偏遠島礁就地供水保障模式分析

姜海波，趙云鵬，程忠慶

（海軍工程大學勤務學院，天津 300450）

1 前言

偏遠島礁通常沒有淡水水源，淡水保障一般依靠從大陸船運解決。這種保障方式在平時基本能滿足日常淡水需要，但是由于西沙、南沙等偏遠島礁距大陸數百甚至數千公里，保障距離很長，在特殊時期很容易受到復雜軍事斗爭環境干擾和頻發的臺風的影響，在極端情況下會嚴重威脅駐島人員的生命安全。因此遠距離船運淡水的保障模式不適合特殊時期需要，必須解決就地供水保障問題。

研究建設環境友好、運行可靠、成本低廉的就地供水設施，以根治偏遠島礁淡水極度匱乏這個長期存在的老大難問題是十分必要的，它會減少偏遠島礁對大陸遠距離運送淡水的依賴性，提高島礁的獨立生存能力，具有重要的戰略和經濟意義。

2 就地供水水源特點

就地供水，是指在偏遠島礁上直接開辟淡水水源，并保障應急用水需求，實現淡水的自給自足，減少甚至脫離對大陸遠距離供水的依賴。由于偏遠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。實際上偏遠島礁就地供水的水源只能來自兩個渠道：一是向天要水——進行雨水收集；二是從海取水——進行海水淡化，別無其他途徑可選。

2.1 雨水水源特點

雨水主要是海水受陽光照射后蒸發產生的蒸餾水，是天然的淡水，在偏遠無污染環境非常潔凈的地區，只要做簡單的處理就能飲用，在應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有效途徑。雨水可以作為主要應急水源，但由于受制于氣候環境的影響，穩定性不高，還需其他水源作為補充。

2.2 海水水源特點

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，遠遠超過飲用水衛生標準，如果大量飲用，會導致某些元素過量進入人體，影響正常的生理功能，嚴重的還會引起中毒。飲用海水必須預先進行海水淡化，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，只有利用當地可再生能源進行海水淡化才能徹底切斷對大陸長距離保障的依賴性。由于當地風能、太陽能等可再生能源不穩定，使得海水淡化過程也缺乏穩定性，因此海水作為一種水源，也需要其他水源作為補充。

2.3 兩種水源的互補性

單一的雨水水源受季節、氣候影響很大，并不穩定，單一的海水淡化過程受可再生能源影響很大，實質上也是受制于當地氣象條件，但是由于降雨天氣和陽光照射天氣一般是交替出現的，因此將兩種水源合并使用就會提高互補性，降低不穩定性，結合淡水儲存調節技術，就能較穩定地實現淡水的就地保障。

3 就地供水保障模式

在水源基本滿足要求的情況下，實現淡水就地保障的關鍵問題就是具體保障方式，這需要大量的技術措施的支持。

3.1 雨水收集模式

一般地，島礁可利用屋頂、直升機停機坪、球場等平整水泥地面收集雨水，然后匯流入蓄水池，經過水質處理后使用。雨水收集量與收集地的面積成正比，通常收集的雨水數量有限，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施。集雨設施的建設需考慮當地的地理環境條件、對環境可能造成的影響及成本費用等因素。

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

暗湖的形態猶如被珊瑚沙掩埋的倒立的雨傘，周邊區域為集雨區，中央部位是由雨水蓄存模塊堆砌而成的儲水區。暗湖湖底敷設防滲土工膜，其作用是集雨、防止雨水滲流、隔絕島水和腐殖質以防污染；中央部位的雨水蓄存模塊用于擴張儲水空間，設置有泵水設備；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行沙濾、保護塑料建材不受陽光照射老化、恢復珊瑚沙灘原貌。

圖1 珊瑚沙灘淺層暗湖雨水收集利用系統截面構造圖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、腐殖質隔離，不會污染、不滲流）。這種集雨設施的主要特點是：a.生態友好，必要時面層可種植植被，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），沙灘施工簡單（開挖深度一般在1.5m以內）；c.運行可靠，主要設施埋于地下受到保護，除水泵外沒有轉動部件，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。現在常用的海水淡化方法有海水凍結法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法等。

在海島上進行海水淡化，應盡可能利用當地的可再生能源，必須減少對外部能源的依賴。最可行的方法是利用太陽能進行海水淡化，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，并收集因蒸發而產生的蒸餾水的方法[1，2]。為降低沸點，有時還用抽真空產生負壓的方法進行輔助。人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，由于它結構簡單、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水量很低，而低溫多效蒸餾、多級閃蒸[3]等產水量大的技術工藝由于一般用于規模化生產，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用前景。

在整個南海范圍太陽的輻射強度都很高，光伏發電具有很大的開發應用潛力[4，5]。太陽能光伏反滲透法是利用太陽能光伏陣列產生的電能去驅動反滲透淡化裝置生產淡水的方法。反滲透法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。反滲透法的最大優點是節能，且設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電設備，一般方式是將光伏電能儲存在蓄電池組中，需要進行海水淡化時，通過逆變器將直流電轉化為交流電使用，這種方式的主要缺點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、高鹽環境很容易損壞，頻繁更換蓄電池又會產生人力、財力、物力的浪費。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），使光伏電能不經蓄電池組儲存而直接轉變為標準交流電供淡化裝置使用，它可將“發電—整流—蓄電—逆變—用電制水”的一般技術路徑，簡化為“發電直接制水”的簡潔過程，變蓄電為蓄水，可省卻所有蓄電池組，大大減少中間環節，降低故障率，消減生產、維護成本和工作量，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行了試驗，利用當地太陽能光伏裝置直接驅動帶能量回收的高壓泵進行海水淡化。當太陽輻射強度高時，高壓泵會快速運轉多產淡水，能用安全可靠的蓄水池取代問題較多的蓄電池，克服了技術和經濟上的一個重要難題。試驗系統日產淡水5 t，產水能耗約3.5 kW·h/t，已經穩定運行了3年時間，這說明在偏遠島礁利用太陽能、風能等可再生能源就地生產淡水具備了技術和經濟的可行性[7，8]，該模式具有向其他偏遠島礁推廣應用的前景。

4 結語

島礁現有的遠距離船運供水保障方式在平時起到了重要作用，但是在復雜軍事斗爭環境和臺風多發期間會遇到長距離補給線不安全等嚴重問題，較好的解決辦法是幫助島礁自產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現：一是建造雨水收集設施收集雨水；二是利用當地太陽能等可再生能源發電進行海水淡化，同時利用這兩種方式的互補性效果會更好。本文經過分析和工程實踐的探索，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，都需要預先做好準備，設施設備都應在平時建造、安裝完畢，并持續地發揮作用，以此來應對應急時的用水需求。

[1] 鄭宏飛，何開巖，陳子乾.太陽能海水淡化技術[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[2] 左 潞，鄭 源，周建華，等.海水淡化太陽能蒸餾技術研究現狀與展望[J].河海大學學報（自然科學版），2008，36（6）：753-756.

[3] 田 禾，張于峰，江菊元.太陽能閃蒸-多效蒸發海水淡化系統研究[J].工業水處理，2010，30（7）：36-39.

[4] 葛富余，趙云鵬，姜海波.光伏發電技術在海島供電中的應用探討[J].智能建筑電氣技術，2011，27（2）：11-13.

[5] Jiang Haibo，Liu Jie，Yang Ping.Problems and solutions of solar energy development and utilization in coral reefs[J].Advanced Materials Research，2012，512-515：254-257.

[6] 趙云鵬，姜海波.光伏反滲透海水淡化裝置的設計與優化[J].中國給水排水，2012，28（1）：77-80.

[7] Bilton AM，SWiesman R，SArif A FM，et al.On the feasibility of community-scale photovoltaic-powered reverse osmosis desalination systems for remote locations[J].Renewable Energy，2011，36（12）：3246-3256.

[8] 劉 杰，姜海波.偏遠島礁可再生能源開發利用技術經濟分析[J].可再生能源，2012，30（3）：118-121.