鈣質(zhì)珊瑚砂水理參數(shù)測定與涵淡水能力模擬

盛 沖,張?jiān)品?李付成,許鶴華

(1.中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南海海洋研究所)，廣東 廣州 510301;2.中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301;3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458)

珊瑚島礁以其獨(dú)特的戰(zhàn)略地位、豐富的油氣資源及生物資源在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)和國防建設(shè)中占有重要地位。珊瑚礁在巖石學(xué)中統(tǒng)稱為礁灰?guī)r，是造礁石珊瑚群體死亡后的遺骸經(jīng)漫長的物理化學(xué)和生物化學(xué)作用形成的特殊沉積物，而鈣質(zhì)珊瑚砂主要由珊瑚礁碎屑、海藻、貝殼等海洋生物殘骸組成，其碳酸鈣含量超過90%，具有疏松多孔、易破碎、易壓縮、滲透性強(qiáng)等特征[1]。隨著珊瑚礁海域的石油開發(fā)、填海工程與淡水資源開采等建設(shè)需要，鈣質(zhì)珊瑚砂帶來的巖土工程問題層出不窮，人們逐漸認(rèn)識(shí)到研究鈣質(zhì)珊瑚砂這種特殊巖土介質(zhì)的重要性，繼而對鈣質(zhì)珊瑚砂的物理力學(xué)性質(zhì)和工程應(yīng)用等有了更深的研究。此外對天然灰沙島的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在珊瑚島礁特殊的地質(zhì)、地形及植被空間格局和充沛的降雨-徑流量下，地下水經(jīng)過一段時(shí)間的淡化，可以形成賦存于島礁之內(nèi)、懸浮于海水之上的淡水透鏡體，這部分淡水資源對島礁生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)至關(guān)重要。島礁地下淡化水體的形成通常受到珊瑚砂的水理性質(zhì)，包括透水性、容水性和給水性的影響，主要可用所形成的淡水透鏡體的厚度和儲(chǔ)量來衡量。我國鈣質(zhì)珊瑚砂的研究始于20世紀(jì)70年代中期，多采用分析珊瑚礁地質(zhì)、地貌，原位和室內(nèi)試驗(yàn)的方法測試鈣質(zhì)珊瑚砂基本物理力學(xué)性質(zhì)[2]。本文采集了我國南海某吹填海島4個(gè)站位的松散鈣質(zhì)珊瑚砂樣品，取樣位置分別離吹填泵口由近至遠(yuǎn)，代表了吹填珊瑚砂不同位置的典型顆粒特征，深度0～4 m，共50 kg，采用常規(guī)方法保存，通過室內(nèi)試驗(yàn)測定了樣品的容水性、透水性、給水度、彌散系數(shù)等物理參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上利用地下水三維有限元模擬軟件FEMWATER，分析了不同砂樣中所形成的淡水透鏡體的差異。研究結(jié)果可為島礁建設(shè)、填海造陸、開采島礁淡水資源等提供參考。

1 鈣質(zhì)珊瑚砂水理參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測定

1.1 顆粒分析

為了明確鈣質(zhì)珊瑚砂的顆粒級(jí)配情況，概略判斷其水理性質(zhì)，首先對樣品開展了顆粒分析試驗(yàn)。相關(guān)參數(shù)的測試工作由河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室束龍倉等[3]完成。4組砂樣中A樣品顆粒較粗，粒徑2 mm以上的部分占43.74%以上，據(jù)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求[4]，選擇篩析法對A進(jìn)行篩分，B、C、D組砂樣由于顆粒較細(xì)，2 mm以下的部分占95%以上，選用LS13-320激光粒度儀進(jìn)行顆粒分析，具體的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。此外為了方便不同砂樣參數(shù)之間的比較，在粒度特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》[5]中土的分類標(biāo)準(zhǔn)分別對以上砂樣進(jìn)行了分類，結(jié)果見表1。

表1 珊瑚砂特征粒徑和孔隙度Table 1 Characteristic particle size and porosity of coral sand

1.2 容水性

容水性是指在常壓下巖土空隙中能夠容納若干水量的性能[3]，通常用孔隙度表示，即巖土體孔隙的體積與巖土體總體積的比值。對于鈣質(zhì)珊瑚砂而言，孔隙度不僅影響其連通狀況，而且反映了介質(zhì)松緊度和結(jié)構(gòu)狀況的好壞。選用定義法測定孔隙度，量取一定體積的土樣并壓實(shí)，讓其充分飽和。測量飽和土樣的重量，烘干后再次稱重，兩者前后質(zhì)量之差為損失的水分重量，通過水的質(zhì)量求出體積，該體積為孔隙體積。結(jié)果顯示4個(gè)樣品的孔隙度在0.37～0.51之間(表1)，與相同粒徑范圍的陸源砂相比，其容水性較好，反映了鈣質(zhì)珊瑚砂多孔隙且顆粒棱角度高的特征。

1.3 透水性

滲透系數(shù)(K)是表征巖土透水性的定量指標(biāo)[3]，在計(jì)算島礁地下水資源量、淡水透鏡體的演變規(guī)律等都要用到滲透系數(shù)。測定滲透系數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)根據(jù)介質(zhì)顆粒的粗細(xì)程度，分為變水頭和常水頭試驗(yàn)2種：對于透水性較低的粉土、黏性土一般采用變水頭試驗(yàn)；砂土和碎石土則多用常水頭試驗(yàn)。本次試驗(yàn)中的4組砂樣，A、C組采用常水頭試驗(yàn)方法，B、D組采用變水頭試驗(yàn)方法，利用TST-55滲透儀測得。

在試驗(yàn)過程中，因珊瑚砂的特殊巖性結(jié)構(gòu)(顆粒大小相差懸殊，形狀不規(guī)則且表面多孔)以及裝樣的不均勻性，所測得滲透系數(shù)值相差較大。故進(jìn)行多組、多次滲透試驗(yàn)，并延長觀測時(shí)間來掌握其滲透系數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)過程中每種砂樣設(shè)置了3組平行樣，每組測量6次，各組的觀測期不同，以測得每組的滲透系數(shù)值趨于穩(wěn)定為止。各組砂樣的滲透系數(shù)如表2所示，除樣品A滲透系數(shù)較大以外，其余3組樣品的滲透系數(shù)都在1 m/d以下，透水性相對較差。

表2 各組珊瑚砂樣的滲透系數(shù)Table 2 Permeability coefficient of each group of calcareous coral sand m/d

1.4 給水性

給水度是表征潛水含水層給水能力和儲(chǔ)蓄水能力的指標(biāo)，在數(shù)值上等于單位面積的潛水含水層柱體，當(dāng)潛水位下降一個(gè)單位深度時(shí)，在重力作用下自由排出水的體積和相應(yīng)的潛水含水層體積的比值[3]。根據(jù)給水度的定義及筒測法的操作規(guī)則，在前面所進(jìn)行的滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以測得珊瑚砂的給水度。因每組的滲透系數(shù)不同，其給水度也略有差異。為不影響試驗(yàn)結(jié)果，給水度僅在每組試驗(yàn)結(jié)束后才得以觀測，各組給水度值見表3。除了樣品A的給水度稍大一些為0.103 0，其余3組砂樣的給水度都在0.011 9～0.030 0之間，與同粒徑范圍的陸源砂相比，給水度偏小。鈣質(zhì)珊瑚砂的表面有許多的坑洼處，且內(nèi)孔隙發(fā)育，由于底部不連通，在重力作用下并不能完全疏水，另一方面這些坑洼處增加了顆粒的比表面積，使得鈣質(zhì)砂的持水能力變大，從而導(dǎo)致鈣質(zhì)珊瑚砂的給水度偏低。

表3 各組砂樣的給水度和彌散系數(shù)值Table 3 Dispersion coefficient values and specific yield of each group of calcareous coral sand

1.5 彌散系數(shù)

多孔介質(zhì)中的對流彌散和分子擴(kuò)散之和稱為水動(dòng)力彌散系數(shù)，它是描述咸淡水之間混合彌散作用的重要參數(shù)。一般來說，海水和淡水很容易混合，它們之間的接觸帶通常由于水動(dòng)力彌散形成一個(gè)由咸水、高礦化度水逐漸變?yōu)榈倪^渡帶。為了能準(zhǔn)確獲得珊瑚砂的彌散系數(shù)，采用一維連續(xù)注入示蹤劑的彌散試驗(yàn)方法對現(xiàn)有珊瑚砂的彌散系數(shù)進(jìn)行測定。

試驗(yàn)采用高55 cm，內(nèi)徑為10 cm的圓柱形砂柱，砂柱頂部2 cm處有一直徑為3 mm的溢流孔，側(cè)壁布設(shè)間距為10 cm測壓管，同時(shí)以相同的間距在另外一側(cè)設(shè)置了4個(gè)孔徑為3 mm的取樣孔，而在距砂柱底部2 cm處設(shè)有濾網(wǎng)且砂柱底端中心處留有出流孔(圖2)。由上向下逐漸供水，直至形成一維穩(wěn)定流，切斷水流，記錄下初始時(shí)間，此后由蠕動(dòng)泵連續(xù)提供ρ0(NaCl)=18 g/L的氯化鈉溶液示蹤，每隔一段時(shí)間記錄下底部的濃度值ρ(NaCl)，具體砂柱底部濃度-時(shí)間曲線如圖3所示。在此曲線的基礎(chǔ)上基于近似一維彌散方程可求出不同砂樣的縱向彌散系數(shù)DL，由于篇幅所限，此處具體方程不再贅述，而縱向彌散度aL=DL/v，其中v為圓筒中水流的平均流速，可通過單位時(shí)間的流量除以斷面面積與孔隙度乘積得到[6]，具體見表3。

圖2 室內(nèi)一維彌散試驗(yàn)砂柱Fig.2 One-dimensional sand column in indoor dispersion test

圖3 A、C、D珊瑚砂柱底部NaCl溶液濃度-時(shí)間變化曲線Fig.3 Concentration-time curve of NaCl solution at the bottom of coral sand columns A, C and D

2 鈣質(zhì)珊瑚砂涵淡水能力的數(shù)值模擬

雖然本文測試的主要為表層(0～4 m)吹填珊瑚砂樣的水理性質(zhì)參數(shù)，但其對島礁地下淡水透鏡體的形成具有重要意義。主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(a)島礁這部分地下淡化水體的形成的淡水來源主要來自大氣降水，上部的吹填珊瑚砂會(huì)影響地下水的入滲補(bǔ)給情況;(b)由于南海吹填島礁多是在原有的礁坪基礎(chǔ)上進(jìn)行吹填完成，在島上有些區(qū)域這部分吹填珊瑚砂的厚度可達(dá)8～10 m(如：永暑礁)，而這一厚度也是島礁地下淡水透鏡體的主要賦存厚度;(c)南海諸多珊瑚島礁的地下水的埋深水位較淺，多在1～2.5 m左右，島礁地下淡水透鏡體的上部或者某些較薄的淡水透鏡體主要還是賦存在這部分吹填珊瑚砂之中。因此對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究十分有必要。

2.1 模擬方法

為了綜合判斷鈣質(zhì)珊瑚砂水文地質(zhì)參數(shù)對島礁地下淡水透鏡體的形成影響，在上述試驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值方法，探究不同砂樣條件下島礁淡水透鏡體的形成差異。利用國際上比較有影響的地下水三維有限元模擬系統(tǒng)FEMWATER進(jìn)行求解，該軟件由美國賓州大學(xué)的Yeh教授所開發(fā)的2個(gè)模型3DFEMWATER(水流)和3DLEWASTE(溶質(zhì)運(yùn)移)合并而成，可用來模擬飽和與非飽和帶中的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題，以及咸水入侵等變密度條件下的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題[7]。目前FEMWATER已作為一個(gè)重要的模塊集成在了GMS中，其理論結(jié)構(gòu)完整，數(shù)值方法成熟，具有強(qiáng)大的邊界離散和潛水面識(shí)別功能，已引起了國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的注意[8]。

一方面由于部分水理參數(shù)存在尺度效應(yīng),如彌散系數(shù)[9-10](圖4)，且鈣質(zhì)珊瑚砂的滲透系數(shù)較小，為了能夠使模型尺度更好地系統(tǒng)模擬上述參數(shù)，參考島礁的實(shí)際地形地貌，根據(jù)相似性原理，構(gòu)建了一個(gè)三維有限元的概念模型，如圖5所示。模型水平方向直徑長100 m，其中海島區(qū)域的直徑60 m，四周被礁坪環(huán)繞；z方向模型總高為52 m，其中海島部分高出海平面2 m。模型有效單元網(wǎng)格共計(jì)82 470個(gè)，其中海島區(qū)域頂部為定流量邊界，以模擬實(shí)際的大氣降雨情況(圖5)，補(bǔ)給量為0.03 m/d的淡水；模型四周及礁坪上部為定水頭與定濃度邊界，以模擬海水邊界，其中水頭值取平均海平面的高度0 m，濃度值則取海水中氯離子濃度19 g/L[11]。FEMWATER數(shù)值模擬海島淡水透鏡體的模擬時(shí)間為12 000 d，時(shí)間步長30 d。

圖4 縱向彌散度隨尺度的變化Fig.4 Longitudinal dispersion varies with model scale

圖5 三維有限元網(wǎng)格及邊界條件Fig.5 3-D finite element mesh and boundary conditions

2.2 模擬結(jié)果分析

在前文室內(nèi)試驗(yàn)所測得的水文地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用FEMWATER分別對上述4組鈣質(zhì)珊瑚砂樣進(jìn)行模擬，其中由于B組砂樣過細(xì)，且滲透系數(shù)僅為0.023 m/d，難以進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，因此只取得了A、C、D這3組模擬結(jié)果，具體模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定態(tài)時(shí)砂樣A、C、D中淡水透鏡體的截面面積特征Fig.6 Cross-sectional area characteristics of freshwater lens with calcareous coral sand A, C and D in steady state

2.2.1 淡水透鏡體的截面面積特征

可以看出，3組砂樣中所形成的淡水透鏡體呈現(xiàn)出明顯的差異，其中砂樣A中所形成的淡水透鏡體的厚度最小，最大處厚度僅為1.75 m，而砂樣C和砂樣D中淡水透鏡體的最大厚度卻分別為18.83 m和 21.62 m，說明島礁淡水透鏡體的厚度與珊瑚砂水理參數(shù)間存在著密切的聯(lián)系，一般來說滲透系數(shù)越大，咸淡水間的混合作用加強(qiáng)，導(dǎo)致島礁淡水透鏡體的厚度變薄儲(chǔ)量減少。Schneider等[12]曾指出，當(dāng)其他條件一定時(shí)，島礁淡水透鏡體的厚度依賴于補(bǔ)水率R與滲透系數(shù)K的比值，若R/K越大，則島礁淡水透鏡體越厚；而當(dāng)補(bǔ)水率R一定時(shí)，淡水透鏡體的厚度與滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)的聯(lián)系。

2.2.2 淡水透鏡體的儲(chǔ)量特征

通常淡水透鏡體的中間厚、邊緣薄，如圖7所示，但有時(shí)較厚的淡水透鏡體并不意味著較大的淡水資源儲(chǔ)量，根據(jù)島礁淡水透鏡體的儲(chǔ)量計(jì)算公式分別對不同砂樣中淡水透鏡體的資源儲(chǔ)量進(jìn)行評價(jià)[13]，具體計(jì)算公式如下：

圖7 淡水透鏡體的三維形態(tài)Fig.7 3-D shape of a freshwater lens

Vs=SyVw

(1)

式中:Vs——淡水透鏡體的儲(chǔ)水量；Sy——鈣質(zhì)珊瑚砂的給水度；Vw——模型計(jì)算出的淡水透鏡體的網(wǎng)格體積。

根據(jù)圖8可以看出，隨著時(shí)間的不斷推移，淡水透鏡體逐漸生成并最終達(dá)到穩(wěn)定。盡管砂樣D中所形成的淡水透鏡體的網(wǎng)格體積為5.07萬m3，但其淡水資源儲(chǔ)量卻并不是3組砂樣中最大的，僅為604.08 m3，相反砂樣C中的淡水資源儲(chǔ)量最大，達(dá)到了779.52 m3。根據(jù)島礁淡水透鏡體的儲(chǔ)量計(jì)算公式可以看出，這時(shí)鈣質(zhì)珊瑚砂的給水度起了重要的作用，由于砂樣D的給水度為0.011 9，遠(yuǎn)小于砂樣A和C的0.103和0.018 4，表明了當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄欢ㄉ疃葧r(shí)，在重力作用下能夠自由排出的水的體積變小，即能被利用的這部分淡水資源相對較少。

圖8 淡水透鏡體的最大厚度、網(wǎng)格體積及資源儲(chǔ)量隨時(shí)間的變化Fig.8 Max thickness, mesh volume and resource storage of freshwater lens with time

3 珊瑚砂微觀結(jié)構(gòu)鏡下分析

西沙群島也是我國島礁發(fā)育的海域之一，束龍倉等[14]曾在西沙群島采集了29 kg珊瑚砂樣，并采用常規(guī)方法測定了砂樣的孔隙度、滲透系數(shù)、給水度以及彌散系數(shù)，其均值都明顯高于本文測定鈣質(zhì)珊瑚砂，如滲透系數(shù)的平均值在706.61 m/d左右，而孔隙度和給水度分別為0.53和0.29。為探明究竟，筆者在鏡下觀察二者的顯微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩者顆粒形狀存在著明顯區(qū)別：西沙群島鈣質(zhì)珊瑚砂(圖9(a))的磨圓度相對較好，多呈球形或短棒狀，而本文表層鈣質(zhì)珊瑚砂(圖9(b))的顆粒多呈片狀。初步分析是因?yàn)樵旖干锱c水動(dòng)力方面存在差異。本文的取樣地點(diǎn)受人工影響較大，表層珊瑚砂摻雜開挖潟湖和航道所取的珊瑚砂，因此水動(dòng)力條件較強(qiáng)，并且砂體中的珊瑚藻(coralline algae)和仙掌藻類(halimeda cylindracea)含量較多，使得砂體呈白色或灰白色，易破碎，細(xì)粒含量較高。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)過時(shí)，可移動(dòng)細(xì)粒會(huì)在滲流過程中掙脫顆粒和孔隙的束縛，隨著滲流運(yùn)移并充填粗顆粒骨架之間的空隙或孔隙，從而降低了顆粒間的孔滲性[15]。而西沙群島的鈣質(zhì)珊瑚砂則多是由文石質(zhì)或方解石質(zhì)的珊瑚碎屑組成[16]，質(zhì)地相對較硬，不易破碎，且由于天然形成，長期經(jīng)受海浪及風(fēng)暴潮的搬運(yùn)侵蝕，故磨圓度較好。

圖9 鈣質(zhì)珊瑚砂的鏡下照片F(xiàn)ig.9 Microscopic comparison of calcareous coral sand

4 結(jié) 論

a. 試驗(yàn)測得鈣質(zhì)珊瑚砂以中細(xì)粒為主，多具有級(jí)配不良且不均勻的特征，其孔隙度多在0.35～0.51之間，而滲透系數(shù)和給水度區(qū)域間差異較大，通常在0.023～12.73 m/d和0.01～0.10之間。

b. 島礁地下淡水透鏡體厚度與鈣質(zhì)珊瑚砂水理參數(shù)間存在著密切的聯(lián)系，滲透系數(shù)越大，咸淡水間的混合作用加強(qiáng)，導(dǎo)致島礁淡水透鏡體的厚度變薄，給水度則主要影響淡水透鏡體的資源儲(chǔ)量。

c. 與前人測得西沙群島的鈣質(zhì)珊瑚砂相比，本文測得珊瑚砂的粒度更細(xì)，且滲透系數(shù)、給水度和彌散系數(shù)相對較小，鏡下照片顯示鈣質(zhì)珊瑚砂的顆粒多呈片狀且磨圓度差，反映了水動(dòng)力條件差和造礁生物方面的差異。