Линза (гидрология)

Слой пресных грунтовых вод

Пресноводная линза на острове.

В гидрологии линза , также называемая пресноводной линзой или линзой Гибена-Герцберга , представляет собой выпуклый слой пресной грунтовой воды , который плавает над более плотной соленой водой и обычно встречается на небольших коралловых или известняковых островах и атоллах. Этот водоносный слой пресной воды пополняется за счет осадков, которые просачиваются в верхний слой почвы и просачиваются вниз, пока не достигнут насыщенной зоны. Скорость пополнения линзы можно суммировать следующим уравнением:

$${\displaystyle R=p-ET}$$

Где — скорость пополнения в метрах, — осадки (м), — эвапотранспирация (м) воды. При большем количестве пополнения увеличивается гидравлический напор , и толстая линза пресной воды сохраняется в течение сухого сезона. Более низкие скорости осадков или более высокие скорости перехвата и эвапотранспирации уменьшат гидравлический напор, что приведет к тонкой линзе. ^[1] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle ET}$

Модели пресноводных линз

Алгебраическая модель

Алгебраическая модель для оценки толщины пресноводной линзы была разработана с использованием моделирования грунтовых вод Бейли и др. в 2008 году. Это уравнение связывает толщину линзы с геологическими и климатическими факторами, такими как геометрия острова, геологический состав и скорость пополнения, среди прочих. ^[1] Уравнение суммировано ниже:

$${\displaystyle Z_{max}={\frac {Y+(Z_{td}-Y)R}{B+R}}\cdot KCT_{r,s,w,y,m}}$$

Где = максимальная глубина линзы, = годовая скорость пополнения (м), и = параметры, зависящие от ширины острова, = глубина до границы Тербера (переход между верхним и нижним водоносными горизонтами), = гидравлическая проводимость верхнего водоносного горизонта, = параметр удерживающей рифовой плиты, и = временной параметр, описывающий долгосрочные режимы выпадения осадков, при этом нижние индексы представляют различные аспекты этого, такие как регион, погодные условия и т. д. ${\displaystyle Z_{max}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle Z_{td}}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle T}$

Классическая линза Badon Ghyben-Herzberg

Многие пресноводные водоносные горизонты на атоллах и небольших округлых островах принимают форму линзы Бадон-Гибен-Герцберга. ^[2] Эта связь описывается в уравнении ниже:

$${\displaystyle H=h\cdot {\frac {P_{f}}{P_{s}-P_{f}}}}$$

Где = глубина линзы ниже уровня моря, = плотность пресноводного водоносного горизонта, = плотность соленой воды и = толщина линзы над уровнем моря. ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle P_{f}}$ ${\displaystyle P_{s}}$ ${\displaystyle h}$

Последствия засухи

Пресноводные линзы зависят от сезонных осадков для пополнения подземного водоносного слоя и могут резко изменить толщину после засухи или сильных ливней. Отчет USGS после засухи 1997/1998 годов на Маршалловых островах отметил заметное уменьшение толщины линзы. ^[3] После того, как резервуары общественной системы сбора дождевых осадков были быстро истощены из-за нескольких месяцев недостаточного количества осадков, население островов начало увеличивать скорость откачки грунтовых вод до такой степени, что грунтовые воды поставляли до 90% питьевой воды острова во время засухи.

Сеть из 36 контрольных скважин на 11 участках была установлена ​​вокруг острова для измерения количества воды, истощенной из водоносного слоя. К концу засухи в июне 1998 года максимальная толщина пресноводной линзы составляла около 45 футов в некоторых скважинах, в то время как на одном участке толщина составляла всего 18 футов. После возобновления сезона дождей толщина линзы увеличилась до 8 футов в некоторых районах, что указывает на то, что скорость пополнения пресноводных линз на атоллах и небольших островах быстро реагирует на изменения в количестве осадков и скорости откачки грунтовых вод.

Последствия повышения уровня моря

Многие из атоллов, которые поддерживают пресноводные линзы, находятся всего в нескольких метрах над уровнем моря, и поэтому они подвержены риску затопления из-за повышения уровня моря . Однако, возможно, более насущной проблемой, с которой сталкиваются эти небольшие острова, является вторжение соленой воды в пресноводный водоносный горизонт. Поскольку все больше и больше питьевой грунтовой воды засоляется, население этих островов может столкнуться с существенным сокращением доступных водных ресурсов. Более мелкие острова подвергаются гораздо большему риску обширного вторжения соленой воды из-за нелинейной зависимости между шириной острова и толщиной пресноводной линзы. ^[4]

Повышение уровня моря на 40 см может оказать радикальное влияние на форму и толщину пресноводной линзы, уменьшив ее размер до 50% и способствуя образованию солоноватых зон. Соляные шлейфы могут образовываться на дне пресноводного водоносного горизонта, когда толщина линзы подвергается риску из-за засухи и проникновения соленой воды. Даже после целого года пополнения грунтовых вод соляной шлейф может не полностью рассеяться. Повышение уровня моря, вероятно, приведет к устойчивому и, возможно, непоправимому ущербу пресноводным линзам из-за увеличения волнового смыва, вызванного циклонами , что сделает многие острова непригодными для проживания из-за потери питьевой воды. ^[5]

Ссылки

1. Bailey, Ryan T., John W. Jenson и Arne E. Olsen. Алгебраическая модель линзы пресной воды атолла для управления грунтовыми водами на Каролинских островах . Институт водных и экологических исследований Западной части Тихого океана, Университет Гуама, 2008. http://www.weriguam.org/docs/reports/120.pdf Архивировано 22 июля 2011 г. на Wayback Machine
2. MCLANE, Charles. "Влияние изъятий из имитируемой островной пресноводной линзовой водоносной системы: подход аналитического элементного моделирования". McClane Environmental, LLC. Ежегодное собрание в Денвере 2002 г. 2002 г. http://us1media.com/PresGalleries/presdownloads/island_freshwater_lens.pdf
3. Пресли, Тодд К. Влияние засухи 1998 года на пресноводную линзу в районе Лаура, атолл Маджуро, Республика Маршалловы Острова . № 2005-5098. Геологическая служба (США), 2005. https://pubs.usgs.gov/sir/2005/5098/pdf/sir20055098.pdf
4. Чуй, Тинг Фонг Мэй и Джеймс П. Терри. «Влияние повышения уровня моря на пресноводные линзы островов-атоллов разного размера и устойчивость линз к засолению, вызванному штормом». Журнал гидрологии 502 (2013): 18–26.
5. Терри, Джеймс П. и Тинг Фонг Мэй Чуй. «Оценка судьбы пресноводных линз на атолловых островах после эвстатического повышения уровня моря и затопления, вызванного циклоном: модельный подход». Global and Planetary Change 88 (2012): 76–84.