偏遠(yuǎn)島礁就地供水保障模式分析

姜海波，趙云鵬，程忠慶

（海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津 300450）

1 前言

偏遠(yuǎn)島礁通常沒有淡水水源，淡水保障一般依靠從大陸船運(yùn)解決。這種保障方式在平時(shí)基本能滿足日常淡水需要，但是由于西沙、南沙等偏遠(yuǎn)島礁距大陸數(shù)百甚至數(shù)千公里，保障距離很長，在特殊時(shí)期很容易受到復(fù)雜軍事斗爭環(huán)境干擾和頻發(fā)的臺(tái)風(fēng)的影響，在極端情況下會(huì)嚴(yán)重威脅駐島人員的生命安全。因此遠(yuǎn)距離船運(yùn)淡水的保障模式不適合特殊時(shí)期需要，必須解決就地供水保障問題。

研究建設(shè)環(huán)境友好、運(yùn)行可靠、成本低廉的就地供水設(shè)施，以根治偏遠(yuǎn)島礁淡水極度匱乏這個(gè)長期存在的老大難問題是十分必要的，它會(huì)減少偏遠(yuǎn)島礁對大陸遠(yuǎn)距離運(yùn)送淡水的依賴性，提高島礁的獨(dú)立生存能力，具有重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義。

2 就地供水水源特點(diǎn)

就地供水，是指在偏遠(yuǎn)島礁上直接開辟淡水水源，并保障應(yīng)急用水需求，實(shí)現(xiàn)淡水的自給自足，減少甚至脫離對大陸遠(yuǎn)距離供水的依賴。由于偏遠(yuǎn)島礁一般沒有地下水，直接開采地下水的保障模式在島礁并不適用。實(shí)際上偏遠(yuǎn)島礁就地供水的水源只能來自兩個(gè)渠道：一是向天要水——進(jìn)行雨水收集；二是從海取水——進(jìn)行海水淡化，別無其他途徑可選。

2.1 雨水水源特點(diǎn)

雨水主要是海水受陽光照射后蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸餾水，是天然的淡水，在偏遠(yuǎn)無污染環(huán)境非常潔凈的地區(qū)，只要做簡單的處理就能飲用，在應(yīng)急的情況下可以直接使用。

南海島礁雨水充沛，但是大部分雨水滲流入海，沒有有效利用。1998年南海某島建造了大型雨水收集設(shè)施，每年利用已有水泥地面收集雨水超過萬噸，基本解決了該島的用水需求，這說明雨水收集是解決南海島礁缺水難題的一個(gè)有效途徑。雨水可以作為主要應(yīng)急水源，但由于受制于氣候環(huán)境的影響，穩(wěn)定性不高，還需其他水源作為補(bǔ)充。

2.2 海水水源特點(diǎn)

島礁周邊的海水取之不盡用之不竭，但海水中的一些鹽類和微量元素濃度太高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，如果大量飲用，會(huì)導(dǎo)致某些元素過量進(jìn)入人體，影響正常的生理功能，嚴(yán)重的還會(huì)引起中毒。飲用海水必須預(yù)先進(jìn)行海水淡化，濾除大部分鹽類和微量元素。

由于海水淡化過程需要消耗很多能量，如果這些能量是大陸提供的，那么這種供水方式就不是就地供水，只有利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉催M(jìn)行海水淡化才能徹底切斷對大陸長距離保障的依賴性。由于當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、太陽能等可再生能源不穩(wěn)定，使得海水淡化過程也缺乏穩(wěn)定性，因此海水作為一種水源，也需要其他水源作為補(bǔ)充。

2.3 兩種水源的互補(bǔ)性

單一的雨水水源受季節(jié)、氣候影響很大，并不穩(wěn)定，單一的海水淡化過程受可再生能源影響很大，實(shí)質(zhì)上也是受制于當(dāng)?shù)貧庀髼l件，但是由于降雨天氣和陽光照射天氣一般是交替出現(xiàn)的，因此將兩種水源合并使用就會(huì)提高互補(bǔ)性，降低不穩(wěn)定性，結(jié)合淡水儲(chǔ)存調(diào)節(jié)技術(shù)，就能較穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)淡水的就地保障。

3 就地供水保障模式

在水源基本滿足要求的情況下，實(shí)現(xiàn)淡水就地保障的關(guān)鍵問題就是具體保障方式，這需要大量的技術(shù)措施的支持。

3.1 雨水收集模式

一般地，島礁可利用屋頂、直升機(jī)停機(jī)坪、球場等平整水泥地面收集雨水，然后匯流入蓄水池，經(jīng)過水質(zhì)處理后使用。雨水收集量與收集地的面積成正比，通常收集的雨水?dāng)?shù)量有限，難以滿足用水需求。要將雨水作為主要水源，就必須專門建造大型雨水收集設(shè)施。集雨設(shè)施的建設(shè)需考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境條件、對環(huán)境可能造成的影響及成本費(fèi)用等因素。

集雨設(shè)施可以有許多種不同形態(tài)，建造大型水泥地面是技術(shù)含量最簡單的一種，但這種集雨設(shè)施需要占用大量寶貴的沙灘面積，對環(huán)境也有很大的破壞作用，必須深入探索技術(shù)含量高、收集雨量大、對環(huán)境影響小的技術(shù)方案。針對西沙的特定環(huán)境，筆者所在課題組對此問題進(jìn)行了探討，提出了一種“珊瑚沙灘淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)”，其初步方案如圖1所示。

暗湖的形態(tài)猶如被珊瑚沙掩埋的倒立的雨傘，周邊區(qū)域?yàn)榧陞^(qū)，中央部位是由雨水蓄存模塊堆砌而成的儲(chǔ)水區(qū)。暗湖湖底敷設(shè)防滲土工膜，其作用是集雨、防止雨水滲流、隔絕島水和腐殖質(zhì)以防污染；中央部位的雨水蓄存模塊用于擴(kuò)張儲(chǔ)水空間，設(shè)置有泵水設(shè)備；雨水蓄存模塊被透水土工布包裹，土工布的作用是透水且阻擋珊瑚沙侵占雨水蓄存模塊的儲(chǔ)水空間；湖體最后被珊瑚沙回填覆蓋，回填層的主要作用是對雨水進(jìn)行沙濾、保護(hù)塑料建材不受陽光照射老化、恢復(fù)珊瑚沙灘原貌。

圖1 珊瑚沙灘淺層暗湖雨水收集利用系統(tǒng)截面構(gòu)造圖Fig.1 The sectional view of shallow dark lake rainwater harvesting system under corals and beaches

暗湖的主要功能是直接收集雨水（在混凝土道面附近可收集更多雨水）和蓄存雨水（與島水、腐殖質(zhì)隔離，不會(huì)污染、不滲流）。這種集雨設(shè)施的主要特點(diǎn)是：a.生態(tài)友好，必要時(shí)面層可種植植被，變沙灘為綠洲；b.成本低廉，雨水蓄存模塊材料便宜（已量化生產(chǎn)），沙灘施工簡單（開挖深度一般在1.5m以內(nèi)）；c.運(yùn)行可靠，主要設(shè)施埋于地下受到保護(hù)，除水泵外沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不易損壞。

3.2 海水淡化模式

從海水中取得淡水的過程稱為海水淡化?，F(xiàn)在常用的海水淡化方法有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法等。

在海島上進(jìn)行海水淡化，應(yīng)盡可能利用當(dāng)?shù)氐目稍偕茉矗仨殰p少對外部能源的依賴。最可行的方法是利用太陽能進(jìn)行海水淡化，利用方式主要有兩種：一是太陽能蒸餾法；二是太陽能光伏反滲透法。

太陽能蒸餾法就是利用太陽熱能對海水加熱，并收集因蒸發(fā)而產(chǎn)生的蒸餾水的方法[1，2]。為降低沸點(diǎn)，有時(shí)還用抽真空產(chǎn)生負(fù)壓的方法進(jìn)行輔助。人類早期利用太陽能進(jìn)行海水淡化，主要是利用太陽能進(jìn)行蒸餾，由于它結(jié)構(gòu)簡單、取材方便，至今仍受到人們重視。但是普通的太陽能蒸餾法產(chǎn)水量很低，而低溫多效蒸餾、多級閃蒸[3]等產(chǎn)水量大的技術(shù)工藝由于一般用于規(guī)?；a(chǎn)，不適合較小的海島使用，因此太陽能蒸餾法在島礁上基本沒有應(yīng)用前景。

在整個(gè)南海范圍太陽的輻射強(qiáng)度都很高，光伏發(fā)電具有很大的開發(fā)應(yīng)用潛力[4，5]。太陽能光伏反滲透法是利用太陽能光伏陣列產(chǎn)生的電能去驅(qū)動(dòng)反滲透淡化裝置生產(chǎn)淡水的方法。反滲透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的。反滲透法的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，且設(shè)備大小幾乎沒有任何限制，適合在島礁上使用。向反滲透裝置提供的電能可來自太陽能光伏發(fā)電設(shè)備，一般方式是將光伏電能儲(chǔ)存在蓄電池組中，需要進(jìn)行海水淡化時(shí)，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電使用，這種方式的主要缺點(diǎn)是要使用大量的蓄電池組，這就需要占用寶貴的存放空間，另外蓄電池的壽命一般只有兩年，在南海高溫、高濕、高鹽環(huán)境很容易損壞，頻繁更換蓄電池又會(huì)產(chǎn)生人力、財(cái)力、物力的浪費(fèi)。為此筆者所在課題組研究了光伏直接供能的反滲透海水淡化裝置[6]（見圖2），使光伏電能不經(jīng)蓄電池組儲(chǔ)存而直接轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)交流電供淡化裝置使用，它可將“發(fā)電—整流—蓄電—逆變—用電制水”的一般技術(shù)路徑，簡化為“發(fā)電直接制水”的簡潔過程，變蓄電為蓄水，可省卻所有蓄電池組，大大減少中間環(huán)節(jié)，降低故障率，消減生產(chǎn)、維護(hù)成本和工作量，占地面積也大幅減少。

圖2 太陽能光伏直接供能的反滲透海水淡化裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of reverse osmosis desalination device powered directly by solar photovoltaic energy

該裝置已在南海某島礁進(jìn)行了試驗(yàn)，利用當(dāng)?shù)靥柲芄夥b置直接驅(qū)動(dòng)帶能量回收的高壓泵進(jìn)行海水淡化。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度高時(shí)，高壓泵會(huì)快速運(yùn)轉(zhuǎn)多產(chǎn)淡水，能用安全可靠的蓄水池取代問題較多的蓄電池，克服了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的一個(gè)重要難題。試驗(yàn)系統(tǒng)日產(chǎn)淡水5 t，產(chǎn)水能耗約3.5 kW·h/t，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了3年時(shí)間，這說明在偏遠(yuǎn)島礁利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源就地生產(chǎn)淡水具備了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性[7，8]，該模式具有向其他偏遠(yuǎn)島礁推廣應(yīng)用的前景。

4 結(jié)語

島礁現(xiàn)有的遠(yuǎn)距離船運(yùn)供水保障方式在平時(shí)起到了重要作用，但是在復(fù)雜軍事斗爭環(huán)境和臺(tái)風(fēng)多發(fā)期間會(huì)遇到長距離補(bǔ)給線不安全等嚴(yán)重問題，較好的解決辦法是幫助島礁自產(chǎn)淡水以降低對大陸的依賴性。島礁淡水的自給自足可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是建造雨水收集設(shè)施收集雨水；二是利用當(dāng)?shù)靥柲艿瓤稍偕茉窗l(fā)電進(jìn)行海水淡化，同時(shí)利用這兩種方式的互補(bǔ)性效果會(huì)更好。本文經(jīng)過分析和工程實(shí)踐的探索，提出了珊瑚沙灘淺層暗湖雨水收集利用和光伏直接供能反滲透海水淡化這兩種具體的淡水就地保障模式。不論采用哪種供水模式，都需要預(yù)先做好準(zhǔn)備，設(shè)施設(shè)備都應(yīng)在平時(shí)建造、安裝完畢，并持續(xù)地發(fā)揮作用，以此來應(yīng)對應(yīng)急時(shí)的用水需求。

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