珊瑚海島淡水資源綜合開(kāi)發(fā)利用模式探討

沈 彤，趙志偉，李 莉，李 恩

(1.海軍后勤部專項(xiàng)工程建設(shè)辦公室，北京 100841；2.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400045)

珊瑚海島是我國(guó)海洋重要的組成部分，是特殊的海洋資源和海洋環(huán)境的復(fù)合區(qū)域，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的特殊區(qū)域[1]，具有重要的資源價(jià)值和戰(zhàn)略地位[2-4]。淡水資源是海島開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源，淡水資源的保障直接影響了海島的開(kāi)發(fā)建設(shè)，也關(guān)系到海島人民的生命安全。我國(guó)珊瑚海島遠(yuǎn)離大陸，普遍存在著淡水資源匱乏的特性。由于受到海洋性季風(fēng)氣候控制，每年干旱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月以上，近年來(lái)干旱天數(shù)持續(xù)增加；同期存儲(chǔ)的淡水資源和海水淡化制備的淡水僅能保障基本生活用水；中水長(zhǎng)距離綠化灌溉能耗高且水量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致部分綠化植物大范圍枯死，進(jìn)一步加劇了土壤水源涵養(yǎng)能力下降，形成了淡水資源短缺的惡性循環(huán)。針對(duì)海島分散且距離大陸遙遠(yuǎn)、淡水資源缺乏、交通運(yùn)輸成本高的現(xiàn)狀，探究合適的淡水資源綜合開(kāi)發(fā)利用模式對(duì)緩解珊瑚海島淡水資源不足意義重大。

1 水資源的利用現(xiàn)狀及問(wèn)題

海島維持基本生活生產(chǎn)需求的淡水主要包括生活用水、生態(tài)用水、戰(zhàn)略儲(chǔ)備用水等。目前，海島的淡水來(lái)源主要有4種。一是雨水收集處理利用，海島雨水收集處理系統(tǒng)由雨水儲(chǔ)存池、混凝劑投加裝置、多介質(zhì)過(guò)濾器、永久介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、超濾膜組、消毒劑投加裝置等組成。達(dá)標(biāo)出水通過(guò)提升泵和管路供給保障島上日常生活的淡水需求。二是海水淡化，海水淡化裝置由海水提升泵、全自動(dòng)高速介質(zhì)過(guò)濾器、保安過(guò)濾器、二級(jí)反滲透膜元件、中途水箱以及殺菌劑加藥系統(tǒng)、絮凝劑加藥系統(tǒng)、還原劑加藥系統(tǒng)、阻垢劑加藥系統(tǒng)、pH劑加藥系統(tǒng)、各類閥門管件、各類在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等共同組成，達(dá)標(biāo)出水補(bǔ)充生活用水。三是污水再生利用，海島污水再生處理系統(tǒng)采用以速分或曝氣生物濾池等生化法為核心的二級(jí)污水處理工藝，后設(shè)高效纖維過(guò)濾器及活性炭過(guò)濾器作為深度處理單元，包括人工格柵、機(jī)械格柵、預(yù)曝氣調(diào)節(jié)池、生化池、高效纖維過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器以及消毒單元。達(dá)標(biāo)出水用作生活雜用水及綠化灌溉用水。四是船運(yùn)水，過(guò)去常采取船只運(yùn)輸?shù)姆绞綄⒌椭梁u，以保證海島正常的淡水供應(yīng)。但是，船運(yùn)存在運(yùn)輸成本高、每次運(yùn)輸水量有限、易受氣候影響、運(yùn)輸中易造成水質(zhì)污染等弊端[5-6]。目前，僅作為應(yīng)急保障用水的供應(yīng)手段。

珊瑚海島位于我國(guó)南端，由于受到季風(fēng)和氣流的影響，降雨時(shí)空分布不均，存在明顯的干濕季。海島淡水資源主要依賴大氣降水，且多數(shù)海島存在陸地面積狹小、地表截水調(diào)蓄能力差、無(wú)過(guò)境客水、地下水易受海水侵蝕等局限，難以形成充沛的淡水資源儲(chǔ)備。這與人口和開(kāi)發(fā)建設(shè)布局不相匹配，從而造成了區(qū)域性和工程性缺水并存、水資源短缺和緊張狀況不斷加劇的局面。其次，在淡水的利用中，雨水收集與船運(yùn)的儲(chǔ)存過(guò)程中存在水質(zhì)腐敗的巨大隱患，而海水淡化產(chǎn)生的淡化水由于缺乏礦物質(zhì)等，長(zhǎng)期飲用也存在健康安全隱患。再者，由于地處熱帶地區(qū)，海域年平均溫度可達(dá)27 ℃以上，水分蒸發(fā)量大，海島上飲用、洗滌、淋浴等日常生活用水水量大于陸地上的標(biāo)準(zhǔn)。此外，島上土壤為以固化珊瑚砂為主的砂土，具有高孔隙比、高滲透系數(shù)、高透水性等特點(diǎn)[7-8]，導(dǎo)致保水率和水土涵養(yǎng)能力弱，使得植被澆灌和肥育土壤過(guò)程中需水量大。同時(shí)，為保證島上生產(chǎn)建設(shè)以及遠(yuǎn)期考慮，還需一定的用水安全余量作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備用水以備不時(shí)之需，以上問(wèn)題均加大了淡水資源的供需缺口。

2 海島淡水資源綜合開(kāi)發(fā)利用技術(shù)探討

2.1 常規(guī)淡水資源利用技術(shù)

(1)擴(kuò)大雨水收集利用。收集利用雨水是緩解水資源不足的切實(shí)有效的方法，珊瑚海島充分利用道面、場(chǎng)坪等硬化下墊面進(jìn)行雨水收集處理，保障島礁供水。為了進(jìn)一步應(yīng)對(duì)季節(jié)性缺水和島礁蓄水能力弱等問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)一步規(guī)劃島上生態(tài)用地，開(kāi)發(fā)利用蓄水緩釋的新型土壤材料，構(gòu)建海綿海島體系，最大化雨水收集利用效率，使海島在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)季節(jié)性降雨等方面具有良好的彈性；從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出發(fā)，通過(guò)跨尺度構(gòu)建水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合各類具體技術(shù)，建設(shè)水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)海綿海島的建設(shè)。

(2)重視海水淡水補(bǔ)充飲用水的健康調(diào)節(jié)。如今海水淡化技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較成熟的水平，在部分沿海城市和海上航運(yùn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)海水淡化出水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，用于飲用是安全可靠的。但由于海水淡化過(guò)程去除了水中絕大部分的離子，其產(chǎn)水屬于軟水，缺乏鈣、鎂、氟和硒等對(duì)人體有益的元素[9]。因此，海水淡化水進(jìn)行飲用前，需經(jīng)過(guò)再礦化，調(diào)節(jié)淡化水的pH、堿度和硬度，以使其水質(zhì)穩(wěn)定，使出水在保證安全的前提下提供人體所需微量元素，輔助飲食調(diào)節(jié)，以達(dá)到健康要求。

(3)推進(jìn)污水就地資源化利用。海島由于其自身特殊性，島上污水來(lái)源往往是居民日常生活產(chǎn)生的污水，具有成分構(gòu)成簡(jiǎn)單、無(wú)毒無(wú)害、易于處理的性質(zhì)，既沒(méi)有工業(yè)水的排放，也沒(méi)有工業(yè)回用的需求。因此，海島污水資源化的路徑與城市存在不同之處[10]。珊瑚海島常為珊瑚砂及貝類堆積形成，透水性高且嚴(yán)重缺乏有機(jī)質(zhì)，難以生長(zhǎng)綠化植物和作物，給土壤肥育和生態(tài)系統(tǒng)打造帶來(lái)難度。海島污水含有豐富的有機(jī)物和氮磷成分，是島上可以獲取的天然肥料，可以進(jìn)行適當(dāng)程度處理后就地資源化，發(fā)展出適合海島的合理污水回用資源化措施，促進(jìn)植物和作物生長(zhǎng)，以滿足居民進(jìn)一步的生活需求。另一方面，作為中間介質(zhì)的珊瑚砂具有高透水性，中水的污染物在珊瑚砂中會(huì)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化。因此，中水利用過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用與遷移的平衡臨界點(diǎn)等機(jī)理機(jī)制需加快研究，以便科學(xué)指導(dǎo)污水資源化路徑。

(4)加強(qiáng)船運(yùn)水污染防控。船運(yùn)水可有效補(bǔ)充淡水資源，但船運(yùn)存在運(yùn)輸成本高、易受氣候影響、運(yùn)輸過(guò)程水質(zhì)變差等弊端。合理規(guī)劃船運(yùn)水規(guī)模以及加強(qiáng)運(yùn)輸中的污染防控是重中之重。作為海島應(yīng)急保障用水的供應(yīng)手段，應(yīng)加快船運(yùn)水水質(zhì)保障的保鮮技術(shù)、安全消毒技術(shù)的研發(fā)，確保飲用水安全。

2.2 新型淡水源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)

(1)完善地下淡水開(kāi)發(fā)利用保護(hù)技術(shù)。海島地下水資源以淡水透鏡體的形式存在，淡水透鏡體是降雨滲透形成的、存在于珊瑚島地表以下、承托于海水之上、中央厚邊緣薄的淡水水體，是不可多得的淡水資源。因此，合理保護(hù)開(kāi)發(fā)地下水是緩解淡水資源匱乏的又一途徑[11]。目前，對(duì)地下淡水的形成過(guò)程、相關(guān)形成機(jī)制及其與海洋咸水如何交換尚無(wú)系統(tǒng)認(rèn)知，需探究地下淡水形成與地表徑流、降水入滲、蒸發(fā)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，研究原生環(huán)境下海島陸域淡水透鏡體的形成演化過(guò)程，推進(jìn)地下水涵養(yǎng)的工程性措施，建立地下淡水資源量和水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，形成地下淡水作為應(yīng)急保障用水的技術(shù)體系。

(2)突破節(jié)能空氣取水技術(shù)。海島全年為季風(fēng)氣候，雨旱兩季分明，空氣濕度在75%以上，具有廣闊的空氣取水前景。空氣取水技術(shù)是從空氣中制取淡水，在較為缺水的地區(qū)擁有較大的實(shí)用價(jià)值。目前，技術(shù)推廣應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題是能耗較大。因此，可利用海島太陽(yáng)能和風(fēng)能研發(fā)空氣取水裝置，實(shí)現(xiàn)生態(tài)綠化灌溉節(jié)水，有效緩解生態(tài)用水過(guò)大、淡水資源不足的局面。

(3)開(kāi)發(fā)除濕機(jī)空調(diào)冷凝水收集利用。海島常年使用空調(diào)等設(shè)備，產(chǎn)生了大量的冷凝水。因此，可建立冷凝水回收系統(tǒng)，通過(guò)管道以建筑物為單位進(jìn)行冷凝水的收集處理，可用于建筑物周圍的衛(wèi)生灑掃、綠化、洗車等，進(jìn)一步提高海島全方位的淡水資源利用率。

3 綜合開(kāi)發(fā)利用體系及信息化平臺(tái)探討

結(jié)合珊瑚海島的特殊環(huán)境，構(gòu)建綜合開(kāi)發(fā)利用體系及管控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)海島有限淡水資源的精準(zhǔn)保障和精細(xì)管理，對(duì)后續(xù)海島建設(shè)開(kāi)發(fā)的意義重大。

(1)海島綜合開(kāi)發(fā)利用體系。針對(duì)海島淡水資源匱乏的情況，通過(guò)最大程度利用常規(guī)水資源和開(kāi)發(fā)新型水資源，實(shí)現(xiàn)海島就地供應(yīng)自給自足的水資源利用模式，建立綜合開(kāi)發(fā)利用體系。建立以雨水收集利用和海水淡化為主體的飲用水供應(yīng)、污水再生為主體的生態(tài)用水供應(yīng)、空氣取水和空調(diào)冷凝水為主體的雜用水供應(yīng)、地下水和船運(yùn)水為主體的應(yīng)急保障用水供應(yīng)的綜合利用體系。同時(shí)，大力推進(jìn)節(jié)水技術(shù)與水資源保護(hù)的生活理念、多元取水與分級(jí)用水的技術(shù)手段，以及生態(tài)生活用水間的相互調(diào)配等供應(yīng)保障，實(shí)現(xiàn)海島綜合開(kāi)發(fā)利用體系的建立和完善。

(2)水資源管控平臺(tái)。為保證海島水資源綜合開(kāi)發(fā)體系的建設(shè)和運(yùn)行，還需建立配套的信息化數(shù)據(jù)中心和在線管理平臺(tái)，強(qiáng)化用水效率和管理效益[12]。通過(guò)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋海島的氣象狀況、地下淡水可開(kāi)采情況、船運(yùn)物質(zhì)補(bǔ)給情況、雨水處理站和海水淡化廠運(yùn)行數(shù)據(jù)、各建筑單元需水情況、雨水池及其他儲(chǔ)存裝置水位數(shù)據(jù)，建立從采樣、分析到記錄、傳輸、處理數(shù)據(jù)整個(gè)過(guò)程的高度自動(dòng)化的流程。基于高度自動(dòng)化的數(shù)據(jù)中心和在線管理平臺(tái)，建立水資源儲(chǔ)量、水量調(diào)配、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、環(huán)境分析、應(yīng)急預(yù)警于一體的綜合決策平臺(tái)，促進(jìn)水資源綜合管理體系的構(gòu)建。

珊瑚海島特定環(huán)境的水資源戰(zhàn)略直接關(guān)系到海島的安全發(fā)展。圍繞水資源安全保障的目標(biāo)，亟需擴(kuò)大雨水收集利用，重視海水淡水補(bǔ)充飲用水的健康調(diào)節(jié)，推進(jìn)污水就地資源化利用，以及加強(qiáng)船運(yùn)水污染防控，以保障常規(guī)淡水資源；提出實(shí)施地下淡水、節(jié)能空氣取水、除濕機(jī)空調(diào)冷凝水等非常規(guī)淡水資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)；為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)保障和精細(xì)管理，綜合常規(guī)水源與非常規(guī)水源，構(gòu)建水資源的綜合開(kāi)發(fā)利用體系及管控平臺(tái)，全面提升珊瑚海島的淡水資源安全保障能力。