作者:张冬冬 来源:中国科学报 发布时间:2014-6-23 11:08:38
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让地球不再“口渴”
细数五大非常规淡水生产方法

 

研究人员正在探索非传统的淡水获得方式,以满足全球日益增长的水需求。

印度朝圣者在恒河中洗浴。

图片来源:Daniel Berehulak/Getty

为了应对伊朗长期存在的水危机,该国总统Hassan Rouhaini去年11月在推特上表示:“我们需要农业上的节约用水计划,防止自来水的过度使用,保护地下水资源,并阻止非法地下水开采。”

并非只有伊朗面临着这种状况。从美国西南部到西班牙南部和中国北部,水短缺威胁着地球上的很多地方。近8亿人缺少安全的饮用水,25亿人没有适当的卫生设施。

“即使没有全球环境变化,到2050年,养活90亿人在农业上还需要另外的2000到3000立方千米的淡水。”瑞典斯德哥尔摩大学水资源专家、斯德哥尔摩应变中心负责人Johan Rockström说,“新的方法,例如集水技术,在未来绝对是至关重要的。”

大多数国家都在寻求利用地下含水层扩大水来源。同时,一些国家还在试验将循环水用于农业或其他方面。不过许多国家希望利用非常规来源,从雾到海洋,缓解缺水危机。《自然》杂志日前撰文介绍了5种非常规来源的淡水产生方法。

海水淡化

像所有的地中海国家一样,以色列的大部分降水都发生在冬季。但去年冬天,这里几乎没有降雨。在过去,这样的干旱会使以色列的820万人遭遇严重问题。但如今由于以色列在过去10年中建立了海水淡化厂,这个国家的水龙头并没有干涸。

以色列的4个大型“反渗透”设备位列世界上最大和最有效的海水淡化设施之首。到明年,它们每年将提供超过5亿立方米的淡水,约为以色列需水量的一半。2012年,运行其中3个设备的IDE技术公司签署协议,计划在美国加利福尼亚卡尔斯巴德附近建立一个耗资10亿美元的海水淡化工厂。在2016年完成后,它将为生活在圣迭戈县320万人口的1/10提供淡水。

在过去20年中,作为一个快速增长的全球产业,海水淡化已经为中东、澳大利亚、美国和南非等国家提供了重要的淡水资源。

“全球有将近一半的人口居住在100公里的海岸区域中,人们不能避免采取海水淡化的方法。”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)海水淡化与回收中心负责人Gary Amy说道,“海水淡化的趋势已经形成,而且规模一定会越来越大。”

但无论采取任何方法,海水淡化所消耗的能量都比传统的水资源更多。

工程师们正在试图通过使用诸如低能泵和先进膜等元件提高反渗透技术。一些工程师还在试验用石墨膜代替目前使用的聚合物膜。在海水淡化过程中将化石燃料转向可再生能源的努力正在全球范围内进行。

尽管存在这些努力,海水淡化的成本仍然是昂贵的,联合国代尔夫特水利学院的水处理专家Maria Kennedy表示,“没有人会选择海水淡化,除非他们有其他的选择”。

河岸过滤

在每年的7月和8月,数以百万计的印度朝圣者都会涌向圣城哈利瓦。为城市提供淡水的水源无法应对每年涌入的人群,因此这里需要另一个水源。恒河的河岸提供了一个解决方案。

自19世纪70年代,莱茵河畔的德国人就一直使用河岸对水进行过滤。该方法很简单:在位于合适地质区域的河边挖井,河水通过沙子和砾石进行过滤,剥离出大部分的化学和生物污染物,从而得到相对干净的水。

“处理过的水可能并不总能满足对水质的要求。”联合国水资源研究所环境工程师Saroj Sharma表示,不过当河道比较干净,地质条件也比较有利时,如在哈里瓦,由此采集水可能只需要少量的消毒就可以使用。

印度将必须增加使用天然水处理系统。地下水目前提供了该国85%的生活用水,但供应量正在下降:根据世界银行的数据,在20年后,印度地下蓄水层的60%将严重退化。

研究人员现在正在寻找提高印度天然水过滤和再使用技术的效率,这是由欧盟资助的耗资650万美元的Saph Pani项目的一部分。

古代技术

埃塞俄比亚北部的提格雷地区非常干燥,曾多次经历饥荒。但科拉洛村的村民却不再面临水资源短缺,这多亏了引进的古代技术。

美国哥伦比亚大学水中心负责人Upmanu Lall将该技术作为哥伦比亚大学千禧村项目的一部分引入科拉洛,该项目通过社会团体的领导试图解决非洲的贫穷与饥饿。Lall从2000年前波斯工程师发明的暗渠供水系统中得到灵感。这些复杂的隧道将高海拔的地下水运至干涸的山谷和平原;伊朗和阿拉伯半岛部分地区正在使用一些古代的供水系统。2009年,Lall的学生开始设计现代版的暗渠。在埃塞俄比亚工程师和当地村民的帮助下,这些学生设计了一个位于山顶的小型石坝,可以控制地表径流,允许雨水渗入地下。

这些水从山上流到沟渠中,该沟渠从山脚延伸至4公里外的村子。该系统可以容纳36000立方米的水,已经运行了3年。这些水为村民带来了一个额外的种植季节,而且在雨季间歇期可以补充灌溉。

成功的消息传播开来,提格雷地区的其他社区也计划采用类似的技术。Lall表示,该方法可以应用在很多有着适当地形和水文的地区,包括大多数非洲的半干旱高地。Lall把眼光投向了非洲之外:他正在与印度东北部的贾坎德邦讨论在该地区开发暗渠。

绿化沙漠

农业生产出高于它所消耗的水和能量,这似乎是天方夜谭。不过在卡塔尔的沙漠中,科学家正在表明,海水和阳光可以在自我维持的循环中得到食物和干净的水。

撒哈拉森林计划(SFP)由一家挪威公司在2009年建立,由奥斯陆的肥料公司Yara和卡塔尔肥料公司Mesaieed支持,在多哈之外经营着一个耗资850万美元的飞行灌溉设施。据SFP称,去年,700平方米的温室生产出的蔬菜量相当于整个欧洲的商业温室生产量。

温室通常会保存热量,但像卡塔尔这样炎热的地方则相反。从100米外的海洋中运来的水会在温室迎风面的格子中流动。水蒸发时就会增加进入温室的空气的湿度,并使其温度下降10摄氏度左右,令室内气候适宜黄瓜和西红柿等蔬菜的种植。其他作物,如大麦和有用的沙漠植物,则生长在温室下风向处。

晚上沙漠降温时,温室内表面的水分凝结,并被收集用于灌溉和饮用。海水淡化设备会对其进行进一步的淡化。整个过程运行所需的电力来自太阳能。

这一概念在任何接近海平面的干燥和阳光充足的地区都能工作,海附近区域的抽水成本较低。即便如此,海水温室目前的花费仍很高,KAUST沙漠农业中心负责人Nina Fedoroff表示,“其概念是有趣的,但它生产食物的方式仍相当昂贵,可能不会引起巨大的商业关注”。

雾中取水

在人们的印象里,居住在危地马拉Tojquia小山村的女性不得不在干燥的冬季,长途跋涉到山谷底部采集淡水,然后再上山回到家里。不过现在,她们可以通过从经常笼罩着村子的雾中获得水。

一立方米的雾包含0.5克液态水,采集方式也相对容易。一个大型的垂直网格面板可以在风吹动水通过其纤维时采集水滴。液滴通过合并与聚集,之后会到达沟槽底部和储蓄罐中。

Tojquia海拔3300米,冬季多风干燥但多雾,是使用该技术的理想地点。在加拿大非营利组织FogQuest项目研究人员的帮助下,Tojquia的居民自2006年起已经安装了35个采集器,平均每年可产生6300升饮用水,足够约30个家庭在旱季使用。雨季储存罐中的收获则更多。

科学家还通过开发先进的网格材料来改善这项技术。德国明斯特大学气候学家Otto Klemm表示:“如果气候条件合适,重要的是,如果当地人可以在培训后独立维护设施,那么它有可能一年到头为农村社区提供宝贵的淡水。”(张冬冬)

《中国科学报》 (2014-06-23 第3版 国际)
 
 
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