海水淡化在無居民海島保護(hù)和利用中的應(yīng)用

黃鵬飛，宋代旺，王生輝，初喜章，王銳浩

（國家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

【產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)】

海水淡化在無居民海島保護(hù)和利用中的應(yīng)用

黃鵬飛，宋代旺，王生輝，初喜章，王銳浩

（國家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

無居民海島是我國領(lǐng)土的重要組成部分，其社會、經(jīng)濟(jì)、政治和軍事價(jià)值不容忽視。我國海島淡水資源比較缺乏，保證淡水供應(yīng)是海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支持條件。介紹了海島海水淡化技術(shù)及應(yīng)用情況，歸納總結(jié)了海水淡化技術(shù)在海島規(guī)?；瘧?yīng)用存在的問題；針對無居民海島開發(fā)利用特點(diǎn)，從可再生資源利用、海水淡化船建設(shè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建等提出海水淡化技術(shù)在無居民海島應(yīng)用的建議。

無居民海島；水資源；海水淡化

引言

黨的十八大提出建設(shè)海洋強(qiáng)國的目標(biāo)，即把我國建設(shè)成在開發(fā)、利用、保護(hù)、管控海洋方面具有強(qiáng)大綜合實(shí)力的國家。海島作為海洋的重要組成部分，是從事海上漁業(yè)、發(fā)展海上旅游等海洋經(jīng)濟(jì)的主要陣地，是海洋經(jīng)濟(jì)向深海跨越的踏板，是建設(shè)海洋強(qiáng)國的基本支撐單元。其中，無居民海島是指我國管轄海域內(nèi)不作為常住戶口居住地的島嶼、巖礁和低潮高地等。我國擁有面積大于500平方米的海島7 300多個(gè)[1]，其中約94%的海島為無人居住海島[2]。眾多的無居民海島是我國領(lǐng)土的重要組成部分，其社會、經(jīng)濟(jì)、政治和軍事價(jià)值是不容忽視。同時(shí)，無居民海島遠(yuǎn)離大陸，有比較特殊的生態(tài)系統(tǒng)，是研究生物進(jìn)化和生態(tài)的天然科研基地；有些無居民海島儲藏著豐富的礦產(chǎn)資源，是國家的潛在財(cái)富；有些無居民島嶼作為天然的軍事屏障和領(lǐng)海前沿，為維護(hù)國家權(quán)益作出貢獻(xiàn)。

淡水資源是海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和支持條件。受地形地貌的影響，海島上可利用的徑流少、地下水儲量不足、水文地質(zhì)條件脆弱、開發(fā)難度大，與同緯度的大陸地區(qū)相比，海島的降水少、蒸發(fā)量大[3]。為保證無居民海島開發(fā)與保護(hù)的扎實(shí)推進(jìn)，促進(jìn)海上漁業(yè)、旅游等海島經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)海島居民生活條件的穩(wěn)步提高，必須進(jìn)行海島水資源方面的深入調(diào)研，全面分析并掌握海島淡水資源的分布情況，確定合理的淡水供應(yīng)方式，保證島上淡水供應(yīng)充足。

1 海島海水淡化技術(shù)及應(yīng)用情況

1.1 海島海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀

目前海水淡化技術(shù)主要分為蒸餾法（熱法）和膜法兩大類，其中低溫多效（MED）、多級閃蒸（MSF）和反滲透（RO）作為海水淡化的主流技術(shù)，已經(jīng)成功開展了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用[4]。從技術(shù)方法來看，海島海水淡化技術(shù)與一般海水淡化技術(shù)并無太大的異同。但由于海島地區(qū)的特殊性，所有的海水淡化并不完全適用于海島地區(qū)。如MED和MSF均屬于熱法，適用于有低成本熱源的工況，比如跟電廠或者化工廠余熱結(jié)合，但并不適用于海島地區(qū)。RO法屬于膜法，其唯一動力源就是電能輸入，且隨著技術(shù)的發(fā)展，RO法具有能效較低、操作簡單、建設(shè)周期短、適用范圍廣、投資規(guī)模靈活、噸水投資和運(yùn)營成本均低于熱法等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展速度較快。海島海水淡化尤其需要規(guī)模靈活，因此RO技術(shù)更適用。

由于大部分海島地區(qū)在缺水的同時(shí)也存在缺電問題，因而，海島海水淡化技術(shù)研究主要集中在可再生能源與海水淡化耦合工藝方面。目前來看，風(fēng)能、太陽能、核能、波浪能、潮汐能等新能源是海水淡化技術(shù)中可利用的清潔能源[5]。

風(fēng)能海水淡化可以分為直接風(fēng)能海水淡化和間接風(fēng)能海水淡化兩種。直接風(fēng)能海水淡化是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化的機(jī)械能直接用于驅(qū)動脫鹽單元進(jìn)行海水淡化的方法。間接風(fēng)能海水淡化是先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后再驅(qū)動脫鹽單元進(jìn)行海水淡化的方法。直接風(fēng)能海水淡化的優(yōu)點(diǎn)是省去了“機(jī)械能→電能→機(jī)械能”之間的轉(zhuǎn)換，提高了能量利用效率，并簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。間接風(fēng)能海水淡化根據(jù)供電方式的不同又可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。離網(wǎng)型風(fēng)力機(jī)單臺裝機(jī)容量約為0.1～10千瓦，一般不超過15千瓦，可作為沿海缺電、缺水的海島地區(qū)小型海水淡化的動力能源?？尚械呐c風(fēng)力發(fā)電相匹配的海水淡化技術(shù)主要有反滲透（RO）、機(jī)械蒸汽壓縮（MVC）和電滲析（ED）[6]。RO法能耗低，系統(tǒng)簡單，由膜單元組成，適用于各種規(guī)模，目前應(yīng)用也最為廣泛。

利用太陽能進(jìn)行海水淡化，主要是利用太陽能的熱效應(yīng)和光效應(yīng)。海水淡化方法有很多種?，F(xiàn)有淡化技術(shù)中，蒸餾淡化技術(shù)最成熟、運(yùn)行安全性高、適用范圍廣、單機(jī)規(guī)模大。太陽能直接平板蒸餾法雖然成本低廉，但效率太低，占地面積過大；而使用太陽能直接加熱海水，通過多效蒸發(fā)、多級閃蒸等技術(shù)使其淡化，能源利用率顯著高于使用太陽能直接蒸餾。太陽能利用效率的提高意味著單位面積產(chǎn)水量的提高，這對于土地面積有限的海島地區(qū)有著重要的意義。

海洋能包括了潮汐能、波浪能、溫差能等。關(guān)于潮汐能海水淡化的研究很少。利用波浪能進(jìn)行海水淡化主要有以下兩種方式:一種是利用波浪能發(fā)電，然后再用電能驅(qū)動海水淡化裝置工作；另一種方式是利用波浪能的機(jī)械能直接驅(qū)動水泵進(jìn)行海水淡化。在波浪能海水淡化的研究中，關(guān)于波浪能轉(zhuǎn)換裝置與海水淡化的耦合性能研究較多，而進(jìn)一步的細(xì)化研究則很少。

1.2 海島海水淡化應(yīng)用情況

為緩解當(dāng)時(shí)較為嚴(yán)峻的水資源危機(jī)，從20世紀(jì)60年代開始，加那利群島便開始運(yùn)用蒸餾法進(jìn)行海水淡化，以緩解島內(nèi)淡水供應(yīng)不足的問題。海水淡化技術(shù)為加那利群島提供了充足的淡水，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)得以迅速發(fā)展，人們生活水平明顯提高，因此加那利群島十分重視海水淡化技術(shù)的創(chuàng)新。20世紀(jì)80年代，蘭薩羅特島（加納利群島中的一個(gè)島）建立了運(yùn)用反滲透膜技術(shù)進(jìn)行鹽水分離的海水淡化廠，雖然當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模只有500立方米/日，但是反滲透膜技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域的生產(chǎn)應(yīng)用，是一次重要的技術(shù)革新。

1985年1月，我國第一座海水淡化工程——西沙淡水站，在西沙永興島建成，標(biāo)志著我國海水淡化技術(shù)進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段。西沙淡水站由我國自主設(shè)計(jì)并制造，最高淡水量為200立方米/日，每噸水的造價(jià)僅為船運(yùn)水成本的1/4左右。近些年，在政策扶持和技術(shù)進(jìn)步的作用下，我國海島海水淡化技術(shù)蓬勃發(fā)展。2007年國內(nèi)設(shè)計(jì)反滲透海水淡化工程建成投產(chǎn)，單機(jī)產(chǎn)水量1萬500立方米/日，單機(jī)規(guī)模已接近國際先進(jìn)水平[7，8]。1981—2014年我國海島海水淡化規(guī)模變化趨勢如圖1所示。從圖2可以看出，我國海島海水淡化規(guī)模逐年增長；經(jīng)過30余年的發(fā)展，海水淡化規(guī)模已由200立方米/日增至127 120立方米/日。在能源供給穩(wěn)定的大型海島，海水淡化技術(shù)已推廣應(yīng)用。隨著海島淡水需求的不斷增大，以及海水淡化技術(shù)的不斷進(jìn)步，海水淡化規(guī)模依然會保持較高的增長趨勢。

1.3 海島海水淡化技術(shù)存在的問題

經(jīng)過30余年的發(fā)展，我國海水淡化在技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上都有很大地提高，已掌握了海水淡化各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)、建造大規(guī)模海水淡化工程，為藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高海島居民生活水平做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。面對海島特殊的運(yùn)行條件和日益增長的淡水需求，海水淡化技術(shù)有待進(jìn)一步提高和完善，目前海島海水淡化技術(shù)主要存在以下問題。

1.3.1 海水淡化技術(shù)能耗較高

海水淡化的成本由能耗費(fèi)用、設(shè)備耗損、人員費(fèi)用以及藥劑費(fèi)用等組成，其中能耗費(fèi)用在總成本中所占的比例最高[9]。海水淡化初期運(yùn)用蒸餾法處理每立方米水需耗10度電，運(yùn)用反滲透技術(shù)處理每噸水的能耗為4度電，能耗成本約占總成本70%～80%。隨著海水淡化技術(shù)的發(fā)展，尤其能量回收技術(shù)的應(yīng)用，海水淡化的能耗指標(biāo)降低了90%左右（從26.4千瓦時(shí)/立方米降到2.9千瓦時(shí)/立方米），但是此技術(shù)主要應(yīng)用在大型海水淡化工程中，適用于中小型海水淡化系統(tǒng)的能量回收裝置還較少。例如長島縣南長山島、北長山島、黑山島運(yùn)用反滲透工藝進(jìn)行海水淡化，其運(yùn)行能耗費(fèi)達(dá)全部成本的1/2至2/3，當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟M(fèi)用6.3元/噸。因此，通過技術(shù)研發(fā)，開發(fā)適用于集裝箱式和便攜式海水淡化系統(tǒng)的能量回收裝置，是降低中小型海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水成本的重要途徑。

1.3.2 海水淡化所用的能源模式單一，能源供應(yīng)有限

大部分海島沒有熱源，因此采用熱法進(jìn)行海水淡化會使生產(chǎn)成本進(jìn)一步增加。目前海島進(jìn)行海水淡化的主要采用反滲透膜工藝，能源供應(yīng)為電能。大部分海島內(nèi)沒有發(fā)電廠，電能依靠大陸輸送；即使島上建有發(fā)電廠，電能供應(yīng)也并不十分充足。將有限電能的一部分用于海水淡化，雖然淡水缺乏問題得到緩解，但是這樣勢必會導(dǎo)致島上居民用電緊缺。因此必須打破海水淡化用能源模式單一的壁壘，才能保證島上居民水電需求同時(shí)得到滿足。

1.3.3 海水淡化設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)難度較大

目前海水淡化設(shè)備的自動化程度不高，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)需要專業(yè)人員現(xiàn)場操作。與大陸近海地區(qū)相比，海島交通不便，設(shè)備一旦發(fā)生故障，人員進(jìn)行修理的響應(yīng)時(shí)間較長，會給島上的生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重的影響。目前，機(jī)械領(lǐng)域基于多信號分析與融合技術(shù)的故障預(yù)測與診斷發(fā)展迅速，為海水淡化設(shè)備在自動化方面的發(fā)展提供了參考[10]。

1.3.4 不同海域環(huán)境差異大，海島海水淡化尚未形成統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范

不同海域的環(huán)境和海水物理性質(zhì)都會有所差異，比如南部海域的溫度和濕度較高，北部海域的溫度較低。海水的溫度、pH值以及環(huán)境的濕度都會影響海水淡化設(shè)備的生產(chǎn)效率。缺乏系統(tǒng)的、可以直接利用的海水淡化工程設(shè)計(jì)方案，對于不同海島上的海水淡化工程均需要進(jìn)行現(xiàn)場評估、需求量分析、海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)過于繁雜會導(dǎo)致設(shè)計(jì)費(fèi)用和投資成本增加，還會因此延長項(xiàng)目建設(shè)工期。

2 無居民海島開發(fā)利用特點(diǎn)

隨著我國海洋事業(yè)的逐步推進(jìn)，海島開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)越來越引起國家的重視，海島成為政府制訂海洋發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的一個(gè)重要組成部分。2003年我國第一部針對無居民海島的國家制度《無居民海島保護(hù)與利用管理規(guī)定》施行，這是我國無居民海島利用活動逐步納入法制化軌道的重要標(biāo)志:2008國家海洋局頒布“海十條”，提出政策“鼓勵(lì)外資和社會資金參與無居民海島的開發(fā)”；2010年，我國首部海島資源利用、管理與保護(hù)方面的綜合性法律《中華人民共和國海島保護(hù)法》頒布實(shí)施；2011年，公布了中華人民共和國第一批開發(fā)利用的無居民海島名錄；2012年，《全國海島保護(hù)規(guī)劃》正式頒布實(shí)施，該規(guī)劃是我國在推進(jìn)海島事業(yè)發(fā)展一項(xiàng)重大舉措，對于保護(hù)海島、合理開發(fā)海島資源，維護(hù)國家海洋權(quán)益，促進(jìn)海島地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義[11]。

無居民海島既不同于陸域，也不等同于海域，兼有陸域、海域和海陸結(jié)合的三重特性，具有明顯的獨(dú)特性。主要優(yōu)勢有:資源豐富，是資源的寶庫:通常都具有特殊的生物群落，保存了一批珍稀物種，形成了獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。土地使用的費(fèi)用較低，隨著可開發(fā)陸地資源的緊缺，無居民海島的合理開發(fā)會為我們拓寬新的視野，降低陸地壓力。

同時(shí)，無居民海島在開發(fā)利用方面也存在一定的劣勢，主要表現(xiàn)在:生態(tài)環(huán)境較脆弱，特別容易遭到損害而造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題；交通不便，絕大多數(shù)無居民海島的碼頭少，設(shè)施簡陋，生產(chǎn)成本大，進(jìn)一步的限制了海島經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足。

3 海水淡化在無居民海島上的應(yīng)用

針對目前海島海水淡化技術(shù)應(yīng)用中存在的問題，結(jié)合無居民海島開發(fā)與保護(hù)工作，提出以下建議。

3.1 突破能源供應(yīng)限制，采用多能源耦合海水淡化技術(shù)

無居民海島大都基礎(chǔ)設(shè)施比較落后，電力資源欠缺，海水淡化作為“以能源換水源”的技術(shù)，如果完全依賴電能進(jìn)行生產(chǎn)，會加劇島上用電緊張，影響居民生活?？紤]到海島地區(qū)有著較為豐富的風(fēng)能、太陽能等可再生能源，對于一些水資源需求較大的無居民海島，如能合理充分的加以利用便會在很大程度上緩解能源短缺的問題，降低海水淡化能耗成本。

2011年10月，國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所研制出風(fēng)光油儲海水淡化裝置，實(shí)現(xiàn)了多種能量的耦合。該裝置自備風(fēng)能、太陽能發(fā)電的能源供應(yīng)系統(tǒng)，無需輸入外部能源；結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，自動控制，操作簡單，維護(hù)方便，適用于沒有提供電能或者電能緊缺的島嶼和海洋監(jiān)測站。為防止惡劣天氣時(shí)出現(xiàn)能源供應(yīng)不足的問題，該裝置配有儲油裝置；當(dāng)風(fēng)能和太陽能所產(chǎn)電能不足以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可通過柴油發(fā)電機(jī)提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的能源。此外，預(yù)處理過程中可通過太陽能對海水進(jìn)行加熱，不但實(shí)現(xiàn)能量的多級利用、提高海水淡化效率、節(jié)約成本，又能保證該裝置在冬天海水溫度較低時(shí)正常運(yùn)行。目前，該裝置的工作壓力為5.5兆帕，產(chǎn)水量可達(dá)5立方米/日，脫鹽率可達(dá)99.5%，能量回收率高于27%。

3.2 建造海水淡化船

無居民海島多數(shù)位置偏僻，非常分散，像一顆顆珍珠一樣散落在藍(lán)色的大海上。對于位置偏遠(yuǎn)、水資源需求較少的海島，可建設(shè)浮動式海水淡化平臺或小型海水淡化船。海水淡化船穿梭于無居民海島之間，當(dāng)島上需要淡水時(shí)，淡化船靠近海島，通過海水淡化裝置對海島進(jìn)行淡水補(bǔ)給。

在歐盟的資助下，希臘已建成世界上首個(gè)浮動式、自動化、生態(tài)友好型風(fēng)能海水淡化平臺。該平臺利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等進(jìn)行能源供給，采用反滲透海水淡化技術(shù)生產(chǎn)淡水，每天產(chǎn)水70噸/日，能滿足300人每天用水需求。

3.3 海水淡化設(shè)備智能化，遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便維護(hù)保養(yǎng)

為避免海水淡化設(shè)備因故障停機(jī)導(dǎo)致海島淡水供應(yīng)危機(jī)，需要專業(yè)人員定期對海水淡化設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)。海島遠(yuǎn)離大陸，交通不便，為設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作設(shè)置了很大的阻礙，并提高了運(yùn)行成本。國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所研制的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷單元，通過在海水淡化系統(tǒng)中設(shè)置大量傳感單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可達(dá)到設(shè)備故障的預(yù)測、故障定位等目的。位于海水淡化系統(tǒng)中不同位置的傳感器將采集到的壓力、溫度、流量、流速等信號傳遞給中央處理單元，中央處理單元根據(jù)預(yù)先設(shè)置的范圍對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)狀態(tài)信息表明系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)，立即通知人員進(jìn)行修理，避免大的故障發(fā)生，做到早預(yù)防、早修理。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過傳感單元采集的信息對故障進(jìn)行定位，從而能夠有針對性地進(jìn)行維修，減少停機(jī)維修時(shí)間，降低對經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和居民生活的影響。

遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷單元通過無線傳輸數(shù)據(jù)信號，不受距離限制，且信號穩(wěn)定、傳輸速度快。監(jiān)測結(jié)果顯示直觀，能夠清楚地指出故障原因，非專業(yè)人員便可以完成設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作。目前該檢測結(jié)果已在永興島等島嶼投入使用，使用效果良好。

[1] 國家海洋局.《全國海島保護(hù)規(guī)劃》[Z].2012.

[2]全國海島綜合調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.全國海島資源綜合調(diào)查報(bào)告[M].北京:海洋出版社，1995.

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Application of Seawater Desalination in the Conservation and Utilization Planning of Uninhabited Islands

HUANG Pengfei，SONG Daiwang，WANG Shenghui，CHU Xizhang，WANG Ruihao
（Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，SOA，Tianjin 300192，China）

Uninhabited islands are an important part of the territory of our country，and their social，economic，political and military value cannot be ignored.Seawater desalination technologies and its applications were introduced in this paper.Several potential problems which hinder the mass-application of seawater desalination technology on the islands were summarized based on the analysis of current technological situation.In the light of the characteristics of the development and utilization of uninhabited islands，some advices about the usage of renewable resources，mobile seawater desalination device，remote monitoring were proposed.

Uninhabited islands；Water resource；Seawater desalination

F406.3

A

2095-1647（2016）06-0015-06

2016-12-09

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目 [201405035-1]

黃鵬飛，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹u水資源保護(hù)與利用技術(shù)。