探索！中國(guó)科學(xué)家首提新方法增加海島地下淡水儲(chǔ)量

對(duì)居住在海島上的人們，淡水是稀缺資源。在開(kāi)山島上堅(jiān)守32年的“時(shí)代楷模”王繼才，起初有岸上定期送淡水，但他聽(tīng)說(shuō)每次送水的登陸艇，光是油錢(qián)就得花5000元時(shí)，就堅(jiān)決不讓人送了。

王繼才把雨水導(dǎo)到水窖里，又聽(tīng)從別人的建議，放泥鰍來(lái)凈化水質(zhì)。為了節(jié)約本就不多的雨水，即便是夏天洗澡，他和妻子王仕花也只用一臉盆的水。

我國(guó)是海洋大國(guó)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，面積達(dá)500平方米以上的島嶼6500多個(gè)，有人居住的海島約450個(gè)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船運(yùn)淡水、海水淡化、收集雨水等方法，越來(lái)越難以滿足日益增長(zhǎng)的淡水需求。

然而，淡化1噸海水需要耗費(fèi)近1噸柴油。如何提高淡水資源安全保障能力，是海島開(kāi)發(fā)亟待解決的世界性難題。

在河海大學(xué)，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任魯春輝教授，已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究了2年。

2年前，魯春輝回到他的家鄉(xiāng)江蘇南通，拜訪了洋口港先期開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域陽(yáng)光島。

“這座島在南通如東外海13公里處，由人工吹填而成，島上的淡水是用管道送上去的。”魯春輝說(shuō)，“當(dāng)?shù)負(fù)?dān)憂，萬(wàn)一水源斷了，島上的生產(chǎn)生活怎么辦?

在魯春輝看來(lái)，“骨質(zhì)疏松”的海，是天然的蓄水池。

“雨水落到海島上，小部分從地表流進(jìn)海里，還有很大一部分滲透到地下，匯集到海島地下的沙土或珊瑚礁的孔隙中。”魯春輝解釋，“因此海島下的淡水資源，就像‘燈下黑’，以往沒(méi)能得到太多重視。”

他介紹說(shuō)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海島地下淡水的研究，多集中在其形成與演變機(jī)理、開(kāi)采方式、影響因素等方面。“現(xiàn)在的問(wèn)題是，怎么把不多的淡水儲(chǔ)量變大?

“因?yàn)榈芏缺群Ｋ。栽诖蟛糠趾u的地下，淡水就像‘漂浮’在海水上，形成類似透鏡的狀態(tài)。”魯春輝告訴記者。

“我們叫它‘淡水透鏡體’。”魯春輝說(shuō)，淡水透鏡體的厚度因島而異，有的只有幾米，有的可達(dá)十幾米，是可再生的、有限的淡水資源。

“如果能將這些淡水儲(chǔ)存起來(lái)，海島就可以實(shí)現(xiàn)一部分自給自足，極大地降低經(jīng)濟(jì)和生態(tài)成本。”魯春輝說(shuō)，具體方案就是給海島“套圍脖”，用一層低滲透性介質(zhì)材料把海島圈起來(lái)。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)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，用不同粒徑的砂子充當(dāng)海島地下的介質(zhì)，模擬各種條件下淡水透鏡體的變化。

他們?cè)谝粋€(gè)玻璃槽里填進(jìn)大量砂子，模擬海島;頂部用滴管向砂槽輸水，模擬降雨帶來(lái)的淡水。然后，研究人員在砂子的外側(cè)填充更細(xì)的砂子，形成低滲透層;再?gòu)牡蜐B透層的外側(cè)輸入海水，觀察在不同的“降雨”強(qiáng)度下，低滲透層能在多大程度上增加淡水的體積。

每隔1分鐘，研究人員就用相機(jī)記錄一次咸淡水交界面位置的變化。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蜐B透層的滲透性，達(dá)到“海島”原始砂子滲透性的十分之一時(shí)，就能夠顯著觀察到“淡水儲(chǔ)量”的增加。這說(shuō)明低滲透層有效地阻止了“海水”入侵。

“當(dāng)然了，實(shí)際上能增加多少淡水儲(chǔ)量，還受制于海島幾何尺寸、地質(zhì)條件、降雨強(qiáng)度、潮汐等因素。”魯春輝說(shuō)。

之后，魯春輝團(tuán)隊(duì)又以美國(guó)佛羅里達(dá)的圣喬治島為假想對(duì)象，進(jìn)行案例研究。

“圣喬治島有個(gè)特點(diǎn)，它可以抽象為一個(gè)長(zhǎng)方形。”魯春輝介紹，基于外國(guó)文獻(xiàn)對(duì)圣喬治島水文氣象方面的研究數(shù)據(jù)，河海大學(xué)的科研人員在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了模擬。

數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)果顯示，當(dāng)外圍低滲透層的厚度達(dá)20米、滲透性減小到海島自身滲透性的1%時(shí)，海島地下淡水體積就可以增加4倍。

那么，是不是滲透性越低越好，最好完全不滲透呢?魯春輝告訴記者，在實(shí)際工程應(yīng)用中，還不能徹底阻斷海島地下咸淡水間的交互。

“一旦發(fā)生海嘯、風(fēng)暴潮等意外狀況，地下水將被長(zhǎng)期污染，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我凈化。”魯春輝說(shuō)。

香港大學(xué)地球科學(xué)系的焦赳赳教授是國(guó)際知名水文地質(zhì)專家，近20年來(lái)，他一直在研究海岸帶填海工程對(duì)地下水造成的影響。

“在建設(shè)人工島之前就要考慮設(shè)置圍擋介質(zhì)，在填海造陸的同時(shí)建設(shè)‘地下水庫(kù)’，相比建成之后再行改造，可以大幅節(jié)約成本。”焦赳赳建議。

目前，魯春輝團(tuán)隊(duì)正在申請(qǐng)5項(xiàng)發(fā)明專利，相關(guān)成果已發(fā)表在水文水資源領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)期刊《水資源研究》上。據(jù)了解，這是國(guó)際上首次提出能夠增加海島地下淡水儲(chǔ)量的方法。