質(zhì)等有機(jī)物，經(jīng)水質(zhì)分析，其一般化學(xué)指標(biāo)、毒理學(xué)指標(biāo)絕大多數(shù)在飲用水水質(zhì)要求范圍內(nèi)，但色度嚴(yán)重超標(biāo)，呈黃色，色度一般在30～50 度，最高達(dá)72 度；有異味、臭味，不能直接飲用；總硬度（主要由鈣、鎂離子物質(zhì)組成） 超標(biāo)，最高達(dá)621 mg/L；部分水井氯化物超標(biāo)，最高達(dá)779.6 mg/L，超標(biāo)（周從直 等，2008）。課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了修復(fù)技術(shù)方案。傳統(tǒng)的加藥混凝方法較難去除溶解性有機(jī)物產(chǎn)生的色度和氣味，且投藥量特別大。馬潁等（2000） 和梁恒國(guó)等（2002）借鑒文獻(xiàn)釆用電凝聚法，在永興島選有代表性的大口井井水做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)成功。結(jié)果表明，當(dāng)電極板間距為5 mm，電流密度為20A/m2、停留時(shí)間為100 s 左右時(shí)，試驗(yàn)效果最優(yōu)，處理后的水色度<10 倍、濁度<2.8 NTU，不增加額外陰離子（如的殘留和積累，滿足國(guó)家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。用電凝聚法比化學(xué)凝聚法處理效果更好，能有效去除有機(jī)物；同時(shí)，不需投加藥劑，省去一系列與此有關(guān)的工序、設(shè)備和物料；設(shè)施組裝簡(jiǎn)單，操作方便。趙素麗（2002） 和周從直等（2008）根據(jù)文獻(xiàn)介紹國(guó)外內(nèi)從上世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)展的地下水生物修復(fù)技術(shù)，人工向水井或地層輸入大量空氣，使喜氧微生物繁生，并加強(qiáng)合成和分解作用，最終使有機(jī)物濃度降低。運(yùn)用生物修復(fù)技術(shù)，已能去除重金屬、N、P、氯代有機(jī)物、石油污染物、可生物降解聚合物及固體廢物。課題組在永興島對(duì)淡水透鏡體進(jìn)行原位曝氣生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果：徑向上，在主流區(qū)半徑R 為0.2～0.5 m 的范圍之內(nèi)，溶解氧（DO） 的質(zhì)量濃度隨R 的增大而增大。R>0.5 m，溶解氧的質(zhì)量濃度隨R 的增大而降低。垂向上，溶解氧的質(zhì)量濃度隨高度的增大而迅速增大；地下水色度和化學(xué)耗氧量（COD） 均隨曝氣時(shí)間的增加而降低，色度為40 度、COD 為96 mg/L 的原水，曝氣18 d 后，色度均不超過(guò)15度，曝氣30 d 后，色度不超過(guò)10 度，COD 為21～36 mg/L。以色度不超過(guò)15 度作為修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)區(qū)半徑R 達(dá)0.7 m，修復(fù)區(qū)高度H 為0.9 m。修復(fù)1 m3的上述原水和1.3 m3的土壤所需的空氣量約為211 m3。并認(rèn)為該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，效果令人滿意，成本低廉，而且又不會(huì)造成二次汚染。

專著（李決龍，2009） 對(duì)上述研究成果做了系統(tǒng)的、全面的整理，反映了我國(guó)對(duì)南?；疑硩u淡水透鏡體全新的認(rèn)識(shí)。此外，該專著還同時(shí)介紹了珊瑚島礁雨水資源開(kāi)發(fā)的理論與技術(shù)，以及自動(dòng)供水控制系統(tǒng)，其中專門介紹了永興島雨水資源開(kāi)發(fā)大型工程技術(shù)方案，該方案成功解決了雨水資源的收集、儲(chǔ)存、保質(zhì)、凈化和供應(yīng)等一系列技術(shù)難題。該專著具有重要的理論與實(shí)踐意義。但是，該署名個(gè)人的專著里包含了前述課題組內(nèi)學(xué)者們刊出的許多論文成果，但在參考文獻(xiàn)欄里卻只列出1 條（周從直等，2006）；從該專著封里作者簡(jiǎn)介看他的專長(zhǎng)，他個(gè)人未必能全部承擔(dān)該專著多方面學(xué)科的調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)和研究報(bào)告的編撰，專著的主要內(nèi)容應(yīng)是有關(guān)學(xué)者分工執(zhí)筆寫(xiě)作的，然而卻沒(méi)有他們的署名或在章節(jié)題注注明執(zhí)筆人；該專著吸收了國(guó)內(nèi)外有關(guān)珊瑚島礁自然環(huán)境的闡述，也未列出處；書(shū)中描繪南海珊瑚礁地貌模型的特點(diǎn)是礁外坡為內(nèi)凹形，礁體形態(tài)呈蘑菇狀（即“蘑菇型”），不符合南海珊瑚礁地形實(shí)測(cè)資料和地貌學(xué)研究文獻(xiàn)，不符合已為歷來(lái)世界學(xué)者公認(rèn)珊瑚礁地貌模型為達(dá)爾文的上截錐型，“蘑菇型”珊瑚礁地貌模型在理論上不符合珊瑚礁形成演化規(guī)律，在自然界內(nèi)是不存在的（趙煥庭等，2014）。該專著作者在書(shū)中說(shuō)，1996年“將此命名為‘珊瑚島礁淡水透鏡體’，這是在水資源領(lǐng)域首次提出的創(chuàng)新概念，得到了國(guó)家水利部、地質(zhì)礦產(chǎn)部、海洋局專家的一致認(rèn)可”的說(shuō)法，不符合珊瑚礁灰沙島淡水透鏡體研究的歷史。

4 南海珊瑚礁灰沙島淡水透鏡體的開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題

永興島的開(kāi)發(fā)利用程度在南海諸島中最高，建有機(jī)場(chǎng)、碼頭以及各類建筑物，常住和流動(dòng)人口3千多人，隨著三沙市首府設(shè)在永興島，永興島的開(kāi)發(fā)還將有大的發(fā)展，人們對(duì)淡水資源的需求也逐漸加大，因此，如何合理開(kāi)采淡水透鏡體，使其能提供可持續(xù)的可飲用的淡水，則顯得更為重要。

前述永興島淡水透鏡體儲(chǔ)水量計(jì)算值為1 472 000 m3，可謂豐富。按永興島數(shù)年前每天用水120 m3計(jì)，1年用水43 800 m3，僅為淡水透鏡體儲(chǔ)水量的2.97%（李決龍，2009），理應(yīng)自給有余。然而由于自然的鳥(niǎo)糞層和枯枝落葉層腐殖質(zhì)被雨水和滲流帶地下水的淋溶，令南海多數(shù)即使人煙稀少的灰沙島水井中地下水呈黃色，味苦澀，不能飲用。加上人為污染，情況更加嚴(yán)重。例如，永興島的鳥(niǎo)糞層雖然在20 世紀(jì)30-50年代已被挖空，但地層中仍含較多的鳥(niǎo)糞顆?；蛄祝▍侵緰| 等，1985；趙煥庭，1994），而過(guò)去成島數(shù)千年來(lái)地下水積累的自然污染多少仍然存在，然而更嚴(yán)重的是，數(shù)十年來(lái)隨著島上人口和各類設(shè)施大增，而垃圾、生活污水、醫(yī)院和維修車間廢水，菜地施肥的殘留等也增多，且在三沙市設(shè)置前長(zhǎng)期沒(méi)有得到妥善的處理，導(dǎo)致地下水呈黃色，味苦澀，發(fā)臭氣，不能飲用，也不能用于洗漱和洗衣服，僅用于沖洗公地、廁所，綠地和菜地澆灌以及養(yǎng)殖等?，F(xiàn)在島上的生活用水，除部分使用雨水收集貯存系統(tǒng)供給外，主要靠船運(yùn)大陸水廠生產(chǎn)的水。針對(duì)地下淡水污染問(wèn)題，歷來(lái)不少人提出對(duì)廢污物處理意見(jiàn)，學(xué)者們還分別做了用電凝聚法和用生物修復(fù)試驗(yàn)去除水中有機(jī)污染，希望新設(shè)的市政府予以考慮，進(jìn)一步組織不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，以便決策和立項(xiàng)實(shí)施。

永興島上對(duì)淡水透鏡體的利用主要是通過(guò)垂直打井的方式來(lái)獲取，目前約有40 多口井。這些井的井壁由磚頭水泥砂漿砌成。但有的井位于透鏡體邊緣，如果抽水強(qiáng)度過(guò)大或是旱季不減少抽取量，都會(huì)造成倒錐現(xiàn)象，引起海水入侵，破壞了淡水透鏡體（周從直 等，2010）。方振東等（2012） 認(rèn)為，為避免引發(fā)咸淡水交界處淡水透鏡體的出現(xiàn)倒錐現(xiàn)象，水井開(kāi)鑿應(yīng)盡量靠近淡水透鏡體中央?yún)^(qū)域，不要在邊緣打井，且宜淺井。對(duì)于永興島上長(zhǎng)期取水的水井，建議抽水速率不宜超過(guò)5 m3/h，以防出現(xiàn)倒錐現(xiàn)象。周從直（2010） 還建議用集水通道并開(kāi)采多井來(lái)抽取淡水透鏡體最上層的水則可避免倒錐現(xiàn)象發(fā)生。市政府有關(guān)部門對(duì)現(xiàn)有水井的存毀和開(kāi)鑿新井應(yīng)予嚴(yán)格的、經(jīng)過(guò)科學(xué)論證的管理。

有人認(rèn)為永興島現(xiàn)有建筑（房屋、混凝土場(chǎng)坪、混凝土路、機(jī)場(chǎng)） 承載量接近飽和，如果繼續(xù)擴(kuò)建、新建，勢(shì)必占用雨水補(bǔ)給自然地面，導(dǎo)致淡水透鏡體萎縮；永興島淡水透鏡體平均埋深－1.6 m，建造大樓、開(kāi)挖基槽，改變淡水透鏡體的自然形態(tài)；如果實(shí)施爆破炸礁作業(yè)，造成礁體淺層裂縫，可能割裂淡水透鏡體，導(dǎo)致淡水貯量減小；如果大量增加人員和設(shè)備，又缺乏相應(yīng)的環(huán)保設(shè)施，必增加對(duì)淡水透鏡體的的污染。因而提出，要嚴(yán)格控制人員、船舶和建筑物的盲目增加，確保不發(fā)生爭(zhēng)地爭(zhēng)水現(xiàn)象；建筑物限高3 層以下，建筑物基槽挖深不得超過(guò)－1.6 m，等（新華社記者陳萬(wàn)軍報(bào)道.立項(xiàng)保護(hù)西沙地下淡水資源迫在眉睫.新華通訊社國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)，2009-04-10）。對(duì)其中有的問(wèn)題，可釆取相應(yīng)措施解決，例如對(duì)建筑物設(shè)計(jì)規(guī)定雨水收集貯存或回注地下系統(tǒng)；建立完善的環(huán)保監(jiān)測(cè)、廢污物處理系統(tǒng)。有的問(wèn)題，尚須進(jìn)一步研究，例如爆破作業(yè)造成礁體淺層裂縫問(wèn)題，它對(duì)一定范圍內(nèi)現(xiàn)有的建筑物存在程度不同的傷害不提，是否會(huì)割裂淡水透鏡體嗎？鉆探、基槽挖深、爆破作業(yè)造成的裂縫縱橫影響會(huì)出現(xiàn)什么情形？令人生疑。滲透系數(shù)是計(jì)算淡水、海水界面的重要參數(shù)，滲透系數(shù)同孔隙率有關(guān)，已知，南海珊瑚礁表層厚約20 m 的松散的未成巖的礁砂礫層，其孔隙率高達(dá)20%以上；礁砂礫層以下已成巖的礁灰?guī)r，其孔隙率一般估計(jì)為10%左右，愈往下孔隙率愈小。故礁體內(nèi)的地下水與礁體外的海水在水平方向上可以相互自由滲透、連通。垂直方向上上層淡水透鏡體的淡水和下層內(nèi)滲咸水（海水） 處于動(dòng)力平衡狀態(tài)，只要鉆井中的上層淡水不被抽走，動(dòng)力平衡狀態(tài)就不被打破，下層內(nèi)滲海水無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)上涌。又因?yàn)橄聦雍Ｋ皇浅袎核?，它不?huì)乘鉆井打破地層解壓之機(jī)自動(dòng)上噴。至于開(kāi)挖基槽，不容置疑者，跟著回填塊石，澆灌混凝土砂灰漿，基槽的空間成為人工隔水層，使基槽（已是建筑物的墻基） 上下的水體分隔，永不交流。鉆探、基槽挖深、爆破作業(yè)造成的裂縫，與諾大的礁體面積比較，可看作僅增加了些微的孔隙率，當(dāng)縱橫影響不超過(guò)透鏡體和過(guò)渡帶的總厚度（約25 m） 時(shí)，可否認(rèn)為無(wú)影響？如果超過(guò)透鏡體和過(guò)渡帶的厚度時(shí)，增加了些微的孔隙率，給透鏡體形變又有多少影響？要給出科學(xué)依據(jù)。要避免一概而論和一刀切。印度洋珊瑚礁島國(guó)馬爾代夫首都馬累，也是1 個(gè)灰沙島，面積2.0 km2，同永興島面積相若，但那里人口多，近10 萬(wàn)人，密度大（47 415 人/km2）；高樓多，密度大；島礁邊緣興建大量碼頭和深挖港口航道，在鄰近島礁上填筑大型國(guó)際機(jī)場(chǎng)，建設(shè)成為國(guó)際著名的旅游城市（單之薔，2013）。其開(kāi)發(fā)工程所涉及島的鉆探、基槽挖深和爆破作業(yè)是如何進(jìn)行的，則值得借鑒。

此外，最近有學(xué)者探討了利用雨水收集和可再生能源發(fā)電制水兩種方式聯(lián)合解決偏遠(yuǎn)島礁就地供水保障問(wèn)題，構(gòu)想釆用“珊瑚沙灘淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)”和“光伏直接供能反滲透海水淡化系統(tǒng)”這兩種生產(chǎn)淡水系統(tǒng)聯(lián)合工作模式，認(rèn)為具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性和可靠性，適合在偏遠(yuǎn)島礁推廣應(yīng)用（姜海波等，2014）。但沒(méi)有披露這兩種生產(chǎn)淡水系統(tǒng)聯(lián)合工作模式建成、主要技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、收到的經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)例。文中沒(méi)有說(shuō)明，在灰沙島的“沙灘”即海灘上營(yíng)造淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)，如何解決在漲潮時(shí)確保“暗湖”不被潮水淹沒(méi)、滲入？如果在灰沙島的“沙堤”上營(yíng)造淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)，除了發(fā)生風(fēng)暴潮時(shí)有可能被海水淹沒(méi)、滲入外，其余大部分時(shí)間無(wú)虞，但南海諸島的灰沙島面積一般都很小，沙堤規(guī)模小，甚至無(wú)，在其上營(yíng)造淺層暗湖嫌場(chǎng)地不足可能引起用地矛盾？

5 結(jié)論

（1） 周從直和方振東等對(duì)淡水透鏡體的理論推導(dǎo)和對(duì)永興島淡水透鏡體的實(shí)驗(yàn)?zāi)M的系列研究成果的結(jié)論是正確的，數(shù)據(jù)和圖件資料翔實(shí)，同我們對(duì)永興島地質(zhì)、地貌、氣象氣候、植被與環(huán)境的了解及其與淡水透鏡體的關(guān)系定性分析、估計(jì)是一致的。如果應(yīng)用他們檢驗(yàn)過(guò)的理論與方法，以及寶貴的經(jīng)驗(yàn)，去推測(cè)南海諸島其他未開(kāi)展調(diào)查研究的灰沙島淡水透鏡體，可以做出初步判斷。

（2） 雖然現(xiàn)有成果估計(jì)了淡水透鏡體的厚度和幾何形態(tài)，但如果要更真實(shí)的了解，建議還要采取野外的實(shí)地測(cè)量。地球物理調(diào)查，利用電阻率ER和電測(cè)感應(yīng)EM 方法（Stewart，1988） 可以對(duì)淡水透鏡體位置、形狀、厚度的合理準(zhǔn)確的和相對(duì)快速的評(píng)價(jià)，且費(fèi)用較低。另外，也可用氯離子平衡方法來(lái)初始估計(jì)補(bǔ)水（Nullet，1987），連續(xù)的水位記錄結(jié)合潮汐、氣壓和降水記錄來(lái)評(píng)估補(bǔ)水也可以應(yīng)用（Furness et al，1993）。

（3） 灰沙島淡水透鏡體是非常脆弱的，因而若想長(zhǎng)期穩(wěn)定地從淡水透鏡體獲取淡水，政府就要根據(jù)科學(xué)研究報(bào)告制定合理的淡水抽取計(jì)劃，并提供有效的措施，使公眾積極參與到具體的工作中來(lái)?？紤]到南海諸島的進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，保護(hù)和管理好淡水透鏡體是這些工作的基礎(chǔ)。

（4） 對(duì)學(xué)者建議“灰沙島淡水透鏡體上建筑物限高3 層以下，建筑物基槽挖深不得超過(guò)-1.6 m”提出了質(zhì)疑，建議須要進(jìn)一步研究。

（5） 今后南海諸島的淡水需求將隨著開(kāi)發(fā)事業(yè)發(fā)展而大增，必須立足充分利用各島礁本土淡水資源。建議三沙市市政部門首先對(duì)永興島淡水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、現(xiàn)有調(diào)查研究成果和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)設(shè)想作一次全面的研究，組織同行專家評(píng)議，進(jìn)一步組織不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，其中要對(duì)島水使用電凝聚法或用生物修復(fù)技術(shù)去除水中有機(jī)污染這兩種方法作出選擇；又要對(duì)現(xiàn)有雨水資源開(kāi)發(fā)工程、海水淡化工程和船運(yùn)大陸自來(lái)水補(bǔ)給作出評(píng)估。在此基礎(chǔ)上整合出一個(gè)較完善的可持續(xù)發(fā)展的有人居的島礁淡水資源開(kāi)發(fā)規(guī)劃和計(jì)劃安排。

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