如何合理利用水资源综述

山 立

（西北农林科技大学中国干旱半干旱研究院，陕西 杨凌 712100）

如何合理利用水资源综述

山 立

（西北农林科技大学中国干旱半干旱研究院，陕西 杨凌 712100）

水，是生命之源，也是人类生存的基础。水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。水资源匮乏已成为我们不得不面对的全球性课题。从长远来看，要冲破这个制约人类可持续发展的“瓶颈”，只有利用海水，被冰山、冻土固化的淡水等，扩大传统的水资源范围，树立“大水资源”的观念，这样才能挣脱社会和环境条件的制约，实现水资源合理利用的可持续发展。与此同时，加大科技力度，不断创新，人类才能完成“呼风唤雨”的农业的终极革命目标。

大水资源观；水危机；冰山；人工增雨；海水淡化

人类社会经历了五千多年的农业文明时代，又经历了三百多年的工业文明时代。奇怪的是，人类在经历了三次工业革命与二次科学革命后，几乎实现了古人所有的梦想，现在的人们可以随心所欲的上天下海，享受着工业革命带来的丰硕之果；而在五千年的农耕时代后，人们至今仍不能随心所欲的呼风唤雨，大多数时间里只能逆来顺受的接受老天的安排。

水，是生命之源，也是人类生存的基础。在我国古代神话西游记里，那个被孙悟空教训的非常听话的海龙王可以随时听从孙悟空的调遣，求雨比成仙得道容易得多。不过，今天在没有孙大圣的日子里，求天降雨却总不能如人所愿，干旱与旱灾始终困扰着人类，水危机已迫在眉睫。

1 水之困惑

1.1 水危机正在到来

在太平洋上空，从飞船上看地球。一片汪洋，地球就像一个水球。地球并不缺水，只是缺无污染的淡水。地球上的水97%是海水，在3%的淡水中有3/4冻结在两极和冰川中，可以利用的淡水只有极小的一部分。所有的河流、湖泊中的水加在一起，只占全球水总量的万分之二，加上可以利用的地下水、维持生物圈和人类社会的是不及总水量1%的淡水。人口占世界22%，淡水资源只占世界总量8%的中国，从20世纪末期就有108个城市缺水，200多个城市地下水位不断下降，近6 500万贫困人口中有90%以上是由缺水造成的。由于缺水，我国每年直接国民经济损失达2 000多亿。而污染又使水资源雪上加霜，每年因水污染造成的直接损失达400多亿。水危机严重制约着我国21世纪16多亿人口的生存和经济的持续发展。

1.2 “大水资源”观

虽然，通过筑坝等水利工程，人类目前已经成功控制了世界上大多数河流，但不幸的是，在此之后其中有近三成水流已不能到达海洋，成为了时涝时枯的季节河。水资源匮乏已成为我们不得不面对的全球性课题。因而，“大水资源”的观念呼之欲出。

所谓“大水资源”是指将传统水资源的范围扩大，不仅仅包括湖泊、河流、地下水及雨雪等，还需包括极地冰山、每单位可淡化的海水、可供人工增雨的雨水以及可再利用的再生水与微咸水等。

可见，大水资源观念，是对传统的生活及农业用水的重新诠释，是一种以开发、利用、可持续发展以及生态、经济和社会等多种效益相结合的认识新模式。不过，观念的树立到目标的真正实施之路还很漫长，还有许多急需攻克的研究课题。

2 漫漫求水路

2.1 搬运冰山

在英国专利局的各项古怪发明中，其中有一些是由英国专利局的前雇员亚瑟·帕德里克发明的。自20世纪70年代帕德里克退休后，他总共在专利局申请了五十多项发明专利。其中一个著名的专利是“一种在南极取水的装置”，帕德里克的设计思想是：建造一条长数千里，直径三米的管道，横跨南极冰山地区，再用管道从海底通到澳大利亚或非洲沙漠地带，其原理是，用安装在南极冰山上的机械，把雪球顺管道滚落下，由于管道角度的设计充分地利用了地球的自传原理，雪球会顺管道顺畅的移动，且越滚越快，最后可以直达目的地的另一台机器装置内，化冰为水，流淌到干枯的土地上。这项专利在当时很轰动，除了被媒体炮轰和同行的嘲讽外，无人购买他的专利。

按现今的科技发展水平而言，帕德里克当时的设计理念无疑是超前的，建造与铺设数千里长的管道在今天已不是难事，问题的关键是，有没有比帕德里克更好的搬运南极之冰山的方法。

30多年前美国海洋学家约翰·艾萨克曾受帕德里克设计观念的启发，设想把冰山用船从南极“般”到地球上干旱的地区，用以灌溉农田和人畜饮用。然而，由于许多技术上的困难，这一设想当时成为泡影，很多人也因此嘲笑他异想天开。后来美国科学家乔纳森·乔布对冰山搬家给出了新的设想以及更进一步的新见解，即只有搬动大的冰山，才能畅通无阻地飘过温暖的水域。这才引起学术界的重视。

以色列就曾想将南极冰山直接用船经地中海运到以色列沿海再转往极端干旱的陆地。被运的冰山底面积相当于几个足球场的总面积，冰山能保持一年不化。然而，海上各种因素复杂，运输速度还将受到海流和风暴的影响，因而，要将这个设想付诸实施，还存在相当大的难度，计划因此搁浅。不过，从现代科学技术的角度看，人类肯定能把冰山搬到干旱的地方去，这点不用怀疑。科学家认为，用现有的技术力量可以搬动的最大限度是长7 km、宽1.5 km的冰山。现在一些富有的阿拉伯石油国家就有“冰山搬家”的打算，以解决他们国家的干旱问题。

2.2 人工增雨

我们知道，要想通过人工增雨的方式增加降水，必须有云，有云才能有雨，但不是所有的云都有降水潜力，只有那些有降水潜力和有开发利用可能的云才可催化致雨，天高云淡是无法达到增雨目的的。因此，播撒催化剂是实现人工增雨的关键所在，那么人类使用人工增雨的催化剂都有哪些呢？它是如何发现的呢？

2.2.1 人工增雨原理

1946年7月的一天，天气炎热，美国气象学家谢弗在一个普通的冰箱里做试验。他不断的向冰箱哈气。由于外界温度太高，冰箱内很难有雾汽出现。谢弗想让冰箱里的气温再降低一些，他于是取了一块干冰（固态二氧化碳，常用来做冰冻剂）放进了冰箱。当他再哈汽时，奇迹出现了，冰箱里出现了成千上万个闪闪发亮的小冰晶——这就是人造的雪花。干冰的催化作用由此被确认。

如果把干冰晒在云中，会出现什么情况呢？谢弗从一架小飞机中向一块零下20 ℃的层状云中播撒了1.36 kg的干冰，5分钟后，不同形状的雪花从空中纷纷扬扬的飘落。这表明用少量催化剂改变过冷云层，可达到降雨雪、消散云层的目的。“雨神”密码被破译，人类用自己的力量影响天气的历史迈出了重大的一步。

谢弗用干冰作催化剂的实验成功后，他的同事冯尼古特发现，在过冷雾中引入碘化银颗粒后，也能产生大量冰晶。这一发现促使人工降雨的迅速发展，因为播撒碘化银所需设备简单，费用低廉。

2.2.2 人工增雨催化剂

目前，人工增雨使用的催化剂通常分为三类：第一类是可以大量产生凝结核或凝华核的碘化银等成核剂；第二类是可以使云中的水分形成大量冰晶的干冰等制冷剂；第三类是可以吸附云中水分变成较大水滴的盐粒等吸湿剂。

飞机、高炮和火箭是把催化剂播撒到云中的常用人工增雨作业工具。高炮和火箭是在弹头和弹体内装填适量碘化银，从地面发射到云中适当部位后爆炸播撒或沿火箭弹道喷撒。在飞机上喷撒碘化银焰雾的方法，一种是在机舱内遥控悬挂在机翼下的特制发生器，使从中喷出的碘化银丙酮溶液燃烧；另一种是遥控发射悬挂在机翼下的特制碘化银焰弹。在飞机上也可以向云中播撒小颗粒状的干冰或液氮等冷却剂或吸湿性粒子，人工制造冰晶或大水滴，促使更多的云水转化为降水。

俗话说，巧妇难为无米之炊，人工增雨也是这个道理。碘化银、干冰等只是适用于温度低于0 ℃冷云的催化剂；而盐粒等是只适用于温度高于0 ℃暖云的催化剂。后者属于碱性物质，对增雨设备、农作物都有一定的腐蚀作用，因为人工增雨产生作用有一个重要的前提，就是天空中要有成雨条件。当天气过程中有适合的降雨云系时，通过人工干预、催化，可以使原有的降水变得更大，但其核心还是利用自然降水实现的。

2.3 海水淡化

现今海水淡化的方法有很多，如蒸馏法、冷冻法、反渗透法、太阳能法、低温多效法、电渗析法与压汽蒸馏法等等，其中最神奇的就数反渗透法了。

2.3.1 反渗透法的原理

反渗透法通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能，它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重点转向反渗透法。

反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。

2.3.2 反渗透法在以色列的应用

如今，在以色列应用最广泛的还是反渗透法，这种方法一直到20世纪40年代发现了渗透现象后才有了实施的可能。随着科学技术的发展，用反渗透技术来处理海水正日益受到重视。

经计算，只要将5～7 MPa的压力施加在海水上，并使其通过特制的过滤器，就能得到淡水，所消耗的能量只是维持高压泵工作的能量。2000年初，以色列共和国的海水淡化方案获得了初步通过，2005年8月24日，离以色列境内阿什凯隆不远处，世界上最大的利用反渗透原理获取淡水、年产1亿m3淡水的海水淡化厂已经奠基。淡化厂有20个预处理水池，海水将经由聚合物过滤池后进入高压水泵。得到的淡水经过预处理，直接进入通往全以色列的输水管，再运往南部干旱地区。

反渗透海水淡化具有节省投资、能耗低等优点，预计反渗透技术将是21世纪海水淡化的主要方法。

3 存在的问题

3.1 对“冰山搬运”而言

科学家们对问题还是看得更远一些，他们不仅考虑如何搬运冰山，同时还在考虑极地的冰山搬走了，会不会使南极的一部分气候变暖？这些地方的气候如果变暖，对于它们周围的环境，以及对于整个地球的环境，将会引起一系列什么样的变化？利大还是弊多？像这样一些问题，人类还需要在试验或实践中去认识。

3.2 海水淡化的普及主要受困成本问题

为降低成本，水电联产和热膜联产都得到了广泛的应用。所谓水电联产，就是利用电厂产生的蒸汽和电力，为海水淡化装置提供动力；热膜联产，则采取热法和膜法相联合的方式，满足不同用水需求，以最大限度地降低海水淡化成本。

但是海水脱盐过程会消耗大量能源，从而会产生大量的温室气体；此外，海水淡化在一些海岸区域，还破坏了海洋生物的生存环境。随着建造脱盐工厂的数量成指数倍增长，还将会显著加速气候变化的步伐。现实中的淡化废水不是简单的毒性叠加，而是一个毒药的“满汉全席”。通过复杂的机理，盐度、碱度、高温和化学属性很有可能相互增强。然而我们对这些潜在的复合毒性还知之甚少，需要更多相关的研究来揭示其中的奥秘。另一方面，海边生态环境对淡化废水的排放也有很大影响。例如，海底的海草、水藻和珊瑚礁瓠能降低海水的流动和海底沉淀物的迁移，从而把废水排放问题转换为局部环境的灾难。

3.3 对于人工增雨，人们还有一种误解，认为是下了雨旱情就消失了

事实上，通过人工增雨的方式增加降雨后，旱情只能在一定程度上得到缓解，并不能从根本上消除。旱情的彻底解除，除增加降雨量外，还需要水利设施以及其它技术手段的支撑和密切配合。如果缺乏相应的条件，人工增雨便无从谈起。因此，人工增雨还不能随心所欲。

4 结束语

水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。水资源匮乏已成为我们不得不面对的全球性课题。

从长远来看，要冲破这个制约人类可持续发展的“瓶颈”，只有利用海水、被冰山、冻土固化的淡水等，扩大传统的水资源范围，树立“大水资源”的观念，这样才能挣脱社会和环境条件的制约，实现水资源合理利用的可持续发展。与此同时，加大科技力度，不断创新，人类才能完成“呼风唤雨”的农业的终极革命目标。

1 山 仑、黄占斌、张岁岐.节水农业［M］.北京：清华大学出版社，2009：1～15

2 颜士州.让冰山搬家［J］.发明与创新，2010（5）：33～34

3 王若谦.海水淡化的困境［J］.百科知识，2008（25）：17～18

4 上官云.以色列人的“求水”之路［J］.自然与科技，2008（11）：11～12

Summary of the Reasonable Use of Water Resources

Shan Li

Water is the source of life, and the basis for human survival.Water is an important essential material for human and biological survival, and extremely valuable irreplaceable natural resources for the industrial and agricultural production, economic development and environmental improvement.Water scarcity has become the global issues we have to face.In the long run, to break through the “bottleneck”constraining human sustainable development, only using sea water or freshwater ice, expanding the scope of traditional water resources, and establishing the concept of “big water resource”, can break the restraints of social and environmental conditions, and achieve the sustainable development of water resource rational use.At the same time, increasing scientific and technological strength, and making continuous innovation can help human to complete the ultimate revolutionary agricultural goal of “to control the forces of nature”.

water resource view; water crisis; iceberg; artificial rainfall; sea water desalination

TV213

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1000－8136（2011）03－0129－03