海島下藏著“淡水池” 特殊“圍脖”使居民用水實(shí)現(xiàn)自給自足

對于遠(yuǎn)離大陸的海島來說，淡水資源是稀缺品。但其實(shí)，這些海島下方，就“自帶”大量淡水。這些淡水經(jīng)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來并開發(fā)利用，那海島就可以實(shí)現(xiàn)自給自足，極大降低經(jīng)濟(jì)、生態(tài)成本。

河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任魯春輝教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)耗時(shí)兩年，發(fā)現(xiàn)在海島外部區(qū)域，“圍”一層低滲透性介質(zhì)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(fā)表在水文水資源領(lǐng)域國際頂級期刊《水資源研究》（《Water Resources Research》）上。這種增加海島地下淡水資源儲量的方法也是國際上首次提出。

“骨質(zhì)疏松”的海島，是天然蓄水池

2年前，魯春輝回到老家江蘇南通的陽光島，發(fā)現(xiàn)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(fā)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，島上的淡水供應(yīng)，要靠輸水管道運(yùn)送上去。當(dāng)?shù)睾軗?dān)憂，萬一水資源斷了，那島上的生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國大小島嶼6500多個，有人居住的海島約450個。

進(jìn)入21世紀(jì)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(fā)建設(shè)，相關(guān)水資源供給問題日趨緊張，僅僅通過船運(yùn)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需求。因此，如何提高淡水資源安全保障能力是海島開發(fā)亟待解決的問題。

其實(shí)，海島的淡水資源開發(fā)存在“燈下黑”，每一座海島就是一座天然的淡水池。“通常，海島的‘土質(zhì)’都比較稀松，因?yàn)橥杆�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(jìn)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。

“這些匯集在海島地下孔隙中的淡水，會隨著海平面上升或降雨量減少而不斷減少。然而，國內(nèi)外學(xué)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(jī)理、開采方式等領(lǐng)域。”站在如東的海邊，魯春輝教授突發(fā)奇想，有沒有可能找到方法，增加海島地下淡水儲量呢？

包一層低滲透隔離帶就能存下更多淡水

幸運(yùn)的是，魯春輝get到的科研領(lǐng)域，此前尚未有相關(guān)研究成果發(fā)布，學(xué)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(zhì)條件、島嶼的幾何形態(tài)、地下水的回補(bǔ)、潮汐等。“有沒有可能在海島周圍圈上一層隔離帶，讓海水進(jìn)得更少，從而增大淡水儲量呢？”在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國家自然科學(xué)基金的資助下，魯春輝團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室搭建起一座座砂槽，以不同粒徑的沙子充當(dāng)?shù)叵虏煌瑵B透性的介質(zhì)，來模擬不同情境下淡水透鏡體的變化。

在實(shí)驗(yàn)室里，他們在一個玻璃槽里填進(jìn)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，來模擬降雨過程。在砂子的左側(cè)，他們又填進(jìn)更細(xì)的砂子來模擬低滲透性介質(zhì)，再從砂槽左側(cè)輸入海水，模擬該降雨強(qiáng)度下細(xì)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，他們用相機(jī)拍攝記錄一次咸淡水交界面位置的變化。

最終，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外部砂子的滲透性減小到海島原始砂子滲透性的十分之一時(shí)，增加淡水儲存的效果相當(dāng)顯著。當(dāng)然，這還受制于海島尺寸、降雨強(qiáng)度、海島深度等因素。

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

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

“當(dāng)然，砂子也只是其中一種可用來實(shí)現(xiàn)低滲透層介質(zhì)，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(yùn)大陸淡水、海水淡化等措施相比，這種方法的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性較高，可以提高海島的獨(dú)立生存能力，實(shí)現(xiàn)淡水的自給自足。

“對于已經(jīng)形成的海島，可以進(jìn)行改造，對于未建或在建的海島，還可指導(dǎo)設(shè)計(jì)。”魯春輝說。