南海诸岛灰沙岛淡水透镜体研究述评

赵焕庭，王丽荣，宋朝景

（中国科学院南海海洋研究所 中国科学院边缘海地质重点实验室，广东 广州 510301）

南海是新生代热带海洋，整个新生代时期造礁石珊瑚繁生。造礁石珊瑚附着在硬质浅海海底后逐渐发育成珊瑚礁，礁缘波浪破碎带的产物被抛上外礁坪，堆积礁缘脊砾石堤，在内礁坪上堆积潮间带浅滩，并逐步发展为潮上带未长草木的裸沙洲和有植被的灰沙岛。南海诸岛的灰沙岛有49 个，其中，南沙群岛有面积较大的已命名的灰沙岛17 个（包含6 个干出沙洲），总面积近2 km2；而西沙群岛，则有大小灰沙岛31 个（包含至少7 个干出沙洲）；东沙群岛有灰沙岛1 个。基本上是全新世中期高海面以来形成的新灰沙岛，最早只有4 千多年的历史，其长度和宽度都小于2 km，面积小，大多小于0.5 km2，且较低矮。新灰沙岛海拔一般不过8 m，多为3～6 m，高潮时不会被淹没。而全新世中期高海面以前就形成的老灰沙岛，只有1 个，就是西沙群岛的石岛，海拔最高，约15 m。这些灰沙岛虽雨水较多，但都没有溪流（赵焕庭等，1994；中国科学院南沙综合科学考察队赵焕庭，1996；赵焕庭等，1997）。有些较大的灰沙岛，部分降雨通过渗透进入含水层补水，并在补水与损失过程中维持平衡状态，发育有浮在底层内渗海水上的淡水体，即淡水透镜体。由于南海灰沙岛大多远离陆地，因而淡水透镜体就成为维持岛上居民生产生活和海岛陆地生态系统的重要淡水资源。

中国历代渔民在南海捕捞，有时需要临时登岛寻找水源补给生活用水，有时则需要驻岛半年至数年，因此必须挖井自给淡水和浇灌蔬菜、木瓜及番薯。他们对南海诸岛水井和其中可供饮用的，瞭若指掌，记在脑子里，还记录在驾风帆船使用指南针罗盘的航海指南《更路簿》 [手抄写本，现存至少有13 种版本（广东省地名委员会编，1989）] 中。《南海诸岛志》 （陈史坚等，1989） 也记述了这些岛屿中分布的淡水井。政府鉴于淡水资源在海岛建设中至关重要，早在1968年安排广东省海南地质队调查勘探西沙群岛地下水资源，在永兴岛和东岛共打了5 口水文地质井，最大井深111.8 m，成果未刊。1995-1999年解放军有关院校的学者和工程单位的科技人员开展了西沙群岛地下水资源的调查、勘探和实验，陆续刊出研究成果（周从直等，1999；马颍等，2000；梁恒国等，2002；周从直等，2004；周从直 等，2006；梁恒国等，2006；赵素丽，2007；周从直等，2008；甄黎等，2008；束龙仓等，2008；赵军等，2009；李决龙，2009；周从直等，2010；方振东等，2012）。南海地理位置非常重要，珊瑚礁灰沙岛就成为维护海洋权益和进一步开发海洋资源的重要依托。本文以永兴岛为例对淡水透镜体研究作些评述，对南海诸岛灰沙岛淡水透镜体的形成和开发利用状况等进行讨论并提出建议，希望对灰沙岛淡水透镜体更好地开发利用及保护管理。

1 淡水透镜体的理论

淡水透镜体被称为Ghyben-Herzbrg 透镜体，这是Ghyben 和Herzbrg 分别于1889年和1901年在欧洲大陆沿海地区供淡水问题的独立研究中分别发现的（Gyben，1889；Herzberg，1901）。之后，国外许多学者引入了淡水透镜体的理论来研究珊瑚礁岛地下淡水，例如，研究珊瑚礁岛淡水透镜体结构、制作了珊瑚礁岛地下淡水透镜体图式、概括珊瑚礁岛淡水透镜体的理论模式图等；国内也有人较早注意到南海诸岛灰沙岛地下淡水透镜体的存在（赵焕庭等，1994；张利军等，1994）。

在堡礁和远离大陆的海岛上，地下淡水和地下内渗海水之间由于密度的不同而形成类似透镜形状的、薄且漂浮在内渗海水之上的淡水透镜体（图1） （White et al，2007）。而通常淡水和底层内渗海水之间的边界以一个宽且微咸过渡带或混合区的形式出现，并由于混合和扩散作用，地下水的咸度随淡水向内渗海水深度的增加而增加（White et al，2010）。淡水透镜体的形成、发育和演化依赖很多因素，如，水文地质、气候、岛屿地形、潮汐、土壤和植被等，但对于碳酸盐岩岛来说，控制淡水透镜体形态的主要因素是地质、地形及植被的空间格局，有时，潮差也很重要。碳酸盐岩岛多由过去高海平面时形成的碳酸盐岩和近期碳酸盐沉积物构成，这些岩石的成岩变化的程度是决定其含水层性质的最重要因素。总的来说，老的岩石经历了更广泛的成岩作用，孔隙度和渗透系数都会很高，而这又会影响淡水透镜体的形成和发育，而形成年代晚且未固结的砂砾沉积层中，地下水流为粒间孔隙流，发育有广泛的淡水透镜体（Schneider et al，2003）。

图1 珊瑚礁岛屿淡水透镜体示意图

2 永兴岛地质地貌环境

南海珊瑚礁灰沙岛的基础多为远离大陆的碳酸盐岩岛，先后从晚渐新世中期于礼乐滩（ASCOPE，1981） 和从中新世于西沙群岛（曾鼎乾，1990；吴作基 等，1982；张明书 等，1989） 开始成礁，并与更新世和近期海平面变化紧密相关。这里，关注的是永兴岛的灰沙岛地质特征和地表状况与淡水透镜体的关系。

永兴岛在南海诸岛中陆地面积最大，自然条件优越，又是南海航行中最重要的航线所经，台湾海峡和巴士海峡—马六甲海峡航线就在它的东侧通过，因此区位重要。1959年我国在此设置了“西沙群岛、中沙群岛、南沙群岛办事处”，属广东省海南行政区，成为南海诸岛中心。1988年海南省建立后归海南省直属。2012年6月21日永兴岛成为新设置的海南省三沙市的首府。目前它有1 座中型飞机场，可起降波音737 型飞机。沿岛西侧礁坪上，自西北－西南，已分期建成3 个大港池，可供1 千至5 千t 级舰船靠泊。1979年在永兴岛和石岛之间的礁坪上筑造了1 条宽3 m、相对高1.8 m 的石堤，可通车，后改造为混凝土公路。永兴岛上混凝土路成网，沿路散布政府机关、事业单位、军营，西部临港带则呈现商店与街道构成的现代小城镇雏形。永兴岛上还设有中国最基层行政村级的永兴居民委员会，2012年7月统计有38 户159 人，居民主要从事渔业捕捞、加工和商贸等产销活动。2014年永兴岛常住和流动人口已逾3 千，人气较旺盛。

永兴岛位于西沙群岛东北部宣德群岛的东南部，它和石岛同处1 座台礁，该台礁呈梨形，东端尖，西边钝圆，长轴NEE－SWW 向，长约4 100 m，短轴NNW－SSE 向，宽约3 000 m，礁顶的礁坪和陆地面积共约8.3 km2。该台礁礁体是中新世以来的生物堆积，厚1 251 m，基底为古生代变质岩。礁顶分布两座灰沙岛，即东北部较小的老灰沙岛石岛和西南部大的现代灰沙岛永兴岛（图2），两岛间距近800 m。

图2 永兴岛航空照片

据西石1 井（位于石岛的东南侧丘坡上，井深200.63 m，未穿透礁相地层） 资料，石岛是1 个在晚玉木冰期低海面时珊瑚礁岛上的风沙堆积体，现存厚度从“西石1 井”井口至井深24.68 m（张明书等，1989），按井口高程若干米计，则分布至海平面以下约20 m，后在大气－淡水环境下已固结成岩，变成石山，冰后期海水上涨成为老灰沙岛，南北向长约500 m，东西向宽约260 m，面积0.08 km2，海拔15.9 m。沙丘岩较松脆。石岛周围已被海浪侵蚀后退，四周多为海蚀崖和袋状海滩。岛上生长稀疏的灌木草丛，有水井，但水质不好，不宜饮用。

永兴岛是一个堆积在其礁顶西南部质地疏松的新灰沙岛，呈不规则椭圆形，岛屿陆地NWW－SEE向长约1 950 m，宽约1 350 m，面积共2.13 km2，是南海诸岛中面积最大的一个岛屿。最高点位于西北部沙堤上，海拔为8.2 m。永兴岛是在全新世冰后期海面上涨至最高以来发育的（赵焕庭 等，1994）。对永兴岛的地层已有详细的钻探、釆芯研究。据西永1 井（位于岛的东南侧沙堤间洼地，井深1 384.6 m，穿透礁相地层） 资料（曾鼎乾，1990），井深0～1 251 m 为礁相地层。据西永2 井（位于岛中部洼地的西侧，井深600.02 m，未穿透礁相地层） 资料（张明书等，1989），作为淡水透镜体围岩部分，即地表至地下数十米的地层，列出如下：井深0.0～0.5 m，灰黄色生物骨屑含砾砂层；0.5～3.0 m，棕褐色生物骨屑砾砂层；3.0～3.3 m，棕褐色枝状珊瑚砾块层；3.3～4.0 m，棕褐色生物骨屑砂砾层；4.0～5.0 m，灰白色藻屑灰泥，杂有珊瑚砾块；5.0～5.2 m，白色礁格架灰岩，属澙湖点礁；5.2～5.6 m，褐黄色生物骨屑砂砾层；5.6～10.8 m，褐灰色、灰黄色生物碎屑灰岩；10.8～13.15 m，棕褐色生物骨屑砂砾层，向下砾石增多；13.15～17.72 m，棕褐色生物骨屑砂砾层夹生物碎屑灰岩，层底为沉积间断；17.72～20.77 m，灰白色礁格架灰岩。以下至31.36 m 均为礁格架灰岩。将上述地层进一步归纳为：0.0～17.72 m 为晚更新世上段，17.72～31.36 m 为晚更新世下段。从西永1 井井深14 m 处澙湖相生物碎屑14C年龄为6 790±95aBP（张明书等，1989） 看，我们认为，西永2 井井深17.72 m 应为晚更新世与全新世之间的沉积间断，0.0～17.72 m 为全新世松散的生物骨壳碎屑砂砾层，17.72 m 以下为更新世及更老的、巳成岩的礁灰岩。礁坪向上增长至今，永兴岛西北礁坪珊瑚礁灰岩14C年龄为1 754±40 aBP，礁坪上的洲岛形成时间相应同步。西沙群岛的沙岛（甘泉岛） 成岛时期为冰后期距今五、六千年的高海面时，沙洲因埋藏有文物而确定成洲时期为人类历史时期（卢演俦等，1979）。又从永兴岛西北海滩上的海滩岩（已被专业人员打标本和游客砸釆而逐渐消失了，产地亦已被新的渔业补给综合港池码头建设而彻底毁了）14C年龄为2 680±95 aBP（余克服 等，1995），可知大约3 000 a 前已有海滩，推测沙堤可能同时亦已存在了，则永兴岛出现了。

永兴岛的地貌与沉积特征为从岛缘向岛中央依次分为海滩、沙堤、沙席和洼地（图3），呈环状展布（赵焕庭等，1994；余克服等，1995）。灰沙岛整体地形呈碟形洼地（袁家义等，1992）。岛周围的礁坪，东、西礁坪不对称，西部宽250～500 m，而东部宽400～1 000 m，东部最宽达1 500 m。礁前水下斜坡陡竣，一般坡度为十几度，是珊瑚丛生带和原生礁带，斜坡上往复流作用和造礁生物生长的结果，形成礁缘坡脊－槽沟系，礁缘一圈处于波浪破碎带，常见破碎波翻滚。大浪把礁前礁块（直径可达0.2～3.0 m） 和生物碎屑掷上礁缘，堆积成宽100 m 左右、高0.2～0.5 m 不等的礁突起带，略呈堤状。礁坪大体平整，堆积以砾石为主，向岛岸砂屑增加。内礁坪略低，一般退潮时仍积薄层（5～50 cm） 浅水。环岛1 圈为潮间带海滩，宽50 m 左右；向里又1 圈为沙堤，宽100 m 左右。岛西北部至东北部沙堤单一，较高，一般高达6～8 m，也较宽，达100～150 m；西北侧沙堤坡角达32°；东部至南部沙堤由3 道组合，每道高4～6 m，宽80～100 m，坡度较和缓。植物繁茂，种类多。沙堤上植被以草海桐（羊角树）、银毛树和海巴戟为主，浓密的厚藤覆盖至与海滩交接处。沙席处于沙堤背风坡与岛内洼地的过渡部位，是风驱动海滩砂、沙堤砂越过沙堤顶后，在沙堤背风坡下披覆在洼地上的沉积。永兴岛沙席环沙堤背风坡分布，宽500 m以上，海拔一般在2 m 以上，过去有人称作沙平台（王国忠等，1986；吕炳全等，1987）。由此有人认为这表示地壳上升的结果，其实这仅是风力加积的产物。堆积物以砂为主，也含少量小砾。植被茂盛，以白避霜花（麻枫桐）、海岸桐、榄仁树和椰树为主。过去鸟多，还有逸生“野黄牛、野猪、野鸡”，林下沙席上堆积鸟粪层（朱庭祜，1928；沈鹏飞，1930；王本菼 等，1947；陆发熹，1947）。1930年陈铭枢编纂《海南岛志》 据广东省政府1928年调查资料，当时永兴岛鸟粪层面积1 291 600m2，平均厚0.25m，鸟粪层体积322900m3，除去植物根系约占的1 成之外，鸟粪层体积实为290 610 m3，计223 550 t。似高估了。1947年陆发熹估计松散层鸟粪60 000 t，块状鸟粪层40 000 t （陆发熹，1947）。沙堤围圈的岛内澙湖或浅水礁塘，随着沙席的扩展而萎缩消亡。礁塘1974年可涉水而过，行将自然干涸。1994年时已成为潮湿洼地，沉积中、细砂，还生长莎草科植物。

永兴岛多年平均降雨量1 505 mm，雨量丰沛，地下淡水（岛水） 浅藏，水位埋深0.3～2.9 m，落潮时最大埋深达4.0 m（李决龙，2009）。不少单位和居民都开挖水井取水。初期，岛上人少，尚可满足需要。据1993年调查（张利军，1994），后来人多了，过量抽取地下水，淡水透镜体被破坏并被咸化了，但雨后岛水会变淡些。由于岛水已受到环境与人为污染，不符合饮用标准，也不宜洗澡与洗衣服，一般只供冲洗公地和浇灌用。各单位和居民历来都在建筑物建有雨水收集系统，供生活用；同时岛领导机构实施定期运来大陆优质自来水供饮用，每年计12 万t左右。成本（含运费） 为20 元/t，耗资240 万元。

图3 永兴岛地貌与沉积剖面图

3 永兴岛淡水透镜体

南海诸岛虽然无径流可渗水，也无库塘可渗水，但降雨提供了地下淡水的丰沛的来源。灰沙岛碟形洼地有利于降雨渗入地下时向岛中部汇集，但集雨面积要足够，以使地下淡水能够汇集，不至于全部泄入海洋和澙湖、或全部混入下层中的内渗咸水中去。参照南印度洋可可群岛South Keeling 环礁勘测成果，灰沙岛宽度小于270 m 时，降雨和渗入沙土的淡水很快流入海洋，不能形成淡水透镜体（周从直等，1999）。永兴岛勘探资料表明，井深17.72 m 沉积间断面以上为全新世碳酸盐生物骨壳堆积物，即珊瑚贝壳断肢碎屑砂砾，由于未发生成岩作用，呈松散状态，孔隙率（或孔隙度，指砂土样中孔隙的体积与砂土样的总体积之比） 较高，渗透率也较高。借用西沙群岛琛航岛钻孔岩芯礁砂土样实测孔隙率（宋朝景等，1994），西琛21 孔孔深4.9～9.2 m 釆15 个样，一般为45.1～50.7，平均48.7；西琛15 孔孔深2.4～12.0 m 釆54 个样，一般为48.7～58.6，平均51.7。可见孔隙率之高，雨水容易从砂砾间渗下，并藏在砂砾自身的孔隙（内孔隙） 中和砂砾间的空隙（外孔隙） 中；海水也容易从礁体外横向渗入到礁体海面以下的砂砾层中。沉积间断面以下为更新世和此前更古老的碳酸盐发生成岩作用，固结成礁灰岩，只部分保留原始沉积物自身的孔隙和间隙（个数变少和尺度变小），使孔隙率变低，渗透率变低，但由于新增成岩时产生的次生孔隙，特别是成岩后遭遇地质历史上海平面大下降或地壳上升运动使礁体陆露成岛，喀斯特地下水垂直（溶洞） 与水平体系（地下河） 发育，则使礁灰岩总的孔隙率不低，反而变高，渗透性更强，当海平面上升或地壳下降运动使礁体沉没海中时，海水较容易渗入，使礁体内外被海水浸泡、并随潮汐使礁体内海水水位升降，使礁体内潮间带海水与礁体外海水发生往复式流动、交换。更新世礁灰岩的海水也可能向上渗入到全新世生物骨壳沉积层中，由于海水比重比淡水大，海水顶托淡水。这样，由地表渗入的雨水保留在生物骨壳沉积层中，从而为淡水透镜的形成提供了基本条件。

1995年，解放军总后勤部批准“珊瑚岛礁淡水资源开发与应用研究”立项并下达了研究任务，由海军后勤部基建营房部和解放军后勤工程学院等单位有关科技人员组成课题组，于1995-1999年间实施。周从直等抓住了该项目的科技核心——灰沙岛淡水透镜体的形成、淡水资源消长、合理开发和修复保护等问题，开展了西沙群岛现场勘探、调查研究和实验室测试、模拟试验，陆续刊出成果。认同淡水透镜体的含盐量一般限制在氯离子浓度600 mg/L 之内，这一浓度边界也常被视作淡水透镜体的几何边界。他们参考了加勒比海大开曼群岛中央淡水透镜体的数值模拟所建立的基于质量守恒、达西定律和Ghyben-Herzbrg 关系导出的的数学模型，模拟了永兴岛淡水透镜体的演变过程，选用有限差分法，选用回补率每年280 mm、渗透系数为每天7～700 m，计算了淡水、海水界面的座标，与实测值吻合很好，为确定开釆水量和开釆强度提供了依据。同时指出岛水由于有机污染，色度严重超标，水有异味，磷含量高，必须作正规的水处理（周从直等，1999）。他们介绍了用有限差分法计算了永兴岛淡水透镜体的包络面，与实测值比较误差在3%～15%之间。制作了永兴岛淡水透镜体等深图（图4） 和淡水透镜体三维视图（图5），这为科学开发西沙地下淡水资源提供了可靠的资料（周从直等，2004）。

周从直等（2006） 分析了永兴岛淡水透镜体的形成机理及其影响因素，最重要的是气象气候因素。根据永兴岛1989-1998年10年的月平均降雨量及最高、最低年降雨量，用有限差分法计算了永兴岛淡水透镜体的外形和贮水量的变化。结果，根据模拟计算值绘制的淡水透镜体形状，中央厚，边缘薄。年中淡水贮水量变化同雨量变化相应，水头值4月最小（16 m），10月最大（17.2 m），两者相差7.5%，相应的淡水贮量相差约10.5%。年际淡水透镜体中央最厚点变化也同雨量变化相应，丰水年、平水年和枯水年的水头模拟值分别为18.7 m、16.5 m 和15.5 m，丰水年比平水年多13.3%，枯水年比平水年少6.0%，对应的淡水贮量分别多16.8%和少7.2%。这阐明了淡水透镜体存在一个不断回补和损耗的过程，即降雨是回补，使淡水透镜体增厚，淡水贮量增加；损耗使淡水透镜体变薄，贮量减少。回补只是在下雨时才有可能发生，损耗的表征是淡水-咸水界面处的淡水流失，其动力是淡水透镜体中央向边缘存在的水力坡度。损耗是一个持续发生的过程，因此淡水透镜体是一种不断自行损耗的、可再生的自然资源，可以充分开发利用。梁恒国等（2006） 介绍了影响淡水透镜体的自然因素，除了气象气候条件外，还有岛屿面积、水文地质（渗透率）、植被（枯枝落叶造成有机污染，但未提及涵养水源与蒸腾损耗） 等，而人为因素方面则是过量抽取淡水，使井中水头急剧下降，淡水透镜体底部的海水被带动上升，海水与淡水的交界面出现犹如一倒立的锥面，俗称“倒锥”，淡水透镜体被破坏，细分为两个，使淡水储量减少；另外，地面建筑物的排污、收集、处理系统缺失，导致污水渗入地下，造成污染。甄黎在束龙仓的指导下完成了岛屿淡水透镜体形成与演化的物理模拟（甄黎等，2008）。同时赵军等（2009） 也做了类似的淡水透镜体形成及倒锥演变过程的室内物理模型的模拟试验。

图4 永兴岛淡水透镜体等深图（据周从直等，2004）

图5 永兴岛淡水透镜体三维视图

周从直等（2010） 进一步根据现场勘测和试验获得的水文地质参数，运用有限差分法和Visual Madflow 对模型进行数值求解，获得了透镜体内淡水流向、水头分布、过渡带厚度与淡水贮量的季节变化，计算结果，以氯离子浓度600 mg/L 值求等值面为透镜体的包络面，揭示永兴岛淡水透镜体最大厚度为16.9 m，最大厚度处过渡带厚度为8.3 m。透镜体淡水贮量为1 472 000 m3，很丰富。淡水贮量年内变化，4月最小，9月最大，9月淡水贮量较4月多8.5%。与降雨量相比，淡水贮量变化滞后1～2 个月。该项成果可用于制定淡水透镜体的开釆策略，有利于地下淡水资源的持续开发利用。方振东等（2012） 研究认为，在一定的水文地质条件下，淡水透镜体处于动态平衡，其上表面高出海平面。其水头差保证了淡水透镜体中淡水持续向海水渗流，使因弥散而进入淡水透镜体的海水向外退缩，淡水透镜体才得以存在。永兴岛淡水透镜体水头的计算值与实测值之差为－3.86%～－0.58%；取年均降雨量的40%为回补量，计算淡水透镜体的最大厚度为15 m；淡水透镜体东西不对称，西部（向宣德环礁澙湖侧） 较厚，东部（向大海侧） 较薄。从水井抽取淡水，水井水位降深，使水井下方静压降低，过渡带便在抽水过程中逐渐上升，形成倒锥。倒锥上升高度随抽水强度和时间的增加而增加，随井底到淡水透镜体底部边界距离的增加而减少。抽水初期，倒锥上升较迅速，之后，上升趋势减缓。

鉴于永兴岛地下淡水外观因明显受到枯枝烂叶的污染，富含腐殖质等有机物，经水质分析，其一般化学指标、毒理学指标绝大多数在饮用水水质要求范围内，但色度严重超标，呈黄色，色度一般在30～50 度，最高达72 度；有异味、臭味，不能直接饮用；总硬度（主要由钙、镁离子物质组成） 超标，最高达621 mg/L；部分水井氯化物超标，最高达779.6 mg/L，超标（周从直 等，2008）。课题组通过实验提出了修复技术方案。传统的加药混凝方法较难去除溶解性有机物产生的色度和气味，且投药量特别大。马颍等（2000） 和梁恒国等（2002）借鉴文献釆用电凝聚法，在永兴岛选有代表性的大口井井水做现场试验，试验成功。结果表明，当电极板间距为5 mm，电流密度为20A/m2、停留时间为100 s 左右时，试验效果最优，处理后的水色度<10 倍、浊度<2.8 NTU，不增加额外阴离子（如的残留和积累，满足国家生活饮用水水质标准。用电凝聚法比化学凝聚法处理效果更好，能有效去除有机物；同时，不需投加药剂，省去一系列与此有关的工序、设备和物料；设施组装简单，操作方便。赵素丽（2002） 和周从直等（2008）根据文献介绍国外内从上世纪80年代以来发展的地下水生物修复技术，人工向水井或地层输入大量空气，使喜氧微生物繁生，并加强合成和分解作用，最终使有机物浓度降低。运用生物修复技术，已能去除重金属、N、P、氯代有机物、石油污染物、可生物降解聚合物及固体废物。课题组在永兴岛对淡水透镜体进行原位曝气生物修复实验，结果：径向上，在主流区半径R 为0.2～0.5 m 的范围之内，溶解氧（DO） 的质量浓度随R 的增大而增大。R>0.5 m，溶解氧的质量浓度随R 的增大而降低。垂向上，溶解氧的质量浓度随高度的增大而迅速增大；地下水色度和化学耗氧量（COD） 均隨曝气时间的增加而降低，色度为40 度、COD 为96 mg/L 的原水，曝气18 d 后，色度均不超过15度，曝气30 d 后，色度不超过10 度，COD 为21～36 mg/L。以色度不超过15 度作为修复的标准，修复区半径R 达0.7 m，修复区高度H 为0.9 m。修复1 m3的上述原水和1.3 m3的土壤所需的空气量约为211 m3。并认为该技术操作简单，效果令人满意，成本低廉，而且又不会造成二次汚染。

专著（李决龙，2009） 对上述研究成果做了系统的、全面的整理，反映了我国对南海灰沙岛淡水透镜体全新的认识。此外，该专著还同时介绍了珊瑚岛礁雨水资源开发的理论与技术，以及自动供水控制系统，其中专门介绍了永兴岛雨水资源开发大型工程技术方案，该方案成功解决了雨水资源的收集、储存、保质、净化和供应等一系列技术难题。该专著具有重要的理论与实践意义。但是，该署名个人的专著里包含了前述课题组内学者们刊出的许多论文成果，但在参考文献栏里却只列出1 条（周从直等，2006）；从该专著封里作者简介看他的专长，他个人未必能全部承担该专著多方面学科的调查研究、实验和研究报告的编撰，专著的主要内容应是有关学者分工执笔写作的，然而却没有他们的署名或在章节题注注明执笔人；该专著吸收了国内外有关珊瑚岛礁自然环境的阐述，也未列出处；书中描绘南海珊瑚礁地貌模型的特点是礁外坡为内凹形，礁体形态呈蘑菇状（即“蘑菇型”），不符合南海珊瑚礁地形实测资料和地貌学研究文献，不符合已为历来世界学者公认珊瑚礁地貌模型为达尔文的上截锥型，“蘑菇型”珊瑚礁地貌模型在理论上不符合珊瑚礁形成演化规律，在自然界内是不存在的（赵焕庭等，2014）。该专著作者在书中说，1996年“将此命名为‘珊瑚岛礁淡水透镜体’，这是在水资源领域首次提出的创新概念，得到了国家水利部、地质矿产部、海洋局专家的一致认可”的说法，不符合珊瑚礁灰沙岛淡水透镜体研究的历史。

4 南海珊瑚礁灰沙岛淡水透镜体的开发利用问题

永兴岛的开发利用程度在南海诸岛中最高，建有机场、码头以及各类建筑物，常住和流动人口3千多人，随着三沙市首府设在永兴岛，永兴岛的开发还将有大的发展，人们对淡水资源的需求也逐渐加大，因此，如何合理开采淡水透镜体，使其能提供可持续的可饮用的淡水，则显得更为重要。

前述永兴岛淡水透镜体储水量计算值为1 472 000 m3，可谓丰富。按永兴岛数年前每天用水120 m3计，1年用水43 800 m3，仅为淡水透镜体储水量的2.97%（李决龙，2009），理应自给有余。然而由于自然的鸟粪层和枯枝落叶层腐殖质被雨水和渗流带地下水的淋溶，令南海多数即使人烟稀少的灰沙岛水井中地下水呈黄色，味苦涩，不能饮用。加上人为污染，情况更加严重。例如，永兴岛的鸟粪层虽然在20 世纪30-50年代已被挖空，但地层中仍含较多的鸟粪颗粒或磷（吴志东 等，1985；赵焕庭，1994），而过去成岛数千年来地下水积累的自然污染多少仍然存在，然而更严重的是，数十年来随着岛上人口和各类设施大增，而垃圾、生活污水、医院和维修车间废水，菜地施肥的残留等也增多，且在三沙市设置前长期没有得到妥善的处理，导致地下水呈黄色，味苦涩，发臭气，不能饮用，也不能用于洗漱和洗衣服，仅用于冲洗公地、厕所，绿地和菜地浇灌以及养殖等。现在岛上的生活用水，除部分使用雨水收集贮存系统供给外，主要靠船运大陆水厂生产的水。针对地下淡水污染问题，历来不少人提出对废污物处理意见，学者们还分别做了用电凝聚法和用生物修复试验去除水中有机污染，希望新设的市政府予以考虑，进一步组织不同方案的技术经济论证，以便决策和立项实施。

永兴岛上对淡水透镜体的利用主要是通过垂直打井的方式来获取，目前约有40 多口井。这些井的井壁由砖头水泥砂浆砌成。但有的井位于透镜体边缘，如果抽水强度过大或是旱季不减少抽取量，都会造成倒锥现象，引起海水入侵，破坏了淡水透镜体（周从直 等，2010）。方振东等（2012） 认为，为避免引发咸淡水交界处淡水透镜体的出现倒锥现象，水井开凿应尽量靠近淡水透镜体中央区域，不要在边缘打井，且宜浅井。对于永兴岛上长期取水的水井，建议抽水速率不宜超过5 m3/h，以防出现倒锥现象。周从直（2010） 还建议用集水通道并开采多井来抽取淡水透镜体最上层的水则可避免倒锥现象发生。市政府有关部门对现有水井的存毁和开凿新井应予严格的、经过科学论证的管理。

有人认为永兴岛现有建筑（房屋、混凝土场坪、混凝土路、机场） 承载量接近饱和，如果继续扩建、新建，势必占用雨水补给自然地面，导致淡水透镜体萎缩；永兴岛淡水透镜体平均埋深－1.6 m，建造大楼、开挖基槽，改变淡水透镜体的自然形态；如果实施爆破炸礁作业，造成礁体浅层裂缝，可能割裂淡水透镜体，导致淡水贮量减小；如果大量增加人员和设备，又缺乏相应的环保设施，必增加对淡水透镜体的的污染。因而提出，要严格控制人员、船舶和建筑物的盲目增加，确保不发生争地争水现象；建筑物限高3 层以下，建筑物基槽挖深不得超过－1.6 m，等（新华社记者陈万军报道.立项保护西沙地下淡水资源迫在眉睫.新华通讯社国内动态，2009-04-10）。对其中有的问题，可釆取相应措施解决，例如对建筑物设计规定雨水收集贮存或回注地下系统；建立完善的环保监测、废污物处理系统。有的问题，尚须进一步研究，例如爆破作业造成礁体浅层裂缝问题，它对一定范围内现有的建筑物存在程度不同的伤害不提，是否会割裂淡水透镜体吗？钻探、基槽挖深、爆破作业造成的裂缝纵横影响会出现什么情形？令人生疑。渗透系数是计算淡水、海水界面的重要参数，渗透系数同孔隙率有关，已知，南海珊瑚礁表层厚约20 m 的松散的未成岩的礁砂砾层，其孔隙率高达20%以上；礁砂砾层以下已成岩的礁灰岩，其孔隙率一般估计为10%左右，愈往下孔隙率愈小。故礁体内的地下水与礁体外的海水在水平方向上可以相互自由渗透、连通。垂直方向上上层淡水透镜体的淡水和下层内渗咸水（海水） 处于动力平衡状态，只要钻井中的上层淡水不被抽走，动力平衡状态就不被打破，下层内渗海水无动力驱动上涌。又因为下层海水不是承压水，它不会乘钻井打破地层解压之机自动上喷。至于开挖基槽，不容置疑者，跟着回填块石，浇灌混凝土砂灰浆，基槽的空间成为人工隔水层，使基槽（已是建筑物的墙基） 上下的水体分隔，永不交流。钻探、基槽挖深、爆破作业造成的裂缝，与诺大的礁体面积比较，可看作仅增加了些微的孔隙率，当纵横影响不超过透镜体和过渡带的总厚度（约25 m） 时，可否认为无影响？如果超过透镜体和过渡带的厚度时，增加了些微的孔隙率，给透镜体形变又有多少影响？要给出科学依据。要避免一概而论和一刀切。印度洋珊瑚礁岛国马尔代夫首都马累，也是1 个灰沙岛，面积2.0 km2，同永兴岛面积相若，但那里人口多，近10 万人，密度大（47 415 人/km2）；高楼多，密度大；岛礁边缘兴建大量码头和深挖港口航道，在邻近岛礁上填筑大型国际机场，建设成为国际著名的旅游城市（单之蔷，2013）。其开发工程所涉及岛的钻探、基槽挖深和爆破作业是如何进行的，则值得借鉴。

此外，最近有学者探讨了利用雨水收集和可再生能源发电制水两种方式联合解决偏远岛礁就地供水保障问题，构想釆用“珊瑚沙滩浅层暗湖雨水收集利用系统”和“光伏直接供能反渗透海水淡化系统”这两种生产淡水系统联合工作模式，认为具有较强的互补性和可靠性，适合在偏远岛礁推广应用（姜海波等，2014）。但没有披露这两种生产淡水系统联合工作模式建成、主要技术参数和经济指标、收到的经济效益的实例。文中没有说明，在灰沙岛的“沙滩”即海滩上营造浅层暗湖雨水收集利用系统，如何解决在涨潮时确保“暗湖”不被潮水淹没、渗入？如果在灰沙岛的“沙堤”上营造浅层暗湖雨水收集利用系统，除了发生风暴潮时有可能被海水淹没、渗入外，其余大部分时间无虞，但南海诸岛的灰沙岛面积一般都很小，沙堤规模小，甚至无，在其上营造浅层暗湖嫌场地不足可能引起用地矛盾？

5 结论

（1） 周从直和方振东等对淡水透镜体的理论推导和对永兴岛淡水透镜体的实验模拟的系列研究成果的结论是正确的，数据和图件资料翔实，同我们对永兴岛地质、地貌、气象气候、植被与环境的了解及其与淡水透镜体的关系定性分析、估计是一致的。如果应用他们检验过的理论与方法，以及宝贵的经验，去推测南海诸岛其他未开展调查研究的灰沙岛淡水透镜体，可以做出初步判断。

（2） 虽然现有成果估计了淡水透镜体的厚度和几何形态，但如果要更真实的了解，建议还要采取野外的实地测量。地球物理调查，利用电阻率ER和电测感应EM 方法（Stewart，1988） 可以对淡水透镜体位置、形状、厚度的合理准确的和相对快速的评价，且费用较低。另外，也可用氯离子平衡方法来初始估计补水（Nullet，1987），连续的水位记录结合潮汐、气压和降水记录来评估补水也可以应用（Furness et al，1993）。

（3） 灰沙岛淡水透镜体是非常脆弱的，因而若想长期稳定地从淡水透镜体获取淡水，政府就要根据科学研究报告制定合理的淡水抽取计划，并提供有效的措施，使公众积极参与到具体的工作中来。考虑到南海诸岛的进一步的开发，保护和管理好淡水透镜体是这些工作的基础。

（4） 对学者建议“灰沙岛淡水透镜体上建筑物限高3 层以下，建筑物基槽挖深不得超过-1.6 m”提出了质疑，建议须要进一步研究。

（5） 今后南海诸岛的淡水需求将随着开发事业发展而大增，必须立足充分利用各岛礁本土淡水资源。建议三沙市市政部门首先对永兴岛淡水资源开发现状、现有调查研究成果和进一步开发设想作一次全面的研究，组织同行专家评议，进一步组织不同方案的技术经济论证，其中要对岛水使用电凝聚法或用生物修复技术去除水中有机污染这两种方法作出选择；又要对现有雨水资源开发工程、海水淡化工程和船运大陆自来水补给作出评估。在此基础上整合出一个较完善的可持续发展的有人居的岛礁淡水资源开发规划和计划安排。

ASCOPE，1981. Tertiary sedimentary basins of the Gulf of Tailand and South China Sea，straigraphy，structure and hydrocarbon occurences.ASEAN Council on Petroleum.

Furness L J，Gingerich S，1993.Estimation of recharge to the fresh-water lens of Tongatapu，Kingdom of Tonga. IAHS PUBLICATION，317-317.

Gyben B W，1889. Nota in verband met de voorgenomen putboring nabij Amsterdam.Tijdschr.K.Inst.Ing，8-22.

Herzberg D，1901. Die wasserversorgung einiger nordseebaäder. 815-819.

Nullet D，1987. Water balance of Pacific atolls. JAWRA Journal of the American Water Resources Association，23（6）：1125-1132.

Schneider J C，Kruse S E，2003. A comparison of controls on freshwater lens morphology of small carbonate and siliciclastic islands：examples from barrier islands in Florida，USA.Journal of Hydrology，284（1）：253-269.

Stewart M，1988. Electromagnetic Mapping of Fresh-Water Lenses on Small Oceanic Islands.Ground Water，26（2）：187-191.

White I，Falkland T，2010.Management of freshwater lenses on small Pacific islands.Hydrogeology Journal，18（1）：227-246.

White I，Falkland T，Perez P，et al，2007. Challenges in freshwater management in low coral atolls.Journal of Cleaner Production，15（16）：1522-1528.

Yuan Jiayi，Zhao Huanting，Lu Tiesong，et al，1994.Dynamic Geomorphic Systems of South China Coast.In：Zhou Di，Liang Yuanbo and Zeng Chengkui（eds），Oceanology of China Seas. Vol.2. Dordrecht，The Netherlands；Kluwer Academic Publishers，456-476.

陈史坚，钟晋梁，1989.南海诸岛志略.海口：海南人民出版社，140-254.

单之蔷.谁能给中国造一个“天堂”？中国国家地理，2013，（3）：24-39.

方振东，周从直，梁恒国，等，2012.珊瑚岛淡水透镜体抽水倒锥影响因素研究.后勤工程学院学报，28（4）：57-66.

广东省地名委员会编，1989.我国渔民在南海诸岛的航海针经书或《更路簿》汇编.见：广东省海域地名志.广州：广东省地图出版社，88-139，462-470.

姜海波，赵云鹏，程忠庆，2014.偏远岛礁就地供水保障模式分析.中国工程科学，16（3）：99-102.

李决龙，2009.珊瑚岛礁淡水资源开发理论与技术.北京：国防工业出版社，1-410.

梁恒国，方小军，方振东，等，2002.电凝聚法处理珊瑚岛地下水研究.中国给水排水，18（1）：54-56.

梁恒国，周从直，方振东，2006.珊瑚岛淡水透镜体的形成特征及影响因素.西南给排水，28（5）：23－24.

卢演俦，杨学昌，贾蓉芬，1979.我国西沙群岛第四纪生物沉积物及成岛时期的探讨.地球化学，（2）：93－102.

陆发熹，1947.广东西沙群岛之土壤及鸟粪磷矿.土壤季刊，6（3）：67－77.

吕炳全，王国忠，全松青，1987.西沙群岛灰沙岛的沉积特征和发育规律.海洋地质与第四纪地质，7（2）：59－70.

马颍，周从直，梁恒国，等，2000.珊瑚岛礁地下淡水有机物去除实验研究.后勤工程学院学报，16（3）：1－5.

沈鹏飞，1930.调查西沙群岛报告书.广州：中山大学农学院，1－113.

束龙仓，周从直，甄黎，等，2008.珊瑚含水介质水理性质的实验室测定.河海大学学报（自然科学版），36（3）：330－332.

宋朝景，卢博，汪稔，等，1994.珊瑚礁的工程地质特性.中国科学院南沙综合科学考察队赵焕庭主编，南沙群岛及其邻近海区地质地球物理及岛礁研究论文集（二） .北京：科学出版社，153－159.

王本菼，高存礼，1947.西沙群岛磷矿.地质论评，12（5）：441－448.

王国忠，吕炳全，全松青，1986.永兴岛珊瑚礁的沉积环境和沉积特征.海洋与湖沼，17（1）：36－44.

吴志东，龚子同，1985.我国西沙群岛土壤的地球化学特征.龚子同主编，土壤地球化学的进展和应用.北京：科学出版社，177－181.

吴作基，余金凤，1982.西沙群岛某钻孔底部的孢子花粉组合及其地质时代.见：中国孢粉学会编，中国孢粉学会第一届学术会议论文集北京：科学出版社，81－84.

余克服，宋朝景，赵焕庭，1995.西沙群岛永兴岛地貌与现代沉积特征.热带海洋，14（2）：24－31.

袁家义，赵焕庭，陆铁松，等，1992.华南海岸动力地貌体系.海洋学报，14（1）：72-81.

曾鼎乾，1990.西沙群岛调查及“西永1 井”及上第三系礁岩及储油物性的初步研究（1973，1978） .见：曾鼎亁地质文选.南海西部石油公司印，117－141.

张利军，郭见扬，1994.珊瑚礁岛建筑场地的工程地质问题--以永兴岛为例.中国科学院南沙综合科学考察队赵焕庭主编，南沙群岛及其邻近海区地质地球物理及岛礁研究论文集（二） .北京：科学出版社，160－165.

张明书，何起祥，业治铮，等，1989.西沙生物礁碳酸盐沉积地质学研究.北京：科学出版社，1－117.

赵焕庭，宋朝景，孙宗勋，等，1997.南海诸岛全新世珊瑚礁演化的特征.第四纪研究，301－309.

赵焕庭，宋景朝，余克服，等，1994.西沙群岛永兴岛和石岛的自然与开发．海洋通报，13（5）：44－56.

赵军，温忠辉，束龙仓，等，2009.海岛淡水透镜体形成及倒锥演变规律分析.工程勘察，（5）：40－44.

赵素丽，2007.西沙珊瑚岛礁淡水透镜体的生物修复试验研究.水处理技术，33（8）：77－78.

甄黎，周从直，束龙仓，等，2008.海岛淡水透镜体演变规律的室内模拟实验.吉林大学学报（地球科学版），38（1）：81－85.

中国科学院南沙综合科学考察队（赵焕庭主编），1996.南沙群岛自然地理.北京：科学出版社，1－401.

周从直，方振东，官举德，等，1999.珊瑚岛礁淡水透镜体的模拟与开发利用.杭州应用工程技术学院学报，11（1－2）：16－20.

周从直，方振东，梁恒国，等，2004.珊瑚岛礁淡水透镜体的数值模拟.海洋科学，28（11）：77－80.

周从直，方振东，梁恒国，等，2006.雨量变化对珊瑚岛礁淡水透镜体的影响.中国给水排水，22（1）：53－57.

周从直，赵素丽，谯华，2008.珊瑚岛礁淡水透镜体的生物修复研究.海洋科学，32（4）：68－73.

朱庭祜，1928.西沙群岛鸟粪.两广地质调查所年报，（1）：99.