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海島下藏著“淡水池”,特殊“圍脖”可顯著增大地下淡水儲量

對于遠離大陸的海島來說,淡水資源是稀缺品。但其實,這些海島下方,就“自帶”大量的淡水。這些淡水經降雨滲到海島地下,不停地流向海里。如果能將這些淡水儲存下,并開發利用,那海島就可以實現自給自足,極大降低經濟、生態成本。河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室副主任魯春輝教授帶領團隊耗時兩年,發現在海島外部區域,“圍”一層低滲透性介質材料,可以阻止海水入侵,顯著增加海島地下淡水儲量。這一研究前不久發表在水文水資源領域國際頂級期刊《水資源研究》(《Water Resources Research》請編輯保留英文名稱,以區別于一本中文同名期刊)上。這也是國際上首次提出的一種可以增加海島地下淡水資源儲量的方法。

魯春輝教授指導博士生做海島地下水實驗,受訪者供圖

“骨質疏松”的海島,是天然的蓄水池

2年前,魯春輝走訪家鄉南通的陽光島時發現,這座距離南通如東外海13公里、吹填而成的人工島,是洋口港先期開發建設的重點區域,島上的淡水供應,就是靠輸水管道運送上去的,“當地很擔憂,萬一水資源斷了,那島上的生產生活怎么辦?”

我國是海洋大國,海島資源十分豐富,也是我國經濟發展的重要依托。。據不完全統計,我國擁有面積達500平方米以上的島嶼6500多個,有人居住的海島約450個。

進入21世紀以來,人工島成為目前世界用海的流行趨勢。隨著海島的開發建設,相關的水資源供給問題日趨緊張,僅僅通過船運大陸淡水、海水淡化、收集雨水處理等措施難以滿足日益增長的淡水需求。因此,如何提高淡水資源安全保障能力是海島開發亟待解決的問題。

其實,海島的淡水資源開發存在“燈下黑”,每一座海島就是一座天然的淡水池。常年研究水資源的魯春輝介紹,“通常,海島的‘土質’都比較稀松,因為透水性很好、滲透性大,這也造成島上很難形成河流、湖泊。雨水落到海島上,一小部分隨地表徑流流進海里,還有很大部分是滲透到地下,匯集到海島地下的沙土或珊瑚礁的孔隙中。”魯春輝表示,由于淡水密度比海水小,所以大部分海島的地下淡水看起來是“漂浮”于入侵的海水之上的,這種形狀宛如透鏡體,故被稱作“淡水透鏡體”。淡水透鏡體的厚度因島而異,有的僅幾米,有的十幾米,是海島上可再生的有限地下淡水資源。

曾有研究顯示,我們西沙主要島嶼淡水透鏡體的總儲量為數百萬立方米,年度可開采量為數十萬立方米。

“這些匯集在海島地下孔隙中的淡水,會隨著海平面上升或者降雨量減少而不斷減少。然而,國內外學者對海島地下淡水的研究,多集中在其影響因素、形成與演變機理、開采方式等領域。”站在如東的海邊,魯春輝教授突發奇想,有沒有可能找到方法,增加海島地下淡水儲量呢?

海島淡水透鏡體示意圖,受訪者供圖

給海島包一層低滲透的隔離帶,能保留更多淡水

幸運的是,魯春輝get到的科研領域,此前尚未有相關研究成果發布,此前學界一直缺少有效方法控制海島海水入侵及增加海島淡水儲量 ,這為他打開了一扇窗。

但影響海島地下淡水儲量的因素很多,有水文地質條件、島嶼的幾何形態、地下水的回補、潮汐等。“有沒有可能在海島周圍圈上一層隔離帶,讓海水進得更少,從而增大淡水儲量呢?”在國家重點研發計劃及國家自然科學基金的資助下,魯春輝團隊在實驗室搭建起一座座砂槽,以不同粒徑的沙子充當地下不同滲透性的介質,來模擬不同情境下淡水透鏡體的變化。

在實驗室里,他們在一個玻璃槽里填進大量的砂子模擬海島,頂層用蠕動泵通過滴管向砂槽輸送水,來模擬降雨的過程。在砂子的左側,他們又填進更細的砂子來模擬低滲透性介質,再從砂槽左側輸入海水,模擬該降雨強度下細砂形成的低滲透性屏障對增大淡水體積的效果。每隔1分鐘,研究人員便用相機拍攝記錄一次咸淡水交界面位置的變化。

最終,他們發現,當外部砂子的滲透性減小到海島原始砂子的滲透性的十分之一時,增加淡水儲存的效果相當顯著。當然,這還受制于海島尺寸、降雨強度、海島深度等因素。

隨后,他們又以美國佛羅里達州圣喬治島為假想海島,進行案例研究。該長方形島嶼的半寬為500米,降雨強度約為125毫米/年,海島深度40米,海島地下介質的滲透系數為5 米/天。他們采用更低滲透性介質模擬在海島周圍圍成一圈,當外圍低滲透層厚度20米,其滲透性減小到海島介質滲透性的1%時,海島地下淡水體積便可達到增加4倍的效果。

防滲透并不意味著不滲透,魯春輝說,如果完全阻擋海島地下咸淡水間的交互,一旦遇到海嘯、風暴潮等意外,會導致地下水被長期污染,無法自我凈化。

“當然,砂子也只是其中一種可用來實現低滲透層介質,任何滿足這種滲透性的材料都可以填埋在海島周圍。”魯春輝說,和船運大陸淡水、海水淡化等措施相比,這種方法的穩定性和經濟性較高,可以提高海島的獨立生存能力,實現淡水的自給自足。

“對于已經形成的海島,可以進行改造,對于未建或在建的海島,還可指導設計。”魯春輝教授說。

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