（1）透镜体的形成
试验共模拟了13场降雨，各场降雨后均从取样孔取样测电导率，利用Surfer软件生成电导率等值线图，描绘淡水透镜体形状的变化。实验发现，淡水透镜体的形成是一个缓慢的过程，在无开采条件下，透镜体厚度（透镜体最低点到海平面之间的厚度，以下相同）与累计降雨入渗量近似成正比，见表3.5和图3.45。几场典型降雨后淡水透镜体的形状如图3.46至图3.48所示。
表3.5 各场降雨后的累计入渗量
图3.45 淡水透镜体厚度与降雨累计入渗量的关系图
图3.46 第3场降雨后电导率等值线图（累计入渗量0.15 m3）
图中坐标单位：×5 cm
图3.47 第9场降雨后电导率等值线图（累计入渗量0.36 m3）
图中坐标单位：×5 cm
图3.48 第13场降雨后电导率等值线图（累计入渗量0.77 m3）
图中坐标单位：×10 cm
在图3.46至图3.48中，电导率为2.64 ms/cm的等值线与模型区域的交界点处位于海平面上。在淡水透镜体的形成过程中，最初入渗到地下的雨水与海水混合成为过渡带，随着雨水的持续下渗，多孔介质中的过渡带逐渐向下推进，过渡带之上的淡水水体不断扩大，同时过渡带中淡-海水混合液透过侧面多孔挡板（模拟岛屿侧壁）向海水出流。在透镜体形成初期，雨水入渗量大于淡水流失量，透镜体不断增大增厚，流失的淡水也不断增加，在一定水文地质条件下，当雨水入渗量等于淡水流失量时，淡水透镜体处于一稳定状态。由于弥散作用，过渡带会向透镜体扩展，但一到降雨回补，随着淡水的渗入，过渡带又将退回到原有位置。因此，淡水透镜体的稳定状态实际上是在一平衡位置波动，是一种动态平衡，可称为“呼吸”现象。本次实验中淡水透镜体的厚度在第13场降雨后基本维持不变，从Surfer绘制出的透镜体形状图可知，海平面以下淡水透镜体的最大厚度约为30 cm，过渡带厚度约为26 cm。
（2）潜水面观测
为观测淡水透镜体潜水面形状，在沙样表面布置了10根长0.2 m、直径0.01 m的有机玻璃管作为观测井，通过观测井观测地下水位。观测井深入沙样表面以下0.13 m，沙样高出海水位0.1 m。观测井位置如图3.49和图3.50所示。
图3.49 观测井布设位置平面图（图中Ⓐ—Ⓙ为各观测井编号）
图3.50 观测井在沙槽中的布设位置
实验设计了6场降雨，各场降雨结束后，用电压感知仪测量观测井中水位，图3.51是第3场降雨后的潜水面示意图。
图3.51 第3场降雨后潜水面形状（图中长度单位：cm）
由图可知，淡水透镜体在海平面以上的高度不大，中心最厚处也仅为0.13 cm。但正是这一水头差，保证了透镜体中淡水持续地向海水渗流，使因弥散而进入透镜体的海水向外退缩，淡水透镜体才得以存在。(www.xing528.com)
（3）倒锥的形成
淡水透镜体形状稳定后（即随入渗雨量的增大而不发生变化），最大厚度为30 cm。停止降雨，启动开采井抽取淡水，由于水井周围形成局部流场和井中水位降深，使抽水井下方静压降低，过渡带便在抽水的过程中逐渐上升，淡-海水界面形成一张倒置的锥面，俗称“倒锥”。在实验中，可以模拟不同开采强度Q时倒锥的变化情况。随着开采量的增大，倒锥逐渐上升，淡水透镜体的厚度逐渐减小，如图3.52所示。当开采强度为3.73×10-5 m3/s时，开采井中出现咸水，如图3.52（d）所示。如果继续以该流量长期抽水，海水终将进入井中而击穿淡水透镜体。
试验表明，抽水强度是控制倒锥运动的主要因素，抽水强度过大，井底静压大幅降低，倒锥便迅速上升，击穿透镜体。因此，用井开采淡水时，应控制好抽水强度。
图3.52 透镜体形状随开采量的变化
（4）开采与恢复
为考查开采对透镜体的影响和停采后透镜体的恢复情况，设计了3组开采强度由小到大的实验。实验时，从最小开采强度开始进行开采，开采一定时间，停止开采，16 h后观测倒锥的消退及淡水透镜体的恢复情况，再进行降雨补给，使淡水透镜体恢复到开采前的形状，然后，改变开采强度，进入下一组开采实验。各组开采情况及开采时淡水透镜体的演变过程见表3.6和图3.53至图3.56。图中各等值线上的值表示不同氯离子浓度的电导率与海水电导率的比值。因为进行开采与恢复实验时，气温变化大，沙槽中海水及淡水的电导率受到温度变化的影响，每日测得的海水及淡水透镜体下界面（Cl-浓度为600 mg/L）的电导率值均有所变化，但是，每日测得的淡水透镜体下界面的电导率值与海水电导率值的比保持不变，为0.2，且由于使用不同的测定氯离子浓度的仪器得出的电导率数值有差别，用单一的电导率值刻画透镜体的下界面不具有通用性。因此，开采与恢复实验的结果表达中，均使用各观测孔测得的电导率值与海水电导率值的比值来描绘淡水透镜体，比值为0.2的等值线表示淡水透镜体的下界面，“1”表示海水。
表3.6 各组开采情况统计表
图3.53 开采强度为0.012 L/s时淡水透镜体变化情况
图3.54 第1组停止开采16 h后透镜体的恢复情况
图3.55 开采强度为0.030 L/s时淡水透镜体的变化情况
图3.56 第2组停止开采16 h后透镜体的恢复情况
对于开采强度为0.043 L/s的第3组实验，当累计开采量达到10.21 L时，透镜体下界面到达开采井滤网底部，咸水进入开采井，0.043 L/s为本实验中的最大开采强度，即为开采上限。
试验结果表明，大的开采强度，其开采出的淡水资源量较多，但是持续时间不长；开采强度小，其持续时间长，且在停止开采后同等时间内，小开采强度对应的淡水透镜体恢复较快，得到补给后，能继续开采。因此，在开采强度满足用水的条件下，应尽量采用小开采强度，使得淡水资源的利用具有持续性。
（5）降落漏斗
用井从淡水透镜体抽水，井下形成倒锥，同时潜水面会出现降落漏斗。图3.57给出了以0.012 L/s和0.030 L/s开采时潜水面变化过程。图3.58为开采过程中咸水侵入开采井时潜水面漏斗示意图。从两图中可以得出，开采淡水透镜体时，潜水面的下降速率比倒锥上升速率慢，且变化幅度不明显。
图3.57 各组开采强度下潜水面的变化
另外，以观测井F（见图3.49）为代表，当开采强度为0.012 L/s时，测量井中潜水面的降深和历时，算得潜水面的下降速率为0.1×10-3 cm/s；开采强度为0.030 L/s时，潜水面的下降速率为0.17×10-3 cm/s。可见，随着开采强度的增大，潜水面下降的速率也逐渐增大。当开采强度为0.012 L/s时，F井中水位降深值占开采前水位值的42.8%时，咸水侵入开采井；开采强度为0.030 L/s时，井中水位降深占开采前水位值的35.7%时，咸水侵入开采井。这表明，开采强度越大，倒锥越容易击穿透镜体。因此，在淡水透镜体的开采过程中，要有一个合适的开采强度。
图3.58 咸水进入开采井时潜水面变化情况（图中长度单位：cm）
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