南海諸島灰沙島淡水透鏡體研究述評

趙煥庭，王麗榮，宋朝景

（中國科學院南海海洋研究所 中國科學院邊緣海地質(zhì)重點實驗室，廣東 廣州 510301）

南海是新生代熱帶海洋，整個新生代時期造礁石珊瑚繁生。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，其中，南沙群島有面積較大的已命名的灰沙島17 個（包含6 個干出沙洲），總面積近2 km2；而西沙群島，則有大小灰沙島31 個（包含至少7 個干出沙洲）；東沙群島有灰沙島1 個?；旧鲜侨率乐衅诟吆Ｃ嬉詠硇纬傻男禄疑硩u，最早只有4 千多年的歷史，其長度和寬度都小于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8 m，多為3～6 m，高潮時不會被淹沒。而全新世中期高海面以前就形成的老灰沙島，只有1 個，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，但都沒有溪流（趙煥庭等，1994；中國科學院南沙綜合科學考察隊趙煥庭，1996；趙煥庭等，1997）。有些較大的灰沙島，部分降雨通過滲透進入含水層補水，并在補水與損失過程中維持平衡狀態(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?；疑硩u大多遠離陸地，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。

中國歷代漁民在南海捕撈，有時需要臨時登島尋找水源補給生活用水，有時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，還記錄在駕風帆船使用指南針羅盤的航海指南《更路簿》 [手抄寫本，現(xiàn)存至少有13 種版本（廣東省地名委員會編，1989）] 中。《南海諸島志》 （陳史堅等，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)院校的學者和工程單位的科技人員開展了西沙群島地下水資源的調(diào)查、勘探和實驗，陸續(xù)刊出研究成果（周從直等，1999；馬潁等，2000；梁恒國等，2002；周從直等，2004；周從直 等，2006；梁恒國等，2006；趙素麗，2007；周從直等，2008；甄黎等，2008；束龍倉等，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海洋權(quán)益和進一步開發(fā)海洋資源的重要依托。本文以永興島為例對淡水透鏡體研究作些評述，對南海諸島灰沙島淡水透鏡體的形成和開發(fā)利用狀況等進行討論并提出建議，希望對灰沙島淡水透鏡體更好地開發(fā)利用及保護管理。

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)供淡水問題的獨立研究中分別發(fā)現(xiàn)的（Gyben，1889；Herzberg，1901）。之后，國外許多學者引入了淡水透鏡體的理論來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寬且微咸過渡帶或混合區(qū)的形式出現(xiàn)，并由于混合和擴散作用，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，但對于碳酸鹽巖島來說，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，潮差也很重要。碳酸鹽巖島多由過去高海平面時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。總的來說，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)都會很高，而這又會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)多為遠離大陸的碳酸鹽巖島，先后從晚漸新世中期于禮樂灘（ASCOPE，1981） 和從中新世于西沙群島（曾鼎乾，1990；吳作基 等，1982；張明書 等，1989） 開始成礁，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)，臺灣海峽和巴士海峽—馬六甲海峽航線就在它的東側(cè)通過，因此區(qū)位重要。1959年我國在此設(shè)置了“西沙群島、中沙群島、南沙群島辦事處”，屬廣東省海南行政區(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 座中型飛機場，可起降波音737 型飛機。沿島西側(cè)礁坪上，自西北－西南，已分期建成3 個大港池，可供1 千至5 千t 級艦船靠泊。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)，沿路散布政府機關(guān)、事業(yè)單位、軍營，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)有中國最基層行政村級的永興居民委員會，2012年7月統(tǒng)計有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。2014年永興島常住和流動人口已逾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 座臺礁，該臺礁呈梨形，東端尖，西邊鈍圓，長軸NEE－SWW 向，長約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。該臺礁礁體是中新世以來的生物堆積，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 個在晚玉木冰期低海面時珊瑚礁島上的風沙堆積體，現(xiàn)存厚度從“西石1 井”井口至井深24.68 m（張明書等，1989），按井口高程若干米計，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島嶼。最高點位于西北部沙堤上，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發(fā)育的（趙煥庭 等，1994）。對永興島的地層已有詳細的鉆探、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（張明書等，1989） 看，我們認為，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間相應(yīng)同步。西沙群島的沙島（甘泉島） 成島時期為冰后期距今五、六千年的高海面時，沙洲因埋藏有文物而確定成洲時期為人類歷史時期（盧演儔等，1979）。又從永興島西北海灘上的海灘巖（已被專業(yè)人員打標本和游客砸釆而逐漸消失了，產(chǎn)地亦已被新的漁業(yè)補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，推測沙堤可能同時亦已存在了，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、西礁坪不對稱，西部寬250～500 m，而東部寬400～1 000 m，東部最寬達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，斜坡上往復流作用和造礁生物生長的結(jié)果，形成礁緣坡脊－槽溝系，礁緣一圈處于波浪破碎帶，常見破碎波翻滾。大浪把礁前礁塊（直徑可達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6～8 m，也較寬，達100～150 m；西北側(cè)沙堤坡角達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）、銀毛樹和海巴戟為主，濃密的厚藤覆蓋至與海灘交接處。沙席處于沙堤背風坡與島內(nèi)洼地的過渡部位，是風驅(qū)動海灘砂、沙堤砂越過沙堤頂后，在沙堤背風坡下披覆在洼地上的沉積。永興島沙席環(huán)沙堤背風坡分布，寬500 m以上，海拔一般在2 m 以上，過去有人稱作沙平臺（王國忠等，1986；呂炳全等，1987）。由此有人認為這表示地殼上升的結(jié)果，其實這僅是風力加積的產(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、欖仁樹和椰樹為主。過去鳥多，還有逸生“野黃牛、野豬、野雞”，林下沙席上堆積鳥糞層（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，當時永興島鳥糞層面積1 291 600m2，平均厚0.25m，鳥糞層體積322900m3，除去植物根系約占的1 成之外，鳥糞層體積實為290 610 m3，計223 550 t。似高估了。1947年陸發(fā)熹估計松散層鳥糞60 000 t，塊狀鳥糞層40 000 t （陸發(fā)熹，1947）。沙堤圍圈的島內(nèi)澙湖或淺水礁塘，隨著沙席的擴展而萎縮消亡。礁塘1974年可涉水而過，行將自然干涸。1994年時已成為潮濕洼地，沉積中、細砂，還生長莎草科植物。

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，落潮時最大埋深達4.0 m（李決龍，2009）。不少單位和居民都開挖水井取水。初期，島上人少，尚可滿足需要。據(jù)1993年調(diào)查（張利軍，1994），后來人多了，過量抽取地下水，淡水透鏡體被破壞并被咸化了，但雨后島水會變淡些。由于島水已受到環(huán)境與人為污染，不符合飲用標準，也不宜洗澡與洗衣服，一般只供沖洗公地和澆灌用。各單位和居民歷來都在建筑物建有雨水收集系統(tǒng)，供生活用；同時島領(lǐng)導機構(gòu)實施定期運來大陸優(yōu)質(zhì)自來水供飲用，每年計12 萬t左右。成本（含運費） 為20 元/t，耗資240 萬元。

圖3 永興島地貌與沉積剖面圖

3 永興島淡水透鏡體

南海諸島雖然無徑流可滲水，也無庫塘可滲水，但降雨提供了地下淡水的豐沛的來源?；疑硩u碟形洼地有利于降雨滲入地下時向島中部匯集，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)礁勘測成果，灰沙島寬度小于270 m 時，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測孔隙率（宋朝景等，1994），西琛21 孔孔深4.9～9.2 m 釆15 個樣，一般為45.1～50.7，平均48.7；西琛15 孔孔深2.4～12.0 m 釆54 個樣，一般為48.7～58.6，平均51.7?？梢娍紫堵手?，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（個數(shù)變少和尺度變?。?，使孔隙率變低，滲透率變低，但由于新增成巖時產(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動使礁體陸露成島，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，當海平面上升或地殼下降運動使礁體沉沒海中時，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)生往復式流動、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“珊瑚島礁淡水資源開發(fā)與應(yīng)用研究”立項并下達了研究任務(wù)，由海軍后勤部基建營房部和解放軍后勤工程學院等單位有關(guān)科技人員組成課題組，于1995-1999年間實施。周從直等抓住了該項目的科技核心——灰沙島淡水透鏡體的形成、淡水資源消長、合理開發(fā)和修復保護等問題，開展了西沙群島現(xiàn)場勘探、調(diào)查研究和實驗室測試、模擬試驗，陸續(xù)刊出成果。認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、達西定律和Ghyben-Herzbrg 關(guān)系導出的的數(shù)學模型，模擬了永興島淡水透鏡體的演變過程，選用有限差分法，選用回補率每年280 mm、滲透系數(shù)為每天7～700 m，計算了淡水、海水界面的座標，與實測值吻合很好，為確定開釆水量和開釆強度提供了依據(jù)。同時指出島水由于有機污染，色度嚴重超標，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算了永興島淡水透鏡體的包絡(luò)面，與實測值比較誤差在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），這為科學開發(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?。?6 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不斷回補和損耗的過程，即降雨是回補，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只是在下雨時才有可能發(fā)生，損耗的表征是淡水-咸水界面處的淡水流失，其動力是淡水透鏡體中央向邊緣存在的水力坡度。損耗是一個持續(xù)發(fā)生的過程，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，可以充分開發(fā)利用。梁恒國等（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，細分為兩個，使淡水儲量減少；另外，地面建筑物的排污、收集、處理系統(tǒng)缺失，導致污水滲入地下，造成污染。甄黎在束龍倉的指導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）。同時趙軍等（2009） 也做了類似的淡水透鏡體形成及倒錐演變過程的室內(nèi)物理模型的模擬試驗。

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） 進一步根據(jù)現(xiàn)場勘測和試驗獲得的水文地質(zhì)參數(shù)，運用有限差分法和Visual Madflow 對模型進行數(shù)值求解，獲得了透鏡體內(nèi)淡水流向、水頭分布、過渡帶厚度與淡水貯量的季節(jié)變化，計算結(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 個月。該項成果可用于制定淡水透鏡體的開釆策略，有利于地下淡水資源的持續(xù)開發(fā)利用。方振東等（2012） 研究認為，在一定的水文地質(zhì)條件下，淡水透鏡體處于動態(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算值與實測值之差為－3.86%～－0.58%；取年均降雨量的40%為回補量，計算淡水透鏡體的最大厚度為15 m；淡水透鏡體東西不對稱，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，過渡帶便在抽水過程中逐漸上升，形成倒錐。倒錐上升高度隨抽水強度和時間的增加而增加，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)等有機物，經(jīng)水質(zhì)分析，其一般化學指標、毒理學指標絕大多數(shù)在飲用水水質(zhì)要求范圍內(nèi)，但色度嚴重超標，呈黃色，色度一般在30～50 度，最高達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，最高達621 mg/L；部分水井氯化物超標，最高達779.6 mg/L，超標（周從直 等，2008）。課題組通過實驗提出了修復技術(shù)方案。傳統(tǒng)的加藥混凝方法較難去除溶解性有機物產(chǎn)生的色度和氣味，且投藥量特別大。馬潁等（2000） 和梁恒國等（2002）借鑒文獻釆用電凝聚法，在永興島選有代表性的大口井井水做現(xiàn)場試驗，試驗成功。結(jié)果表明，當電極板間距為5 mm，電流密度為20A/m2、停留時間為100 s 左右時，試驗效果最優(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，滿足國家生活飲用水水質(zhì)標準。用電凝聚法比化學凝聚法處理效果更好，能有效去除有機物；同時，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)施組裝簡單，操作方便。趙素麗（2002） 和周從直等（2008）根據(jù)文獻介紹國外內(nèi)從上世紀80年代以來發(fā)展的地下水生物修復技術(shù)，人工向水井或地層輸入大量空氣，使喜氧微生物繁生，并加強合成和分解作用，最終使有機物濃度降低。運用生物修復技術(shù)，已能去除重金屬、N、P、氯代有機物、石油污染物、可生物降解聚合物及固體廢物。課題組在永興島對淡水透鏡體進行原位曝氣生物修復實驗，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；地下水色度和化學耗氧量（COD） 均隨曝氣時間的增加而降低，色度為40 度、COD 為96 mg/L 的原水，曝氣18 d 后，色度均不超過15度，曝氣30 d 后，色度不超過10 度，COD 為21～36 mg/L。以色度不超過15 度作為修復的標準，修復區(qū)半徑R 達0.7 m，修復區(qū)高度H 為0.9 m。修復1 m3的上述原水和1.3 m3的土壤所需的空氣量約為211 m3。并認為該技術(shù)操作簡單，效果令人滿意，成本低廉，而且又不會造成二次汚染。

專著（李決龍，2009） 對上述研究成果做了系統(tǒng)的、全面的整理，反映了我國對南?；疑硩u淡水透鏡體全新的認識。此外，該專著還同時介紹了珊瑚島礁雨水資源開發(fā)的理論與技術(shù)，以及自動供水控制系統(tǒng)，其中專門介紹了永興島雨水資源開發(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踐意義。但是，該署名個人的專著里包含了前述課題組內(nèi)學者們刊出的許多論文成果，但在參考文獻欄里卻只列出1 條（周從直等，2006）；從該專著封里作者簡介看他的專長，他個人未必能全部承擔該專著多方面學科的調(diào)查研究、實驗和研究報告的編撰，專著的主要內(nèi)容應(yīng)是有關(guān)學者分工執(zhí)筆寫作的，然而卻沒有他們的署名或在章節(jié)題注注明執(zhí)筆人；該專著吸收了國內(nèi)外有關(guān)珊瑚島礁自然環(huán)境的闡述，也未列出處；書中描繪南海珊瑚礁地貌模型的特點是礁外坡為內(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測資料和地貌學研究文獻，不符合已為歷來世界學者公認珊瑚礁地貌模型為達爾文的上截錐型，“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）。該專著作者在書中說，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，得到了國家水利部、地質(zhì)礦產(chǎn)部、海洋局專家的一致認可”的說法，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發(fā)利用問題

永興島的開發(fā)利用程度在南海諸島中最高，建有機場、碼頭以及各類建筑物，常住和流動人口3千多人，隨著三沙市首府設(shè)在永興島，永興島的開發(fā)還將有大的發(fā)展，人們對淡水資源的需求也逐漸加大，因此，如何合理開采淡水透鏡體，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水量計算值為1 472 000 m3，可謂豐富。按永興島數(shù)年前每天用水120 m3計，1年用水43 800 m3，僅為淡水透鏡體儲水量的2.97%（李決龍，2009），理應(yīng)自給有余。然而由于自然的鳥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，情況更加嚴重。例如，永興島的鳥糞層雖然在20 世紀30-50年代已被挖空，但地層中仍含較多的鳥糞顆?；蛄祝▍侵緰| 等，1985；趙煥庭，1994），而過去成島數(shù)千年來地下水積累的自然污染多少仍然存在，然而更嚴重的是，數(shù)十年來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)置前長期沒有得到妥善的處理，導致地下水呈黃色，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，主要靠船運大陸水廠生產(chǎn)的水。針對地下淡水污染問題，歷來不少人提出對廢污物處理意見，學者們還分別做了用電凝聚法和用生物修復試驗去除水中有機污染，希望新設(shè)的市政府予以考慮，進一步組織不同方案的技術(shù)經(jīng)濟論證，以便決策和立項實施。

永興島上對淡水透鏡體的利用主要是通過垂直打井的方式來獲取，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，如果抽水強度過大或是旱季不減少抽取量，都會造成倒錐現(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。對于永興島上長期取水的水井，建議抽水速率不宜超過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采多井來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)部門對現(xiàn)有水井的存毀和開鑿新井應(yīng)予嚴格的、經(jīng)過科學論證的管理。

有人認為永興島現(xiàn)有建筑（房屋、混凝土場坪、混凝土路、機場） 承載量接近飽和，如果繼續(xù)擴建、新建，勢必占用雨水補給自然地面，導致淡水透鏡體萎縮；永興島淡水透鏡體平均埋深－1.6 m，建造大樓、開挖基槽，改變淡水透鏡體的自然形態(tài)；如果實施爆破炸礁作業(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，必增加對淡水透鏡體的的污染。因而提出，要嚴格控制人員、船舶和建筑物的盲目增加，確保不發(fā)生爭地爭水現(xiàn)象；建筑物限高3 層以下，建筑物基槽挖深不得超過－1.6 m，等（新華社記者陳萬軍報道.立項保護西沙地下淡水資源迫在眉睫.新華通訊社國內(nèi)動態(tài)，2009-04-10）。對其中有的問題，可釆取相應(yīng)措施解決，例如對建筑物設(shè)計規(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、廢污物處理系統(tǒng)。有的問題，尚須進一步研究，例如爆破作業(yè)造成礁體淺層裂縫問題，它對一定范圍內(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出現(xiàn)什么情形？令人生疑。滲透系數(shù)是計算淡水、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） 處于動力平衡狀態(tài)，只要鉆井中的上層淡水不被抽走，動力平衡狀態(tài)就不被打破，下層內(nèi)滲海水無動力驅(qū)動上涌。又因為下層海水不是承壓水，它不會乘鉆井打破地層解壓之機自動上噴。至于開挖基槽，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，當縱橫影響不超過透鏡體和過渡帶的總厚度（約25 m） 時，可否認為無影響？如果超過透鏡體和過渡帶的厚度時，增加了些微的孔隙率，給透鏡體形變又有多少影響？要給出科學依據(jù)。要避免一概而論和一刀切。印度洋珊瑚礁島國馬爾代夫首都馬累，也是1 個灰沙島，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際機場，建設(shè)成為國際著名的旅游城市（單之薔，2013）。其開發(fā)工程所涉及島的鉆探、基槽挖深和爆破作業(yè)是如何進行的，則值得借鑒。

此外，最近有學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)合解決偏遠島礁就地供水保障問題，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，認為具有較強的互補性和可靠性，適合在偏遠島礁推廣應(yīng)用（姜海波等，2014）。但沒有披露這兩種生產(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)濟指標、收到的經(jīng)濟效益的實例。文中沒有說明，在灰沙島的“沙灘”即海灘上營造淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)，如何解決在漲潮時確?！鞍岛辈槐怀彼蜎]、滲入？如果在灰沙島的“沙堤”上營造淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)，除了發(fā)生風暴潮時有可能被海水淹沒、滲入外，其余大部分時間無虞，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，在其上營造淺層暗湖嫌場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淡水透鏡體的理論推導和對永興島淡水透鏡體的實驗?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，同我們對永興島地質(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、估計是一致的。如果應(yīng)用他們檢驗過的理論與方法，以及寶貴的經(jīng)驗，去推測南海諸島其他未開展調(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)有成果估計了淡水透鏡體的厚度和幾何形態(tài)，但如果要更真實的了解，建議還要采取野外的實地測量。地球物理調(diào)查，利用電阻率ER和電測感應(yīng)EM 方法（Stewart，1988） 可以對淡水透鏡體位置、形狀、厚度的合理準確的和相對快速的評價，且費用較低。另外，也可用氯離子平衡方法來初始估計補水（Nullet，1987），連續(xù)的水位記錄結(jié)合潮汐、氣壓和降水記錄來評估補水也可以應(yīng)用（Furness et al，1993）。

（3） 灰沙島淡水透鏡體是非常脆弱的，因而若想長期穩(wěn)定地從淡水透鏡體獲取淡水，政府就要根據(jù)科學研究報告制定合理的淡水抽取計劃，并提供有效的措施，使公眾積極參與到具體的工作中來?？紤]到南海諸島的進一步的開發(fā)，保護和管理好淡水透鏡體是這些工作的基礎(chǔ)。

（4） 對學者建議“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-1.6 m”提出了質(zhì)疑，建議須要進一步研究。

（5） 今后南海諸島的淡水需求將隨著開發(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永興島淡水資源開發(fā)現(xiàn)狀、現(xiàn)有調(diào)查研究成果和進一步開發(fā)設(shè)想作一次全面的研究，組織同行專家評議，進一步組織不同方案的技術(shù)經(jīng)濟論證，其中要對島水使用電凝聚法或用生物修復技術(shù)去除水中有機污染這兩種方法作出選擇；又要對現(xiàn)有雨水資源開發(fā)工程、海水淡化工程和船運大陸自來水補給作出評估。在此基礎(chǔ)上整合出一個較完善的可持續(xù)發(fā)展的有人居的島礁淡水資源開發(fā)規(guī)劃和計劃安排。

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