珊瑚礁岛淡水透镜体的合理开采技术 技术领域
本发明涉及一种珊瑚礁岛地下淡水的开采技术。
技术背景
我国南海海域分布着许多珊瑚礁岛，由于水文地质条件的限制，这些岛上绝大部分没有可直接饮用的淡水资源。多年来，驻岛军民和舰船用水都靠远距离输送，运水成本很高。目前岛上军民用水，除收集、贮存雨水外，利用地表下贮存的淡水是主要的途径之一。珊瑚礁岛的地下水层是经长年累月而形成。珊瑚礁岛分布在热带海域和有暖流经过的洋面，雨量充沛，部分雨水通过地面碎屑、沙砾和土壤渗入地下形成淡水水体，因其存在形态为中央厚边缘薄，宛若一枚凸透镜，故称为淡水透镜体。
珊瑚礁岛上的淡水透镜体是十分宝贵的淡水资源，透镜体与海水之间没有明显的分界面，有较宽的过渡带。不同岛礁上淡水透镜体的厚度不一。影响淡水透镜体大小和水质的因素包括自然因素和人为因素。自然因素包括岛屿地水文地质特征、岛屿大小、降雨量、潮汐和岛屿的植被状况等。例如，淡水透镜体在无次生孔隙发育的未固结的沙砾沉积层的地质条件下比较容易形成；降雨量较少的季节里由于回补量减少而引起淡水透镜体萎缩；岛屿的宽度小于270米时，便不能形成淡水透镜体等。人为因素主要有抽取地下水的强度、方法及位置和岛上居民的生产生活情况等。水井是常用的抽取地下水的取水构筑物，用井抽取水时，若抽取强度过大，井中水头急剧减少，透镜体底部的海水就会上升，就有可能击穿透镜体，而使透镜体破坏。特别是当取水井正好位于一裂缝上时，过大的抽水强度会使海水沿裂缝上升，把一个透镜体分割成两个小的透镜体，淡水的储量会大大减少。这种透镜体的分裂往往是难以恢复的。为此，寻求一种对珊瑚礁岛地下淡水资源进行合理开采利用，以确保珊瑚礁岛淡水透镜体安全的方法，显得十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种珊瑚礁岛淡水透镜体的合理开采技术，以较准确地确定淡水透镜体的形状和淡水储量，以及其允许的开采量和开采强度，以确保珊瑚礁岛淡水透镜体的安全。
本发明所述的珊瑚礁岛淡水透镜体的合理开采技术包括以下方法：
a、确定淡水透镜体的具体形状及储水量
根据珊瑚礁岛的平面图，建立直角坐标系xoy，用两簇分别平行坐标ox和坐标oy的线段将珊瑚礁岛划成网格状，每单位网格边长分别为Δx、Δy，且每一网格的编号以其在x、y方向上的网格数表示为(i、j)，其中i为x方向的编号数，j为y方向的编号数，则，
每一网格上淡水透镜体表面高出海平面的高程hf,i,j=Hi,j]]>
每一网格上淡水盐水界面在海平面以下的深度hs，i，j＝αhf，i，j
其中：
Hn+1i,j=1ω+a2μ4kΔtHNi,j[ωH‾n+1i,j+(1-ω)(H‾ni,j-Hni,j)+Hni,j4kΔtHni,j+a2ϵi,j2k(1+α)]]>
式中下标i，j表示第i行第j列网格之值，上标n和n+1分别表示第n和第n+1时间层之值。
εi，j是(i，j)上单位面积上的补给量，包括降雨、蒸发和抽水安排等。
α=γfγs-γf]]>
k——渗透系数
μ——给水度
ω为加权系数，0≤ω≤1
Δt——时间步长
Δx，Δy——空间步长
淡水透镜体的贮水量V=μΣiΣjΔxiΔyj(1+α)hf,i,j]]>
b、确定淡水透镜体的允许开采量
淡水透镜体的允许开采量Qk＜Qb-(Qzf+Qzt)
其中：Qb为淡水透镜体年补给量，Qzf为珊瑚礁岛的潜水蒸发量，Qzt为珊瑚礁岛的植被蒸腾量；
c、确定淡水透镜体的开采强度
淡水透镜体的开采强度Q＜2krohf
其中：ro为水井的半径，k为渗透系数；
d、根据上述各方法的计算结果，进行取水点的选择和年淡水开采量及开采强度的确定。
本发明所述的淡水透镜体的具体形状及储水量的数学模型，能够较准确地计算出珊瑚礁岛淡水透镜体的具体形状及储水量，从而能够较准确地确定珊瑚礁岛某一位置淡水层的厚度，为淡水开采点的定点选址提供了准确可靠的参考依据；同时淡水透镜体的允许开采量和开采强度也能较准确地由本发明的数学模型计算而出，从而可为珊瑚礁岛全年淡水计划开采量的制定及合理取水提供准确可靠的参考资料，避免地下淡水资源的盲目过度开采，确保了珊瑚礁岛淡水透镜体的安全，使岛上军民得以长久安全地使用地下淡水资源。
附图说明
现结合附图对本分明作进一步详细说明。
图1为西沙群岛中永兴岛淡水透镜体计算网格图；
图2为其淡水透镜体的等深线图；
图3为其淡水透镜体海平面以上部分的三维视图；
图4为其淡水透镜体海平面以下部分的三维视图。
具体实施方式
如图1至图4所示，以西沙群岛中永兴岛为例，该珊瑚礁岛淡水透镜体的合理开采技术包括以下方法：
a、确定淡水透镜体的具体形状及储水量
根据珊瑚礁岛的平面图，建立直角坐标系xoy，用两簇分别平行坐标ox和坐标oy的线段将珊瑚礁岛划成网格状，每单位网格边长分别为Δx、Δy，且Δx＝Δy，每一网格的编号以其在x、y方向上的网格数表示为(i、j)，其中i为x方向的编号数，j为y方向的编号数，则，
每一网格上淡水透镜体表面高出海平面的高程hf,i,j=Hi,j]]>
每一网格上淡水盐水界面在海平面以下的深度hs，i，j＝αhf，i，j
其中：
Hn+1i,j=1ω+a2μ4kΔtHNi,j[ωH‾n+1i,j+(1-ω)(H‾ni,j-Hni,j)+Hni,j4kΔtHni,j+a2ϵi,j2k(1+α)]]>
式中下标i，j表示第i行第j列网格之值，上标n和n+1分别表示第n和第n+1时间层之值。
εi，j是(i，j)上单位面积上的补给量，包括降雨、蒸发和抽水安排等。
α=γfγs-γf]]>
k——渗透系数
μ——给水度
ω为加权系数，0≤ω≤1
Δt——时间步长
Δx，Δy——空间步长
淡水透镜体的贮水量V=μΣiΣjΔxiΔyj(1+α)hf,i,j]]>
将各数据代入以上公式可得出永兴岛淡水透镜体的贮水量的计算值V＝3,300,000m3。
b、确定淡水透镜体的允许开采量
淡水透镜体的允许开采量Qk＜Qb-(Qzf+Qzt)
补给量Qb：一般按年降雨量计算补给量。如按2.5mm/d的补给量计，一年透镜体获得的补给水量Qb＝(2.5/1000)×365×1.8×106＝1642500m3
蒸发量Qzf：地下水蒸发量取决于气候条件、土层性质、地下水埋藏深度等因素。蒸发过程中，许多因素如气温、风速、日照、湿度、降雨强度、作物生长期和随潜水埋深而变化的土层毛细管输水能力，又都呈不稳定状态。一般可根据当地的资料确定，如果没有，可以根据相似条件地区的资料确定。
如根据遍布永兴岛45口井的统计资料，其地下水埋深为1.60m，年蒸发量按60mm计，则蒸发的水量Qzf为：
Qzf＝(60/1000)×1.8×106＝108000m3
蒸腾量Qzt：植物在生长过程中，经由根系吸收水分，并通过叶面蒸发逸失的过程称叶面蒸发(蒸腾)。蒸腾量计算可参照下表
不同植物年蒸腾量概略值 植物名称 年蒸腾量(mm) 草和栽培植物 229-254 大阔叶植物 203-305 小树和灌木 154-203 针叶树 102-154
如根据西沙永兴岛的情况，选择其年蒸腾量为203mm。那么蒸腾量Q3为：
Qzt＝(203/1000)×1.8×106＝365400m3
按照均衡原理，理论上每年可抽取的水量QT为：
QT＝Qb-(Qzf+Qzt)＝1642500-(108000+365400)＝1169100m3
实际开采量Qk应满足式：Qk＜1169100m3。