永興島淡水透鏡體的時間變化規(guī)律及其影響因素

黎大寧，許潔馨，趙 輝，陳 舉，盛 沖，陳法錦

（1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；3.廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點實驗室，廣東 湛江 524088）

珊瑚島地下淡水存在形態(tài)為中央厚，邊緣薄，宛如一枚透鏡，故稱為淡水透鏡體[1]。透鏡體淡水是珊瑚島上寶貴的淡水資源，是主要飲用水源，它的開發(fā)和利用可基本解決或極大緩解島嶼的供水困難，有極大的經(jīng)濟、軍事和社會效益。為此，學(xué)界就淡水透鏡體的生消和透鏡體淡水的合理開發(fā)利用、保護修復(fù)等問題開展了調(diào)查研究、勘探、室內(nèi)測試與數(shù)值模擬[2-9]。

永興島是三沙市人民政府駐地，也是中國南海諸島政治、經(jīng)濟中心，是南海自然形成島嶼面積最大的灰沙島，而淡水透鏡體是永興島唯一的天然地下淡水源，直接影響島上居民的生產(chǎn)生活和島嶼生態(tài)環(huán)境[10]。科研人員通過分析島嶼面積大小、水文地質(zhì)特性、降雨與地下水抽取、潮汐、植被等自然和人為因素，研究永興島淡水透鏡體的大小、厚度、水質(zhì)[2-3,10]，并應(yīng)用Ghyben-Herzberg關(guān)系和質(zhì)量守恒關(guān)系導(dǎo)出永興島淡水透鏡體的數(shù)學(xué)模型模擬透鏡體的演變過程，通過數(shù)值求解獲得永興島淡水透鏡體的包絡(luò)面，制作永興島淡水透鏡體等深圖和淡水透鏡體三維視圖[1-2]；采用二維數(shù)值模型或變密度流構(gòu)建的淡水透鏡體三維數(shù)學(xué)模型，求得永興島淡水貯量變化較降雨量變化均滯后1 ~ 2個月，淡水透鏡體最大厚度 < 20 m[11]。國內(nèi)針對永興島地下淡水透鏡體的研究主要以實驗室測定或數(shù)值模擬為主，雖對制定淡水透鏡體開采策略和管理保護措施，預(yù)測珊瑚島淡水透鏡體的動力學(xué)過程有重要作用，但這些成果多基于單一物理模型，存在較多不確定性，不能真實反演淡水透鏡體的賦存演化機制，在具體地下水抽取管理工作中易誤導(dǎo)并造成過量開采，而且由于缺乏實測資料，對永興島淡水透鏡體的時間變化特征并不清楚。本研究對永興島淡水透鏡體進(jìn)行長時間序列、高分辨率、多參數(shù)現(xiàn)場觀測，獲得1 a的水位、氣象數(shù)據(jù)以及1季度的潮汐資料，并結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，從氣候態(tài)角度出發(fā)，探索永興島淡水透鏡體的演變規(guī)律，分析淡水透鏡體的時間變化特征及其影響因素。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)

2014年12月至2015年12月，在永興島中部的鉆井孔（圖1，16.83o N，112.33o E，海拔高度4.0 m）使用LTC三參數(shù)儀（Solinst levelogger model 3001 LTC F100M30）獲得透鏡體淡水溫度、水壓和電導(dǎo)率的時間變化數(shù)據(jù)。儀器位于井口下方6.05 m處，采樣頻率為10 min/次。鹽度數(shù)據(jù)使用MATLAB R2017a工具包Seawater_v3.3，根據(jù)LTC電導(dǎo)率反演計算得到。同時在永興島中部、西北礁緣分別布設(shè)氣象站、波潮儀，同步觀測氣溫、氣壓、濕度、降水和潮位，采樣頻率為10 min/次。月平均海平面高度數(shù)據(jù)來自PSMSL（Permanent Service for Mean Sea Level http://www.psmsl.org/data/obtaining/stations/1745.php）。將2015年分為4個季度，冬、春、夏、秋分別以1月、4月、7月、10月為中間月份前后各延伸1個月份。

1.2 計算方法

圖1 永興島監(jiān)測井示意圖Fig.1 Schematic diagram of Yongxing Island monitoring well

通過室內(nèi)實驗測定，把咸淡水分界面Cl-的質(zhì)量濃度定義為600 mg/L，海水分界面對應(yīng)的Cl-的質(zhì)量濃度是19 000 mg/L，當(dāng)海水密度為1 025 kg/m3時[2]，則咸淡水界面對應(yīng)的氯度和電導(dǎo)鹽度S[12-14]分別為 0.585、1.057，則海水分界面對應(yīng)的氯度和電導(dǎo)鹽度分別約為18.537、33.488。因是定點觀測，位于淡水透鏡體到高鹽水過渡區(qū)（即鹵水區(qū)）內(nèi)不能直接觀測到淡水透鏡體的厚度，因此本研究以實用鹽度1和33分別界定淡水透鏡體的淡水與咸水、咸水與海水的分界線，同時假設(shè)水位為0 m（即淡水透鏡體上表面）處的水體實用鹽度為 0，通過線性插值可得觀測點淡水透鏡體厚度。

對地下水水位、水溫、電導(dǎo)率與潮汐、氣象要素間進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 淡水透鏡體季節(jié)變化特征

淡水透鏡體溫度、鹽度和水位隨時間的變化見圖2。圖2可見，溫度和鹽度有明顯的季節(jié)變化，而水位季節(jié)變化不明顯。其中，淡水透鏡體溫度從冬季開始逐漸降低，溫度下降約1.5 ℃，在秋季溫度略有升高，月平均溫度由大到小依次冬季、秋季、春季、夏季，最低溫度出現(xiàn)在6月17日，為24.4 ℃；鹽度變化，冬季月平均鹽度為14.4，春季月平均鹽度全年最低，為 12.72。但春末鹽度卻急劇上升，夏季達(dá)到最大，月平均鹽度為19.38，與溫度相反，遞增幅度達(dá)34.58%，秋季鹽度略有下降，但月平均鹽度13.05仍高于春季。與溫度和鹽度不同，水位的季節(jié)變化并不明顯，全年的平均水位為 5.8 m。說明淡水透鏡體在夏季表現(xiàn)為低溫高鹽，冬季表現(xiàn)為高溫低鹽，這種變化并非由水位變化引起。

圖2 永興島淡水透鏡體溫度、鹽度和水位的時序Fig.2 Timing diagram of temperature, salinity and water level of the freshwater lens on Yongxing island

圖3表明，氣溫有明顯的季節(jié)變化，冬季最低，最低溫度 19.9 ℃；夏季最高，最高溫度 32.6 ℃。表1表明，氣溫和淡水透鏡體水溫相關(guān)系數(shù)達(dá)0.24，但氣溫的變化趨勢與淡水透鏡體水溫的變化趨勢相反，說明冬季淡水透鏡體水溫升高所吸收的熱量并不直接來源于大氣。另一方面，冬季和夏季的氣溫差達(dá)12.3 ℃，而淡水透鏡體水溫差僅3.7 ℃，進(jìn)一步說明淡水透鏡體水溫變化與氣溫變化基本不相關(guān)。濕度全年無顯著的季節(jié)變化，其對淡水透鏡體的季節(jié)變化貢獻(xiàn)不明顯。氣壓也存在著明顯的季節(jié)變化，夏季氣壓最低，冬季和春季的氣壓較高。雖然氣壓的季節(jié)變化趨勢與溫度類似，但相關(guān)性分析（表1）顯示氣壓與淡水透鏡體季節(jié)變化的相關(guān)性不高。降水是淡水透鏡體的主要淡水來源。從降水變化曲線可見，永興島夏秋季為雨季，降水量達(dá)全年降水量的70%；而秋季的溫度、鹽度和水位均有一個跳躍性的變化，表現(xiàn)為溫度上升、鹽度下降、水位上升（圖2）。這個變化過程與秋季降水的變化趨勢一致，可認(rèn)為降水變化導(dǎo)致秋季淡水透鏡體的變化。而在其他降水較少的季節(jié)，尤其是單次降水量較小的降水過程中，淡水透鏡體的變化并不明顯。相關(guān)性分析表明，降水過程與淡水透鏡體的長時間季節(jié)變化并無影響，其對淡水透鏡體的影響主要集中在雨季。綜上所述，大氣因素對淡水透鏡體的季節(jié)變化影響不大，透鏡體對大氣因素的響應(yīng)不顯著，這可能是因為淡水透鏡體潛藏地下，僅少數(shù)的水井裸露在外，并且島嶼上沒有開闊的水域水面與大氣接觸。

圖3 永興島2014—2015年的氣溫、濕度、氣壓和降雨量時序Fig.3 Temperature, humidity, pressure, and precipitation time series of Yongxing Island from 2014 to 2015

表1 相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis

此外，海平面高度也可能影響淡水透鏡體的季節(jié)變化[15]。從圖4看出，冬季平均海平面高度6.92 m為全年最低，然后春季緩慢上升，在夏季達(dá)到全年巔峰7.14 m，之后在秋季慢慢回落。相關(guān)性分析結(jié)果（表1）顯示，平均海平面高度與鹽度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.70，為顯著正相關(guān)，而平均海平面高度與水溫的相關(guān)性系數(shù)為-0.81，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明淡水透鏡體鹽度和溫度的季節(jié)變化與海平面高度密切相關(guān)，海平面高度的變化趨勢和鹽度基本相同，進(jìn)一步表明淡水透鏡體的鹽度季節(jié)變化可能與島嶼附近的平均海平面高度變化相關(guān)。雖然水位的季節(jié)變化并不明顯，但水井水位變化仍可一定程度上反映平均海平面高度。圖5表明，從2013年起永興島附近的平均海平面高度呈下降趨勢，線型擬合的結(jié)果表明平均海平面高度下降了約3.5%。比較鉆孔觀測開始時的水位和觀測結(jié)束時的水位（圖6），可算得水位下降約 3%，說明淡水透鏡體水位可反映平均海平面高度的變化。這一現(xiàn)象與Oberle等[15]的結(jié)果類似，即淡水透鏡體會對平均海平面高度變化進(jìn)行響應(yīng)。

通常，海水入侵淡水透鏡體的機制主要有兩個：一是由于咸淡水高度差引起的咸水向陸地滲流，即流體運動；二是因為咸淡水中鹽度的差異引起的咸水向陸地擴散，即溶質(zhì)運動[16]。第1種機制淡水透鏡體水位有明顯變化，而第2種機制僅因為咸水的擴散導(dǎo)致淡水透鏡體特性變化，水位并沒有明顯上升。Werner等[17]建模認(rèn)為，在穩(wěn)定的補給條件下，海平面上升，海水入侵距離并不明顯，即水位變化并不明顯，但是咸水邊緣變化對水文地質(zhì)參數(shù)變化較為敏感。Ferguson等[18]研究表明，只有水力梯度很弱的含水層才會受海平面影響。平均海平面運動屬于大尺度長時間的海水運動，溶質(zhì)運動相對于流體運動更為顯著[20]。本研究的水位并沒有明顯的季節(jié)變化，但鹽度與平均海平面高度變化之間的高相關(guān)性說明平均海平面高度變化通過溶質(zhì)運動的方式影響淡水透鏡體的季節(jié)變化。

圖4 2014—2015年海平面高度和15 d滑動平均后的鹽度變化時序Fig.4 Mean sea surface height near Yongxing Island from 2014 to 2015 and time variation of 15-day smooth salinity

圖5 2013—2017年永興島附近海域平均海平面變化時序Fig.5 Mean sea surface height near Yongxing Island from 2013 to 2017

圖6 2015年鉆孔觀測的水位變化Fig.6 Change of water level observed by drilling in 2015

2.2 淡水透鏡體日變化特征

淡水透鏡體除有明顯的季節(jié)變化外，還存在明顯的日周期變化（圖2）。從圖2可見，淡水透鏡體的水位、溫度和鹽度均以1 d為震蕩周期的擾動并且同步變化，即水位升高時溫度降低、鹽度升高，平均溫度下降幅度約為2 ℃，鹽度上升到約29，基本接近海水的鹽度，水位擾動范圍為 5.2 ~ 6.3 m，表明溫度和鹽度的日變化和水井水位變化密切相關(guān)。

圖7為觀測水井冬季的水位擾動與外海潮位擾動的對比。從圖7可見，水井水位的變化規(guī)律與潮位擾動相同，即潮位上升時，水位也同步上升，反之亦然。潮位的振幅比水位大，平均潮位的擾動比水位大0.2 m。在大潮期，水位最大漲幅為0.6 m，而小潮期的水位增長較小，為 0.2 m。說明水井的水位變化與潮汐變化顯著相關(guān)。相關(guān)性分析表明，水位變化與潮位變化顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97（表1）。對水位和潮位做3 h的超前和滯后相關(guān)性分析，結(jié)果表明超前相關(guān)系數(shù)迅速降低，說明不存在超前響應(yīng)特征。滯后分析顯示，潮位最高時，水位在滯后 10 min后也達(dá)到高值，相關(guān)系數(shù)最大0.96，隨后相關(guān)系數(shù)迅速回落，相關(guān)系數(shù)隨著滯后時間遞增逐漸遞減。說明永興島地下淡水透鏡體水位對潮位的響應(yīng)有較好的同步性，無明顯的滯后效應(yīng)。溫度和鹽度與潮位的相關(guān)性分析表明，溫度與潮位呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.36，而鹽度與潮位呈正相關(guān)，表明潮位上升時水位上升、溫度下降、鹽度上升。鑒于永興島地下含水層是一多孔介質(zhì)含水體系[21]，永興島四周海水通過孔隙和溶洞從島嶼底部滲透進(jìn)島嶼內(nèi)部，西永1井鉆井發(fā)現(xiàn)永興島地下30 m存在溶洞與大海相通①，潮水對淡水透鏡體有頂托作用，水位與潮位相互作用響應(yīng)更為靈敏。

此外，永興島面積小，孤立于深海之中，潮汐信號強度較大。Gingerich[16]指出，水位對潮汐信號的響應(yīng)受監(jiān)測井的深度及水井與海岸線的距離影響，距離越短，潮汐越強，滯后越短。因此，淡水透鏡體的日變化主要是因為潮位變化影響了淡水透鏡體的水位變化，從而導(dǎo)致溫度和鹽度的日變化，對其季節(jié)變化影響不大。潮位變化對淡水透鏡體的影響機制主要是上述海水入侵的第一種機制，即海水水位變化，導(dǎo)致水頭變化，從而改變水流的運動方向，漲潮時水由海向陸運動，導(dǎo)致水位上升，從而引發(fā)鹽度和溫度的變化，反之亦然。

圖7 冬季觀測水井水位擾動與永興島外海潮位擾動Fig.7 Water level of the well and tidal level near Yongxing Island in winter

由圖8可見，在夏秋季，由強降雨天氣造成隨著水位升高，水溫升高，而鹽度降低，尤其在9月和10月出現(xiàn)一個顯著降低的過程，2015年10月14日下午2點達(dá)到全年最低值2.06，隨后鹽度緩慢回升；同時，水溫有明顯的上升，增加約2 ℃，但水位的變化并不突變。表明在此過程中水井水位的變化對水溫和鹽度的變化影響不大。并且，在此過程中水溫、鹽度和水位的日變化明顯削弱。在此期間，發(fā)生了兩次不同類型的降水過程，分別為9月13日至9月17日的連續(xù)式降水和10月3日至10月 12日的間歇式降水，兩次降水過程降水總量相當(dāng)，但淡水透鏡體反應(yīng)并不相同。9月13日記錄的降水事件持續(xù)4 d，總降水量達(dá)159.51 mm，相當(dāng)于全年降水（2015年全年降水量為 856.99 mm）的18%，其表現(xiàn)的降雨過程為連續(xù)式降水。在降雨過程發(fā)生后，淡水透鏡體迅速響應(yīng)，鹽度變小，在72 h內(nèi)鹽度減小71%，最低達(dá)3.9，同時水溫迅速上升，這是因為降水過程中，大量的熱量通過降水進(jìn)入淡水透鏡體，迅速加熱上層水體溫度。降水過程結(jié)束后，鹽度緩慢上升，水溫下降。經(jīng)過約5 d，淡水透鏡體鹽度恢復(fù)至降水前的78%，達(dá)到11，溫度整體較降水前上升約1 ℃。而10月3日和10月12日出現(xiàn)的降水過程為間歇式的降水，總降雨量達(dá)166.17 mm，與9月觀測到的降雨過程強度相當(dāng)，但中間間隔6 d，淡水透鏡體的水溫和鹽度對其的響應(yīng)與之前的一次降水過程并不完全相同。在 10月3日降水之后，鹽度迅速下降，溫度上升。在第1次降水結(jié)束后，溫度在24 h內(nèi)恢復(fù)到降水前的溫度，而鹽度回復(fù)速度變慢，結(jié)束降水5 d后鹽度僅為7。淡水透鏡體對第2次降水反應(yīng)更為迅速，在10月12日降水發(fā)生時，淡水透鏡體的水溫急劇上升，鹽度急劇下降，最低鹽度達(dá)2.7，降水結(jié)束后8 d方恢復(fù)至降水前的80%，同時水溫亦恢復(fù)至降水前水平。值得注意的是，淡水透鏡體受降水影響時，日變化明顯減弱。淡水透鏡體對降水的響應(yīng)很大程度上依賴降水的時間和強度。這是因為降雨是透鏡體淡水的主要來源之一。在降水后，大量的淡水通過表面滲流進(jìn)入淡水透鏡體，使得透鏡體上層淡水厚度變大，淡水與咸水的界面變深，鹽度梯度變大，相應(yīng)的垂向混合減弱。因此在降水過程中，觀測到的水溫和鹽度的日變化減弱，潮汐對上層水體的影響減弱。在降水后，由于潮汐影響，海水侵入，導(dǎo)致淡水逐漸與鹽水混合，鹽度逐漸上升。持續(xù)強降雨后，鹽水和淡水的界面在水位持續(xù)震蕩下逐漸下降，而第2次間歇式降水會加強過渡層的鹽度梯度，增強水體穩(wěn)定性，減慢混合速率，因此需要更長的時間方使淡水透鏡體的水溫和鹽度恢復(fù)至降雨前水平，間歇式降雨過程更有利于維持透鏡體上層淡水。

圖8 2015年9月10日至2015年10月31日觀測到的降水 、溫度、鹽度和水位的時序Fig.8 Observed precipitation, temperature, salinity and water level from September 10 to October 31, 2015

3 結(jié)語

淡水透鏡體對氣候尺度過程的響應(yīng)必須依賴長時間高分辨率的水文觀測。本研究分別討論潮汐引起的海平面高度變化和平均海平面高度變化對淡水透鏡體的影響，發(fā)現(xiàn)潮汐引起的海平面高度變化主要影響水位的變化，從而導(dǎo)致觀測的水溫和鹽度的擾動，而平均海平面高度變化更多地是直接影響淡水透鏡體的水溫和鹽度，對水位影響較小。誠然，珊瑚島嶼附近海平面高度變化對淡水透鏡體的水溫、鹽度和水位有著不可忽視的作用。值得注意的是，在夏末秋初，淡水透鏡體出現(xiàn)一個明顯的鹽度變小過程，主要與當(dāng)?shù)貜娊涤暧嘘P(guān)。但不同時間尺度的變化過程如何影響淡水透鏡體的特征仍需更多的觀測數(shù)據(jù)，其機制分析也需進(jìn)一步研究。

① 曾鼎乾.西沙群島調(diào)查及“西永1井”及上第三系礁巖及儲油物性的初步研究（1973，1978）.見：曾鼎亁地質(zhì)文選.南海西部石油公司印, 1990: 117-141.