淡水透镜体污染探讨

淡水透镜体的污染是指外来物质进入到透镜体中，超过了透镜体水体的自净能力，损害了水质，而使透镜体淡水部分或全部失去了它的使用功能。损害水质的物质称为“污染物”。污染物分人工的和天然的，前者是由于人类活动产生的，后者与人类活动无关。如前所述，人类活动产生的污染可以通过严格管理防止，天然污染虽难以避免，但可以通过评估，采取技术措施加以控制或清除。

透镜体是否受到污染可由水中化学物质的变化来反映。在天然状态下，透镜体中的淡水有一定的化学组成。当新的成分出现或原有的某种物质浓度增加时，就可以认为地下水受到污染。例如，海水污染，表现为氯离子增加。来自人类、动物排泄物和化肥的污染，则表现为硝酸盐的增加或细菌指标超标。其他污染表征是重金属离子（如铁、锰等）的出现或浓度的增加，或者检测出有毒有害有机物等。

（1）透镜体污染的特征

透镜体淡水本质上是地下水，埋藏于珊瑚沙砾介质中，一旦受到污染不像地表水那样明显，难以发现，待到发现就很可能已较为严重，因此，透镜体的污染具有隐蔽性。其次，透镜体的污染具有一定的延缓性。因为地表污染物进入透镜体要经过表层土壤，经历各种可能的物理、化学和生物作用，在垂直方向上延缓了对透镜体的污染。在水平方向上，地下水在珊瑚沙砾介质孔隙中流动十分缓慢，水中污染物向附近输移也就相当缓慢，造成透镜体的污染具有一定的延缓性。透镜体受到污染后，水质恢复时间较为漫长。虽然透镜体处于不断的流失与回补更新之中，但渗流速度缓慢，通过降雨回补，更换透镜体贮水来消除污染，恢复水质，往往需要几个月甚至几年的时间。淡水透镜体埋深浅，上伏土层薄，以生物碎屑沙砾为主的土壤渗透性强，保护能力差，很难阻止污染物下渗，使得透镜体很容易遭受污染。很多污染是由于人类活动造成的，这种情形在以透镜体为供水水源的珊瑚岛上是十分危险的。

（2）污染源、污染物与污染途径

1）污染源

透镜体污染源多种多样，许多都与岛上居民和游客有关。通常，珊瑚岛上工业污染和农业污染都很少；但是，机场、燃料库和修理车间有时应是考虑的重点。

与居民和游客有关的污染源主要是生活污水，是岛上居民、旅客生活中各种污水的混合物，包括厨房菜蔬餐具洗涤水、洗衣和浴室排放的污水、厕所污水，还有一些家养动物排泄物和少量的化肥与农药。生活垃圾如不适当处置也是地下水的主要污染源，如垃圾堆。在许多珊瑚岛上，由于土壤渗透性强、地表面积小而与土地利用相冲突，难以找到合适的处置场地，加之缺乏合适的黏土材料做垃圾覆盖层，所以，在珊瑚岛上垃圾处理是一个重要却又难以解决的问题。焚烧是垃圾填埋的一个替代方案，但是首先要减量化，并且操作也不容易。不过，这仍是人口密度大、旅客多的岛屿解决垃圾问题的理想办法。焚烧垃圾产生的灰烬可以用于改良土壤。其他如土地平整、掘土、采集沙砾也会对透镜体带来污染，特别是在珊瑚岛上采集沙砾，不仅减少了潜水面以上的土壤厚度，增加了抗污染的难度，产生了另外的风险，在某些情况下，还增加了蒸发损失。

许多珊瑚岛上虽然没有工业，但来自修理车间、码头和木材加工厂的污染仍然存在。珊瑚岛上一般也没有大型农业，但是蔬菜大棚在许多岛上越来越普遍，如果管理不善，也会造成污染。

机场是碳氢化合污染物的主要来源，这些污染物来自燃油泄漏、飞机起飞时燃烧剩余物和未燃烧油料。航空燃油中还包含另外的有毒有害物质。另有一些碳氢化合物来自贮油罐、事故溢出、废弃的润滑油、家用和工业溶剂，以及水泵润滑系统故障溢出的润滑油。

珊瑚岛上常见的天然污染源主要是海鸟和茂密的丛林。珊瑚岛地处热带海域，为热带海洋性气候，雨量丰富，热量充足，全年皆夏，为岛上植被的形成发育提供了极为良好的条件。以我国西沙群岛为例，岛上盛产麻风桐、海岸桐，林高8～10 m，林下草海桐、海拔戟等灌木丛生。林木生长茂盛，是海鸟栖息的理想之地。岛屿四周有大片海域和珊瑚浅滩，生长繁殖各种鱼类，为海鸟提高了丰富的食料。成千上万只各种鸟类栖息树上，树下大量鸟粪和鱼类残骸堆积，形成淡水透镜体的一大天然污染源。另外，岛上丛林郁闭度高，林中潮湿，有厚厚的一层枯枝落叶聚集，形成另一天然污染源。

2）污染物

来自生活污水的污染物可分为无机物、有机物和病原微生物。无机物主要是混入污水中的细小沙砾、尘土，无机盐、酸、碱，无机元素及氮、磷等营养盐类。大多数无机污染物在低浓度时对人无毒害作用，但达到一定浓度后，就会产生毒害作用；有机污染物可分为植物性有机污染物和动物性有机污染物。植物性有机污染物包括厨余、果壳、菜蔬及各种植物碎片等。动物性有机污染物包括动物组织碎片、人畜粪便等。有机污染物大多可以在一定条件下、经历一定时间而降解为简单物质或无机盐类。病原微生物，包括病菌、病毒和寄生虫等。病原微生物会传染各种疾病。来自机场、贮油罐的污染物主要是各种矿物油类。来自于车间、修理码头和木材加工厂的污染物为各种盐类、铜、铬等。蔬菜大棚产生的污染物主要是肥料与农药。垃圾堆放产生的渗滤液成分更为复杂，不仅有无机污染物，还有有机污染物。无机物中包含多种金属离子，有的是重金属离子；有机污染物包括氨氮、氯化物、芳香族化合物、酚类化合物和苯胺类化合物等，其中一些污染物具有致癌作用。垃圾堆放还常常产生恶臭，令人厌恶。垃圾渗滤液侵入透镜体，会使水带色并产生难以接受的味道。

珊瑚岛上天然污染源的鸟粪、鱼类残骸属动物性有机污染物，腐烂分解后产生氨氮和磷等污染物；丛林中的枯枝落叶腐烂后产生许多有色基团，随雨水进入透镜体后使水带色，21世纪初，取永兴岛井水进行水质检测，测得最高色度达72度。

上述污染物一些是保守型物质，它们不随时间而消失，如氯离子和盐。其他如硫酸盐、硝酸盐、氯化物和硼酸盐在好氧条件下也是保守型的，氨在还原条件下是保守型的。虽然这些污染物一部分在土壤中由于吸附与离子交换而阻碍其与地下水一同运动，但它们并不会消失；另一些污染物可以降解，即在合适的条件下经过一定的时间，可以转化为其他物质，或者以不可逆的形式沉积在土壤颗粒上。生物污染如细菌和病毒也相同。然而，在许多珊瑚岛上，实际情况是进入地下水的污染物在水流中没有足够的运动时间用于降解，就被抽取上来。(www.xing528.com)

3）污染途径

透镜体遭受污染主要通过以下几种途径：

①地表污染物下渗进入地下水体

一些珊瑚岛上卫生条件差，没有完善的污水收集、处理系统，污水肆意排放，或仅有简易厕所、化粪池、污水坑之类的设施，污水通过水沟、水坑、粪坑渗入地下；有的岛上虽建有污水收集管网和处理设施，但因设计不合理、建筑质量差、设备保养维修不到位、管网系统破损造成污水泄漏，特别是在塑料管道老化部分和接头地方更易泄漏，钢管管线易受腐蚀，也会发生泄漏。漏出的污水含有的细菌、氨氮和氯化物等污染物就会渗入透镜体；再有垃圾未经规范处置，这些垃圾几乎包含了岛上所有的固体废弃物，或者简单填埋，或者露天堆放，上无覆盖层阻挡雨水淋入，下无衬垫层和管道系统收集渗滤液。这样，在降雨淋溶作用下，垃圾中的有毒有害物质析出形成的渗滤液便会直接渗入透镜体。

另外，珊瑚岛上如果有露天作物栽培或大棚蔬菜种植，常常需要灌溉、施肥和喷洒农药。灌溉水量超出蒸发量后，超出的水量就会透过地表土壤介质下渗，导致施用的化肥、农药进入透镜体；珊瑚岛上饲养的禽畜规模不大，不可能构建专门的禽畜粪便处理设施来无害化处理含有细菌、病毒和氮、氯化物的排泄物，这就可能对透镜体带来污染。如果禽畜散养，排泄物分布在较宽的范围内，相对而言对环境产生的危害小，而小范围饲养的禽畜排泄物集中在禽舍、畜棚，雨水淋溶也会将排泄污染物带入透镜体。

②海水入侵

海水入侵，海水与淡水混合带来海水污染，使透镜体淡水盐化而失去饮用功能。海水入侵既有自然的，也有人为产生的。前者发生于一些突发事件，如台风、海啸，促使海水上涌海岛或漫顶；后者主要是抽水过度。突发事件是偶然的，抽水过度可能时常发生。过度抽水既可能是局部的，也可能是全岛的。局部抽水过度引起倒锥，井水含盐量增高；全岛范围内的透镜体开采过度会引起过渡带增厚，透镜体变薄，使透镜体整体含盐量增加。还有一种海水污染，不易察觉，但确实存在又难以避免，这就是近海岸风场中海水飞沫带来的污染。海水拍打礁盘或海岸，扬起无数飞沫，被海风吹拂到岛上，富含盐分的飞沫降落地面，其盐分随雨水进入透镜体。尽管这一影响在距海岸不远处就会消失，但对低矮的珊瑚礁，这一影响仍非常显著。与此类似的是干旱气候条件下透镜体回补水中盐浓度。在海岛上，由于盐分的海面空气传输，其影响范围远比海水飞沫要大。但这一影响在多雨地区就微乎其微。

③水井污染

有的水井建造质量差、无保护，没有凸缘和井盖，大雨时地表水直接进入井中，造成污染。

（3）透镜体中污染物的输移

珊瑚岛礁淡水透镜体的存在过程实际上也是透镜体内淡水的流失过程。淡水的流失缘于珊瑚介质的流动阻力和降雨回补导致透镜体容积增加，使潜水面高出海平面而产生淡水与海水之间的水头差。这一差值不大，通常为0.2～0.5 m且随回补量而变化。但在这一水头差作用下，淡水从潜水面开始由上往下流向透镜体边界。进入透镜体的各种污染物包括病菌、病毒随淡水的流动在珊瑚介质孔隙中向四周迁移扩散，范围逐渐扩大，这就是污染物在透镜体中的输移。

产生输移的原因是污染物在透镜体中参与的对流和弥散运动。对流是污染物随透镜体水流而发生的整体位置变化。如果是在理想流体的明渠均匀流里，对流本质上是平动，但是在透镜体所在的珊瑚介质里，流动发生在珊瑚介质这种多孔介质的孔隙通道中，就使流动变得非常复杂。一方面，孔隙通道数目庞大，蜿蜒曲折，含有污染物的水流不断发生流向的改变，尽管从统计上看，流动仍是从高水头指向低水头的方向，但是污染物占据的空间范围扩展了；另一方面，真实的流体是黏性流体，黏性流体在孔隙通道中流动时，由于剪切力的存在，流速分布不均匀，也造成污染物在流动空间的扩展。水力学上将统计平均的整体流动称为“对流”，而将多孔介质孔隙通道中不断发生方向变化的流动，以及由于剪切流速分布不均的流动所产生的污染物在流动空间扩展的现象称为“机械弥散”。此外，分子扩散、孔隙通道中一旦出现紊流时产生的紊动扩散也是污染物在流动空间扩展的原因之一。机械弥散、分子扩散和紊动扩散合称“水动力弥散”。污染物在对流和弥散运动过程中，还可能与珊瑚介质发生吸附作用。

污染物在透镜体中输移的结果是污染物与透镜体中清洁淡水混合、稀释而浓度降低，污染范围扩大，污染物由一个地方迁移到另一个地方。在珊瑚岛上，生活污水的污染是最常见、最普遍存在的污染，各种污染物中病菌和病毒又是人们关注的重点，它们在透镜体中输移的距离对取水点的设置影响很大，也就是取水点不应在病菌与病毒扩展的范围内。这就需要了解病菌与病毒进入透镜体后能迁移多大的距离，或者说能存活多长的时间。一般来说，许多细菌进入土壤后经过60～100 d就会死亡，但有些可存活至150 d。病毒没有宿主就不能繁殖，所以，大多数情况下，透镜体中不存在病毒宿主，病毒在土壤中经过100～200 d也会死亡。根据这一存活时间和土壤的渗透系数、孔隙率及水力梯度，将土壤颗粒的吸附作用用“迟滞系数”表示，就可以得到病菌与病毒生物污染物在土壤中传播的距离，这一距离随土壤成分与组成而变化。Canter和Knox综合各种研究，于1985年给出了细菌在土壤中传播的距离，见表10.1。

表10.1　不同土壤介质中细菌传播的距离