永兴岛淡水透镜体的时间变化规律及其影响因素

黎大宁，许洁馨，赵 辉，陈 举，盛 冲，陈法锦

（1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2.中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301；3.广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室，广东 湛江 524088）

珊瑚岛地下淡水存在形态为中央厚，边缘薄，宛如一枚透镜，故称为淡水透镜体[1]。透镜体淡水是珊瑚岛上宝贵的淡水资源，是主要饮用水源，它的开发和利用可基本解决或极大缓解岛屿的供水困难，有极大的经济、军事和社会效益。为此，学界就淡水透镜体的生消和透镜体淡水的合理开发利用、保护修复等问题开展了调查研究、勘探、室内测试与数值模拟[2-9]。

永兴岛是三沙市人民政府驻地，也是中国南海诸岛政治、经济中心，是南海自然形成岛屿面积最大的灰沙岛，而淡水透镜体是永兴岛唯一的天然地下淡水源，直接影响岛上居民的生产生活和岛屿生态环境[10]。科研人员通过分析岛屿面积大小、水文地质特性、降雨与地下水抽取、潮汐、植被等自然和人为因素，研究永兴岛淡水透镜体的大小、厚度、水质[2-3,10]，并应用Ghyben-Herzberg关系和质量守恒关系导出永兴岛淡水透镜体的数学模型模拟透镜体的演变过程，通过数值求解获得永兴岛淡水透镜体的包络面，制作永兴岛淡水透镜体等深图和淡水透镜体三维视图[1-2]；采用二维数值模型或变密度流构建的淡水透镜体三维数学模型，求得永兴岛淡水贮量变化较降雨量变化均滞后1 ~ 2个月，淡水透镜体最大厚度 < 20 m[11]。国内针对永兴岛地下淡水透镜体的研究主要以实验室测定或数值模拟为主，虽对制定淡水透镜体开采策略和管理保护措施，预测珊瑚岛淡水透镜体的动力学过程有重要作用，但这些成果多基于单一物理模型，存在较多不确定性，不能真实反演淡水透镜体的赋存演化机制，在具体地下水抽取管理工作中易误导并造成过量开采，而且由于缺乏实测资料，对永兴岛淡水透镜体的时间变化特征并不清楚。本研究对永兴岛淡水透镜体进行长时间序列、高分辨率、多参数现场观测，获得1 a的水位、气象数据以及1季度的潮汐资料，并结合卫星遥感数据，从气候态角度出发，探索永兴岛淡水透镜体的演变规律，分析淡水透镜体的时间变化特征及其影响因素。

1 数据及方法

1.1 观测数据

2014年12月至2015年12月，在永兴岛中部的钻井孔（图1，16.83º N，112.33º E，海拔高度4.0 m）使用LTC三参数仪（Solinst levelogger model 3001 LTC F100M30）获得透镜体淡水温度、水压和电导率的时间变化数据。仪器位于井口下方6.05 m处，采样频率为10 min/次。盐度数据使用MATLAB R2017a工具包Seawater_v3.3，根据LTC电导率反演计算得到。同时在永兴岛中部、西北礁缘分别布设气象站、波潮仪，同步观测气温、气压、湿度、降水和潮位，采样频率为10 min/次。月平均海平面高度数据来自PSMSL（Permanent Service for Mean Sea Level http://www.psmsl.org/data/obtaining/stations/1745.php）。将2015年分为4个季度，冬、春、夏、秋分别以1月、4月、7月、10月为中间月份前后各延伸1个月份。

1.2 计算方法

图1 永兴岛监测井示意图Fig.1 Schematic diagram of Yongxing Island monitoring well

通过室内实验测定，把咸淡水分界面Cl-的质量浓度定义为600 mg/L，海水分界面对应的Cl-的质量浓度是19 000 mg/L，当海水密度为1 025 kg/m3时[2]，则咸淡水界面对应的氯度和电导盐度S[12-14]分别为 0.585、1.057，则海水分界面对应的氯度和电导盐度分别约为18.537、33.488。因是定点观测，位于淡水透镜体到高盐水过渡区（即卤水区）内不能直接观测到淡水透镜体的厚度，因此本研究以实用盐度1和33分别界定淡水透镜体的淡水与咸水、咸水与海水的分界线，同时假设水位为0 m（即淡水透镜体上表面）处的水体实用盐度为 0，通过线性插值可得观测点淡水透镜体厚度。

对地下水水位、水温、电导率与潮汐、气象要素间进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 淡水透镜体季节变化特征

淡水透镜体温度、盐度和水位随时间的变化见图2。图2可见，温度和盐度有明显的季节变化，而水位季节变化不明显。其中，淡水透镜体温度从冬季开始逐渐降低，温度下降约1.5 ℃，在秋季温度略有升高，月平均温度由大到小依次冬季、秋季、春季、夏季，最低温度出现在6月17日，为24.4 ℃；盐度变化，冬季月平均盐度为14.4，春季月平均盐度全年最低，为 12.72。但春末盐度却急剧上升，夏季达到最大，月平均盐度为19.38，与温度相反，递增幅度达34.58%，秋季盐度略有下降，但月平均盐度13.05仍高于春季。与温度和盐度不同，水位的季节变化并不明显，全年的平均水位为 5.8 m。说明淡水透镜体在夏季表现为低温高盐，冬季表现为高温低盐，这种变化并非由水位变化引起。

图2 永兴岛淡水透镜体温度、盐度和水位的时序Fig.2 Timing diagram of temperature, salinity and water level of the freshwater lens on Yongxing island

图3表明，气温有明显的季节变化，冬季最低，最低温度 19.9 ℃；夏季最高，最高温度 32.6 ℃。表1表明，气温和淡水透镜体水温相关系数达0.24，但气温的变化趋势与淡水透镜体水温的变化趋势相反，说明冬季淡水透镜体水温升高所吸收的热量并不直接来源于大气。另一方面，冬季和夏季的气温差达12.3 ℃，而淡水透镜体水温差仅3.7 ℃，进一步说明淡水透镜体水温变化与气温变化基本不相关。湿度全年无显著的季节变化，其对淡水透镜体的季节变化贡献不明显。气压也存在着明显的季节变化，夏季气压最低，冬季和春季的气压较高。虽然气压的季节变化趋势与温度类似，但相关性分析（表1）显示气压与淡水透镜体季节变化的相关性不高。降水是淡水透镜体的主要淡水来源。从降水变化曲线可见，永兴岛夏秋季为雨季，降水量达全年降水量的70%；而秋季的温度、盐度和水位均有一个跳跃性的变化，表现为温度上升、盐度下降、水位上升（图2）。这个变化过程与秋季降水的变化趋势一致，可认为降水变化导致秋季淡水透镜体的变化。而在其他降水较少的季节，尤其是单次降水量较小的降水过程中，淡水透镜体的变化并不明显。相关性分析表明，降水过程与淡水透镜体的长时间季节变化并无影响，其对淡水透镜体的影响主要集中在雨季。综上所述，大气因素对淡水透镜体的季节变化影响不大，透镜体对大气因素的响应不显著，这可能是因为淡水透镜体潜藏地下，仅少数的水井裸露在外，并且岛屿上没有开阔的水域水面与大气接触。

图3 永兴岛2014—2015年的气温、湿度、气压和降雨量时序Fig.3 Temperature, humidity, pressure, and precipitation time series of Yongxing Island from 2014 to 2015

表1 相关性分析Table 1 Correlation analysis

此外，海平面高度也可能影响淡水透镜体的季节变化[15]。从图4看出，冬季平均海平面高度6.92 m为全年最低，然后春季缓慢上升，在夏季达到全年巅峰7.14 m，之后在秋季慢慢回落。相关性分析结果（表1）显示，平均海平面高度与盐度的相关系数达到0.70，为显著正相关，而平均海平面高度与水温的相关性系数为-0.81，呈显著负相关关系。说明淡水透镜体盐度和温度的季节变化与海平面高度密切相关，海平面高度的变化趋势和盐度基本相同，进一步表明淡水透镜体的盐度季节变化可能与岛屿附近的平均海平面高度变化相关。虽然水位的季节变化并不明显，但水井水位变化仍可一定程度上反映平均海平面高度。图5表明，从2013年起永兴岛附近的平均海平面高度呈下降趋势，线型拟合的结果表明平均海平面高度下降了约3.5%。比较钻孔观测开始时的水位和观测结束时的水位（图6），可算得水位下降约 3%，说明淡水透镜体水位可反映平均海平面高度的变化。这一现象与Oberle等[15]的结果类似，即淡水透镜体会对平均海平面高度变化进行响应。

通常，海水入侵淡水透镜体的机制主要有两个：一是由于咸淡水高度差引起的咸水向陆地渗流，即流体运动；二是因为咸淡水中盐度的差异引起的咸水向陆地扩散，即溶质运动[16]。第1种机制淡水透镜体水位有明显变化，而第2种机制仅因为咸水的扩散导致淡水透镜体特性变化，水位并没有明显上升。Werner等[17]建模认为，在稳定的补给条件下，海平面上升，海水入侵距离并不明显，即水位变化并不明显，但是咸水边缘变化对水文地质参数变化较为敏感。Ferguson等[18]研究表明，只有水力梯度很弱的含水层才会受海平面影响。平均海平面运动属于大尺度长时间的海水运动，溶质运动相对于流体运动更为显著[20]。本研究的水位并没有明显的季节变化，但盐度与平均海平面高度变化之间的高相关性说明平均海平面高度变化通过溶质运动的方式影响淡水透镜体的季节变化。

图4 2014—2015年海平面高度和15 d滑动平均后的盐度变化时序Fig.4 Mean sea surface height near Yongxing Island from 2014 to 2015 and time variation of 15-day smooth salinity

图5 2013—2017年永兴岛附近海域平均海平面变化时序Fig.5 Mean sea surface height near Yongxing Island from 2013 to 2017

图6 2015年钻孔观测的水位变化Fig.6 Change of water level observed by drilling in 2015

2.2 淡水透镜体日变化特征

淡水透镜体除有明显的季节变化外，还存在明显的日周期变化（图2）。从图2可见，淡水透镜体的水位、温度和盐度均以1 d为震荡周期的扰动并且同步变化，即水位升高时温度降低、盐度升高，平均温度下降幅度约为2 ℃，盐度上升到约29，基本接近海水的盐度，水位扰动范围为 5.2 ~ 6.3 m，表明温度和盐度的日变化和水井水位变化密切相关。

图7为观测水井冬季的水位扰动与外海潮位扰动的对比。从图7可见，水井水位的变化规律与潮位扰动相同，即潮位上升时，水位也同步上升，反之亦然。潮位的振幅比水位大，平均潮位的扰动比水位大0.2 m。在大潮期，水位最大涨幅为0.6 m，而小潮期的水位增长较小，为 0.2 m。说明水井的水位变化与潮汐变化显著相关。相关性分析表明，水位变化与潮位变化显著正相关，相关系数高达0.97（表1）。对水位和潮位做3 h的超前和滞后相关性分析，结果表明超前相关系数迅速降低，说明不存在超前响应特征。滞后分析显示，潮位最高时，水位在滞后 10 min后也达到高值，相关系数最大0.96，随后相关系数迅速回落，相关系数随着滞后时间递增逐渐递减。说明永兴岛地下淡水透镜体水位对潮位的响应有较好的同步性，无明显的滞后效应。温度和盐度与潮位的相关性分析表明，温度与潮位呈负相关，相关系数达-0.36，而盐度与潮位呈正相关，表明潮位上升时水位上升、温度下降、盐度上升。鉴于永兴岛地下含水层是一多孔介质含水体系[21]，永兴岛四周海水通过孔隙和溶洞从岛屿底部渗透进岛屿内部，西永1井钻井发现永兴岛地下30 m存在溶洞与大海相通①，潮水对淡水透镜体有顶托作用，水位与潮位相互作用响应更为灵敏。

此外，永兴岛面积小，孤立于深海之中，潮汐信号强度较大。Gingerich[16]指出，水位对潮汐信号的响应受监测井的深度及水井与海岸线的距离影响，距离越短，潮汐越强，滞后越短。因此，淡水透镜体的日变化主要是因为潮位变化影响了淡水透镜体的水位变化，从而导致温度和盐度的日变化，对其季节变化影响不大。潮位变化对淡水透镜体的影响机制主要是上述海水入侵的第一种机制，即海水水位变化，导致水头变化，从而改变水流的运动方向，涨潮时水由海向陆运动，导致水位上升，从而引发盐度和温度的变化，反之亦然。

图7 冬季观测水井水位扰动与永兴岛外海潮位扰动Fig.7 Water level of the well and tidal level near Yongxing Island in winter

由图8可见，在夏秋季，由强降雨天气造成随着水位升高，水温升高，而盐度降低，尤其在9月和10月出现一个显著降低的过程，2015年10月14日下午2点达到全年最低值2.06，随后盐度缓慢回升；同时，水温有明显的上升，增加约2 ℃，但水位的变化并不突变。表明在此过程中水井水位的变化对水温和盐度的变化影响不大。并且，在此过程中水温、盐度和水位的日变化明显削弱。在此期间，发生了两次不同类型的降水过程，分别为9月13日至9月17日的连续式降水和10月3日至10月 12日的间歇式降水，两次降水过程降水总量相当，但淡水透镜体反应并不相同。9月13日记录的降水事件持续4 d，总降水量达159.51 mm，相当于全年降水（2015年全年降水量为 856.99 mm）的18%，其表现的降雨过程为连续式降水。在降雨过程发生后，淡水透镜体迅速响应，盐度变小，在72 h内盐度减小71%，最低达3.9，同时水温迅速上升，这是因为降水过程中，大量的热量通过降水进入淡水透镜体，迅速加热上层水体温度。降水过程结束后，盐度缓慢上升，水温下降。经过约5 d，淡水透镜体盐度恢复至降水前的78%，达到11，温度整体较降水前上升约1 ℃。而10月3日和10月12日出现的降水过程为间歇式的降水，总降雨量达166.17 mm，与9月观测到的降雨过程强度相当，但中间间隔6 d，淡水透镜体的水温和盐度对其的响应与之前的一次降水过程并不完全相同。在 10月3日降水之后，盐度迅速下降，温度上升。在第1次降水结束后，温度在24 h内恢复到降水前的温度，而盐度回复速度变慢，结束降水5 d后盐度仅为7。淡水透镜体对第2次降水反应更为迅速，在10月12日降水发生时，淡水透镜体的水温急剧上升，盐度急剧下降，最低盐度达2.7，降水结束后8 d方恢复至降水前的80%，同时水温亦恢复至降水前水平。值得注意的是，淡水透镜体受降水影响时，日变化明显减弱。淡水透镜体对降水的响应很大程度上依赖降水的时间和强度。这是因为降雨是透镜体淡水的主要来源之一。在降水后，大量的淡水通过表面渗流进入淡水透镜体，使得透镜体上层淡水厚度变大，淡水与咸水的界面变深，盐度梯度变大，相应的垂向混合减弱。因此在降水过程中，观测到的水温和盐度的日变化减弱，潮汐对上层水体的影响减弱。在降水后，由于潮汐影响，海水侵入，导致淡水逐渐与盐水混合，盐度逐渐上升。持续强降雨后，盐水和淡水的界面在水位持续震荡下逐渐下降，而第2次间歇式降水会加强过渡层的盐度梯度，增强水体稳定性，减慢混合速率，因此需要更长的时间方使淡水透镜体的水温和盐度恢复至降雨前水平，间歇式降雨过程更有利于维持透镜体上层淡水。

图8 2015年9月10日至2015年10月31日观测到的降水 、温度、盐度和水位的时序Fig.8 Observed precipitation, temperature, salinity and water level from September 10 to October 31, 2015

3 结语

淡水透镜体对气候尺度过程的响应必须依赖长时间高分辨率的水文观测。本研究分别讨论潮汐引起的海平面高度变化和平均海平面高度变化对淡水透镜体的影响，发现潮汐引起的海平面高度变化主要影响水位的变化，从而导致观测的水温和盐度的扰动，而平均海平面高度变化更多地是直接影响淡水透镜体的水温和盐度，对水位影响较小。诚然，珊瑚岛屿附近海平面高度变化对淡水透镜体的水温、盐度和水位有着不可忽视的作用。值得注意的是，在夏末秋初，淡水透镜体出现一个明显的盐度变小过程，主要与当地强降雨有关。但不同时间尺度的变化过程如何影响淡水透镜体的特征仍需更多的观测数据，其机制分析也需进一步研究。

① 曾鼎乾.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, 1990: 117-141.