對(duì)于遠(yuǎn)離大陸的海島來(lái)說(shuō)，淡水資源是稀缺品。但其實(shí)，這些海島下方，就“自帶”大量的淡水。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(chǔ)存下，并開(kāi)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(guó)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(chǔ)量。這一研究前不久發(fā)表在水文水資源領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《水資源研究》（《Water Resources Research》請(qǐng)編輯保留英文名稱(chēng)，以區(qū)別于一本中文同名期刊）上。這也是國(guó)際上首次提出的一種可以增加海島地下淡水資源儲(chǔ)量的方法。

魯春輝教授指導(dǎo)博士生做海島地下水實(shí)驗(yàn)，受訪者供圖

“骨質(zhì)疏松”的海島，是天然的蓄水池

2年前，魯春輝走訪家鄉(xiāng)南通的陽(yáng)光島時(shí)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(kāi)發(fā)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，島上的淡水供應(yīng)，就是靠輸水管道運(yùn)送上去的，“當(dāng)?shù)睾軗?dān)憂，萬(wàn)一水資源斷了，那島上的生產(chǎn)生活怎么辦？”

我國(guó)是海洋大國(guó)，海島資源十分豐富，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托。。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)擁有面積達(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)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人工島成為目前世界用海的流行趨勢(shì)。隨著海島的開(kāi)發(fā)建設(shè)，相關(guān)的水資源供給問(wèn)題日趨緊張，僅僅通過(guò)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(zhǎng)的淡水需求。因此，如何提高淡水資源安全保障能力是海島開(kāi)發(fā)亟待解決的問(wèn)題。

其實(shí)，海島的淡水資源開(kāi)發(fā)存在“燈下黑”，每一座海島就是一座天然的淡水池。常年研究水資源的魯春輝介紹，“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的孔隙中�！濒敶狠x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(lái)是“漂浮”于入侵的海水之上的，這種形狀宛如透鏡體，故被稱(chēng)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。

曾有研究顯示，我們西沙主要島嶼淡水透鏡體的總儲(chǔ)量為數(shù)百萬(wàn)立方米，年度可開(kāi)采量為數(shù)十萬(wàn)立方米。

“這些匯集在海島地下孔隙中的淡水，會(huì)隨著海平面上升或者降雨量減少而不斷減少。然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(kāi)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(méi)有可能找到方法，增加海島地下淡水儲(chǔ)量呢？

海島淡水透鏡體示意圖，受訪者供圖

給海島包一層低滲透的隔離帶，能保留更多淡水

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，此前學(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(chǔ)量 ，這為他打開(kāi)了一扇窗。

但影響海島地下淡水儲(chǔ)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�！坝袥](méi)有可能在海島周?chē)�圈上一層隔離帶，讓海水進(jìn)得更少，從而增大淡水儲(chǔ)量呢？”在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國(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，以不同粒徑的沙子充當(dāng)?shù)叵虏煌瑵B透性的介質(zhì)，來(lái)模擬不同情境下淡水透鏡體的變化。

在實(shí)驗(yàn)室里，他們?cè)谝粋�(gè)玻璃槽里填進(jìn)大量的砂子模擬海島，頂層用蠕動(dòng)泵通過(guò)滴管向砂槽輸送水，來(lái)模擬降雨的過(guò)程。在砂子的左側(cè)，他們又填進(jìn)更細(xì)的砂子來(lái)模擬低滲透性介質(zhì)，再?gòu)纳安圩髠?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(duì)增大淡水體積的效果。每隔1分鐘，研究人員便用相機(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的滲透性的十分之一時(shí)，增加淡水儲(chǔ)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(guó)佛羅里達(dá)州圣喬治島為假想海島，進(jìn)行案例研究。該長(zhǎng)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)模擬在海島周?chē)鷩�成一圈，�?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，魯春輝說(shuō)，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(huì)導(dǎo)致地下水被長(zhǎng)期污染，無(wú)法自我凈化。

“當(dāng)然，砂子也只是其中一種可用來(lái)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?chē)��！濒敶狠x說(shuō)，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(duì)于已經(jīng)形成的海島，可以進(jìn)行改造，對(duì)于未建或在建的海島，還可指導(dǎo)設(shè)計(jì)。”魯春輝教授說(shuō)。