淡水透镜体
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在水文学中,所谓的淡水透镜体(freshwater lens),或所谓的盖本-赫兹堡透镜体(Ghyben-Herzberg lens),指的是浮在密度较高的咸水上的淡水地下水。这样的水体通常可见于小型珊瑚礁岛或石灰岩岛上。这样的含水层通常可透过从顶层土壤入渗、向下渗流到饱和层的雨水获得补充,而透镜体的补充率可透过以下公式得出:
在其中,指的是以米表示的补充率,是以米表示的降水量;而则是以米表示的蒸散量。在补充率高的状况下,透镜体的水头较厚,而一个较厚的透镜体在干季中可维持自身存在;此外,较低的降雨量或较高的蒸散量,会减少水头厚度,进而产生较薄的透镜体。[1]
淡水透镜体模型
代数模型
一个估计透镜体厚度的代数模型,由Bailey等人于2008年借由地下水模拟得出。这等式将透镜体厚度与岛屿几何形状、地质结构、补充率等地质跟气候因素做出连结。[1]以下为该等式:
其中为透镜体最大深度、为年补充率(单位为米)、与为由岛屿宽度决定的参数、为Thurber不连续面(上层含水层与下层含水层的分界)的深度、为上层含水层的水力传导度、为礁板块限制参数,而则为一个取决于长期降水模式的时间参数,其取决于区域、天气模式等各种因素。
古典巴敦·盖本-赫兹堡透镜体
许多环礁及与圆形小岛的淡水透镜体,其形态可以巴敦·盖本-赫兹堡透镜体(Badon Ghyben-Herzberg lens)描述。[2]而其关系式由以下公式给出:
其中为透镜体在海平面下的深度、为淡水含水层密度、为咸水密度,而则为透镜体在海平面上的厚度。
干旱的影响
淡水透镜体的补充,仰赖其地下水含水层所得到的降雨量,且其厚度在干旱或者豪雨后可出现剧烈变化。美国地质调查局在1997/1998年马绍尔群岛干旱后做出的一篇报告指出,当地透镜体的厚度在干旱后显著减小。[3]在水库因集水区连续数月的降雨不足而枯竭后,岛民抽取地下水的量增加,在干旱期间,岛民的饮用水有90%来自地下水。
为了测量含水层的水枯竭的状况,人们在11处地方凿了36口监测用并组成一个网络井。在1998年干旱结束时,在一些水井中量得的淡水透镜体的最大厚度大约为45英尺,而在其中一口井中测到的最小厚度为十八英尺。在之后的雨季中,一些透镜体的厚度增量达到八英尺,这表示说在环礁跟小岛上,淡水透镜体会因地下水抽取跟降雨补充而快速发生改变。
海平面上升的影响
许多有淡水透镜体的环礁,其海拔只有数米高,而这使得这些岛屿容易受到海平面上升的影响;然而,可以认为,对这些小岛更具压力的问题是海水倒灌对淡水含水层的侵扰。由于越来越多的饮用水盐度增加之故,这些小岛的岛民的水资源可能会大幅减少,而较小的岛屿在海水倒灌方面,有远远更大的风险,而这是因为淡水透镜体厚度与岛屿大小间呈现非线性关系之故。[4]
海平面上升40公分就足以对淡水透镜体的形状及厚度造成剧烈影响,在这种状况下,淡水透镜体体积减幅可达50%,且这会导致汽水区的生成。在透镜体的厚度因干旱或海水倒灌而缩减时,咸水水舌会出现在淡水含水层底下,而即使有一整年的地下水补充,咸水水舌也未必会完全消失。海平面上升会因暴风涌浪生成的泻湖增加之故,而对淡水透镜体导致长久且可能无法修补的伤害,而这会使得很多岛屿因为失去饮用水资源之故而变得不宜居住。[5]
参考资料
- ^ 1.0 1.1 Bailey, Ryan T., John W. Jenson, and Arne E. Olsen. An atoll freshwater lens algebraic model for groundwater management in the Caroline Islands. Water and Environmental Research Institute of the Western Pacific, University of Guam, 2008. http://www.weriguam.org/docs/reports/120.pdf 互联网档案馆的存档,存档日期2011-07-22.
- ^ MCLANE, Charles. "Effect of withdrawals from a simulated island freshwater lens aquifer system: an analytic element modeling approach." McClane Environmental, LLC. 2002 Denver Annual Meeting. 2002. http://us1media.com/PresGalleries/presdownloads/island_freshwater_lens.pdf (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ Presley, Todd K. Effects of the 1998 drought on the freshwater lens in the Laura area, Majuro Atoll, Republic of the Marshall Islands. No. 2005-5098. Geological Survey (US), 2005. https://pubs.usgs.gov/sir/2005/5098/pdf/sir20055098.pdf (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ Chui, Ting Fong May, and James P. Terry. "Influence of sea-level rise on freshwater lenses of different atoll island sizes and lens resilience to storm-induced salinization." Journal of hydrology 502 (2013): 18–26.
- ^ Terry, James P., and Ting Fong May Chui. "Evaluating the fate of freshwater lenses on atoll islands after eustatic sea-level rise and cyclone-driven inundation: a modelling approach." Global and Planetary Change 88 (2012): 76–84.
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