海島海水資源利用模式

海島海水資源利用模式

張秀芝, 王靜, 郝建安, 成玉, 張雨山

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津300192)

摘要：對以海水利用為顯著特征的海島多水源利用體系的發展模式進行研究。分析海島可利用水源,提出將海水利用引入海島水資源循環系統,實現海水在飲用水、沖廁、空調等方面的多途徑利用,提高海島供水能力,為海島開發的可持續發展提供保障。

關鍵詞：海島; 水資源;海水淡化;海水利用

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.0023

基金項目:海洋公益性行業科研專項(201105026);海洋局業務化項目(YWH-2012-22)

作者簡介:張秀芝(1964—),女,教授級高級工程師,主要從事海水利用技術研究。E-mail:dhs_zxz@126.com

中圖分類號：TV213文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-05-26編輯：高渭文)

Utilization patterns of island seawater resource

ZHANG Xiuzhi,WANG Jing,HAO Jian’an,CHENG Yu,ZHANG Yushan

(TheInstituteofSeawaterDesalinationandMultipurposeUtilization,SOA(Tianjin),Tianjin300192,China)

Abstract：We studied the development pattern of multiple water resource utilization on islands with notable feature of sea water utilization. We analyzed the useable water sources on islands and suggest introducing seawater utilization into island water recycle system, making use of seawater in multiple ways like drinking water, toilet flushing, air-condition, etc. and improving the ability of water supply on islands. Such methods could provide stable insurance to the sustainable development of islands.

Key words： island; water resource;seawater desalination; seawater utilization

海島是海洋重要的組成部分,是特殊的海洋資源和海洋環境的復合區域,是經濟社會發展的特殊區域。《聯合國海洋法公約》賦予海島重要的法律地位和功能,使其成為國家海洋管轄權和海洋權益的標志和象征,有著巨大的軍事、經濟、資源和生態價值。我國海島資源豐富[1],沿海11個省、市、自治區中面積在500m2以上的海島共有6961個;各種海島陸地總面積相加約為8萬km2,控制的海域范圍約300萬km2,相當于我國陸域面積1/3。21世紀人類進入了大規模開發利用海洋的時期,黨的十八大報告中提出了建設海洋強國的奮斗目標,隨著沿海陸域產業向海島的延伸以及海陸經濟一體化的加強,作為開發海洋前緣基地的海島,在國家經濟建設和維護國家安全等方面起到了越來越重要的作用。

水是寶貴的自然資源,是人類社會可持續發展的物質基礎和支持條件,除了保障人類生存所必需外,還具有支持其經濟發展的潛在能力。近年來,隨著國家海洋政策的調整,我國海島開發建設進入快速發展時期,隨著海島開發和海島人口的增加,用水量持續增長,海島水資源緊缺狀況凸顯。如何在開發海島的同時實現環境的可持續發展將是海島發展過程中必須面對和解決的問題,2003年由國家發展和改革委員會、國土資源部、國家海洋局組織制定并公布的《全國海洋經濟發展規劃綱要》就已經提出了海島及鄰近海域的主要發展方向,推廣海水利用是其中之一。《全國海島保護規劃》的近期目標(2011—2020年)中也提出要明顯改善海島人居環境,建設一批可再生能源開發利用、海水淡化、生態建設等試驗基地;海島防災減災能力顯著提高等內容。隨著海島開發熱潮的來臨,解決海島水資源短缺等問題已迫在眉睫。本文對以海水利用為顯著特征的海島多水源利用體系的發展模式進行研究,以期為有關部門提供借鑒作用。

1海島水資源現狀及存在的問題

由于受水資源地域、時空分布不均的影響以及海島獨特地理特征的限制,我國多數海島地區存在淡水資源匱乏問題。以廣東省為例,全省有常年河流流水的海島僅27個,有季節性河流或泉水可汲取的海島154個,全無水源的海島1250個,占海島總數的87.35%[2]。海島淡水資源無法滿足島上居民生活生產需要,嚴重制約海島經濟的發展和居民生活水平的提高。海島淡水資源供給主要有地表水、地下水、島外調水和非常規淡水源供水4種形式,非常規水源主要包括海水淡化水、雨水收集和污水再生利用等。

1.1地表水

一般而言,海島陸域面積狹小,地表水截水調蓄能力較差,易受氣候條件影響,難以形成較大水系。海島四面環海,很少有過境水;海島淡水資源來自大氣降水,地表水具有時空、地域分布不均及流動性差等特點,水溝、坑塘和水庫蓄水是當地開發淡水資源的常用方式。

1.2地下水

對于無地表河流的海島,地下水是其重要的淡水來源，其開采方式主要以機井為主,其次是民井和引泉井。但海島地下水環境水文地質條件相當脆弱,山東省長島縣近幾年因地下水開采,使得地下水位平均下降5.3m,海水入侵面積達39km2,相當于全島面積的70%,導致水井水質惡化,Cl-平均質量濃度為1300mg/L[3]。

1.3島外調水

島外調水有鋪設海底管道和船運兩種方式。島外調水需要有海島地緣上的優勢，其大部分為大陸架的延伸島嶼,與大陸連接緊密才能進行引水工程建設。以浙江舟山島為例[4],其距離寧波大陸直線距離不足30km,目前,舟山市已建成了大陸引水一期工程,年均引水能力2160萬m3;年均引水能力6000萬m3的大陸引水二期工程正在建設之中。但島外調水需要復雜的技術和巨額資金,調水還受水源區水資源量的制約,并可能存在被引水區域的環境危害和間接經濟影響等問題。而距大陸較遠的海島,如南沙群島的永署島距海南島約有1000km,守島部隊士兵的生活用水只能靠運輸船運送,不但每次運輸水量有限,還易造成水質污染,且有時受氣候影響,水質和水量遠遠不能滿足部隊生活訓練需要[5]。

1.4雨水收集

對于淡水資源匱乏的海島,收集利用雨水是緩解水資源不足的有效措施。對于具備雨水集流條件的島嶼,可通過收集利用島上的降水資源,既可直接用于供水,又可回灌補給地下水。浙江省舟山市普陀區的葫蘆島,自從1985年推廣屋檐接水工程以來,已有85%的居民修建了屋檐接水工程,總蓄水量達到16100m3,實踐證明這種方法對遠離大陸的孤島實現水資源可持續利用是切實可行的[6]。據統計,1991—2000 年,山東省長島縣通過屋頂雨水集水工程、硬化城區路面攔蓄雨水工程、大修環山塘增加庫塘接水面等措施,共接蓄雨水208萬m3,創經濟、社會等綜合效益多達3.50億元,促進了海島各項事業的發展[7]。國外海島還建立霧水收集站來研究開發利用這一非傳統水資源形式[8]。

綜上所述,海島賦水條件是由其所處地理位置、地形地貌、水文氣象等條件決定的,其淡水資源具有時空、地域分布不均、難以替代及流動性差等特點。淡水資源主要依靠島上地下水和降水,由此決定了海島淡水資源匱乏;另外,海島遠離大陸,是一個相對完整而獨立的生態系統,其自然和生態環境都較為脆弱,生物多樣性指數較小,穩定性較差,一旦破壞,則難以恢復。海島水資源利用存在以下兩個問題:一是水量少、水質差,無論是地下水、大氣降水,還是島外調水,均存在水質指標超標問題[9-11];二是環境污染,隨著海島經濟的發展,大量開采地下水導致有些島嶼發生海水倒灌,水體鹽度升高;海島生產、生活廢水處理不當,極有可能破壞水源地水質及周圍海域生態環境。

為了保護海島現有水資源,提高海島居民生活水平,促進海島地區經濟發展,必須開發新的淡水補給途徑和節水方式,實現海島水資源的可持續發展。目前,解決缺水島嶼水資源狀況的方法,除了傳統的跨區域島外調水,還包括各種非常規水資源的利用,如海水淡化、海水利用等。

2海島海水資源的利用

海島水資源的科學利用是海島經濟開發的前提和保障,已成為強化海島管理、促進海島開發和環境保護的迫切需求。我國《海島保護法》和《全國海島保護規劃》有關條款都強調海島水資源的科學規劃和利用,明確提出要優先采用雨水集蓄、海水利用、污水再生利用等技術來解決海島水資源利用問題。

海水資源利用,旨在為海島居民提供安全的生活用水,提高居民生活水平,增加海島水資源承載能力,實現海島水資源的可持續利用,保護海島及周圍海域的生態環境。盡管海島淡水資源缺乏,但卻具有利用海水資源的條件。海島海水利用主要有以下幾種方式,海水淡化、海水沖廁、海水源空調等。

2.1海水淡化

海水淡化不易受時空和氣候等條件影響,規模可控,可以適用不同環境類型的海島。

海水淡化工程作為淡水資源的增量、開源技術,已成為解決沿海缺水城鎮、島嶼水資源緊缺問題的重要手段。海水淡化是將海水經反滲透、蒸餾等工藝脫鹽淡化,作為工業用水和生活用水。我國海水淡化技術研究始于1950年代,1980年代初期,在永興島建成第1個電滲析法(日產淡水200m3)的海水淡化站。“八五”、“九五”計劃期間,海水淡化技術發展迅速,一些關鍵技術取得重大突破。2000年,在山東省長島縣、浙江省嵊泗縣和大連市獐子島相繼建成日產千噸級的反滲透海水淡化工程。“十五”計劃期間,建成采用反滲透淡化技術日產萬噸級的山東榮成市石島海水淡化工程。

膜法海水淡化技術具有投資靈活、工期短、產水水質良好等特點,可以建造各種規模的淡化廠站,亦可與其他水處理技術相結合,為促進海島水循環經濟發展提供技術支撐。國家海洋局海水淡化研究所采用反滲透淡化技術先后在永興島、琛航島、東瑁洲島、大管島、靈山島建立了5個海島海水淡化示范工程,每個示范工程在地域、水質、環境和技術方面都具有鮮明的特點,適用范圍涵蓋了我國大部分類型的海島;浙江省舟山市岱山縣大魚山島5m3/d光伏太陽能海水淡化示范工程給利用太陽能等綠色能源海水淡化做出很好的榜樣[12]。

2.2海水沖廁

海水沖廁技術是利用海水替代淡水直接進行沖廁,屬海水直接利用范疇。它是一項綜合技術,涉及海洋取水、海水前處理、雙管路供水、衛生潔具等防腐、防生物附著技術及沖廁海水與城市污水系統混合后含鹽污水的生化處理技術等。據不完全統計,城市生活用水約占城市總用水量的20%,而沖廁用水約占城市生活用水的35%,故利用海水進行沖廁,具有非常重要的節水意義。香港于1950年代末期開始采用海水沖廁。發展至今,每年可節省約2.72億m3淡水,占香港總用水量的18%左右;在進一步推廣節水措施及制訂有關節水政策的情況下,香港當局的最終目標是將沖廁用水全部用海水代替。2007年青島市“隆海·海之韻”住宅小區建成首個大生活用海水沖廁示范工程,服務面積46萬m2,每年節約淡水30萬m3,節水效益明顯。

2.3海水源空調

海水源空調技術是水源熱泵技術的一種,是提取海水中的能量來進行供熱或制冷的技術,其工作原理是通過換熱設備,將海水中的能量提取出來,再經過熱泵機組將能量提升至需要的溫度,然后通過能量釋放系統將能量釋放出來,讓適于人體溫度的空氣最后進入到房間,達到供暖制冷效果。它不需要燃用煤炭、燃料油、天然氣等任何資源型燃料,不需要設置堆放燃料、廢物的場地,從而徹底解決了粉塵、二氧化硫、噪聲、爐渣等造成的污染。海水源空調是一種既可制熱又可制冷的高效環保節能空調系統,每耗電1kW·h能夠輸出20.16×106J的制冷量或輸出14.4×106J的制熱量, 節能潛力巨大,與傳統空調相比,節能40%～50%[13]。

我國海水源空調技術近年來得到迅速發展,沿海地區如大連、青島等地均成功應用了該項技術。2004年,青島市建成我國第1個海水源熱泵樣板工程,在青島發電廠投入使用,為該技術在沿海城鎮島嶼推廣提供可靠的現實依據[14]。2008年2月,青島開發區千禧龍花園居民小區海水源空調項目竣工并投入使用,標志著我國民用海水源空調項目實現了實質性突破,首期7000m2的社區會所和社區幼兒園已經啟用海水源空調技術供熱[15]。大連市獐子島鎮引進淺層地能海水熱泵技術,對燃煤鍋爐實施改造,2010年建成供熱面積分別為5萬m2和20萬m2兩座海水源熱泵供熱站,24 h供水,實現集中供暖無煙囪目標[16],取得良好的環境效益。為保護海島環境,應大力推行節能減排技術,充分利用自身資源優勢,積極倡導并探索以海水為能源的環保型經濟發展模式。

2.4海水利用模式

海島的特殊性決定了海島海水利用可以作為海水利用的一種獨立模式而存在。結合海島的現狀,建設經濟合理的海水綜合利用工程,把海水利用引入海島水資源循環(圖1),實現海水在生產、生活用水(飲用、洗浴、沖廁)、空調等方面的應用,有條件的話,還可與海水制鹽、海水化學元素提取相結合,利用海島旅游的優勢,建設相關的旅游娛樂設施等,延長海水利用產業鏈,走集約、集群、集成、生態型發展道路,將成為海島水資源利用的發展模式。

圖1　海島多水源系統配置框架

海島海水利用模式具有以下特征:①海水淡化主要用于海島工農業生產和軍民飲用,海水沖廁可替代寶貴的淡水資源;②海水利用工程一般規模較小;③海島進行海水淡化與雨水利用具有較好的結合優勢,同時膜法海水淡化工程也適用于雨水凈化,可集成應用;④由于海島經濟基礎較差,利于整體規劃,統籌管理,多途徑利用和環境保護。人口數量達到一定規模或具有重要戰略意義的海島,均可推廣建設海水綜合利用工程,解決海島生產、生活用水需求,提高居民生活質量,打造海島循環經濟的模式。

3結語

獨特的地理位置及其氣候因素使得海島淡水資源普遍存在水量少、水質差,降雨徑流不易收集的問題,淡水資源嚴重匱乏。海水利用在海島開發建設中除可淡化直飲水外,還可以用于沖廁、空調、景觀等方面;將海水利用引入海島水資源循環,實現海水在工農業、生活用水、沖廁、空調等方面的立體應用,實現海水在海島經濟中的多途徑利用,不僅能夠提高居民的生活健康水平,增加水資源總量,節約寶貴的淡水資源,而且符合國家循環經濟、節能減排、低碳經濟政策的要求,為我國沿海經濟社會的持續健康發展提供保障,具有重大的經濟、環境和社會效益。

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