如何合理利用水資源綜述

山 立

（西北農(nóng)林科技大學(xué)中國干旱半干旱研究院，陜西 楊凌 712100）

如何合理利用水資源綜述

山 立

（西北農(nóng)林科技大學(xué)中國干旱半干旱研究院，陜西 楊凌 712100）

水，是生命之源，也是人類生存的基礎(chǔ)。水是人類及一切生物賴以生存的必不可少的重要物質(zhì)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善不可替代的極為寶貴的自然資源。水資源匱乏已成為我們不得不面對的全球性課題。從長遠(yuǎn)來看，要沖破這個(gè)制約人類可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，只有利用海水，被冰山、凍土固化的淡水等，擴(kuò)大傳統(tǒng)的水資源范圍，樹立“大水資源”的觀念，這樣才能掙脫社會(huì)和環(huán)境條件的制約，實(shí)現(xiàn)水資源合理利用的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，加大科技力度，不斷創(chuàng)新，人類才能完成“呼風(fēng)喚雨”的農(nóng)業(yè)的終極革命目標(biāo)。

大水資源觀；水危機(jī)；冰山；人工增雨；海水淡化

人類社會(huì)經(jīng)歷了五千多年的農(nóng)業(yè)文明時(shí)代，又經(jīng)歷了三百多年的工業(yè)文明時(shí)代。奇怪的是，人類在經(jīng)歷了三次工業(yè)革命與二次科學(xué)革命后，幾乎實(shí)現(xiàn)了古人所有的夢想，現(xiàn)在的人們可以隨心所欲的上天下海，享受著工業(yè)革命帶來的豐碩之果；而在五千年的農(nóng)耕時(shí)代后，人們至今仍不能隨心所欲的呼風(fēng)喚雨，大多數(shù)時(shí)間里只能逆來順受的接受老天的安排。

水，是生命之源，也是人類生存的基礎(chǔ)。在我國古代神話西游記里，那個(gè)被孫悟空教訓(xùn)的非常聽話的海龍王可以隨時(shí)聽從孫悟空的調(diào)遣，求雨比成仙得道容易得多。不過，今天在沒有孫大圣的日子里，求天降雨卻總不能如人所愿，干旱與旱災(zāi)始終困擾著人類，水危機(jī)已迫在眉睫。

1 水之困惑

1.1 水危機(jī)正在到來

在太平洋上空，從飛船上看地球。一片汪洋，地球就像一個(gè)水球。地球并不缺水，只是缺無污染的淡水。地球上的水97%是海水，在3%的淡水中有3/4凍結(jié)在兩極和冰川中，可以利用的淡水只有極小的一部分。所有的河流、湖泊中的水加在一起，只占全球水總量的萬分之二，加上可以利用的地下水、維持生物圈和人類社會(huì)的是不及總水量1%的淡水。人口占世界22%，淡水資源只占世界總量8%的中國，從20世紀(jì)末期就有108個(gè)城市缺水，200多個(gè)城市地下水位不斷下降，近6 500萬貧困人口中有90%以上是由缺水造成的。由于缺水，我國每年直接國民經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 000多億。而污染又使水資源雪上加霜，每年因水污染造成的直接損失達(dá)400多億。水危機(jī)嚴(yán)重制約著我國21世紀(jì)16多億人口的生存和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

1.2 “大水資源”觀

雖然，通過筑壩等水利工程，人類目前已經(jīng)成功控制了世界上大多數(shù)河流，但不幸的是，在此之后其中有近三成水流已不能到達(dá)海洋，成為了時(shí)澇時(shí)枯的季節(jié)河。水資源匱乏已成為我們不得不面對的全球性課題。因而，“大水資源”的觀念呼之欲出。

所謂“大水資源”是指將傳統(tǒng)水資源的范圍擴(kuò)大，不僅僅包括湖泊、河流、地下水及雨雪等，還需包括極地冰山、每單位可淡化的海水、可供人工增雨的雨水以及可再利用的再生水與微咸水等。

可見，大水資源觀念，是對傳統(tǒng)的生活及農(nóng)業(yè)用水的重新詮釋，是一種以開發(fā)、利用、可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多種效益相結(jié)合的認(rèn)識新模式。不過，觀念的樹立到目標(biāo)的真正實(shí)施之路還很漫長，還有許多急需攻克的研究課題。

2 漫漫求水路

2.1 搬運(yùn)冰山

在英國專利局的各項(xiàng)古怪發(fā)明中，其中有一些是由英國專利局的前雇員亞瑟·帕德里克發(fā)明的。自20世紀(jì)70年代帕德里克退休后，他總共在專利局申請了五十多項(xiàng)發(fā)明專利。其中一個(gè)著名的專利是“一種在南極取水的裝置”，帕德里克的設(shè)計(jì)思想是：建造一條長數(shù)千里，直徑三米的管道，橫跨南極冰山地區(qū)，再用管道從海底通到澳大利亞或非洲沙漠地帶，其原理是，用安裝在南極冰山上的機(jī)械，把雪球順管道滾落下，由于管道角度的設(shè)計(jì)充分地利用了地球的自傳原理，雪球會(huì)順管道順暢的移動(dòng)，且越滾越快，最后可以直達(dá)目的地的另一臺(tái)機(jī)器裝置內(nèi)，化冰為水，流淌到干枯的土地上。這項(xiàng)專利在當(dāng)時(shí)很轟動(dòng)，除了被媒體炮轟和同行的嘲諷外，無人購買他的專利。

按現(xiàn)今的科技發(fā)展水平而言，帕德里克當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念無疑是超前的，建造與鋪設(shè)數(shù)千里長的管道在今天已不是難事，問題的關(guān)鍵是，有沒有比帕德里克更好的搬運(yùn)南極之冰山的方法。

30多年前美國海洋學(xué)家約翰·艾薩克曾受帕德里克設(shè)計(jì)觀念的啟發(fā)，設(shè)想把冰山用船從南極“般”到地球上干旱的地區(qū)，用以灌溉農(nóng)田和人畜飲用。然而，由于許多技術(shù)上的困難，這一設(shè)想當(dāng)時(shí)成為泡影，很多人也因此嘲笑他異想天開。后來美國科學(xué)家喬納森·喬布對冰山搬家給出了新的設(shè)想以及更進(jìn)一步的新見解，即只有搬動(dòng)大的冰山，才能暢通無阻地飄過溫暖的水域。這才引起學(xué)術(shù)界的重視。

以色列就曾想將南極冰山直接用船經(jīng)地中海運(yùn)到以色列沿海再轉(zhuǎn)往極端干旱的陸地。被運(yùn)的冰山底面積相當(dāng)于幾個(gè)足球場的總面積，冰山能保持一年不化。然而，海上各種因素復(fù)雜，運(yùn)輸速度還將受到海流和風(fēng)暴的影響，因而，要將這個(gè)設(shè)想付諸實(shí)施，還存在相當(dāng)大的難度，計(jì)劃因此擱淺。不過，從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的角度看，人類肯定能把冰山搬到干旱的地方去，這點(diǎn)不用懷疑。科學(xué)家認(rèn)為，用現(xiàn)有的技術(shù)力量可以搬動(dòng)的最大限度是長7 km、寬1.5 km的冰山?，F(xiàn)在一些富有的阿拉伯石油國家就有“冰山搬家”的打算，以解決他們國家的干旱問題。

2.2 人工增雨

我們知道，要想通過人工增雨的方式增加降水，必須有云，有云才能有雨，但不是所有的云都有降水潛力，只有那些有降水潛力和有開發(fā)利用可能的云才可催化致雨，天高云淡是無法達(dá)到增雨目的的。因此，播撒催化劑是實(shí)現(xiàn)人工增雨的關(guān)鍵所在，那么人類使用人工增雨的催化劑都有哪些呢？它是如何發(fā)現(xiàn)的呢？

2.2.1 人工增雨原理

1946年7月的一天，天氣炎熱，美國氣象學(xué)家謝弗在一個(gè)普通的冰箱里做試驗(yàn)。他不斷的向冰箱哈氣。由于外界溫度太高，冰箱內(nèi)很難有霧汽出現(xiàn)。謝弗想讓冰箱里的氣溫再降低一些，他于是取了一塊干冰（固態(tài)二氧化碳，常用來做冰凍劑）放進(jìn)了冰箱。當(dāng)他再哈汽時(shí)，奇跡出現(xiàn)了，冰箱里出現(xiàn)了成千上萬個(gè)閃閃發(fā)亮的小冰晶——這就是人造的雪花。干冰的催化作用由此被確認(rèn)。

如果把干冰曬在云中，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？謝弗從一架小飛機(jī)中向一塊零下20 ℃的層狀云中播撒了1.36 kg的干冰，5分鐘后，不同形狀的雪花從空中紛紛揚(yáng)揚(yáng)的飄落。這表明用少量催化劑改變過冷云層，可達(dá)到降雨雪、消散云層的目的。“雨神”密碼被破譯，人類用自己的力量影響天氣的歷史邁出了重大的一步。

謝弗用干冰作催化劑的實(shí)驗(yàn)成功后，他的同事馮尼古特發(fā)現(xiàn)，在過冷霧中引入碘化銀顆粒后，也能產(chǎn)生大量冰晶。這一發(fā)現(xiàn)促使人工降雨的迅速發(fā)展，因?yàn)椴ト龅饣y所需設(shè)備簡單，費(fèi)用低廉。

2.2.2 人工增雨催化劑

目前，人工增雨使用的催化劑通常分為三類：第一類是可以大量產(chǎn)生凝結(jié)核或凝華核的碘化銀等成核劑；第二類是可以使云中的水分形成大量冰晶的干冰等制冷劑；第三類是可以吸附云中水分變成較大水滴的鹽粒等吸濕劑。

飛機(jī)、高炮和火箭是把催化劑播撒到云中的常用人工增雨作業(yè)工具。高炮和火箭是在彈頭和彈體內(nèi)裝填適量碘化銀，從地面發(fā)射到云中適當(dāng)部位后爆炸播撒或沿火箭彈道噴撒。在飛機(jī)上噴撒碘化銀焰霧的方法，一種是在機(jī)艙內(nèi)遙控懸掛在機(jī)翼下的特制發(fā)生器，使從中噴出的碘化銀丙酮溶液燃燒；另一種是遙控發(fā)射懸掛在機(jī)翼下的特制碘化銀焰彈。在飛機(jī)上也可以向云中播撒小顆粒狀的干冰或液氮等冷卻劑或吸濕性粒子，人工制造冰晶或大水滴，促使更多的云水轉(zhuǎn)化為降水。

俗話說，巧婦難為無米之炊，人工增雨也是這個(gè)道理。碘化銀、干冰等只是適用于溫度低于0 ℃冷云的催化劑；而鹽粒等是只適用于溫度高于0 ℃暖云的催化劑。后者屬于堿性物質(zhì)，對增雨設(shè)備、農(nóng)作物都有一定的腐蝕作用，因?yàn)槿斯ぴ鲇戤a(chǎn)生作用有一個(gè)重要的前提，就是天空中要有成雨條件。當(dāng)天氣過程中有適合的降雨云系時(shí)，通過人工干預(yù)、催化，可以使原有的降水變得更大，但其核心還是利用自然降水實(shí)現(xiàn)的。

2.3 海水淡化

現(xiàn)今海水淡化的方法有很多，如蒸餾法、冷凍法、反滲透法、太陽能法、低溫多效法、電滲析法與壓汽蒸餾法等等，其中最神奇的就數(shù)反滲透法了。

2.3.1 反滲透法的原理

反滲透法通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開。在通常情況下，淡水通過半透膜擴(kuò)散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個(gè)過程為滲透。此時(shí)，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美日等發(fā)達(dá)國家先后把發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)向反滲透法。

反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展很快，工程造價(jià)和運(yùn)行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價(jià)高效預(yù)處理技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗污染能力等。

2.3.2 反滲透法在以色列的應(yīng)用

如今，在以色列應(yīng)用最廣泛的還是反滲透法，這種方法一直到20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象后才有了實(shí)施的可能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用反滲透技術(shù)來處理海水正日益受到重視。

經(jīng)計(jì)算，只要將5～7 MPa的壓力施加在海水上，并使其通過特制的過濾器，就能得到淡水，所消耗的能量只是維持高壓泵工作的能量。2000年初，以色列共和國的海水淡化方案獲得了初步通過，2005年8月24日，離以色列境內(nèi)阿什凱隆不遠(yuǎn)處，世界上最大的利用反滲透原理獲取淡水、年產(chǎn)1億m3淡水的海水淡化廠已經(jīng)奠基。淡化廠有20個(gè)預(yù)處理水池，海水將經(jīng)由聚合物過濾池后進(jìn)入高壓水泵。得到的淡水經(jīng)過預(yù)處理，直接進(jìn)入通往全以色列的輸水管，再運(yùn)往南部干旱地區(qū)。

反滲透海水淡化具有節(jié)省投資、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)反滲透技術(shù)將是21世紀(jì)海水淡化的主要方法。

3 存在的問題

3.1 對“冰山搬運(yùn)”而言

科學(xué)家們對問題還是看得更遠(yuǎn)一些，他們不僅考慮如何搬運(yùn)冰山，同時(shí)還在考慮極地的冰山搬走了，會(huì)不會(huì)使南極的一部分氣候變暖？這些地方的氣候如果變暖，對于它們周圍的環(huán)境，以及對于整個(gè)地球的環(huán)境，將會(huì)引起一系列什么樣的變化？利大還是弊多？像這樣一些問題，人類還需要在試驗(yàn)或?qū)嵺`中去認(rèn)識。

3.2 海水淡化的普及主要受困成本問題

為降低成本，水電聯(lián)產(chǎn)和熱膜聯(lián)產(chǎn)都得到了廣泛的應(yīng)用。所謂水電聯(lián)產(chǎn)，就是利用電廠產(chǎn)生的蒸汽和電力，為海水淡化裝置提供動(dòng)力；熱膜聯(lián)產(chǎn)，則采取熱法和膜法相聯(lián)合的方式，滿足不同用水需求，以最大限度地降低海水淡化成本。

但是海水脫鹽過程會(huì)消耗大量能源，從而會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體；此外，海水淡化在一些海岸區(qū)域，還破壞了海洋生物的生存環(huán)境。隨著建造脫鹽工廠的數(shù)量成指數(shù)倍增長，還將會(huì)顯著加速氣候變化的步伐?，F(xiàn)實(shí)中的淡化廢水不是簡單的毒性疊加，而是一個(gè)毒藥的“滿漢全席”。通過復(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)的研究來揭示其中的奧秘。另一方面，海邊生態(tài)環(huán)境對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，從而把廢水排放問題轉(zhuǎn)換為局部環(huán)境的災(zāi)難。

3.3 對于人工增雨，人們還有一種誤解，認(rèn)為是下了雨旱情就消失了

事實(shí)上，通過人工增雨的方式增加降雨后，旱情只能在一定程度上得到緩解，并不能從根本上消除。旱情的徹底解除，除增加降雨量外，還需要水利設(shè)施以及其它技術(shù)手段的支撐和密切配合。如果缺乏相應(yīng)的條件，人工增雨便無從談起。因此，人工增雨還不能隨心所欲。

4 結(jié)束語

水是人類及一切生物賴以生存的必不可少的重要物質(zhì)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善不可替代的極為寶貴的自然資源。水資源匱乏已成為我們不得不面對的全球性課題。

從長遠(yuǎn)來看，要沖破這個(gè)制約人類可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，只有利用海水、被冰山、凍土固化的淡水等，擴(kuò)大傳統(tǒng)的水資源范圍，樹立“大水資源”的觀念，這樣才能掙脫社會(huì)和環(huán)境條件的制約，實(shí)現(xiàn)水資源合理利用的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，加大科技力度，不斷創(chuàng)新，人類才能完成“呼風(fēng)喚雨”的農(nóng)業(yè)的終極革命目標(biāo)。

1 山 侖、黃占斌、張歲岐.節(jié)水農(nóng)業(yè)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：1～15

2 顏士州.讓冰山搬家［J］.發(fā)明與創(chuàng)新，2010（5）：33～34

3 王若謙.海水淡化的困境［J］.百科知識，2008（25）：17～18

4 上官云.以色列人的“求水”之路［J］.自然與科技，2008（11）：11～12

Summary of the Reasonable Use of Water Resources

Shan Li

Water is the source of life, and the basis for human survival.Water is an important essential material for human and biological survival, and extremely valuable irreplaceable natural resources for the industrial and agricultural production, economic development and environmental improvement.Water scarcity has become the global issues we have to face.In the long run, to break through the “bottleneck”constraining human sustainable development, only using sea water or freshwater ice, expanding the scope of traditional water resources, and establishing the concept of “big water resource”, can break the restraints of social and environmental conditions, and achieve the sustainable development of water resource rational use.At the same time, increasing scientific and technological strength, and making continuous innovation can help human to complete the ultimate revolutionary agricultural goal of “to control the forces of nature”.

water resource view; water crisis; iceberg; artificial rainfall; sea water desalination

TV213

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1000－8136（2011）03－0129－03