漫談“無(wú)流國(guó)”與海水淡化

□ 高 峰

何為“無(wú)流國(guó)”？

沒(méi)有河流的國(guó)家，簡(jiǎn)稱“無(wú)流國(guó)”。這樣的國(guó)家世界上有20個(gè)，總面積達(dá)514萬(wàn)平方公里，相當(dāng)于半個(gè)歐洲之大。這些國(guó)家，沒(méi)有一條河流，人們的用水問(wèn)題如何解決呢？

靠天吃水。收集、貯存雨水是無(wú)流國(guó)最基本的蓄水方法。

太平洋上的島國(guó)圖瓦盧，由200多個(gè)珊瑚礁組成，沒(méi)有一個(gè)超過(guò)1平方公里，哪來(lái)河流？掘井取水也是咸的，不能喝。幸而當(dāng)?shù)赜炅砍渑?，年降水量達(dá)2500～3000毫米。每家每戶都備有許多水缸、水桶，收集屋頂?shù)挠晁Ｓ械娜思疫€在木板屋檐上筑集雨水槽道，將屋面降水全部收集起來(lái)，保證終年不愁用水。

印度洋的馬爾代夫，它靠近赤道，由于常年有雨，淡水多淺埋在1米多深的沙底。但由于水量有限，必須筑塘集水。在首都馬累，有一個(gè)龐大的半地下式貯水池，上端撐著荷葉狀承接天棚，雨季將水貯滿，旱季可供應(yīng) 5000人飲用。

掘井引水。地下淡水是無(wú)水荒漠的生命源泉。

波斯灣的巴林，面積僅622平方公里，雨量稀少。但掘地1米就會(huì)有泉水涌出。島上的居民引泉灌溉了30平方公里耕地，播種糧食、蔬菜，使涸島“春意”盎然。

印度洋上的島國(guó)科摩羅，在中國(guó)的援助下建成了泵泉供水工程，純凈的自來(lái)水通過(guò)56公里長(zhǎng)的管道，流到首都莫羅尼和26個(gè)村莊，改變了過(guò)去的水荒局面。

海水淡化。亞洲的沙特阿拉伯是世界最大的淡化海水生產(chǎn)國(guó)，共有淡化廠1200多座。日產(chǎn)80萬(wàn)噸的朱拜勒淡化廠是世界最大的淡化廠。該廠通過(guò)直徑2米、長(zhǎng)466公里的管道，將淡水直送首都利雅得。在全國(guó)公路沿線，蘑菇狀的水泥貯水塔比比皆是，每個(gè)家庭屋頂也裝有筒形鐵罐，淡化廠的供水車定時(shí)將水泵入罐內(nèi)。

在亞洲的科威特境內(nèi)，遍布蘑菇狀貯水塔，所貯淡水足供全國(guó)人民一周之用。首都有三座分別高187米、140米、113米的貯水塔，高聳入云，夜間晶瑩璀璨，成了首都的標(biāo)志物。

進(jìn)口飲用水。太平洋的瑙魯共和國(guó)位于22平方公里的“鳥(niǎo)糞島”上，還不到我國(guó)香港的三分之一大。許多人家用澡盆大的硨磲（一種大貝殼）排列于庭院接雨水，常年取用。國(guó)民靠挖掘鳥(niǎo)糞礦致富。從1970年開(kāi)始，人口僅8000多人的瑙魯年輸出礦石200萬(wàn)噸，價(jià)值12億美元，成了世界最富裕的國(guó)家之一，因此有財(cái)力進(jìn)口淡水，每年從澳大利亞運(yùn)來(lái)一船船的水，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)自來(lái)水化。

海水為什么是咸的?

海水中的各類化學(xué)元素中，鹽所占的比重最大。根據(jù)估算，世界海洋中鹽的總含量足有5萬(wàn)兆噸。不妨做這樣一個(gè)設(shè)想：如果將海水中的鹽分全部提煉出來(lái)鋪在世界陸地上，將會(huì)有大約150米厚，也就是足足有40層樓的高度；如果將這些總體積23000立方公里的鹽丟人北冰洋，填平整個(gè)洋面還綽綽有余。

海水中的鹽究竟是從哪里來(lái)的？這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，卻讓眾多科學(xué)家長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休。它幾乎同令人望而生畏的“地球海水起源”問(wèn)題一樣，始終是個(gè)難題。直到今天，人們對(duì)這一問(wèn)題的研究從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)，但意見(jiàn)也從來(lái)沒(méi)有一致過(guò)。絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，海水中的鹽絕對(duì)不會(huì)是來(lái)源于某個(gè)單一方面。不過(guò)他們強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)有所不同。一些人認(rèn)為，海鹽主要是海洋中的“原生物”。在地球剛形成時(shí)，有過(guò)大降雨和火山爆發(fā)?；鹕絿姲l(fā)出來(lái)的大量水蒸氣和巖漿里的鹽分隨著流水匯集成最初的海洋，海水天然地就有了咸味。不過(guò)，那時(shí)的海水并沒(méi)有現(xiàn)在這樣咸。后來(lái)，隨著海底巖石可溶性鹽類不斷溶解，加上海底不斷有火山噴發(fā)出鹽分，海水逐漸變得越來(lái)越咸。

另外一些人堅(jiān)持，海鹽主要是陸地上河流流向大海的途中，不斷沖刷泥土和巖石，把溶解的鹽分帶到了大海之中。據(jù)估計(jì)，全世界每年從河流帶入海洋的鹽分十分可觀。僅美國(guó)每年隨河川入海的就有12.25億噸被完全溶解的泥土沙石和5.13億噸未完全溶解的懸浮顆粒。而據(jù)世界環(huán)保組織提供的數(shù)據(jù)，澳大利亞平均每年每平方公里有6噸的土壤流失，歐洲則高達(dá)每年每平方公里120噸。通觀全球，地表徑流每年給大海送去了約400萬(wàn)噸的鹽分。自開(kāi)天辟地第一場(chǎng)降雨以來(lái)，地球上的土壤和巖石已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)億年的水流沖刷，大量的礦物質(zhì)隨之入海，海水必然變得越來(lái)越咸。

可是這兩種解釋都有不完善的地方，特別是“海鹽主要來(lái)自陸地河流輸入”的理論。因?yàn)槿藗冊(cè)鴮?duì)海洋物質(zhì)組成、化學(xué)性質(zhì)和江河輸入的各種礦物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析、計(jì)算，結(jié)果表明，兩者之間的數(shù)值差非常大。海洋中按含量多少排列的鹽類是氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽。而在河流中，上述物質(zhì)排列順序正好顛倒。在含鹽的土壤中或鹽湖中，積累硫酸鈣和硫酸鎂較海洋多，而氯化鎂則比海洋少得多。科學(xué)家們?yōu)榱苏f(shuō)明這些差異，曾提出過(guò)種種理論加以解釋，但都不能令人信服。

到了20世紀(jì)70年代之后，人們從新發(fā)現(xiàn)的海底大斷裂帶上的熱液反應(yīng)中，似乎找到了解釋的新證據(jù)?？茖W(xué)家對(duì)海底熱液礦化學(xué)反應(yīng)過(guò)程研究后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)海底斷裂系的水體流動(dòng)速率，雖然只相當(dāng)于河川徑流的千分之五，但是，由斷裂聚熱所產(chǎn)生的化學(xué)變化卻比經(jīng)河川攜帶溶解鹽所引起的變化大數(shù)百倍。因而海底熱液反應(yīng)是海鹽的重要補(bǔ)充的說(shuō)法，已經(jīng)為許多海洋科學(xué)家所接受。但它只是海鹽來(lái)自湖泊的一個(gè)途徑，而絕不是唯一的途徑。因而，這種解釋也沒(méi)有最終解開(kāi)海鹽來(lái)源之謎。

海水淡化：動(dòng)物是我們的老師

生物體內(nèi)含量最多的是水，一切正常的生命活動(dòng)都是在水中進(jìn)行的，沒(méi)有水，養(yǎng)料不能吸收，廢物不能排出?？诳示褪潜砻魃矬w已經(jīng)失去一部分水，并刺激生物去補(bǔ)充水。

地球上的水并不少，海洋面積就占地球總面積的71%，陸地面積僅占29%，而且其中還包括了許多江、河、湖、泊、溪、澗等。地球上的水97.2%是海水。海水中溶解有復(fù)雜的化學(xué)成分，每升海水所含的各種離子、分子和化合物的總量（礦化度）在3克以上的是咸水。航海者都知道海水是不能喝的。海水非但苦澀，難以下咽，而且越喝越渴。所以遠(yuǎn)航必須帶足淡水，途中補(bǔ)充給養(yǎng)時(shí)，第一件事就是補(bǔ)足淡水。由于海水含有大量的鹽類，就連用來(lái)灌溉農(nóng)作物也不能。因此，生物體能直接利用的是礦化度每升小于1克的淡水，主要分布在江、河、湖、泊、地下水、高山積雪和冰川中，僅占全球水資源總量的2.8%。隨著現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)的飛快發(fā)展和人民生活用水量的日益增加，如果不注意節(jié)約用水，再肆意破壞水資源，那么地球上淡水的危機(jī)就會(huì)到來(lái)。為了避免這種災(zāi)難的發(fā)生，人們一方面要節(jié)流，另一方面要開(kāi)源。首先想到的當(dāng)然是海水淡化。海水脫除鹽分就可變?yōu)榈?。世界上許多國(guó)家都建立了海水淡化工廠。常用的傳統(tǒng)方法是蒸餾法——使海水急速蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽冷凝后即成為淡水。目前采用的一些新方法是從一些動(dòng)物中得到啟示而研制成功的。

有一種海鳥(niǎo)叫信天翁，分布于太平洋，冬季也可見(jiàn)于我國(guó)東北及沿海各地。成熟的信天翁全身純白，僅翼端及尾端呈黑色，翅膀很長(zhǎng)，伸展開(kāi)來(lái)，兩翅可達(dá)3.6米。它們能一連數(shù)月甚至成年在海上生活，累了在水面上歇息，餓了捕食海中的魚(yú)，喝的當(dāng)然是海水，因?yàn)樗鼈冎挥性诜敝车臅r(shí)候才返回荒島和陸地。信天翁能喝海水當(dāng)然會(huì)引起人們的注意，人們急于了解它們是怎樣解決海水中的鹽分問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)信天翁的鼻部構(gòu)造與其他鳥(niǎo)類不同，它的鼻孔像管道，所以稱為管鼻類。在鼻管附近有去鹽腺，這是一種奇妙的海水淡化器，去鹽腺內(nèi)有許多細(xì)管與血管交織在一起，能把喝下去的海水中過(guò)多的鹽分隔離，并通過(guò)鼻管把鹽溶液排出。以后人們相繼發(fā)現(xiàn)許多海洋動(dòng)物都有把海水淡化的本領(lǐng)，如海燕、海鷗、海龜和海水魚(yú)等。

海水魚(yú)終生生活在海水里，喝的當(dāng)然是海水，而且全身都浸沒(méi)在海水中，它們又是如何解決海水中的鹽分的問(wèn)題呢？人們當(dāng)然也不會(huì)放過(guò)對(duì)這一問(wèn)題的研究。水生動(dòng)物的體表通常是可滲透的，魚(yú)體內(nèi)的滲透壓和水環(huán)境的滲透壓差別很大，魚(yú)類與體外水環(huán)境的水分動(dòng)態(tài)平衡是通過(guò)滲透壓調(diào)節(jié)和體液中鹽分含量的滲透作用調(diào)節(jié)來(lái)維持的。海水鹽量高，海水硬骨魚(yú)血液和體液的濃度比海水要低，因此體內(nèi)水分就會(huì)不斷地從鰓和身體其他表面滲出，為的是保持體內(nèi)水分代謝的動(dòng)態(tài)平衡。一方面海水魚(yú)必須大量吞飲海水，這樣體內(nèi)鹽分就會(huì)增加。那么，又如何解決這個(gè)矛盾呢？海水硬骨魚(yú)的鰓部有一種特殊的能分泌鹽類的細(xì)胞，把過(guò)多的鹽分排出體外；另一方面，海水硬骨魚(yú)腎臟的腎小球的數(shù)量很少，腎小管重新吸收水的能力強(qiáng)，從而使排尿量減少到最低限度。就現(xiàn)有的研究材料來(lái)看，這些海洋動(dòng)物雖然各有自己的海水淡化器官，把喝進(jìn)去的海水鹽分排出體外，但是這些“淡化器”基本上都是用細(xì)胞的半滲透膜來(lái)脫鹽淡化海水的，如口腔膜、內(nèi)腔膜、表皮膜和鰓微血管膜等都是細(xì)胞膜，通常稱為生物膜。它們喝進(jìn)海水后，首先在口腔內(nèi)通過(guò)吸氣對(duì)腔內(nèi)不斷加壓，壓力差使一部分水滲過(guò)粘膜進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，而大部分鹽則被阻隔在口腔內(nèi)，隨水流經(jīng)鰓裂或排泄道排出體外。人們根據(jù)這個(gè)道理，研制出反滲透膜海水脫鹽淡化裝置。對(duì)海水施加大于滲透壓的壓力，使海水中水分通過(guò)滲透膜，而鹽分則被隔在外面，從而得到淡水。其次，海水中的鹽分總有一些進(jìn)入體內(nèi)，通過(guò)泌鹽細(xì)胞的特殊功能，以自身微弱的生物電形成電磁場(chǎng)，把海水中的鹽類，如氯化鈉的兩種電離子分離，在電場(chǎng)的作用下，滲出膜外，而將水分留在機(jī)體內(nèi)。人們根據(jù)這個(gè)道理，研制出電滲析膜海水淡化器，在直流電場(chǎng)作用下，使海水中的鹽類分解成正、負(fù)離子，使它們分別通過(guò)陽(yáng)、陰滲透膜向正極和負(fù)極運(yùn)動(dòng)，然后收集留在兩滲透膜中間的淡水。

海水淡化與環(huán)境污染

隨著近幾年淡水資源的不斷枯竭和海水淡化成本日益降低，海水淡化工業(yè)已被許多人看好，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家、商人都想在這一領(lǐng)域大干一場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2006年初，全球已經(jīng)擁有了12000多座海水淡化廠，有每天制造4000萬(wàn)立方米淡水的能力。預(yù)計(jì)到2010年底，將在這個(gè)規(guī)模的基礎(chǔ)上再增長(zhǎng)12%。

所謂海水淡化，其實(shí)是從海水中提取淡水的一項(xiàng)復(fù)雜而艱難的技術(shù)。反過(guò)來(lái)講，海水淡化過(guò)程也可以被看做是一個(gè)“海水濃縮”的過(guò)程。就拿目前比較流行的反滲透處理法為例吧：當(dāng)海水從半滲透膜通過(guò)時(shí)，只有像水分子那樣小直徑的分子可以來(lái)去自如，而像鹽分子這樣的大個(gè)分子卻只能“吃閉門羹”，被乖乖地?fù)踉谕饷妫纱硕黾恿撕Ｋ臐舛??？茖W(xué)家們?yōu)榱吮ＷC淡化的質(zhì)量，防止小孔被過(guò)多的鹽分子堵住，濃縮的海水需要被及時(shí)帶走。這就導(dǎo)致海水淡化會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品——“淡化廢水”，這種廢水既高鹽度，又高堿度，并且其中富含重金屬，對(duì)水下生物會(huì)造成破壞性很大的影響。如果淡化廢水來(lái)自蒸餾淡化水廠，排出的廢水還會(huì)改變海洋的溫度，對(duì)海底生物產(chǎn)生巨大的影響。如果建設(shè)一個(gè)日產(chǎn)10萬(wàn)噸淡水的海水淡化廠，只要連續(xù)3天直接把濃鹽水排入海中，8平方公里的海域鹽度就會(huì)提高20%，如果排放一個(gè)月，鹽度提高20%的面積將會(huì)上升到23平方公里。要知道，鹽度超過(guò)4%，部分海洋生物就已經(jīng)開(kāi)始奄奄一息了。這些環(huán)境問(wèn)題在海水淡化應(yīng)用最廣泛的地區(qū)——中東地區(qū)——就顯得更為突出了。因?yàn)樵摰貐^(qū)擁有目前世界上50%的海水淡化能力，每天能生產(chǎn)l100多萬(wàn)立方米的淡水。由此可以肯定，其淡化廢水的排放量也是驚人的。僅海灣地區(qū)，每秒鐘就可以生產(chǎn)出115立方米的淡水，但同時(shí)每秒鐘又制造出1000立方米的濃縮海水，快趕上當(dāng)?shù)刈钪饕纳程匕⒗拥膹搅髁棵棵?456立方米了。如此發(fā)展下去，海水會(huì)越來(lái)越濃，海洋會(huì)越來(lái)越稠了。

淡化廢水排放雖然不像化工廠泄露那樣見(jiàn)血封喉，但是排放出來(lái)的化學(xué)物質(zhì)數(shù)量也是十分龐大的。其中，最讓人關(guān)注的兩種物質(zhì)就是氯和銅。海水淡化廠引入的海水通常需要經(jīng)過(guò)氯氣消毒。溶解的殘留氯氣排放出來(lái)大部分會(huì)自發(fā)地分解和稀釋掉。然而相關(guān)毒物學(xué)研究表明，低濃度的溶解氯氣(低于每升100微克)依然是海洋生物的“鶴頂紅”。因此美國(guó)環(huán)境管理局規(guī)定，海水中氯的長(zhǎng)期觀測(cè)值應(yīng)該低于每升7.5微克，短期值也不得超過(guò)每升13微克。更為致命的是，氯和水中的氧形成的化合物，結(jié)合海洋中的有機(jī)物可以形成對(duì)身體造成不可逆損害的致癌物。大部分的金屬離子和廢水中的銅離子通常會(huì)沉積在海底的沉淀物中。這些物質(zhì)會(huì)被海底淤泥中的生物攝入，并通過(guò)食物鏈富集到大型海洋生物體內(nèi)。

和單獨(dú)的物理化學(xué)分析不同，現(xiàn)實(shí)中的淡化廢水不是簡(jiǎn)單的毒性疊加，而是一個(gè)毒藥的“滿漢全席”。通過(guò)復(fù)雜的機(jī)理，鹽度、堿度、高溫和化學(xué)屬性很有可能相互增強(qiáng)。然而我們對(duì)這些潛在的復(fù)合毒性還知之甚少，需要更多相關(guān)的研究來(lái)揭示其中的奧秘。另一方面，海邊生態(tài)環(huán)境對(duì)淡化廢水的排放也有很大影響。例如，海底的海草、水藻和珊瑚礁瓠能降低海水的流動(dòng)和海底沉淀物的遷移，從而把廢水排放問(wèn)題轉(zhuǎn)換為局部環(huán)境的災(zāi)難。因此，淡化廢水排放口的位置應(yīng)該盡量躲開(kāi)這種海底動(dòng)植物茂密的地方。

縱使海水淡化困境重重，然而面對(duì)日益緊張的淡水資源，海水淡化仍然是我們需要給予考慮的方法之一。目前任何方法都不是萬(wàn)能的和十全十美的，只有因地制宜地、正確地施用科學(xué)，才能給我們帶來(lái)所需要的東西。