海岛海水资源利用模式

海岛海水资源利用模式

张秀芝, 王静, 郝建安, 成玉, 张雨山

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津300192)

摘要：对以海水利用为显著特征的海岛多水源利用体系的发展模式进行研究。分析海岛可利用水源,提出将海水利用引入海岛水资源循环系统,实现海水在饮用水、冲厕、空调等方面的多途径利用,提高海岛供水能力,为海岛开发的可持续发展提供保障。

关键词：海岛; 水资源;海水淡化;海水利用

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.0023

基金项目:海洋公益性行业科研专项(201105026);海洋局业务化项目(YWH-2012-22)

作者简介:张秀芝(1964—),女,教授级高级工程师,主要从事海水利用技术研究。E-mail:dhs_zxz@126.com

中图分类号：TV213文献标志码：A

收稿日期：(2014-05-26编辑：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

海岛是海洋重要的组成部分,是特殊的海洋资源和海洋环境的复合区域,是经济社会发展的特殊区域。《联合国海洋法公约》赋予海岛重要的法律地位和功能,使其成为国家海洋管辖权和海洋权益的标志和象征,有着巨大的军事、经济、资源和生态价值。我国海岛资源丰富[1],沿海11个省、市、自治区中面积在500m2以上的海岛共有6961个;各种海岛陆地总面积相加约为8万km2,控制的海域范围约300万km2,相当于我国陆域面积1/3。21世纪人类进入了大规模开发利用海洋的时期,党的十八大报告中提出了建设海洋强国的奋斗目标,随着沿海陆域产业向海岛的延伸以及海陆经济一体化的加强,作为开发海洋前缘基地的海岛,在国家经济建设和维护国家安全等方面起到了越来越重要的作用。

水是宝贵的自然资源,是人类社会可持续发展的物质基础和支持条件,除了保障人类生存所必需外,还具有支持其经济发展的潜在能力。近年来,随着国家海洋政策的调整,我国海岛开发建设进入快速发展时期,随着海岛开发和海岛人口的增加,用水量持续增长,海岛水资源紧缺状况凸显。如何在开发海岛的同时实现环境的可持续发展将是海岛发展过程中必须面对和解决的问题,2003年由国家发展和改革委员会、国土资源部、国家海洋局组织制定并公布的《全国海洋经济发展规划纲要》就已经提出了海岛及邻近海域的主要发展方向,推广海水利用是其中之一。《全国海岛保护规划》的近期目标(2011—2020年)中也提出要明显改善海岛人居环境,建设一批可再生能源开发利用、海水淡化、生态建设等试验基地;海岛防灾减灾能力显著提高等内容。随着海岛开发热潮的来临,解决海岛水资源短缺等问题已迫在眉睫。本文对以海水利用为显著特征的海岛多水源利用体系的发展模式进行研究,以期为有关部门提供借鉴作用。

1海岛水资源现状及存在的问题

由于受水资源地域、时空分布不均的影响以及海岛独特地理特征的限制,我国多数海岛地区存在淡水资源匮乏问题。以广东省为例,全省有常年河流流水的海岛仅27个,有季节性河流或泉水可汲取的海岛154个,全无水源的海岛1250个,占海岛总数的87.35%[2]。海岛淡水资源无法满足岛上居民生活生产需要,严重制约海岛经济的发展和居民生活水平的提高。海岛淡水资源供给主要有地表水、地下水、岛外调水和非常规淡水源供水4种形式,非常规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,海岛陆域面积狭小,地表水截水调蓄能力较差,易受气候条件影响,难以形成较大水系。海岛四面环海,很少有过境水;海岛淡水资源来自大气降水,地表水具有时空、地域分布不均及流动性差等特点,水沟、坑塘和水库蓄水是当地开发淡水资源的常用方式。

1.2地下水

对于无地表河流的海岛,地下水是其重要的淡水来源，其开采方式主要以机井为主,其次是民井和引泉井。但海岛地下水环境水文地质条件相当脆弱,山东省长岛县近几年因地下水开采,使得地下水位平均下降5.3m,海水入侵面积达39km2,相当于全岛面积的70%,导致水井水质恶化,Cl-平均质量浓度为1300mg/L[3]。

1.3岛外调水

岛外调水有铺设海底管道和船运两种方式。岛外调水需要有海岛地缘上的优势，其大部分为大陆架的延伸岛屿,与大陆连接紧密才能进行引水工程建设。以浙江舟山岛为例[4],其距离宁波大陆直线距离不足30km,目前,舟山市已建成了大陆引水一期工程,年均引水能力2160万m3;年均引水能力6000万m3的大陆引水二期工程正在建设之中。但岛外调水需要复杂的技术和巨额资金,调水还受水源区水资源量的制约,并可能存在被引水区域的环境危害和间接经济影响等问题。而距大陆较远的海岛,如南沙群岛的永署岛距海南岛约有1000km,守岛部队士兵的生活用水只能靠运输船运送,不但每次运输水量有限,还易造成水质污染,且有时受气候影响,水质和水量远远不能满足部队生活训练需要[5]。

1.4雨水收集

对于淡水资源匮乏的海岛,收集利用雨水是缓解水资源不足的有效措施。对于具备雨水集流条件的岛屿,可通过收集利用岛上的降水资源,既可直接用于供水,又可回灌补给地下水。浙江省舟山市普陀区的葫芦岛,自从1985年推广屋檐接水工程以来,已有85%的居民修建了屋檐接水工程,总蓄水量达到16100m3,实践证明这种方法对远离大陆的孤岛实现水资源可持续利用是切实可行的[6]。据统计,1991—2000 年,山东省长岛县通过屋顶雨水集水工程、硬化城区路面拦蓄雨水工程、大修环山塘增加库塘接水面等措施,共接蓄雨水208万m3,创经济、社会等综合效益多达3.50亿元,促进了海岛各项事业的发展[7]。国外海岛还建立雾水收集站来研究开发利用这一非传统水资源形式[8]。

综上所述,海岛赋水条件是由其所处地理位置、地形地貌、水文气象等条件决定的,其淡水资源具有时空、地域分布不均、难以替代及流动性差等特点。淡水资源主要依靠岛上地下水和降水,由此决定了海岛淡水资源匮乏;另外,海岛远离大陆,是一个相对完整而独立的生态系统,其自然和生态环境都较为脆弱,生物多样性指数较小,稳定性较差,一旦破坏,则难以恢复。海岛水资源利用存在以下两个问题:一是水量少、水质差,无论是地下水、大气降水,还是岛外调水,均存在水质指标超标问题[9-11];二是环境污染,随着海岛经济的发展,大量开采地下水导致有些岛屿发生海水倒灌,水体盐度升高;海岛生产、生活废水处理不当,极有可能破坏水源地水质及周围海域生态环境。

为了保护海岛现有水资源,提高海岛居民生活水平,促进海岛地区经济发展,必须开发新的淡水补给途径和节水方式,实现海岛水资源的可持续发展。目前,解决缺水岛屿水资源状况的方法,除了传统的跨区域岛外调水,还包括各种非常规水资源的利用,如海水淡化、海水利用等。

2海岛海水资源的利用

海岛水资源的科学利用是海岛经济开发的前提和保障,已成为强化海岛管理、促进海岛开发和环境保护的迫切需求。我国《海岛保护法》和《全国海岛保护规划》有关条款都强调海岛水资源的科学规划和利用,明确提出要优先采用雨水集蓄、海水利用、污水再生利用等技术来解决海岛水资源利用问题。

海水资源利用,旨在为海岛居民提供安全的生活用水,提高居民生活水平,增加海岛水资源承载能力,实现海岛水资源的可持续利用,保护海岛及周围海域的生态环境。尽管海岛淡水资源缺乏,但却具有利用海水资源的条件。海岛海水利用主要有以下几种方式,海水淡化、海水冲厕、海水源空调等。

2.1海水淡化

海水淡化不易受时空和气候等条件影响,规模可控,可以适用不同环境类型的海岛。

海水淡化工程作为淡水资源的增量、开源技术,已成为解决沿海缺水城镇、岛屿水资源紧缺问题的重要手段。海水淡化是将海水经反渗透、蒸馏等工艺脱盐淡化,作为工业用水和生活用水。我国海水淡化技术研究始于1950年代,1980年代初期,在永兴岛建成第1个电渗析法(日产淡水200m3)的海水淡化站。“八五”、“九五”计划期间,海水淡化技术发展迅速,一些关键技术取得重大突破。2000年,在山东省长岛县、浙江省嵊泗县和大连市獐子岛相继建成日产千吨级的反渗透海水淡化工程。“十五”计划期间,建成采用反渗透淡化技术日产万吨级的山东荣成市石岛海水淡化工程。

膜法海水淡化技术具有投资灵活、工期短、产水水质良好等特点,可以建造各种规模的淡化厂站,亦可与其他水处理技术相结合,为促进海岛水循环经济发展提供技术支撑。国家海洋局海水淡化研究所采用反渗透淡化技术先后在永兴岛、琛航岛、东瑁洲岛、大管岛、灵山岛建立了5个海岛海水淡化示范工程,每个示范工程在地域、水质、环境和技术方面都具有鲜明的特点,适用范围涵盖了我国大部分类型的海岛;浙江省舟山市岱山县大鱼山岛5m3/d光伏太阳能海水淡化示范工程给利用太阳能等绿色能源海水淡化做出很好的榜样[12]。

2.2海水冲厕

海水冲厕技术是利用海水替代淡水直接进行冲厕,属海水直接利用范畴。它是一项综合技术,涉及海洋取水、海水前处理、双管路供水、卫生洁具等防腐、防生物附着技术及冲厕海水与城市污水系统混合后含盐污水的生化处理技术等。据不完全统计,城市生活用水约占城市总用水量的20%,而冲厕用水约占城市生活用水的35%,故利用海水进行冲厕,具有非常重要的节水意义。香港于1950年代末期开始采用海水冲厕。发展至今,每年可节省约2.72亿m3淡水,占香港总用水量的18%左右;在进一步推广节水措施及制订有关节水政策的情况下,香港当局的最终目标是将冲厕用水全部用海水代替。2007年青岛市“隆海·海之韵”住宅小区建成首个大生活用海水冲厕示范工程,服务面积46万m2,每年节约淡水30万m3,节水效益明显。

2.3海水源空调

海水源空调技术是水源热泵技术的一种,是提取海水中的能量来进行供热或制冷的技术,其工作原理是通过换热设备,将海水中的能量提取出来,再经过热泵机组将能量提升至需要的温度,然后通过能量释放系统将能量释放出来,让适于人体温度的空气最后进入到房间,达到供暖制冷效果。它不需要燃用煤炭、燃料油、天然气等任何资源型燃料,不需要设置堆放燃料、废物的场地,从而彻底解决了粉尘、二氧化硫、噪声、炉渣等造成的污染。海水源空调是一种既可制热又可制冷的高效环保节能空调系统,每耗电1kW·h能够输出20.16×106J的制冷量或输出14.4×106J的制热量, 节能潜力巨大,与传统空调相比,节能40%～50%[13]。

我国海水源空调技术近年来得到迅速发展,沿海地区如大连、青岛等地均成功应用了该项技术。2004年,青岛市建成我国第1个海水源热泵样板工程,在青岛发电厂投入使用,为该技术在沿海城镇岛屿推广提供可靠的现实依据[14]。2008年2月,青岛开发区千禧龙花园居民小区海水源空调项目竣工并投入使用,标志着我国民用海水源空调项目实现了实质性突破,首期7000m2的社区会所和社区幼儿园已经启用海水源空调技术供热[15]。大连市獐子岛镇引进浅层地能海水热泵技术,对燃煤锅炉实施改造,2010年建成供热面积分别为5万m2和20万m2两座海水源热泵供热站,24 h供水,实现集中供暖无烟囱目标[16],取得良好的环境效益。为保护海岛环境,应大力推行节能减排技术,充分利用自身资源优势,积极倡导并探索以海水为能源的环保型经济发展模式。

2.4海水利用模式

海岛的特殊性决定了海岛海水利用可以作为海水利用的一种独立模式而存在。结合海岛的现状,建设经济合理的海水综合利用工程,把海水利用引入海岛水资源循环(图1),实现海水在生产、生活用水(饮用、洗浴、冲厕)、空调等方面的应用,有条件的话,还可与海水制盐、海水化学元素提取相结合,利用海岛旅游的优势,建设相关的旅游娱乐设施等,延长海水利用产业链,走集约、集群、集成、生态型发展道路,将成为海岛水资源利用的发展模式。

图1　海岛多水源系统配置框架

海岛海水利用模式具有以下特征:①海水淡化主要用于海岛工农业生产和军民饮用,海水冲厕可替代宝贵的淡水资源;②海水利用工程一般规模较小;③海岛进行海水淡化与雨水利用具有较好的结合优势,同时膜法海水淡化工程也适用于雨水净化,可集成应用;④由于海岛经济基础较差,利于整体规划,统筹管理,多途径利用和环境保护。人口数量达到一定规模或具有重要战略意义的海岛,均可推广建设海水综合利用工程,解决海岛生产、生活用水需求,提高居民生活质量,打造海岛循环经济的模式。

3结语

独特的地理位置及其气候因素使得海岛淡水资源普遍存在水量少、水质差,降雨径流不易收集的问题,淡水资源严重匮乏。海水利用在海岛开发建设中除可淡化直饮水外,还可以用于冲厕、空调、景观等方面;将海水利用引入海岛水资源循环,实现海水在工农业、生活用水、冲厕、空调等方面的立体应用,实现海水在海岛经济中的多途径利用,不仅能够提高居民的生活健康水平,增加水资源总量,节约宝贵的淡水资源,而且符合国家循环经济、节能减排、低碳经济政策的要求,为我国沿海经济社会的持续健康发展提供保障,具有重大的经济、环境和社会效益。

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