珊瑚海島淡水資源綜合開發利用模式探討

沈 彤，趙志偉，李 莉，李 恩

(1.海軍后勤部專項工程建設辦公室，北京 100841；2.重慶大學環境與生態學院，重慶 400045)

珊瑚海島是我國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，也是經濟社會發展的特殊區域[1]，具有重要的資源價值和戰略地位[2-4]。淡水資源是海島開發建設過程中重要的物質基礎和戰略資源，淡水資源的保障直接影響了海島的開發建設，也關系到海島人民的生命安全。我國珊瑚海島遠離大陸，普遍存在著淡水資源匱乏的特性。由于受到海洋性季風氣候控制，每年干旱時間長達4個月以上，近年來干旱天數持續增加；同期存儲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；中水長距離綠化灌溉能耗高且水量嚴重不足，導致部分綠化植物大范圍枯死，進一步加劇了土壤水源涵養能力下降，形成了淡水資源短缺的惡性循環。針對海島分散且距離大陸遙遠、淡水資源缺乏、交通運輸成本高的現狀，探究合適的淡水資源綜合開發利用模式對緩解珊瑚海島淡水資源不足意義重大。

1 水資源的利用現狀及問題

海島維持基本生活生產需求的淡水主要包括生活用水、生態用水、戰略儲備用水等。目前，海島的淡水來源主要有4種。一是雨水收集處理利用，海島雨水收集處理系統由雨水儲存池、混凝劑投加裝置、多介質過濾器、永久介質過濾器、活性炭過濾器、超濾膜組、消毒劑投加裝置等組成。達標出水通過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、全自動高速介質過濾器、保安過濾器、二級反滲透膜元件、中途水箱以及殺菌劑加藥系統、絮凝劑加藥系統、還原劑加藥系統、阻垢劑加藥系統、pH劑加藥系統、各類閥門管件、各類在線監測設備等共同組成，達標出水補充生活用水。三是污水再生利用，海島污水再生處理系統采用以速分或曝氣生物濾池等生化法為核心的二級污水處理工藝，后設高效纖維過濾器及活性炭過濾器作為深度處理單元，包括人工格柵、機械格柵、預曝氣調節池、生化池、高效纖維過濾器、活性炭過濾器以及消毒單元。達標出水用作生活雜用水及綠化灌溉用水。四是船運水，過去常采取船只運輸的方式將淡水送至海島，以保證海島正常的淡水供應。但是，船運存在運輸成本高、每次運輸水量有限、易受氣候影響、運輸中易造成水質污染等弊端[5-6]。目前，僅作為應急保障用水的供應手段。

珊瑚海島位于我國南端，由于受到季風和氣流的影響，降雨時空分布不均，存在明顯的干濕季。海島淡水資源主要依賴大氣降水，且多數海島存在陸地面積狹小、地表截水調蓄能力差、無過境客水、地下水易受海水侵蝕等局限，難以形成充沛的淡水資源儲備。這與人口和開發建設布局不相匹配，從而造成了區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，雨水收集與船運的儲存過程中存在水質腐敗的巨大隱患，而海水淡化產生的淡化水由于缺乏礦物質等，長期飲用也存在健康安全隱患。再者，由于地處熱帶地區，海域年平均溫度可達27 ℃以上，水分蒸發量大，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準。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、高透水性等特點[7-8]，導致保水率和水土涵養能力弱，使得植被澆灌和肥育土壤過程中需水量大。同時，為保證島上生產建設以及遠期考慮，還需一定的用水安全余量作為戰略儲備用水以備不時之需，以上問題均加大了淡水資源的供需缺口。

2 海島淡水資源綜合開發利用技術探討

2.1 常規淡水資源利用技術

(1)擴大雨水收集利用。收集利用雨水是緩解水資源不足的切實有效的方法，珊瑚海島充分利用道面、場坪等硬化下墊面進行雨水收集處理，保障島礁供水。為了進一步應對季節性缺水和島礁蓄水能力弱等問題，應進一步規劃島上生態用地，開發利用蓄水緩釋的新型土壤材料，構建海綿海島體系，最大化雨水收集利用效率，使海島在適應環境變化和應對季節性降雨等方面具有良好的彈性；從生態系統服務出發，通過跨尺度構建水生態基礎設施，結合各類具體技術，建設水生態基礎設施，實現海綿海島的建設。

(2)重視海水淡水補充飲用水的健康調節。如今海水淡化技術已經達到較成熟的水平，在部分沿海城市和海上航運中已經得到了廣泛的應用。常規海水淡化出水各項水質指標均能滿足《生活飲用水衛生標準》，用于飲用是安全可靠的。但由于海水淡化過程去除了水中絕大部分的離子，其產水屬于軟水，缺乏鈣、鎂、氟和硒等對人體有益的元素[9]。因此，海水淡化水進行飲用前，需經過再礦化，調節淡化水的pH、堿度和硬度，以使其水質穩定，使出水在保證安全的前提下提供人體所需微量元素，輔助飲食調節，以達到健康要求。

(3)推進污水就地資源化利用。海島由于其自身特殊性，島上污水來源往往是居民日常生活產生的污水，具有成分構成簡單、無毒無害、易于處理的性質，既沒有工業水的排放，也沒有工業回用的需求。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，透水性高且嚴重缺乏有機質，難以生長綠化植物和作物，給土壤肥育和生態系統打造帶來難度。海島污水含有豐富的有機物和氮磷成分，是島上可以獲取的天然肥料，可以進行適當程度處理后就地資源化，發展出適合海島的合理污水回用資源化措施，促進植物和作物生長，以滿足居民進一步的生活需求。另一方面，作為中間介質的珊瑚砂具有高透水性，中水的污染物在珊瑚砂中會發生遷移轉化。因此，中水利用過程中營養物質利用與遷移的平衡臨界點等機理機制需加快研究，以便科學指導污水資源化路徑。

(4)加強船運水污染防控。船運水可有效補充淡水資源，但船運存在運輸成本高、易受氣候影響、運輸過程水質變差等弊端。合理規劃船運水規模以及加強運輸中的污染防控是重中之重。作為海島應急保障用水的供應手段，應加快船運水水質保障的保鮮技術、安全消毒技術的研發，確保飲用水安全。

2.2 新型淡水源開發利用技術

(1)完善地下淡水開發利用保護技術。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，合理保護開發地下水是緩解淡水資源匱乏的又一途徑[11]。目前，對地下淡水的形成過程、相關形成機制及其與海洋咸水如何交換尚無系統認知，需探究地下淡水形成與地表徑流、降水入滲、蒸發之間的轉化關系，研究原生環境下海島陸域淡水透鏡體的形成演化過程，推進地下水涵養的工程性措施，建立地下淡水資源量和水質動態監測平臺，形成地下淡水作為應急保障用水的技術體系。

(2)突破節能空氣取水技術。海島全年為季風氣候，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。空氣取水技術是從空氣中制取淡水，在較為缺水的地區擁有較大的實用價值。目前，技術推廣應用中存在的主要問題是能耗較大。因此，可利用海島太陽能和風能研發空氣取水裝置，實現生態綠化灌溉節水，有效緩解生態用水過大、淡水資源不足的局面。

(3)開發除濕機空調冷凝水收集利用。海島常年使用空調等設備，產生了大量的冷凝水。因此，可建立冷凝水回收系統，通過管道以建筑物為單位進行冷凝水的收集處理，可用于建筑物周圍的衛生灑掃、綠化、洗車等，進一步提高海島全方位的淡水資源利用率。

3 綜合開發利用體系及信息化平臺探討

結合珊瑚海島的特殊環境，構建綜合開發利用體系及管控平臺，可實現海島有限淡水資源的精準保障和精細管理，對后續海島建設開發的意義重大。

(1)海島綜合開發利用體系。針對海島淡水資源匱乏的情況，通過最大程度利用常規水資源和開發新型水資源，實現海島就地供應自給自足的水資源利用模式，建立綜合開發利用體系。建立以雨水收集利用和海水淡化為主體的飲用水供應、污水再生為主體的生態用水供應、空氣取水和空調冷凝水為主體的雜用水供應、地下水和船運水為主體的應急保障用水供應的綜合利用體系。同時，大力推進節水技術與水資源保護的生活理念、多元取水與分級用水的技術手段，以及生態生活用水間的相互調配等供應保障，實現海島綜合開發利用體系的建立和完善。

(2)水資源管控平臺。為保證海島水資源綜合開發體系的建設和運行，還需建立配套的信息化數據中心和在線管理平臺，強化用水效率和管理效益[12]。通過布設監測點和控制中心，實時監測反饋海島的氣象狀況、地下淡水可開采情況、船運物質補給情況、雨水處理站和海水淡化廠運行數據、各建筑單元需水情況、雨水池及其他儲存裝置水位數據，建立從采樣、分析到記錄、傳輸、處理數據整個過程的高度自動化的流程。基于高度自動化的數據中心和在線管理平臺，建立水資源儲量、水量調配、水質監測、環境分析、應急預警于一體的綜合決策平臺，促進水資源綜合管理體系的構建。

珊瑚海島特定環境的水資源戰略直接關系到海島的安全發展。圍繞水資源安全保障的目標，亟需擴大雨水收集利用，重視海水淡水補充飲用水的健康調節，推進污水就地資源化利用，以及加強船運水污染防控，以保障常規淡水資源；提出實施地下淡水、節能空氣取水、除濕機空調冷凝水等非常規淡水資源開發利用技術；為了實現精準保障和精細管理，綜合常規水源與非常規水源，構建水資源的綜合開發利用體系及管控平臺，全面提升珊瑚海島的淡水資源安全保障能力。