太平洋典型海岛淡水透镜体特征与地下水开发利用关系分析——以Saipan海岛Ocean Vista Resort项目为例

赵 斌，张明科，杨圣安，张雪丽

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

Saipan为西太平洋北马里亚纳群岛的15个岛屿之一，是北马里亚纳群岛的首府，西南临菲律宾海，北临太平洋。全岛东西宽2.2～10.5 km，南北长度23 km，中部高四周低，海拔标高0～487 m，区内山脊平滑、山坡平缓，部分地段基岩裸露，面积185 km2，人口约8万。Ocean Vista Resort为一处大型休闲度假酒店，位于Saipan中央山脉中部西侧，交通便利，项目所需供水量较大，但海岛地域狭小，地层透水性极强，地表水资源匮乏，地下水开发难度较大，亟需对海岛水文地质条件和淡水透镜体进行研究，为项目寻找稳定的水源。

1 地质概况

1.1 地层与构造

Saipan地层分布较为简单，第四系松散岩分布于近海岸线附近，为海相沉积物，岩性为粗、中、细砂；礁灰岩为本区主要地层，裸露分布于全岛，为不规则状的骨架灰岩体，溶蚀裂隙极发育，裂隙产状倾向多在150°～170°之间，倾角均大于80°，裂隙发育密度7条/m2，有利于降水入渗；火成岩(安山岩)分布于礁灰岩之下。

区内分布有4条推测断裂，为F1、F2、F3、F4断层(见图1)，其中：F1断裂在勘查区内呈NNW-SSE向展布，长度1.18 km；F2断裂在勘查区内近南北向展布，长度2.59 km；F3断裂在勘查区内呈NWW—SEE向展布，长度2.34 km；F4断裂在勘查区内呈NWW—SEE向展布，长度1.08 km。

图1 地形与构造分布图

1.2 水文地质条件分析

Saipan岛属亚热带海洋气候，无冬夏之分。多年平均气温28℃～29℃。多年平均降水量2 108.2 mm，7-8月份为雨季，12月-次年2月份为旱季。地表无常年性河流，唯一淡水湖位于Saipan岛的西南角，面积约0.17 km2。Saipan岛地层主要为第四系松散岩和基岩，基岩包括地表出露的礁灰岩和深部火成岩。根据研究区岩性特征，将研究区归纳为三个含水层(组)，由上而下为。

1.2.1 第四系松散岩类孔隙含水层

零散分布，环岛近海岸线附近为海相沉积物，岩性为粗、中、细砂，中低山区为第四系残坡积物，岩性主要为粘土、粉质粘土、粘土砾石等，一般厚度0～0.5 m，第四系松散岩类孔隙水赋存于局部的沟谷地带，不构成统一含水体，但可作为灰岩岩溶裂隙水补给。

1.2.2 裸露型灰岩含水层

礁灰岩分布于全岛，为裸露型灰岩含水层，溶蚀裂隙、溶孔、溶洞发育，富含地下水，呈凸园状透镜体覆盖在海水入侵咸水体之上，地下水为潜水性质，海岸线附近地下水位和海平面基本一致，在向岛中心地下水埋深逐渐增大，水位略高出海平面。

1.2.3 火成岩构造裂隙含水带

礁灰岩之下，推测为安山岩，构造裂隙发育，基岩构造裂隙水呈条带状赋存于断层破碎带中，地下水呈承压水性质，地下水头高出地表，为自流井。

Saipan地下淡水唯一补给为大气降水。降雨随高渗透性的礁灰岩渗透到地下，并在地下向海边运移，最终在海岸带排出，形成悬浮在咸水上的淡水透镜体，淡水透镜体的形状呈凸圆状。根据吉本一赫兹伯格关系：海平面上每1m的淡水，海平面以下便有40 m的淡水与之对应。人工开采为岛上地下淡水的主要排泄方式，对淡水透镜体的钻探深度随着向内陆的推进而迅速增加。(见图2～图3)

图3 地下水补径排条件示意图

2 水源类型及潜力分析

依据以上认知，本次研究选取了区内有代表性的民井对主要含水岩层、淡水透镜体的赋存状态、抽水时水中氯化物的变化情况、淡水透镜体的厚度变化规律等方面开展了针对性研究。

2.1 饱和碳酸盐岩含水层特征

饱和的石灰岩地层为岛上的主要含水层。雨水浸润着高渗透性的石灰岩，并且在岛上储存有一个淡水体。与其他海岛类似，Saipan岛上的地下淡水水体下部为咸水。一小部分地下淡水被水井抽出来，但是井水水质和供水的可持续性受到了过渡抽水或者持续的干旱少雨天气的影响。

地下水水位受海洋潮汐影响的含水层(沿海含水层)。与其他海岛情况类似，Saipan上大部分的可利用地下淡水资源存在于沿海咸淡水含水层系统之中，具体来说，是一个透镜状的淡水水体和微咸水漂浮在岛中密度更大的咸水之上。岛上的大部分地下水取自于马里亚纳灰岩含水层，这是一个由坚硬的，孔隙发育的，碎屑状的灰岩组成的沿海含水层，通常包含有一些源自于火山碎屑岩的沉积物。

2.2 淡水透镜体的赋存状态

Saipan岛淡水透镜体理论上与实际情况的差异。赫茨伯格原理通常用来将淡水透镜体的厚度与淡水和咸水之间的密度差异联系起来。该理论指出淡水和咸水的接触面低于海平面，海平面以下淡水厚度为海平面之上淡水厚度的40倍。事实上，咸淡水的分界线并不是一个薄薄的界限，而是一个咸淡水的过渡带，在过渡带内水的密度由淡水向咸水逐渐。多个领域的研究均已发现，赫茨伯格界面所对应的深度大约处在咸淡水混合密度50%大小处。在含水层渗流系统平衡的条件下，如果过渡带的宽度相对于淡水透镜体的厚度相差无几，则赫茨伯格理论可以提供一个淡水深度的合理估值。

从井中抽取地下水时，一小部分地下淡水资源可以源源不断的从井中提取出来，这可以袭夺一部分自然的排泄量，同时，淡水透镜体收缩，微咸水或盐水向上和向陆地侵入以前含有淡水的含水层(图4)。淡水透镜体中水是持续循环流动的，降水入渗补给含水层，由于摩擦阻力使得地下水聚集从而形成一个淡水透镜体。地下淡水由于重力向海岸流动，在海岸附近地下水向海水渗流排泄或者作为海岸线泉水或者海底泉水排泄(图4)。在诸如Saipan岛的小岛上，咸淡水的过渡带主要是由于潮汐所形成。

淡水透镜体中水是的持续循环流动的，降水入渗补给含水层，由于摩擦阻力使得地下水聚集从而形成一个淡水透镜体。地下淡水由于重力向海岸流动，在海岸附近地下水向海水渗流排泄或者作为海岸线泉水或者海底泉水排泄。

图4 高渗透性灰岩含水层中开采地下淡水对地下水的影响

2.3 井水中氯化物的浓度的变化与井位选取

井水中氯化物的浓度—氯化物的浓度是衡量地下水盐度的一个重要指标，当地环保局建议的应用水的盐度标准最高浓度不得超过250 mg/L(约为海水中氯化物浓度的1.3%)。

Saipan年降雨量约为2 400 mm，并且有明显的雨季和旱季之分。Saipan上所有的地下淡水资源均由降水补给。本次钻孔抽水试验显示，地下水的氯化物浓度过渡带呈倒锥形向上扩展，对Ocean Vista Resort项目来说，水井的分布、间距、深度以及抽水的速率会直接影响到可供水量。此外，生产水井所抽取的地下水氯化物的浓度取决于水泵进水部位所处在咸淡水过渡带的位置。当水井不断抽水时，过渡带向淡水扩展。从历史上看，许多海岸线含水层中的生产水井是完整的，并且深入到咸淡水过渡带或者接近地下淡水的底部。Ocean Vista Resort项目水源井的下泵段不宜深入过渡带。

岛上主要赋水地层-礁灰岩垂向裂隙极其发育，透水性极强，难以长期存水。受降雨分布不均，旱季、雨季透镜体的厚度变化大，此外，随着水井数量的增多，井群干扰也会导致咸水倒锥形向上扩展，数据说明岛上采样供水井大规模开采地下水可持续性不强。

2.4 淡水透镜体的厚度变化规律

一些监测井中地下淡水透镜体厚度的变化是由于季节性补给量的变化和干旱所致，并且很可能与不断抽取地下水有关。旱季的降雨补给量的减少和排泄量的增加导致地下淡水透镜体变薄。在一个正常的雨季过后，淡水透镜体的厚度会因为补给量的增加而增大。

通过Saipan岛中部和南部的垂向剖面显示：沿海岸线向岛屿中心方向，淡水透镜体的厚度由极薄变为厚层。在Isley Field附近，垂向上淡水透镜体比较薄的原因可能是咸水的入侵导致地下水退化。淡水透镜体在达到海岸线之前尖灭可能是由于地下水的退化和高渗透性灰岩与海岸沉积物在海底混合联合造成的。在饮用淡水透镜体尖灭的地方和海岸线附近，苦咸水沿淡水体界线分布。

一般情况下，对于一个给定的补给，低渗透岩石的存在导致高水位和厚淡水透镜。相反的，对于一个给定的补给，高渗透岩石的存在导致低水位和薄淡水透镜体。

3 结语

Saipan主要含水层由局部包含了火山碎屑沉积相的礁灰岩组成，大部分可用的新鲜的地下水赋存在淡水—咸水沿海地下含水层中。Saipan所有的淡水补给均来源于降水，淡水透镜体厚度的变化受季节性交替，整体上在岛中心位置厚，在朝向海岸线方向相当薄。Saipan限制饮用水可利用性的因素是海水入侵、井群干扰导致地下水位降低和向海洋排泄。

综上，Ocean Vista Resort项目水源基地应合理布置钻孔，间隔越大进行抽水，补给量越大，矿化度越小。另外，需考虑找出饮用淡水透镜体最厚的井的位置，确认井深没有揭穿相邻的过渡带，并确定可以保持不会造成咸水入侵的井中泵的速率。本研究结果适用于同类型岛屿的供水水源开发。