以色列依靠科技創(chuàng)新走出缺水困境的經(jīng)驗(yàn)

秦同春

（1.河北滄州平原區(qū)地下水與地面沉降國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,河北 滄州 061000；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081）

受氣候環(huán)境和地理因素影響，以色列是世界上天然淡水資源最貧乏的國(guó)家之一[1]。以色列通過(guò)領(lǐng)先全球的精密水利技術(shù)以及充滿(mǎn)各種智慧創(chuàng)新的節(jié)水科技，有效解決了本國(guó)水資源短缺困境，甚至向鄰國(guó)及周邊地區(qū)供給水資源[1-3]。豐富的水資源供給使以色列成為世界上首個(gè)沙漠面積衰減的國(guó)家，成為世界主要農(nóng)產(chǎn)品出口大國(guó)之一[4]。其農(nóng)產(chǎn)品不僅自給自足，甚至遠(yuǎn)銷(xiāo)歐洲，被贊譽(yù)為歐洲國(guó)家的“冬季廚房”“果園”“菜籃子”等。

我國(guó)是世界上主要的干旱國(guó)家之一，干旱、半干旱和半濕潤(rùn)易旱區(qū)的總面積約4.93×106km2，占全國(guó)總面積的一半以上[5-6]。以色列如何走出缺水困境有借鑒意義，其“沙漠奇跡”值得我們認(rèn)真思考。

本文從地理氣候概況、水資源分類(lèi)以及水資源危機(jī)應(yīng)對(duì)措施等方面，系統(tǒng)介紹了以色列從缺水之國(guó)變?yōu)樗畯?qiáng)國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)水資源高效利用與管理提供借鑒，也為今后我國(guó)與以色列開(kāi)展水資源方面相關(guān)合作及學(xué)術(shù)研究提供資料。

1 自然地理和氣候

以色列位于亞州西部，地處亞、非、歐三大洲的結(jié)合處，是地中海東南海岸一個(gè)狹長(zhǎng)的半干旱國(guó)家，南北長(zhǎng)約470 km，東西最寬處約135 km。沿海是地勢(shì)較低的狹長(zhǎng)平原，東部是山地和高原。北靠黎巴嫩，東臨敘利亞和約旦，西南與埃及接壤，西海岸線與地中海相連，最南端的埃拉特灣（Gulf of Eilat）與紅海相連。根據(jù)世界銀行2020年發(fā)布的數(shù)據(jù)，以色列國(guó)土面積為21 640 km2，耕地約占國(guó)土面積的20%，沙漠占國(guó)土面積的60%。

受地中海東岸亞熱帶濕熱氣候、亞熱帶沙漠氣候（撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠）的共同影響，以色列夏季漫長(zhǎng)炎熱且少雨，冬季短暫涼爽并多雨[7]。根據(jù)世界數(shù)據(jù)網(wǎng)及全球經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)，以色列1999—2019年歷年的年內(nèi)氣溫變化范圍為10～30 °C，部分年份的最高溫度高于30 °C、最低溫度低于10 °C。當(dāng)年12月至次年2月是最冷的月份，白天氣溫在5 ～10 °C 范圍內(nèi)波動(dòng)，夜間氣溫通常低于5 °C；7—9月溫度最高，白天氣溫在35 ～40 °C 范圍內(nèi)波動(dòng)，夜間氣溫平均為20 °C（圖1 和圖2）。以色列降水以降雨為主，戈蘭高地（Golan Heights）和耶路撒冷（Jerusalem）等地勢(shì)較高地區(qū)可能出現(xiàn)極少降雪。1999—2019年降水量變化范圍為0～100 mm，部分年份的降水量會(huì)超過(guò)100 mm，約70%的降水集中在當(dāng)年11月至次年3月，5—10月幾乎無(wú)雨（圖1 和圖2）。

圖1 以色列1999—2019年年間降雨與溫度變化Fig.1 Precipitation and temperature of Israel from 1999 to 2019

圖2 以色列1999—2019年多年月均降雨與溫度變化Fig.2 Average monthly precipitation and temperature of Israel from 1999 to 2019

以色列年內(nèi)降水空間分布因緯度以及與地中海的距離變化呈現(xiàn)較大的空間差異性：南部?jī)?nèi)蓋夫沙漠（Negev Desert）占據(jù)近60%的國(guó)土面積，年均降水量不足100 mm，干旱年份甚至低于30 mm；北部丘陵和山地降水充沛，年均降水量超過(guò)600 mm；沿地中海的幾個(gè)城市，如海法（Haifa）、內(nèi)塔亞（Netanya）、特拉維夫—雅法（Tel Aviv—Yafo）等，年均降水量在400～600 mm 之間[8-9]。以色列全國(guó)降水量分布情況見(jiàn)圖3。

圖3 以色列降水量分布圖Fig.3 Distribution of precipitation in Israel

2 主要水資源

以色列的水資源包括常規(guī)水資源（天然水資源）和非常規(guī)水資源（人工再生水資源）兩大類(lèi)。常規(guī)水資源指天然地表水資源和地下水資源，約80%位于該國(guó)北部（圖4）。近年的總水資源供給量約為24×108m3，其中常規(guī)水資源量每年變化不大，約為17.8×108m3，地下水資源約占11×108m3，地表水資源量約占6.8×108m3[10-11]。

圖4 以色列水資源分布圖Fig.4 Distribution of water resources in Israel

在常規(guī)水資源中，天然地表水資源水域面積不足國(guó)土面積的1%，境內(nèi)的非季節(jié)性河流有約旦河（Jordan River）、基雄河（Kishon River）、雅孔河（Yarkon River）以及雅莫科河（Yarmouk River），湖泊有加利利湖（Sea of Galilee）和死海。死海為咸水湖，含鹽量在25%～35%左右，不可直接飲用。

地下水資源主要有兩大地下含水層：沿海含水層和山區(qū)含水層（圖4）[11]。此外在內(nèi)蓋夫沙漠和阿拉瓦河谷（Arava Valley）也零星分布著一些規(guī)模較小的含水層。沿海含水層沿地中海沿岸分布，直接接受天然降水、河流補(bǔ)給和人類(lèi)生活產(chǎn)生的水源補(bǔ)給。由于工廠排污、垃圾露天堆置、農(nóng)田灌溉等人類(lèi)活動(dòng)，以及過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致的海水入侵，沿海含水層水質(zhì)較差。沿海含水層的年度可持續(xù)開(kāi)采量約為3.6×108～4.2×108m3，為控制水質(zhì)，近幾年政府已逐步關(guān)閉部分沿海抽水井。山區(qū)含水層從北部的里雄雅科夫（Zichron Yaakov）一直延伸到南部貝爾謝巴（Be’er Sheva），長(zhǎng)約130 km，寬約35 km，總面積近6 000 km2。該含水層主要接受以色列北部和西岸地區(qū)的降水補(bǔ)給，水質(zhì)優(yōu)于沿海海水層水質(zhì)。該含水層的年度可持續(xù)開(kāi)采量約為3.5×108m3，但以色列和巴勒斯坦每年的總開(kāi)采量約為6.8×108～7.4×108m3，遠(yuǎn)超年度可持續(xù)開(kāi)采量，加之近年來(lái)降水減少，含水層面臨水量枯竭和退化的危險(xiǎn)[11]。

非常規(guī)水資源則包括回收水再利用和海水及苦咸水淡化后產(chǎn)生的人工再生淡水資源。非常規(guī)水資源供給量逐年遞增，綜合以色列水資源部門(mén)和世界銀行的數(shù)據(jù)，非常規(guī)水資源的供給量從建國(guó)初期幾乎為0 增長(zhǎng)至2014年的14.5×108m3，如今已經(jīng)逐步接近常規(guī)水資源的供給量。非常規(guī)水資源主要通過(guò)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具體介紹見(jiàn)文章第4 節(jié)。

3 水資源利用結(jié)構(gòu)

以色列的水資源利用主要集中在四個(gè)方面：農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水以及出口一部分水資源給約旦和巴勒斯坦，其中農(nóng)業(yè)用水是以色列水資源消耗的主要部分，占比超過(guò)一半[12]。根據(jù)以色列水務(wù)局和巴勒斯坦中央統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，2016年以色列全國(guó)總用水量約為23.5×108m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為12.8×108m3，居民生活用水量為8.09×108m3，工業(yè)用水量為1.24×108m3，向約旦和巴勒斯坦權(quán)力機(jī)構(gòu)供給的水量為1.31×108m3[12-13]。

4 依靠科技創(chuàng)新解決水資源危機(jī)

4.1 節(jié)水灌溉技術(shù)

以色列政府對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)研發(fā)、節(jié)水設(shè)備研制和推廣使用給予大力扶持，制定了一系列優(yōu)惠政策和措施，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展。節(jié)水灌溉技術(shù)從簡(jiǎn)單的噴灌，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的水肥一體的滴灌和微噴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能供能，受計(jì)算機(jī)控制，利用特制的塑料管道灌水系統(tǒng)密封輸水，可根據(jù)作物的生長(zhǎng)狀況及水、肥狀況自動(dòng)進(jìn)行灌水和施肥，既節(jié)省了人力，又高效管理農(nóng)田，農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

為防止滴灌和微噴灌系統(tǒng)給植物提供的水源快速滲透流失和蒸發(fā)，以色列研發(fā)了新型“土壤”，在節(jié)水灌溉技術(shù)中扮演著重要角色。這種土壤主要由1 000 °C高溫下形成的多孔石組成，并混合一定比例的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。摻入細(xì)碎多孔石的混合土與傳統(tǒng)土壤相比，有更好的通風(fēng)和保水保濕效果。

節(jié)水灌溉技術(shù)使以色列在農(nóng)業(yè)用水總量基本保持不變的情況下，農(nóng)田灌溉面積從1960年的13.5×108m2增加到目前的22×108m2，而每公頃的用水量從1960年的8 700 m3減少到現(xiàn)在的5 250 m3，水肥利用率提高到了80%～90%，節(jié)水90%，節(jié)能50%，平均增產(chǎn)30%，各項(xiàng)指標(biāo)均排在世界前列。

此外，節(jié)水灌溉技術(shù)還帶動(dòng)了周邊技術(shù)發(fā)展，諸如溫室技術(shù)、育種技術(shù)等，促進(jìn)了以色列節(jié)水灌溉、溫室、育種一體化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展。

4.2 微咸水灌溉技術(shù)

微咸水的比重介于1.005 和1.010 之間，比淡水咸，但咸度不如海水，對(duì)大多數(shù)植物生長(zhǎng)不利。以色列南部為沙漠地區(qū)，幾乎沒(méi)有淡水資源，但地下卻埋藏著豐富的微咸水資源。以色列最大綠色組織“猶太國(guó)家基金”（Keren Kayemeth LeIsrael-Jewish National Fund，KKL-JNF）對(duì)微咸水種植進(jìn)行研究，提出兩種微咸水種植方案：一是培育直接在微咸水中生長(zhǎng)的植物，另一是用微咸水與淡水混合灌溉。KKL-JNF 指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民嘗試在沙漠地區(qū)進(jìn)行微咸水種植。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)，兩種方案均獲得成功。在第一種方案中，專(zhuān)家培育出耐鹽橄欖樹(shù)，適宜略高濃度的咸水澆灌。在第二種方案中，專(zhuān)家嘗試出不同作物的最優(yōu)微咸水和淡水混合比例，比如櫻桃番茄用6∶4 的微咸、淡水混合水澆灌后，產(chǎn)量增產(chǎn)最高，且經(jīng)過(guò)微咸水澆灌的櫻桃番茄更美味，抗氧化成分也更高。

目前，以色列農(nóng)業(yè)灌溉所用微咸水量已超過(guò)農(nóng)業(yè)用水總量的10%。開(kāi)發(fā)利用微咸水不僅為以色列開(kāi)辟了“新水源”，也為其壯大沙漠農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

4.3 污水回收技術(shù)

以色列要求各企業(yè)首先對(duì)廢水進(jìn)行第一級(jí)處理，然后排入城市污水收集系統(tǒng)，與城市污水匯集后進(jìn)行第二級(jí)處理。第二級(jí)處理后的污水水質(zhì)可達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)，將二級(jí)處理水與收集的降水一起儲(chǔ)存入人工水庫(kù)，再輸送至缺水地區(qū)。盡管人工水庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存水的水質(zhì)達(dá)飲用標(biāo)準(zhǔn)，但是為了控制風(fēng)險(xiǎn)，這些水主要用于農(nóng)作物灌溉，禁止流入居民飲用水系統(tǒng)?；厥账乃畠r(jià)為飲用水水價(jià)的1/5，在有些地區(qū)甚至免費(fèi)供應(yīng)給農(nóng)民使用。1997年，以色列廢水（包括工業(yè)廢水和城市污水）的收集率已達(dá)90%，處理率達(dá)80%，利用率約50%，約有2.5×108m3的回收水用于農(nóng)業(yè)灌溉，約占農(nóng)業(yè)用水總量的20%。污水回收技術(shù)將部分農(nóng)業(yè)用水配額轉(zhuǎn)給工業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)了工業(yè)發(fā)展。

目前，以色列污水處理率達(dá)100%，水循環(huán)利用率達(dá)80%，是世界水循環(huán)利用最領(lǐng)先的國(guó)家。

4.4 海水和微咸水淡化技術(shù)

早在20世紀(jì)70年代，以色列政府便在埃拉特修建了第一家以微咸水淡化為主的工廠[14]。以色列目前已經(jīng)有6 家大型海水和微咸水淡化廠（表1）。根據(jù)以色列財(cái)政部數(shù)據(jù)，目前以色列每年總的海水淡化年產(chǎn)量為8×108～10×108m3。以色列于2020年在索瑞克（Sorek）開(kāi)建第7 座海水淡化廠，預(yù)計(jì)2023年完工，年產(chǎn)量預(yù)計(jì)為2×108m3，每立方米的淡水生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)將降為1.82 謝克爾，約合0.52 美元，屆時(shí)海水淡化廠將為以色列提供超過(guò)85%的飲用水，占居民用水和市政用水量近20%。

表1 以色列現(xiàn)有海水和微咸水淡化廠Table 1 Desalination plants of seawater and slight-saltwater in Israel

除以上7 家海水和微咸水淡化廠外，以色列還有約30 家小型海水和微咸水淡化廠，多位于內(nèi)蓋夫沙漠和南部紅海沿岸，以淡化沙漠地下微咸水和紅海海水為主，這些小型海水和微咸水淡化廠的年淡水產(chǎn)量約為0.3×108m3。

4.5 收集利用雨水

以色列政府在降水量較大的中部地區(qū)和北部丘陵地區(qū)以及降水量在300 mm 左右的中部?jī)?nèi)陸地區(qū)修建水庫(kù)和攔水壩，收集雨水。這部分水庫(kù)同時(shí)還收集處理后的污水。目前以這種方式每年可收集約1×108m3的雨水，對(duì)緩解以色列水資源危機(jī)發(fā)揮了一定作用。另一個(gè)措施是在中部沿海平原修建攔水壩和引水渠，將雨水人工回灌到沿地中海平原的沿海含水層，以保護(hù)地下水源，防止海水入侵。

目前以色列雨水的利用率約為18%（包括收集和回灌地下含水層、作物直接吸收等），雨水的利用潛力還很大，政府正在采取進(jìn)一步措施來(lái)提高雨水的利用率。

4.6 收集空氣水

俄羅斯億萬(wàn)巨富Mikhael Mirilashvili 投資的以色列科技企業(yè)Watergen 公司成功研發(fā)出一款空氣過(guò)濾系統(tǒng)GENius，可以將空氣過(guò)濾后，提取其中的水分子轉(zhuǎn)化為干凈的水。每臺(tái)GENius 過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi)部都有一套儲(chǔ)水裝置和水處理系統(tǒng)，制水機(jī)先將周?chē)諝膺^(guò)濾后吸入機(jī)器內(nèi)部，并將溫度降至冷凝點(diǎn)以收集水分。收集的水經(jīng)內(nèi)置水處理系統(tǒng)提純、礦化后，就可以安全飲用。

除GENius 外，以色列理工學(xué)院的研究人員也開(kāi)發(fā)出另一種更為低能耗的獨(dú)立“憑空造水”系統(tǒng)H2OLL。H2OLL 系統(tǒng)不同于GENius 系統(tǒng)，它采用了兩個(gè)階段的循環(huán)過(guò)程：首先利用高濃度鹽溶液吸收空氣中的水分，然后在低于大氣壓的條件下通過(guò)冷凝蒸氣分離水分以獲得水，整個(gè)過(guò)程減少了生產(chǎn)水所需的能量。

5 結(jié)論與思考

以色列天然水資源短缺，人均淡水資源量?jī)H為聯(lián)合國(guó)所規(guī)定的1/3 左右。但以色列水資源又很“豐富”，在天然水資源短缺的情況下，政府一方面通過(guò)法律手段合理利用水資源，另一方面通過(guò)該國(guó)科技優(yōu)勢(shì)發(fā)展海水淡化、廢水回收利用等再生水資源產(chǎn)業(yè)，擺脫了缺水困境。

我國(guó)是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一[5-6]。近年來(lái)，我國(guó)新疆、甘肅、寧夏、山西、陜西、河北、天津、云南等地區(qū)積極與以色列開(kāi)展科技合作，引入了滴灌噴灌一體化節(jié)水灌溉、海水淡化等水資源高效利用領(lǐng)域的科技創(chuàng)新技術(shù)。但水資源高效利用技術(shù)的發(fā)展在我國(guó)依然處于起步階段，雖然局部地區(qū)已進(jìn)行試點(diǎn)推廣取得了一定成效，全國(guó)范圍的內(nèi)推廣還有很長(zhǎng)的路要走。同時(shí)在普及推廣中，常碰到技術(shù)投資成本高、自主研發(fā)水平不足、推廣前科普工作不到位、企業(yè)負(fù)責(zé)人以及農(nóng)民積極性不高等問(wèn)題。

我國(guó)面對(duì)與以色列類(lèi)似的缺水困境，深入研究以色列水資源保護(hù)利用措施，因地制宜地借鑒以色列在水資源利用方面的經(jīng)驗(yàn)，探索出適合我國(guó)實(shí)際情況的水資源可持續(xù)利用發(fā)展之路，克服在推廣普及時(shí)遇到的障礙，對(duì)解決我國(guó)面臨的水資源短缺問(wèn)題有很大意義。

編者按：2022年是中以建交30 周年，兩國(guó)雙邊合作達(dá)到全面發(fā)展的新高度。我國(guó)在高效節(jié)水技術(shù)方面與以色列開(kāi)展了系列務(wù)實(shí)合作，但距離全面推廣節(jié)水技術(shù)尚有很長(zhǎng)的路要走。本文作者曾在以色列開(kāi)展過(guò)科技外交工作，對(duì)以色列的水資源類(lèi)型、高效節(jié)水技術(shù)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)調(diào)研。作者結(jié)合其在該國(guó)的工作經(jīng)歷，對(duì)以色列的地理氣候情況、水資源類(lèi)型、水資源危機(jī)應(yīng)對(duì)措施等方面進(jìn)行了整體且系統(tǒng)的介紹，為我國(guó)走出缺水困境提供參考，也可為今后兩國(guó)水資源方面的相關(guān)合作及學(xué)術(shù)研究提供資料。