淡水透鏡體

在水文學中，所謂的淡水透鏡體（freshwater lens），或所謂的蓋本-赫茲堡透鏡體（Ghyben-Herzberg lens），指的是浮在密度較高的鹹水上的淡水地下水。這樣的水體通常可見於小型珊瑚礁島或石灰岩島上。這樣的含水層通常可透過從頂層土壤入滲（英语：Infiltration (hydrology)）、向下滲流到飽和層的雨水獲得補充，而透鏡體的補充率可透過以下公式得出： R = p − E T {\displaystyle R=p-ET} 在其中， R {\displaystyle R} 指的是以公尺表示的補充率， p {\displaystyle p} 是以公尺表示的降水量；而 E T {\displaystyle ET} 則是以公尺表示的蒸散量。在補充率高的狀況下，透鏡體的水頭較厚，而一個較厚的透鏡體在乾季中可維持自身存在；此外，較低的降雨量或較高的蒸散量，會減少水頭厚度，進而產生較薄的透鏡體。 一個估計透鏡體厚度的代數模型，由Bailey等人於2008年藉由地下水模擬得出。這等式將透鏡體厚度與島嶼幾何形狀、地質結構、補充率等地質跟氣候因素做出連結。以下為該等式： Z m a x = Y + ( Z t d − Y ) R B + R ⋅ K C T r , s , w , y , m {\displaystyle Z_{max}={\frac {Y+(Z_{td}-Y)R}{B+R}}\cdot KCT_{r,s,w,y,m}} 其中 Z m a x {\displaystyle Z_{max}} 為透鏡體最大深度、 R {\displaystyle R} 為年補充率（單位為公尺）、 Y {\displaystyle Y} 與 B {\displaystyle B} 為由島嶼寬度決定的參數、 Z t d {\displaystyle Z_{td}} 為Thurber不連續面（上層含水層與下層含水層的分界）的深度、 K {\displaystyle K} 為上層含水層的水力傳導度（英语：hydraulic conductivity）、 C {\displaystyle C} 為礁板塊限制參數，而 T {\displaystyle T} 則為一個取決於長期降水模式的時間參數，其取決於區域、天氣模式等各種因素。 許多環礁及與圓形小島的淡水透鏡體，其形態可以巴敦·蓋本-赫茲堡透鏡體（Badon Ghyben-Herzberg lens）描述。而其關係式由以下公式給出： H = h ⋅ P f P s − P f {\displaystyle H=h\cdot {\frac {P_{f}}{P_{s}-P_{f}}}} 其中 H {\displaystyle H} 為透鏡體在海平面下的深度、 P f {\displaystyle P_{f}} 為淡水含水層密度、 P s {\displaystyle P_{s}} 為鹹水密度，而 h {\displaystyle h} 則為透鏡體在海平面上的厚度。 淡水透鏡體的補充，仰賴其地下水含水層所得到的降雨量，且其厚度在乾旱或者豪雨後可出現劇烈變化。美國地質調查局在1997/1998年馬紹爾群島乾旱後做出的一篇報告指出，當地透鏡體的厚度在乾旱後顯著減小。在水庫因集水區連續數月的降雨不足而枯竭後，島民抽取地下水的量增加，在乾旱期間，島民的飲用水有90%來自地下水。 為了測量含水層的水枯竭的狀況，人們在11處地方鑿了36口監測用並組成一個網路井。在1998年乾旱結束時，在一些水井中量得的淡水透鏡體的最大厚度大約為45英尺，而在其中一口井中測到的最小厚度為十八英尺。在之後的雨季中，一些透鏡體的厚度增量達到八英尺，這表示說在環礁跟小島上，淡水透鏡體會因地下水抽取跟降雨補充而快速發生改變。 許多有淡水透鏡體的環礁，其海拔只有數公尺高，而這使得這些島嶼容易受到海平面上升的影響；然而，可以認為，對這些小島更具壓力的問題是海水倒灌對淡水含水層的侵擾。由於越來越多的飲用水鹽度增加之故，這些小島的島民的水資源可能會大幅減少，而較小的島嶼在海水倒灌方面，有遠遠更大的風險，而這是因為淡水透鏡體厚度與島嶼大小間呈現非線性關係之故。 海平面上升40公分就足以對淡水透鏡體的形狀及厚度造成劇烈影響，在這種狀況下，淡水透鏡體體積減幅可達50%，且這會導致汽水區的生成。在透鏡體的厚度因乾旱或海水倒灌而縮減時，鹹水水舌會出現在淡水含水層底下，而即使有一整年的地下水補充，鹹水水舌也未必會完全消失。海平面上升會因暴風湧浪生成的瀉湖（英语：Coastal flooding）增加之故，而對淡水透鏡體導致長久且可能無法修補的傷害，而這會使得很多島嶼因為失去飲用水資源之故而變得不宜居住。 Bailey, Ryan T., John W. Jenson, and Arne E. Olsen. An atoll freshwater lens algebraic model for groundwater management in the Caroline Islands. Water and Environmental Research Institute of the Western Pacific, University of Guam, 2008. http://www.weriguam.org/docs/reports/120.pdf 互联网档案馆的存檔，存档日期2011-07-22. MCLANE, Charles. "Effect of withdrawals from a simulated island freshwater lens aquifer system: an analytic element modeling approach." McClane Environmental, LLC. 2002 Denver Annual Meeting. 2002. http://us1media.com/PresGalleries/presdownloads/island_freshwater_lens.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） Presley, Todd K. Effects of the 1998 drought on the freshwater lens in the Laura area, Majuro Atoll, Republic of the Marshall Islands. No. 2005-5098. Geological Survey (US), 2005. https://pubs.usgs.gov/sir/2005/5098/pdf/sir20055098.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） Chui, Ting Fong May, and James P. Terry. "Influence of sea-level rise on freshwater lenses of different atoll island sizes and lens resilience to storm-induced salinization." Journal of hydrology 502 (2013): 18–26. Terry, James P., and Ting Fong May Chui. "Evaluating the fate of freshwater lenses on atoll islands after eustatic sea-level rise and cyclone-driven inundation: a modelling approach." Global and Planetary Change 88 (2012): 76–84.