自然因素对于密克罗尼西亚环礁岛屿大小和淡水透镜体形成的影响

（1）气候

气候因素主要指降雨的均值和随时间的变化以及厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）引起的干旱。降雨的雨量与模式对淡水透镜体的水量和水质有明显影响。珊瑚岛虽然分布于热带海域和有暖流经过的洋面，雨量充沛，但是地域不同，雨量就有差异，如我国西沙群岛多年年均雨量为1 500 mm，印度洋上的Cocos（Keeling）群岛年均雨量1 950 mm，迪科加西亚年均雨量2 700 mm，而西南太平洋密克罗尼西亚的Deke、Pingelap和Ngatik等岛屿的年降雨量达到4 000 mm。一般而言，在其他条件相同或相近时，雨量多，透镜体厚；雨量少，透镜体薄。降雨模式的影响也很显著，年内和年际的降雨不均，会引起透镜体厚度和贮量的变化。我国西沙群岛每年6—11月为雨季，降雨量可达全年雨量的85%，12月至次年5月为旱季，降雨量仅占全年的15%，透镜体的厚度与贮量也就随着雨季、旱季的交替而涨缩。以西沙永兴岛为例，淡水透镜体8月份的厚度最大，4月份的厚度最小，最大厚度差值为4月份最大厚度的7%；4月份淡水透镜体的淡水贮量最小，8月份贮量最大，差值为4月贮量的9%。淡水透镜体厚度和贮量也随年降雨量而变化：丰水年和枯水年淡水透镜体的最大厚度，分别比平水年最大厚度多2.33%和少9.88%；丰水年和枯水年淡水透镜体的贮水量，分别比平水年贮水量多7.24%和少16.45%。特别是几年一次的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）发生时，西太平洋、印度洋及毗邻地区，就会发生严重的干旱现象。1987年是厄尔尼诺发生年，永兴岛的年降雨量仅801.3 mm，为多年平均降雨量的53.4%。在密克罗尼西亚（FSM），1998年剧烈的厄尔尼诺引起了严重干旱，Pohnpei地区的雨量降至1953—2001年有记录以来的最少值，元月的降雨量仅16.2 mm，如图2.10所示。由图可见，紧接在1997年厄尔尼诺之后的1998年前几个月雨量特别稀少。FSM各岛淡水透镜体的厚度剧烈降低，以Yap和Pohnpei两地的降雨模式进行模拟的结果，一个宽度为600 m的迎风岛，在干旱峰值时期，透镜体的厚度降到7 m，而在常年降雨条件下，透镜体的平均厚度为12 m；对于宽400 m的背风岛屿，在干旱峰值时期，透镜体的厚度降到了3 m。许多岛上的淡水透镜体被耗尽，井水变咸，不得不靠船运水维持生活。另外，透镜体损耗的恢复十分缓慢，从一次6个月的干旱中恢复过来，大约需要18个月的时间。

图2.10　密克罗尼西亚Pohnpei地区的雨量分布

（2）水文地质特征

珊瑚岛含水层具有独特的地质构造，是由地表全新世碳酸盐沉积含水层覆盖于更新世的喀斯特含水层上而构成的。两含水层间的不整合面在海平面以下15～25 m。淡水透镜体就驻留于不整合面之上的全新世沉积层中。水文地质特征主要是指不整合面上、下含水层中渗透率的分布，裂缝、孔隙和灰岩溶洞的发育状况，以及不整合面的深度。裂隙、孔缝在透镜体淡水和海水之间起连接纽带作用，为海水和淡水的混合提供了通道。当海潮引起震荡时，这些通道中产生的水力弥散便会在海水和淡水之间形成较厚的过渡带，因此，裂隙溶洞决定了透镜体的外形；不整合面深度，往往是淡水透镜体厚度的主要控制因素。因为不整合面之下的更新世地层受到过强烈剥蚀，有很高的渗透率，水力传导系数可高达1 000 m/d，有的岛屿甚至更高。当潮汐通过高水力传导系数的含水层横向和向上传播时，在水平及竖向上，极易发生海水和淡水的混合，淡水难以保存；而在不整合面之上，全新世含水层的渗透率小，水力传导系数比更新世含水层的水力传导系数小1～2个量级，流动会受到比更新世含水层更大的阻力，海水不易进入，淡水也不会快速流失，这一阻力的存在有利于淡水透镜体的生成与保留。特别地，当珊瑚岛面积较大、降雨丰盛、回补率足以使透镜体底部延伸至不整合面以下时，更新世地层中的充分混合，将使淡水透镜体截止于不整合面，形成一个平底透镜体，如图2.11所示。图中（a）为均质含水层岛屿透镜体；（b）为双含水层岛屿透镜体，下含水层具有高水力传导系数，由于气候与地质原因，透镜体尚未达到不整合面；（c）为双含水层岛屿透镜体，透镜体足够厚，被不整合面截平，呈现出一个截平透镜体。这样，不整合面的存在与深度确定了全新世含水层中淡水透镜体厚度的上限。对于小岛以及全新世含水层具有较高水力传导系数的岛屿，淡水透镜体相对较薄，其底部达不到不整合面断面（图2.11（b）），这些岛屿的透镜体剖面底部埋深浅，呈弧形，不整合面的影响微不足道。

图2.11　淡水透镜体切面示意图

（3）岛屿位置与大小

岛屿位置指礁盘上珊瑚岛相对于主导风的位置，可分为三种：迎风、背风和侧风，如图2.12所示。

图2.12　密克罗尼西亚的Sapwuahfik环礁

迎风、背风位置决定了岛屿全新世未胶结沉积层的颗粒构成和岛屿大小。迎风岛经受主导风的强力吹袭和海浪剧烈冲击，由较粗大的颗粒沉积构成，水力传导系数较大，岛屿面积一般较小；背风侧岛屿较少受风浪冲击，由细小颗粒沉积构成，渗透性低，水力传导系数小，岛屿宽度和面积大，承接的雨水多，生成淡水透镜体的地质空间也大，能支撑比迎风岛更大、更厚的淡水透镜。通常，决定岛屿淡水透镜体大小的控制因素是宽度和不整合面深度，分别见表2.12、图2.13和图2.14。表2.12和图2.13给出了太平洋和印度洋珊瑚岛在环礁上不同位置、宽度时，淡水透镜体最大厚度观测值，图2.13由表2.12绘成，表和图中的岛屿划分为迎风、背风和测风三类。背风岛淡水透镜体的厚度随岛屿宽度的增加而增加，其中大岛淡水透镜体在不整合面处被平截，表现为随大岛宽度增加，淡水透镜体厚度并不增加，如图2.14所示。这样的岛屿如太平洋中的Christmas和Laura岛，以及印度洋中的Diego Garcia环礁等。迎风岛上透镜体厚度的观测值较为分散，估计是由于主导风强度的变化引起的，这取决于环礁所处的地理位置。相应于主导风测向的岛屿，透镜体厚度的观测值无一定趋势可言。此外，对印度洋中South Keeling环礁的勘察表明：存在淡水透镜体的最小宽度为270 m，岛屿宽度小于这一值，降水很快流入海洋，不能形成淡水透镜体。

表2.12　太平洋和印度洋珊瑚岛位置、宽度与淡水透镜体最大厚度的观测值(www.xing528.com)

图2.14　背风岛的淡水透镜体厚度与截平

（4）地下水的回补

地下水的回补主要取决于雨量、植被总量和性质，以及土壤性质。总体上，透镜体的厚度随回补率的增加而增加，增加速率则随回补率增加而减少，直至中止于接近不整合面的透镜体底部。这种关系对于宽度大于600 m的岛屿尤为明显。对于宽度小于600 m的岛屿，要使透镜体的底部接近不整合断面，需要足够高的回补率。在厄尔尼诺年份，雨量稀少，干旱发生，加之植被蒸腾作用，回补量可能成为负值，表明淡水透镜头有水量净损失。在珊瑚岛的植被中，特别要指出的是椰子树。珊瑚岛地处热带，非常适合椰子树生长，很多珊瑚岛上种植了椰子树，并且生长茂盛。椰子树是深根植物，蒸腾量很大，在印度洋的Cocos群岛上，曾测得每棵椰子树的蒸腾量达70～130 L/d。椰子树的蒸腾损失和林木覆盖率有关，覆盖率越大，蒸腾量越大，当覆盖率达80%和100%时，蒸腾损失可达510 mm/a和560 mm/a。蒸腾量增大，回补率就将减小，对印度洋中Cocos群岛的水力平衡计算表明，不同透镜体的年均回补率几乎有2倍的变化。这一巨大差别主要由不同密度的椰子树引起，图2.15给出了东印度洋Cocos（Keeling）群岛几个透镜体回补率与地表树木覆盖率间的关系。由图可见，当椰子树的覆盖率由80%降到0.0时，回补量几乎有2倍的差别。因此，在需要将淡水透镜体作为地下水源的地方，应避免种植椰子树，以便减小蒸腾损失，增大回补率，最大限度地保证淡水供应。

图2.15　树木对年均回补率的影响

（5）潮汐

珊瑚岛水井中的水位每天都会波动，这是潮汐引起的。海水每天有2次潮汐。在西沙海域，平均潮差0.5～1.0 m，最大潮差2.0 m。淡水透镜体悬浮于海水之上，通过孔隙，溶洞与海水相通，潮汐会引起透镜体整体的涨落，但对透镜体的包络面几乎不产生影响。因此，在以淡水透镜体供水和淡水贮量为目的的研究中，通常不考虑潮汐的影响。如果要研究含水层对潮汐的响应，则可用潮汐效率和潮汐滞后两个指标来表征。潮汐效率定义为含水层中水头波动幅度与潮汐波幅之比；潮汐滞后是指含水层中水头峰值相对于潮汐峰值的延后，一般以小时计。潮汐响应主要取决于深度，在印度洋迪科加西亚环礁的军营区，接近潜水面，潮汐效率为4%～35%，而在深度-20 m的地方则为95%。潮汐滞后与潮汐效率相反，随深度增加从3 h减少到零。就一般珊瑚岛而言，对细小颗粒沉积物的岛屿，平均潮汐效率的典型值约为5%，滞后时间为2.5 h；粗大颗粒沉积物的岛屿，这两个值近似为45%和2 h。在喀斯特化的灰岩岛屿中，潮汐效率更高，接近50%，滞后时间更短，约为1.5 h。这种差异与珊瑚岛的双含水层结构紧密相关。以迪科加西亚环礁军营区为例，不整合面的平均深度为16.6 m。不整合面之下的更新世含水层，孔隙溶洞十分发育，水力传导系数很大，潮汐压力信号的传递速度接近1 km/s，几乎没有阻尼，因而潮汐效率高，滞后时间短或几乎无滞后；而在距地表15 m垂直距离内，水力传导系数小，阻尼大，因而潮汐效率低，滞后时间长。一般珊瑚岛也因地质结构不同，水力传导系数差异而引起潮汐效率和潮汐滞后的变化。

（6）其他自然因素

影响淡水透镜体的自然因素还很多，如海面上升、雨水下渗污染等。由于全球气候变暖、极地冰川融化、海水升温膨胀，引起海面上升。据统计，过去100年来，海面已上升12 cm，就目前的全球气候状态，海面还将上升。海面上升会对珊瑚岛礁淡水透镜体带来严重威胁。首先，海面上升，淹没侵蚀海岛，缩小陆地面积，减少回补水量，使透镜体趋于萎缩；其次，整体抬升淡水透镜体，向上压缩下边界，减小透镜体的生成空间，使透镜体厚度降低。这些都会使透镜体容量缩减。有学者在《气候变化对马尔代夫水资源的影响》一文中指出，如果海面上升1 m，会引起马尔代夫透镜体容积减少79%，淡水损失十分惊人。不过这一影响完全是依据岛屿自身对海面上升的响应而得出的，尚未取得学术界的一致认可。有新的研究指出：海面上升，高能海浪促使礁前侵蚀加大，能够提供更多沉积物在海浪冲上地表时堆积到岛上，岛屿也就可能保持和海面同步上涨。在这种情况下，透镜体容积不仅不会减少，反而会增加7%。无论是增加还是减少，海面上升无疑会对淡水透镜体带来极其重要的影响。这是当前一个非常值得探索的课题，直接关系到海岛国家的生存与大陆海滨城市的社会经济发展。

雨水下渗污染影响主要表现为对淡水透镜体水质的污染。雨水在渗入地下的过程中，会携带残枝落叶形成的腐殖质和生活污水等进入淡水透镜体，造成对淡水透镜体的污染，使水体带色，有异味，失去使用功能。