入海淡水资源开发可行性调研
摘 要：我国是水资源大国，但缺水严重，即使降水较充沛的沿海地区及岛屿，也经常出现季节性干旱，甚至出现严重的旱灾，城市供水尤为紧张。其主因是流域集雨面积小、地势低、河流短、降水或过境水入海快、蓄水空间小，地形条件不利于修建大型地表水库。本课题针对沿海地区入海淡水资源开发进行可行性调研，在此基础上提出开发入海淡水资源的新思路----将海湾水库、地下水库、地表水库的水资源进行联合调度，使其就地循环，从而使可利用水资源总量成倍增加，并达到优化配置之目的。
关键词：沿海城市 水资源紧缺 新型海湾水库 联合调度 就地循环
1. 课题提出背景、意义及必要性
近些年来，台湾、金门、海南、雷州等海(半)岛，以及津、鲁、苏、浙、闽、桂、粤、港、澳等沿海地区淡水资源日趋紧张，经常出现季节性缺水，甚至出现严重的旱灾。面对水资源紧缺的危机，科学家们提出了各种各样的对策，如：中水的开发利用、海水的直接使用……，都颇有见地。
其实，沿海地区淡水资源并不少。如华南沿海缺水较严重的湛江，多年平均降水量达1488mm；深圳达1837 mm；即便是华北的烟台也在744.8~ 523.8mm之间，82.1%的地表水未被利用。也即沿海地区缺水并非降水少，而是地势低、河流短、集雨面积小、降水或过境水入海快、蓄水空间小，地形条件不利于修建大型地表水库；而地下水资源又很有限，难以度过旱季的淡水水荒。如果突破现行蓄水思路----在丰水季节从沿海陆地甚至海上收集淡水，并将其储蓄在海里，待枯水季节作为供水，且将地表、地下及储蓄在海里的淡水，合理调度、循环利用，从而使水资源总量成倍增加。这将是解决世界性缺水难题的一种新思路。
选择合适的海湾修建淡水水库，不仅意义重大，而且对国家深度开发沿海地区及岛屿是十分必要的。以往，在河口海湾已修建蓄淡或偷淡工程，而注入大海的淡水几乎未被开发；而今，将入海的淡水视为一种宝贵资源加以利用，已成为当务之急。这不仅能解决沿海地区及岛屿居民赖以生存的饮用水源问题，而且对海上的渔业、工业、乃至国防(如舰艇)等淡水补给，均可发挥很多、很大的作用。
总之，本课题旨在为解决我国乃至世界沿海地区及岛屿的干旱、缺水问题探索新的方法、开劈新的水源。
2. 开发利用入海淡水是解决水资源短缺问题保障可持发展的重要途径
1992年世界环发大会之后，可持续发展战略正式成为各国的行动纲领，且水资源紧缺已成为全世界共同关注的全球性问题，水资源危机引起了世界众多国家的不安与关注。
水是生命的源泉，是人类生活不可缺少的要素，与土地、能源等要素同为人类经济及社会发展的基本条件。随着人口与经济的增长，世界水资源的需求量不断增加，水环境也不断恶化，从水资源数量上来看，我国虽然是一个水资源大国，水资源总量占世界总量第六位，但由于我国人口众多，人均占有水量约2200m3，仅占世界人均水量的四分之一。按国际严重缺水标准(2000 m3/人)，我国已达到严重缺水的边缘；专家预测，当我国人口增至16亿时，人均水资源将下降到1750 m3，接近国际水资源紧张标准（1700 m3/人）。据报道：在我国640多座建制市中，有近400座城市缺水，其中严重缺水的城市达130多个，年缺水总量达60亿m3；我国缺水高峰将在2010年至2020年出现，乐观的估计将缺水300多亿 m3。事实已经表明，水资源已渐成为制约我国国民经济持续健康发展的“瓶颈”， 我国的水资源危机，已引起中央及有关科学工作者的高度重视。“十五”纲要中将水资源列为国家发展中的三大战略资源之一，把水资源可持续利用提升为我国经济社会发展的战略问题，并用专门章节论述了“重视水资源的可持续利用”。
为了适应新形势下水利工作的需要，水利部在本世纪初就已确立了从工程水利到资源水利、从传统水利向现代水利和可持续发展水利转变的治水新思路。资源水利的提出拓宽了视野，为发展新型水利提供了基本思维方式和广阔空间，资源水利的思想基础是可持续发展观，其核心是水资源的优化配置。因为，水资源的优化配置一方面要对天上水、地表水、地下水，主水、客水、跨流域调水等统筹考虑，在开发上实现水资源的优化配置；另一方面要对工业、农业、人民生活、环境、生态等不同的用水需求，加以区别对待，保证重点，优水优价，在使用上实现水资源的优化配置，以期整体发挥最大的经济效益、社会效益和生态效益。
自古以来，人们逐水而居，发展到现代，人口聚集的大、中、小城市无一例外都是沿江、沿湖、沿海分布，尤其三角洲入海口地带往往是人口、财富高度聚集的地区。随着社会经济的高速发展，对水资源的需求不断增加，许多城市水资源的承载能力已达到甚至超过了极限。因此，合理开发入海淡水资源，在开发层面上优先实现滨海城市水资源的优化配置，这对沿海尤其滨海城市可持续发展将起到极为重要的支撑作用。
我国大陆海岸线长18000多公里，岛屿6000多个，管辖海域300万km2，从北到南临海的省、区、直辖市有11个，其中大中型滨海城市40多座、县市100多座。由于沿海发展快，人口集中(占全国的40%以上)，经济发达(GDP占全国的60%左右)，相应对水资源的需求量也很大。但这些城市的雨水和过境水均难以大量储蓄，很快排入大海，导致多数沿海城市水资源匮乏。因此，开发入海淡水资源，尤其开展对滨海城市如何储蓄入海淡水并加以开发利用的调研，是实施沿海城市水资源可持续发展战略之要务，更是本课题之宗旨。
3. 我国沿海典型缺水城市水资源特点
所谓沿海典型缺水城市，主要是指那些沿海岸线分布或分布在海岛上的滨海城市。这些城市所处地势相对低平，过境或降水较多但很快直接注入大海，不易被收集和难以储蓄；而且，这些地区人口压力极大，寸土寸金，难有建设低位河道水库或平原水库的条件,从而导致长年或季节性严重缺水。
3.1 沿海部分城市缺水态势概述
我国水资源紧缺，已是不争的事实。这些严重缺水的城市，不仅分布在西北、华北、东北等内陆地区，华南、华东、华北等沿海及岛屿也有不少城市缺水严重。据初步调查：从南到北最为典型的沿海缺水城市有：湛江、深圳、香港、厦门、台北、上海、青岛、烟台、天津、大连等。
有资料表明：湛江市(含雷州半岛)水资源缺口很大，尤其旱季缺水严重，目前每年缺水10亿m3以上，到2010年缺水高达13.28亿m3；深圳市是一座水资源严重缺乏的城市，为全国七个严重缺水城市之一，虽处华南地区，多年平均降雨量高达1837mm，但由于所辖地域面积小，境内又无大的江河和水库调蓄水资源，人均淡水资源占有量仅为全国的1/5。按照城市供水水源规划，该市今后需水量的70%要从境外调入，到2010年该市需水19.43亿m3，目前已落实的水资源指标为12.59亿m3，已全部用完。
上海是全国36个水质型缺水城市之一，人均水资源只有760 m3，2000年6月初被联合国评定为“全球未来六大缺水城市之一”。上海滨临东海，地处长江口，内有黄浦江、苏州河，常年雨水丰沛，是典型的水乡泽国，本应有取之不尽的可饮之水。但是，上海却没有足量的无污染(或少污染)的淡水水源。
据烟台市水利局统计，该市年均开发利用水资源量为12.48亿m3，其中地表水开发利用量为4.287亿m3，占多年平均地表水资源量的17.9%；地下水开发利用量为8.199亿m3，占多年平均地下水资源量的67.1%。由此可见，地下水开发利用率相对较高。其中龙口市和市区的开发利用率已高于100%，处于超采状态，招远和莱州也已超过90%。市区地下水的大量超采，已产生严重后果，导致形成66.8 km2的地下水降落漏斗，引发海水入侵(面积)92.5km2。从1999年以来，该市每年农业受旱面积都在四、五百万亩以上，城市供水也经常出现紧张局面。
我国沿海部分典型缺水城市水资源状况调查结果见表1。分析该表不难发现：各市的水资源总量、开发量及需求量存在明显的矛盾。总的特点是：水资源总量有限，需求量不断增大，开发速度难以滿足远景需求；另淡水的入海量均较大，且多数城市70~80%的淡水集中在汛期入海。这充分表明，沿海缺水城市开发入海淡水是有先决条件的，即有可开发的淡水资源。
3.2. 缺水原因分析
缺水原因主要是：沿海地区发展块，对水资源的需求量很大，污染严重等人为因素；以及降水时空分布不均，在陆地上停留时间很短，大部分降水很快流入大海，少部分很快被蒸发或渗入地下等自然因素。
这些缺水因素中，从性质上可分“水资源贫乏、水污染严重和陆地蓄水条件差” 三大类，其典型城市缺水
原因分类见表2：
|
| 缺水主要原因 | 备 注 | ||
| 水资源贫乏 | 水污染严重 | 陆地蓄水条件差 | ||
| 湛 江 | | | + | 雷州半岛 |
| 深 圳 | + | | + | |
| 香 港 | + | | + | |
| 厦 门 | | + | +* | 杏林湾水库建成50年未利用 |
| 台 北 | + | | + | 台湾岛 |
| 上 海 | | + | + | |
| 青 岛 | | | + | 胶东半岛 |
| 烟 台 | | | + | 胶东半岛 |
| 天 津 | + | + | + | |
| 大 连 | + | | + | 辽东半岛 |
表2所列的缺水城市，都存在蓄水难的问题。
由前所述，沿海城市缺水并不是无水可济，而是因这些城市紧临大海，再多的淡水，不管是本地的降水还是过境的江(河)水，绝大部分都很快的(在一般在数天内)直接流入大海。另因全球气候变暖，导致海平面上升、海水上溯，以至江河出口后退，淡水提前与海水混合，从而加剧了沿海城市水资源形势恶化。
4. 入海淡水资源开发的可行性
4.1. 国内外海湾常规蓄淡工程现状
中国海洋大学郑西来教授指出：随着我国沿海经济社会的快速发展和城市化水平的不断提高，水质供需矛盾日益突出，水资源短缺问题已成为全社会可持续发展的主要制约因素之一。在沿海地区兴建储蓄淡水的相关工程是解决水资源问题的重要途径之一，所以越来越引起国内外的重视。
有规模的开发利用入海淡水，在国内外已有半个多世纪，所采取的方式多为常规岩土结构工程，如采用土石(或砼)堤坝、水闸修建河口海湾水库(蓄淡)、抽水蓄源(偷淡)等水利工程。
在国外，1932年荷兰曾修建了当时世界最大的须德海堵坝海湾水利工程，所形成的艾瑟尔淡水湖，是目前世界上最大的海湾水库，湖水面积达1240km2；五十年代又在莱茵河入海口建设“三角洲工程”。七十年代以来，日本为解决沿海地区水资源短缺，先后在利根川等七条河流的河口建造河口堰，把河水用堤坝与海水隔开成为水库。
据《新创意网》报道：1948年霍英东曾承建了世界上第一次设计的海湾水库第二期工程。这项工程技术要求甚高，是当时全港最大规模的国际性招标工程，每项工程要求都很严格。先拦坝抽干海水，再将坝外面铺沙石，技术难度很大，但他终于成功了。
我国厦门市为解决交通与防潮问题，1955年在集美修建了集杏海堤，形成了杏林海湾水库。该工程在防洪、防浪、改善当地环境和交通等方面发挥了巨大的作用，但在水资源利用，尤其在供水上尚未发挥应有的作用。
目前，世界上最成功、最大的用于城市供水的海湾水库，是香港的船湾水库和万宜水库，分别建成于1973和1979年，其库容达2.3~2.8亿 m3。这些海湾传统水利工程为香港的稳定与繁荣发挥了巨大的作用。
另外，1970年以来，我国还在沿海地区先后建立了一批防潮、灌溉为主的筑坝建闸和堵港蓄水工程，例如浙江省象山县大塘港堵口蓄淡工程、福建省九龙江支流的挡潮闸及配套工程、广东省潮阳县龟头河闸堵口工程，以及汕头和湛江等地区的数百处挡潮蓄淡工程。山东省荣成市1980年在八河也修建了一座小型港湾水库。此外，广东省珠海、中山等市还建过一批偷淡工程作为供水(尤其对澳供水)水源，但由于海平面上升，咸潮上溯，水质极不稳定。
这些河口海湾水利工程的建设，为开发入海淡水资源、研究新型海湾水库积累了丰富的经验，也提供了可资借鉴、受到启发的成果。但这些工程都是在海湾(河口)修建的传统的常规水利工程，即土石堤坝或砼水闸工程。这种工程投资多、工期长、适用范围小、对河口生态(尤其回游生物)改变太太，很多开阔的深海湾和淤泥层较厚的海湾不能建库。
4.2 新型海湾水库简介
为解决蓄水难的问题，本课题提出：除选择地形地质条件较好、覆盖层厚度及水深适宜 (约10m以内)的海湾，修建土石、砼坝或活动橡胶坝外，应集中尖端力量进行攻关，尽快研究出新型海湾水库，以适应地形地质条件复杂、覆盖层厚度及水深均较大的海湾。
所谓新型海湾水库，有别于上述在河口海湾采用土石(或砼)堤坝、水闸建成的蓄淡或偷淡工程，更有别于地表水库，而是采用一种全新的方法----薄膜隔水建筑物，将淡水储蓄在河口两侧附近的海湾。这种新型海湾水库主要有两种类型，即类陆型与全封型。其特点是：前者采用浮动薄膜，其隔水建筑物可随海水(面)升降，宜在淤泥层较厚、水深大于10m的海湾修建；后者为全封闭的球(方或圆柱)体，沉入海湾底部，宜在开阔的深海湾修建。
a. 对较封闭、水深在10~30m之间的海湾，宜建造类陆 (半封闭，即露天)型海湾水库。这种水库隔水建筑物与陆地水库大坝布置形式相近，但结构不同。关键在于：陆地水库的大坝需挡较高的水头，受力条件复杂、防渗难度大；类陆型海湾水库(见图1)只需将淡水与海水隔开即可，对主体材料强度要求不太高.
b. 对较开阔、水深大于30m的海湾，宜建造海底全封闭型水库(见图3)。其关键技术是：隔水建筑物(库体形状)设计与材料选择，以及库内外压力调节。因此，库体应为固、液、气“三相”结构，即用砂来平衡海水与淡水的比重，以有压空气隔开内外膜，以便于安全监控。库体可设计为球形(见图4)或其他形状。
新型海湾水库的安全监测工作难度大，必须引入现代水下遥感遥测及海洋气象、水文、水情监控、预报等方面的新技术。
图5. 湛江地表、地下、海湾水库分布图
还有其他形式的新型海湾水库，只要有利海湾蓄水，且廉价、不破坏环境与生态，均应抓紧研究，力争赶在瑞典科学家(他们正在研究浮动的海上水库)的前面，建造出第一座新型海湾水库。
4.3 加速水资源循环的新思路
在自然界，水资源的循环主要靠蒸发---水气运动---冷凝---降水---陆地（地表、地下）径流或固体搬运（冰川运动）。在陆地上修建水库，只是延缓水循环周期，以丰济枯，并不能增加水资源量。这种自然循环周期长，且循环利用率极低。
以湛江为例，雷州半岛季节性干旱十分严重，几乎是三年两旱。由于水资源紧缺，已经严重影响到湛江的整体发展。但湛江得天独厚的优势未能充分利用。如图5所示：该市北部的廉江有地表(鹤地、武陵、长青)水库群，雷州半岛南部还有龙门、大水桥等地表水库；半岛的中部有(湛江组含水层)富水带，可形成地下水库；雷州湾等海湾是修建新型海湾水库最佳的地形、地质条件。
当地表、地下、海湾(三类)水库一旦形成，可人为使淡水资源加速循环，见图6。从理论上讲，循环周期与供水需求、供水能力、地表、地下径流密切相关。在这些相关环节中，仅地下径流不能完全人为控制外，其余环节均可人为调节。一般情况下，1~3个月可总体循环一次。每一次循环，可使一部分淡水再生。
图6. 淡水资源三库循环剖面示意图
循环之后，可利用的淡水资源总量与循环周期、次数及利用率密切相关。循环周期短，其次数就多；循环次数多、利用率高，水的再生快，其量就大。故经循环之后，淡水资源总量将显著增加，并可按下式计算：
Wz=Wo+( W i1*L i1+ W i2*L i2+ W i3*L i3… W in*L in) (1)
式中：Wz----环循之后的淡水资源总量
Wo----天然淡水资源总量
Wi----第i次淡水循环量，n为循环次数
L i------第i次循环利用率
以湛江市旱季为例：未开发入海淡水之前，旱季的水资源主要为该市所有地表水库实际蓄水量；对入海淡水进行开发并循环利用之后，其旱季水资源总量为：地表水库、地下水库、海湾水库实际蓄水量之和，再为加上循环再生增量。
当旱极来临时，天然水资源总量即为实际用于循环的水量，若不计降水增量，则Wi =Wo；当循环利用率不变，故(1)式可简化为(2)：
Wz=Wo(1+ L+ L2 +L3+… Ln) (2)
式中，符号同上。
若该市的蓄水量为13.01亿m3(其中各种水库的库容量预估为：地表水库约为总库容的1/3，即10亿m3；地下水库为0.01亿m3；开发海湾水库3亿m3)。如果这些水库的淡水均可循环利用，在为期6个月的旱季里共循环3次，每次蒸发及污损量为循环量的60%，故循环利用率为40%( L=0.4)；那么，该市旱季可利用的淡水资源总量为：
Wz=13.01*(1+0.4+0.42+0.43)
=21.13亿m3
由上可知，一般情况下，对湛江市开发入海淡水资源并加以循环利用，其总量比开发前增加11亿m3以上(1.1倍之多)，完全可以解决该市的缺水问题；若不加以循环利用，其总量只增加0.31倍，其水资源缺口仍达7亿m3。也就是说，不开发入海淡水资源，就不可能大规模循环利用；不循环开发，就不可能人为的使水资源总量增加。虽然开发地下水时，也可使水资源就地循环，但规模小，且很有可能导致海水倒灌(岛屿尤为严重)，从而破坏水文地质环境。有研究成果表明，沿海地下水一旦造成海水倒灌，即使不再过量开采，水文地质环境需60年以上才能复衡；有的甚至永无复衡之望。在地下水库外围修建海湾水库，将有充足的淡水(定水头)入渗补给，从而永久性解除了海水倒灌之忧。
4.4. 新技术关键、难点及创新点
开发入海淡水资源，有必要加强新型海湾水库技术的研究和开发。应尽快研究这种适应范围广的新技术，不管是淤泥层很厚的浅海湾，还是较开阔的深海湾，均可建库。
本课题推荐的新方法关键在于：应注重对隔水建筑物结构及其主要材料的防渗、防腐性能与抗拉强度，以及材料成本、总体投资等方面的研究。
其技术难点：由于隔水建筑物在水下，比较隐蔽，且易破损，在安全监控与维修方面难度较大，需多专业多学科联合攻关。
技术上的创新点主要有：其一，开发即将入海的淡水资源，并将淡水储存在海湾或海水中；其二，隔水建筑物主要材料，拟采用经编复合土工膜(如TGM-1)；
其三，隔水建筑物结构设计：对于类陆型水库，隔水帷幕采用整体移动或两端固定、中间移动，以平衡海潮与风浪；针对海底水库，拟采用砂砾石平衡淡水与海水的比重差，从而使库体沉至海底。
4.5. 试点推介
a. 厦门市的杏林海湾水库(见图7)
杏林海湾位于厦门市北部的集美区，1955年修建集杏海堤形成3.5km2的咸水湖(见图7)，库容643万m3。经50年来的淡水置换，湖水有一定的淡化，但因开发使得污染加剧，目前水质为Ⅳ类，湖水需彻底置换(淡化与净化)之后才能作为供水水源。但该海湾毕竟已形成水库，当时的工程投资为470余万元。按当前
物价类比，修建集杏海堤需1 亿元以上的工程投资。这是前人留下的一笔宝贵的遗产，加之厦门市水资源人均仅915m3，是福建省的贫水地区，更应珍惜并利用这些不可多得的资源。
b. 深圳市的深西海湾水库(见图8)
深西海湾(暂名)位深圳市西部的茅洲河出海口的左侧。茅洲河上游有罗田、石岩等26座中小型水库，总库容达6493万m3。投资2000万元修建深西海湾水库，其库容达2000万m3以上，单位库容造价低于1元/ m3。该海湾水库与茅洲河及其地表水库联合调度，使水资源循环利用，可获得约1亿m3的新增水资源。经宏观分析：深圳市东、南、西三面环海，可建水库的海湾多达数十处，近期可开发的有数处，如西部的深西海湾、海上田园；南部(蛇口)的前海湾、后海湾(与香港共有)；东部的鹏城、坝光等海湾。
4.6. 效益比较及宏观分析
据初步(按当前材料单价)估算，不同库型单位库容的投资差异较大，总体趋势是：库容越大，单位库容造价越低。同等库容的水库工程造价：全封型要比类陆型的高。单位库容投资：海湾水库类陆型一般低于1元/m3，全封型约在3~5元/m3；地表水库(传统的常规海湾水库)一般在1~3元/m3之间。即便是新型海湾水库的单位造价高于内陆的地表水库，由于沿海经济发达，其经济效益将远高于内陆建库，社会效益将更加显著。
总之，储蓄雨(洪)水是我国今后水资源可持续利用的重大战略措施。将雨(洪)水储蓄在海里是最经济、最合理的技术创新。其直接经济效益，必将优于海水淡化，地理、地质条件好的海湾，甚至优于陆地水库。随着科技的发展、社会的进步，经济效益将很快大幅上升；又因纳米材料的深入研究与全面开发应用，隔水主材将更薄、强度更高、单价更低。
5. 结论与建议
Ⅰ. 由于滨海城市发展快，对淡水资源的需求量越来越大，水资源紧缺已渐渐成为制约我国国民经济持续健康发展的“瓶颈”。为解决这一突出问题，必需开发入海淡水资源。又因海湾地形地质条件复杂，要想推广海湾水库，必须研究开发新型海湾水库技术。
Ⅱ. 在沿海城市附近海湾建水库，首先是为了拓展陆地空间资源，也即开发入海淡水资源，旨在全面落实城市可持续发展战略；其次是为了尽可能避开河口，不妨碍行洪、不影响航运、不破坏生态；其三，海湾淡水湿地增加，有利淡水生物繁衍，当陆生植被形成后，对海岸保护、水土保持都有利而无害。
Ⅲ. 本课题针对沿海典型缺水城市降水充沛但蓄水条件差等客观条件，提出开发入海淡水资源的新思路----将淡水储蓄在海湾，并使淡水在海湾、地下、地表水库之间联合调度、循环复蓄，从而成倍增加水资源总量。
Ⅳ. 目前我国严重缺水的大中城市有湛江、深圳、香港、厦门、台北、上海、青岛、烟台、天津、大连等。每个城市(含行政区)有条件且急待开发几亿m3至十几亿m3入海淡水资源。这将是解决缺水城市的供需矛盾、缓解未来水资源紧缺的重要途径。为此，建议各市普查海湾分布情况、可利用库容(空间)和入海淡水资源资源，并作好优先、中期和远景开发规划。
Ⅴ. 建议全国政协及人大，从国家战略高度，大力呼吁：加大科技投入，整合各大研究院、大学的科技资源，挖掘、培养优秀人才，采取联合攻关的形式，深入研究入海淡水资源可持续开发利用的新理论、新技术、新材料，为尽快解决全球缺水问题展示中华民族的才智，从而做出应有的贡献。
参考文献
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