海南地?zé)崮芎Ｋ尚行蕴接?/h1>

2021-11-03 16:26:31 3

全康環(huán)保:文章主要探討海南貧水地區(qū)地?zé)崮艿Ｋ夹g(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，以及面臨的挑戰(zhàn)關(guān)鍵所在，為地?zé)崂眯录夹g(shù)的發(fā)展添磚加瓦。

為了解海南地區(qū)利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化的可行性, 闡述了海南缺水情況以及地?zé)豳Y源分布, 并對(duì)使用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化作了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)探討, 結(jié)果表明海南缺水地區(qū)可以從當(dāng)?shù)乜捎玫牡責(zé)豳Y源中獲益。同時(shí), 指出基于地?zé)崮艿暮Ｋ悦媾R一些問(wèn)題, 需要提高重視程度和科研投入, 并試行推廣積極的產(chǎn)業(yè)扶持政策, 從而促進(jìn)海南地?zé)崮芎Ｋ难芯亢屠谩?/p>

0 引言

海南省位于我國(guó)南端，是僅次于臺(tái)灣島的第二大島嶼，全島處于熱帶和亞熱帶地區(qū)，年平均氣溫22~27℃；四面環(huán)海，水資源豐富，年降水量在1000~2600mm^[1]。2016年，海南全省人口917萬(wàn)人，人均擁有水資源量5342m³，人均綜合用水量490m³，位于國(guó)內(nèi)前列^[2]。但是，表面上擁有豐厚水量的海南，卻面臨著比較突出的缺水問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及面臨的缺水少水和干旱問(wèn)題，海南省需構(gòu)建水資源可持續(xù)利用的多方式供水體系。作為水資源開(kāi)源增量的有效途徑，海水淡化可有效緩解水資源短缺問(wèn)題，對(duì)改善海南用水情況發(fā)揮至關(guān)重要的作用。隨著科技的不斷進(jìn)步，當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域?qū)⑹褂每稍偕茉催M(jìn)行海水淡化作為研究的前沿方向。地?zé)崮茏鳛橐环N海水淡化的新能源方式，近年來(lái)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)關(guān)注，海南可以考慮通過(guò)開(kāi)發(fā)其地?zé)豳Y源來(lái)支持海水淡化過(guò)程并為省內(nèi)工業(yè)和農(nóng)業(yè)部門(mén)供應(yīng)淡水，以減輕水資源緊張的局面。本文基于海南水資源和地?zé)豳Y源分布情況，對(duì)地?zé)崮芎Ｋ鹘?jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性探討，指出其中存在的問(wèn)題，并提出推進(jìn)地?zé)崮芎Ｋ南嚓P(guān)建議。

1 中深層地?zé)崮芴菁?jí)利用系統(tǒng)優(yōu)化分析

海南降雨量空間分布不均（圖1），島中部及東北部雨量多，西南部雨量少，降水量年際變化大，豐水年和枯水年相差可達(dá)數(shù)倍。此外，海南島地形中高周低，河短坡少，水系呈均勻放射狀，源短流急，暴漲暴落，開(kāi)發(fā)利用難度大，時(shí)空分布極不均勻，導(dǎo)致了冬春干旱時(shí)常發(fā)生（圖2），嚴(yán)重影響了居民的生產(chǎn)和生活^[3]。再加上需水高峰與枯水期疊加、水資源浪費(fèi)及臺(tái)風(fēng)等因素的影響，使得海南用水問(wèn)題更為突出。2016年，海南全省總供水量44.96億m³，其中地表水源供水量41.88億m3，占總供水量的93.1%^[4]。在海南各河流流域和地區(qū)中，南渡江流域、昌化江流域、萬(wàn)泉河流域、海南島東北部、海南島西北部以及海南島南部河流開(kāi)發(fā)利用率分別為15.8%、12.8%、5.5%、14.7%、28.3%、14.9%。而國(guó)際上一般認(rèn)為，一條河流的合理開(kāi)發(fā)限度為40%，越接近40%，表明該地區(qū)越缺乏水資源；而當(dāng)利用率超過(guò)40%時(shí)，表明嚴(yán)重缺水，可能導(dǎo)致環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全問(wèn)題^[5]。上述數(shù)據(jù)表明：海南中部山區(qū)擁有較充沛的降水量，但水資源開(kāi)發(fā)利用率較低；而降水量較少的東北部、西北部和南部，卻有著較高的水資源開(kāi)發(fā)利用率，且面臨一定的缺水情況。以北部的?？跒槔?018年?？谠谟盟叻寮竟?jié)每天需量短缺6萬(wàn)~8萬(wàn)t。

圖 1 2016年海南省年降水量（改自2016年海南風(fēng)洪旱災(zāi) 害公報(bào)，圖2同）

圖 2 2016年海南省各市縣氣象干旱最重時(shí)所達(dá)級(jí)別分布

2 海南地?zé)崮苜Y源分布

地?zé)崮苁且环N綠色環(huán)保、持續(xù)穩(wěn)定、利用率高的可再生能源，是取之不盡，用之不竭的，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力。海南地?zé)豳Y源以水熱型為主，全島水熱資源受地質(zhì)構(gòu)造、巖石地層及地貌的控制，總體可分為兩類，分別為基巖構(gòu)造裂隙帶狀熱水型和孔隙層狀熱水型^[6]。已發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造裂隙帶狀型熱礦泉（溫泉）32處，總體呈環(huán)島分布格局，估算儲(chǔ)量約為10萬(wàn)m³/d?？紫秾訝顭崴?，主要分布在瓊北及西南部自流盆地中，其中瓊北斷陷盆地內(nèi)埋藏較深，西南部自流盆地內(nèi)埋藏相對(duì)較淺，水溫相對(duì)低，呈現(xiàn)不連續(xù)的薄層狀。此外，海南省北部深層地?zé)岬刭|(zhì)條件良好，瓊州裂谷南側(cè)的瓊北擁有優(yōu)質(zhì)的干熱巖地?zé)崮苜Y源。2018年3月23日，中國(guó)第一口具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干熱巖開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)井在海南北部完鉆，該井在4387m深度處獲得超過(guò)185℃的干熱巖（非穩(wěn)態(tài)測(cè)溫），成為我國(guó)第一口進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段的干熱巖鉆井^[7]，表明海南北部存在可用于商業(yè)化的優(yōu)質(zhì)干熱巖。依據(jù)海南地?zé)豳Y源分布及勘查與開(kāi)發(fā)規(guī)劃^[8]，可將海南島劃分為限制開(kāi)采區(qū)、允許開(kāi)采區(qū)以及鼓勵(lì)開(kāi)采區(qū)3類，在大多數(shù)情況下，海南地?zé)衢_(kāi)發(fā)區(qū)與缺水少水地區(qū)以及用水量巨大、主要集中于西北和北部的工業(yè)地區(qū)相匹配。這表明，這些地區(qū)存在從當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源中獲益的可能。

3 東海陸架盆地麗水凹陷熱演化模擬及現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征

3.1 地?zé)崮芎Ｋ椒?/p>

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒等分離出來(lái)從而獲得淡水的過(guò)程。目前國(guó)際上使用的傳統(tǒng)海水淡化的主要方法包括膜法、結(jié)晶法和蒸餾法等，而我國(guó)海水淡化工程多采用低溫多效蒸餾（LT-MED）和反滲透（RO）技術(shù)。由于低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)具有操作溫度低、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為我國(guó)第二代海水淡化廠的主流技術(shù)之一^[9]。采用低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí)，海水的最高溫度只需70℃，而海南地下熱水溫度一般在32~97℃。當(dāng)采用與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合的低溫多效蒸餾海水淡化方法時(shí)，地?zé)崴赏ㄟ^(guò)換熱器將海水加熱到淡化時(shí)所需要的溫度。因此，通過(guò)地?zé)崮芙鉀Q低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí)所需的熱源問(wèn)題，在技術(shù)上具有可行性。反滲透海水淡化方法，是以壓差推動(dòng)的海水淡化過(guò)程。截至2015年底，我國(guó)已建成海水淡化工廠121座，其中應(yīng)用反滲透技術(shù)的為107座，占88.43%，處于主流位置^[10]。采用反滲透技術(shù)時(shí)，膜通量對(duì)海水溫度有較高的敏感性，尤其是當(dāng)冬季水溫低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致膜通量大幅下降。這是因?yàn)榈蜏剡M(jìn)料水具有較高的黏度和較高的通過(guò)膜的阻力，而高溫進(jìn)料水具有較低的黏度而產(chǎn)生較高的產(chǎn)量。依據(jù)相關(guān)研究^[11]，當(dāng)進(jìn)料海水溫度從25℃增加到35℃時(shí)，滲透通量增加了34%；而當(dāng)進(jìn)料海水溫度從20℃升高到40℃時(shí)，滲透通量增加了60%，即每2℃的溫差大約增加6%的滲透流量。因此，當(dāng)采用與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合的反滲透海水淡化方法時(shí)，利用地?zé)崴訜岷Ｋ?，可以提升膜通量，進(jìn)而提升產(chǎn)量；此外，反滲透的膜過(guò)程需要更高的機(jī)械能來(lái)在冬季泵送冷海水，以滿足日常生產(chǎn)率，而依靠干熱巖發(fā)電技術(shù)所建立的發(fā)電廠可以滿足反滲透裝置的電力需求，從而實(shí)現(xiàn)熱-電-水聯(lián)產(chǎn)。海南還存在一種地?zé)岷Ｋ療嵩?，即廢棄的油氣井。廢棄的油氣井可以用作熱源，由于不需要鉆井，運(yùn)行成本低于地?zé)釤嵩?。使用廢棄油氣井的兩個(gè)前提包括：首先，它們對(duì)環(huán)境友好且不產(chǎn)生任何排放；其次，這些油井已經(jīng)無(wú)法再開(kāi)采油氣。因此，使用廢棄的油氣井是化石燃料的良好替代品，可以促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。油氣井熱源通常被稱為“低溫地?zé)釤嵩础?，具有寶貴的能源潛力。利用廢棄的油氣井進(jìn)行海水淡化，需要利用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的井下?lián)Q熱器以提取可用的熱量。過(guò)程如下^[12]：將水泵入廢棄的油氣井中，在井中，水的溫度達(dá)到接近100℃并返回到地表，進(jìn)行多效淡化或反滲透的加熱過(guò)程。此后，將冷水再次泵送到井中以恢復(fù)熱量，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)過(guò)程。在海南北部，如福山凹陷地區(qū)，有很多被遺棄的油氣井，可以作為海水淡化的熱源重新使用。

3.2地?zé)崮芎Ｋ?jīng)濟(jì)性分析

依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)^[13]，2016年我國(guó)海水淡化水年成本在5~8元/m³，主要包括電力消耗成本、藥劑消耗成本、蒸汽消耗成本以及維護(hù)成本等。其中，日產(chǎn)水能力在萬(wàn)噸級(jí)和千噸級(jí)的淡化工廠，產(chǎn)水成本分別為7.2元/t和6.22元/t。

趙建康等^[14]對(duì)地?zé)崮芎Ｋ胁捎玫蜏囟嘈д麴s法進(jìn)行了成本分析。指出與采用工業(yè)余熱相比，利用低溫多效蒸餾方法，百噸級(jí)和千噸級(jí)的淡化裝置的綜合成本分別下降81。3%和99.3%，具有相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。Loutatidou等^[15]研究了海灣地區(qū)的兩個(gè)基于低溫多效蒸餾和反滲透方式的地?zé)崮芎Ｋ瘡S，指出雖然低溫多效蒸餾方法直接利用地?zé)?，但卻相當(dāng)耗能，低溫多效蒸餾需要的地?zé)崮芰勘确礉B透大約多34%，由此也使得地?zé)崽锸褂贸杀靖叱?8%。然而，由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，使得采用低溫多效蒸餾的地?zé)崽锍杀颈确礉B透少3%，因而具有成本優(yōu)勢(shì)。另一方面，使用反滲透方式的主要能耗貢獻(xiàn)者是高壓泵，幾乎占總能耗的74%，如果使用地?zé)崮?，則可以顯著降低成本。例如，位于加利福尼亞州南部的海水反滲透工廠的給水溫度的提高導(dǎo)致了飲用水成本的大幅降低。其中每1℃進(jìn)料溫度增加，膜生產(chǎn)率增加約2%~3%，從而提高淡水產(chǎn)量，減少成本。

4 地?zé)崮芎Ｋ瘍?yōu)勢(shì)

地?zé)崮苁且环N有前途的可再生能源，由于其擁有可靠且極其穩(wěn)定的能量供應(yīng)，非常適合海水淡化。對(duì)于海南各種家庭和工農(nóng)業(yè)用水而言，使用地?zé)嵩春Ｋ腥缦潞锰帲旱責(zé)崮芸商峁┓€(wěn)定可靠的供熱，確保熱脫鹽和反滲透過(guò)程的穩(wěn)定性。地?zé)崮芸商峁└采w恒定的電力需求，如負(fù)荷海水淡化廠。地?zé)嵘a(chǎn)技術(shù)（從地下含水層中提取熱水）已經(jīng)成熟。它不受季節(jié)變化和天氣波動(dòng)的影響。海南大多數(shù)地區(qū)的典型地?zé)嵩礈囟仍?0~90℃范圍內(nèi)，這對(duì)于低溫多效淡化是理想的；而高于100℃的地?zé)嵩纯捎糜诎l(fā)電并為反滲透過(guò)程提供電力。地?zé)岷Ｋ哂谐杀拘б?，可以同時(shí)進(jìn)行電力和水的生產(chǎn)。其熱能供應(yīng)的自給自足和電能供應(yīng)的潛在自給自足相較其他淡化方式是一大優(yōu)勢(shì)。地?zé)岷Ｋ黔h(huán)保的，因?yàn)樗窃撨^(guò)程中使用的唯一可再生能源，不會(huì)排放與化石燃料有關(guān)的空氣污染物和溫室氣體。地?zé)岷Ｋ瘻p少了進(jìn)口化石燃料的使用，改善了當(dāng)?shù)氐哪茉窗踩铜h(huán)境可持續(xù)性。

5 地?zé)崮芎Ｋ媾R的問(wèn)題

當(dāng)前海南利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化時(shí)，還面臨如下問(wèn)題：認(rèn)識(shí)問(wèn)題。利用地?zé)崮苓M(jìn)行海水淡化，首先需要摸清地?zé)豳Y源分布。而當(dāng)前海南地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用中存在的首要問(wèn)題便是資源摸底不清，對(duì)全島地?zé)豳Y源儲(chǔ)量缺乏準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致無(wú)法量化用于海水淡化的具體前景。技術(shù)問(wèn)題。由于我國(guó)海水淡化技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比存在一定的差距，導(dǎo)致海水淡化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率不高，海水淡化裝置中70%的核心設(shè)備需要進(jìn)口。此外，海水淡化過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題，例如，降低淡化水中硼含量的問(wèn)題，仍需進(jìn)行大量科研公關(guān)。價(jià)格問(wèn)題。我國(guó)長(zhǎng)期實(shí)行一個(gè)水價(jià)補(bǔ)貼政策使得多地方有較便宜的水價(jià)。而對(duì)于從一開(kāi)始就完全按照市場(chǎng)化方式運(yùn)作海水淡化工程，其資金來(lái)源大多依賴銀行貸款和自籌，使得海水淡化不僅需要考慮建設(shè)和運(yùn)行成本，還要考慮投資效益，這便加大了淡化水推廣的難度。研發(fā)資金投入問(wèn)題。我國(guó)海水淡化技術(shù)是在國(guó)家和各級(jí)政府支持下發(fā)展起來(lái)的，與擁有先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家相比，不僅缺乏足夠的研發(fā)資金，也缺少創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)平臺(tái)。社會(huì)問(wèn)題。要成功實(shí)施地?zé)崮芎Ｋ?，還需要考慮其它一些重要因素。主要涉及土地利用，地質(zhì)災(zāi)害，廢熱，大氣排放，水足跡，噪聲和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，這需要綜合考慮，制定可行方案。

6 結(jié)語(yǔ)

海水淡化是水資源的開(kāi)源增量技術(shù)，由于其不受氣候條件影響，因而具有供水穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良等特性。處于我國(guó)南端的海南雖然有充沛的降雨量和水資源，但由于地理和氣候等因素的影響，仍面臨區(qū)域性、工程性和季節(jié)性缺水問(wèn)題。而解決海南存在的缺水問(wèn)題，海水淡化是一條重要途徑。當(dāng)前海南需要大力發(fā)展海水淡化，提高供水保障率。在各種能源驅(qū)動(dòng)的海水淡化方式中，常規(guī)化石燃料消耗大量能量并且對(duì)環(huán)境具有高度破壞性的影響，而地?zé)崮苁菫楝F(xiàn)代海水淡化過(guò)程提供動(dòng)力的有前景的替代選擇。雖然基于地?zé)崮艿暮Ｋ^(guò)程仍存在影響其發(fā)展的技術(shù)和社會(huì)因素，但依托國(guó)內(nèi)目前主要采用的兩種海水淡化方式，即低溫多效蒸餾和反滲透方式，利用水熱資源、干熱巖地?zé)豳Y源和廢棄的油氣井，來(lái)提供淡化過(guò)程所需的熱源和電力，可有效減少傳統(tǒng)能源所帶來(lái)的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題，并提高淡水產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。在推動(dòng)地?zé)崮芎Ｋ眠M(jìn)程中，除了應(yīng)加大扶持力度，解決關(guān)鍵技術(shù)外，還應(yīng)借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，選取若干缺水和用水量較大的市縣進(jìn)行試點(diǎn)，逐步推進(jìn)檢驗(yàn)合格的海水淡化水進(jìn)入供水管網(wǎng)，并在高耗水企業(yè)積極推廣海水淡化水，從而有效緩解海南存在的缺水問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 海南省地方志辦公室. 海南省志?自然地理志[M].?？? 海南出版社, 2010.

[2] 海南省水利局. 2000 年海南省水資源公報(bào)[EB/OL].[2001-02-16]. 

[3] 周祖光. 海南省水資源現(xiàn)狀與開(kāi)發(fā)利用[J]. 水利經(jīng)濟(jì), 2004, 22(4): 35-38.

[4] 海南省水務(wù)廳. 2016 年海南省水資源公報(bào)[EB/OL].[2017-11-27]. 

[5] 徐磊磊, 劉海清, 金琰, 等. 海南省水資源開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn)及主要水資源問(wèn)題[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017(9):123-130.

[6] 陳穎民. 海南島地?zé)豳Y源現(xiàn)狀及勘查開(kāi)發(fā)利用建議[J].國(guó)土資源科技管理, 2008, 25(6): 61-65.

[7] 柳冰冰. 海南: 我國(guó)第一口干熱巖開(kāi)發(fā)井高溫完鉆[EB/OL]. [2018-03-19]. 

[8] 海南省國(guó)土環(huán)境資源廳. 海南省地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃[EB/OL]. [2009-10-17]. 

[9] 李長(zhǎng)海, 張雅瀟. 海水淡化技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電力科技與環(huán)保, 2011, 27(1): 48-51.

[10] 杜鵬, 李琳, 王金成. 海水淡化處理技術(shù)的方法及成本分析[J]. 工程造價(jià)管理, 2018(2): 64-69.

[11] Gude V G. Geothermal source potential for water de-salination: Current status and future perspective[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 57: 1038-1065.

[12] Noorollahi Y, Taghipoor S, Sajadi B. Geothermal sea water desalination system (GSWDS) using abandoned oil/gas wells[J]. Geothermics, 2017, 67: 66-75.

[13] 邱明英. 淺析我國(guó)海水淡化技術(shù)[J]. 中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2018(3): 58-60.

[14] 趙建康, 張勇. 地?zé)崮芎Ｋ夹g(shù)可行性分析及前景展望[EB/OL]. [2013-05-16]. http: ///p-78640380104.html.

[15] Loutatidou S, Arafat H A. Techno-economic analy sis of MED and RO desalination powered by low-enthalpy geo-thermal energy[J]. Desalination, 2015, 365: 277-292.

作者：劉睿賢1, 2,田 紅1, 2,竇 斌1

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心, 湖北 武漢 430074)