珊瑚海岛淡水资源综合开发利用模式探讨

沈 彤，赵志伟，李 莉，李 恩

(1.海军后勤部专项工程建设办公室，北京 100841；2.重庆大学环境与生态学院，重庆 400045)

珊瑚海岛是我国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，也是经济社会发展的特殊区域[1]，具有重要的资源价值和战略地位[2-4]。淡水资源是海岛开发建设过程中重要的物质基础和战略资源，淡水资源的保障直接影响了海岛的开发建设，也关系到海岛人民的生命安全。我国珊瑚海岛远离大陆，普遍存在着淡水资源匮乏的特性。由于受到海洋性季风气候控制，每年干旱时间长达4个月以上，近年来干旱天数持续增加；同期存储的淡水资源和海水淡化制备的淡水仅能保障基本生活用水；中水长距离绿化灌溉能耗高且水量严重不足，导致部分绿化植物大范围枯死，进一步加剧了土壤水源涵养能力下降，形成了淡水资源短缺的恶性循环。针对海岛分散且距离大陆遥远、淡水资源缺乏、交通运输成本高的现状，探究合适的淡水资源综合开发利用模式对缓解珊瑚海岛淡水资源不足意义重大。

1 水资源的利用现状及问题

海岛维持基本生活生产需求的淡水主要包括生活用水、生态用水、战略储备用水等。目前，海岛的淡水来源主要有4种。一是雨水收集处理利用，海岛雨水收集处理系统由雨水储存池、混凝剂投加装置、多介质过滤器、永久介质过滤器、活性炭过滤器、超滤膜组、消毒剂投加装置等组成。达标出水通过提升泵和管路供给保障岛上日常生活的淡水需求。二是海水淡化，海水淡化装置由海水提升泵、全自动高速介质过滤器、保安过滤器、二级反渗透膜元件、中途水箱以及杀菌剂加药系统、絮凝剂加药系统、还原剂加药系统、阻垢剂加药系统、pH剂加药系统、各类阀门管件、各类在线监测设备等共同组成，达标出水补充生活用水。三是污水再生利用，海岛污水再生处理系统采用以速分或曝气生物滤池等生化法为核心的二级污水处理工艺，后设高效纤维过滤器及活性炭过滤器作为深度处理单元，包括人工格栅、机械格栅、预曝气调节池、生化池、高效纤维过滤器、活性炭过滤器以及消毒单元。达标出水用作生活杂用水及绿化灌溉用水。四是船运水，过去常采取船只运输的方式将淡水送至海岛，以保证海岛正常的淡水供应。但是，船运存在运输成本高、每次运输水量有限、易受气候影响、运输中易造成水质污染等弊端[5-6]。目前，仅作为应急保障用水的供应手段。

珊瑚海岛位于我国南端，由于受到季风和气流的影响，降雨时空分布不均，存在明显的干湿季。海岛淡水资源主要依赖大气降水，且多数海岛存在陆地面积狭小、地表截水调蓄能力差、无过境客水、地下水易受海水侵蚀等局限，难以形成充沛的淡水资源储备。这与人口和开发建设布局不相匹配，从而造成了区域性和工程性缺水并存、水资源短缺和紧张状况不断加剧的局面。其次，在淡水的利用中，雨水收集与船运的储存过程中存在水质腐败的巨大隐患，而海水淡化产生的淡化水由于缺乏矿物质等，长期饮用也存在健康安全隐患。再者，由于地处热带地区，海域年平均温度可达27 ℃以上，水分蒸发量大，海岛上饮用、洗涤、淋浴等日常生活用水水量大于陆地上的标准。此外，岛上土壤为以固化珊瑚砂为主的砂土，具有高孔隙比、高渗透系数、高透水性等特点[7-8]，导致保水率和水土涵养能力弱，使得植被浇灌和肥育土壤过程中需水量大。同时，为保证岛上生产建设以及远期考虑，还需一定的用水安全余量作为战略储备用水以备不时之需，以上问题均加大了淡水资源的供需缺口。

2 海岛淡水资源综合开发利用技术探讨

2.1 常规淡水资源利用技术

(1)扩大雨水收集利用。收集利用雨水是缓解水资源不足的切实有效的方法，珊瑚海岛充分利用道面、场坪等硬化下垫面进行雨水收集处理，保障岛礁供水。为了进一步应对季节性缺水和岛礁蓄水能力弱等问题，应进一步规划岛上生态用地，开发利用蓄水缓释的新型土壤材料，构建海绵海岛体系，最大化雨水收集利用效率，使海岛在适应环境变化和应对季节性降雨等方面具有良好的弹性；从生态系统服务出发，通过跨尺度构建水生态基础设施，结合各类具体技术，建设水生态基础设施，实现海绵海岛的建设。

(2)重视海水淡水补充饮用水的健康调节。如今海水淡化技术已经达到较成熟的水平，在部分沿海城市和海上航运中已经得到了广泛的应用。常规海水淡化出水各项水质指标均能满足《生活饮用水卫生标准》，用于饮用是安全可靠的。但由于海水淡化过程去除了水中绝大部分的离子，其产水属于软水，缺乏钙、镁、氟和硒等对人体有益的元素[9]。因此，海水淡化水进行饮用前，需经过再矿化，调节淡化水的pH、碱度和硬度，以使其水质稳定，使出水在保证安全的前提下提供人体所需微量元素，辅助饮食调节，以达到健康要求。

(3)推进污水就地资源化利用。海岛由于其自身特殊性，岛上污水来源往往是居民日常生活产生的污水，具有成分构成简单、无毒无害、易于处理的性质，既没有工业水的排放，也没有工业回用的需求。因此，海岛污水资源化的路径与城市存在不同之处[10]。珊瑚海岛常为珊瑚砂及贝类堆积形成，透水性高且严重缺乏有机质，难以生长绿化植物和作物，给土壤肥育和生态系统打造带来难度。海岛污水含有丰富的有机物和氮磷成分，是岛上可以获取的天然肥料，可以进行适当程度处理后就地资源化，发展出适合海岛的合理污水回用资源化措施，促进植物和作物生长，以满足居民进一步的生活需求。另一方面，作为中间介质的珊瑚砂具有高透水性，中水的污染物在珊瑚砂中会发生迁移转化。因此，中水利用过程中营养物质利用与迁移的平衡临界点等机理机制需加快研究，以便科学指导污水资源化路径。

(4)加强船运水污染防控。船运水可有效补充淡水资源，但船运存在运输成本高、易受气候影响、运输过程水质变差等弊端。合理规划船运水规模以及加强运输中的污染防控是重中之重。作为海岛应急保障用水的供应手段，应加快船运水水质保障的保鲜技术、安全消毒技术的研发，确保饮用水安全。

2.2 新型淡水源开发利用技术

(1)完善地下淡水开发利用保护技术。海岛地下水资源以淡水透镜体的形式存在，淡水透镜体是降雨渗透形成的、存在于珊瑚岛地表以下、承托于海水之上、中央厚边缘薄的淡水水体，是不可多得的淡水资源。因此，合理保护开发地下水是缓解淡水资源匮乏的又一途径[11]。目前，对地下淡水的形成过程、相关形成机制及其与海洋咸水如何交换尚无系统认知，需探究地下淡水形成与地表径流、降水入渗、蒸发之间的转化关系，研究原生环境下海岛陆域淡水透镜体的形成演化过程，推进地下水涵养的工程性措施，建立地下淡水资源量和水质动态监测平台，形成地下淡水作为应急保障用水的技术体系。

(2)突破节能空气取水技术。海岛全年为季风气候，雨旱两季分明，空气湿度在75%以上，具有广阔的空气取水前景。空气取水技术是从空气中制取淡水，在较为缺水的地区拥有较大的实用价值。目前，技术推广应用中存在的主要问题是能耗较大。因此，可利用海岛太阳能和风能研发空气取水装置，实现生态绿化灌溉节水，有效缓解生态用水过大、淡水资源不足的局面。

(3)开发除湿机空调冷凝水收集利用。海岛常年使用空调等设备，产生了大量的冷凝水。因此，可建立冷凝水回收系统，通过管道以建筑物为单位进行冷凝水的收集处理，可用于建筑物周围的卫生洒扫、绿化、洗车等，进一步提高海岛全方位的淡水资源利用率。

3 综合开发利用体系及信息化平台探讨

结合珊瑚海岛的特殊环境，构建综合开发利用体系及管控平台，可实现海岛有限淡水资源的精准保障和精细管理，对后续海岛建设开发的意义重大。

(1)海岛综合开发利用体系。针对海岛淡水资源匮乏的情况，通过最大程度利用常规水资源和开发新型水资源，实现海岛就地供应自给自足的水资源利用模式，建立综合开发利用体系。建立以雨水收集利用和海水淡化为主体的饮用水供应、污水再生为主体的生态用水供应、空气取水和空调冷凝水为主体的杂用水供应、地下水和船运水为主体的应急保障用水供应的综合利用体系。同时，大力推进节水技术与水资源保护的生活理念、多元取水与分级用水的技术手段，以及生态生活用水间的相互调配等供应保障，实现海岛综合开发利用体系的建立和完善。

(2)水资源管控平台。为保证海岛水资源综合开发体系的建设和运行，还需建立配套的信息化数据中心和在线管理平台，强化用水效率和管理效益[12]。通过布设监测点和控制中心，实时监测反馈海岛的气象状况、地下淡水可开采情况、船运物质补给情况、雨水处理站和海水淡化厂运行数据、各建筑单元需水情况、雨水池及其他储存装置水位数据，建立从采样、分析到记录、传输、处理数据整个过程的高度自动化的流程。基于高度自动化的数据中心和在线管理平台，建立水资源储量、水量调配、水质监测、环境分析、应急预警于一体的综合决策平台，促进水资源综合管理体系的构建。

珊瑚海岛特定环境的水资源战略直接关系到海岛的安全发展。围绕水资源安全保障的目标，亟需扩大雨水收集利用，重视海水淡水补充饮用水的健康调节，推进污水就地资源化利用，以及加强船运水污染防控，以保障常规淡水资源；提出实施地下淡水、节能空气取水、除湿机空调冷凝水等非常规淡水资源开发利用技术；为了实现精准保障和精细管理，综合常规水源与非常规水源，构建水资源的综合开发利用体系及管控平台，全面提升珊瑚海岛的淡水资源安全保障能力。