专利名称：在塔里木盆地内大规模生产淡水资源的方法
在塔里木盆地内大规模生产淡水资源的方法根据物质不灭定律，自地球诞生以来地球上水分总量始终恒定不变，并不断在地 下水，地表水以及大气水三种存在形式间互相转化。水分是自然界中具有最强大再生转化 能力的重要资源，其中大气水的平均更新期仅8 10天[1]P. 177，它是水分在自然界中最 为活耀，更新期最为短促的一种存在形式。空气中大气水的含量会直接影响到成云降雨的 概率，存在于大陆上空的大气水总量直接决定着大陆上空的成云降雨总量，并从根本上决 定了大陆地表淡水资源生成的总量。本项目即根据水的上述循环转化再生原理，提出利用 塔克拉玛干沙漠中充沛的太阳能在地形比较封闭的塔里木盆地范围内大规模蒸发蕴藏在 塔克拉玛干沙漠底下的矿物质含量很高的地下水以大幅度增加塔里木盆地内底层大气层 湿度，从而使大陆地区淡水资源能大规模增加，因此本发明应属于淡水资源生产的技术领 域。水分的汽化过程实质上也是大幅度的使各种污染物从水体中分离的净化过程。迄 今常用的人工洁净淡水的生产方法主要有二类，其一为通过多层滤布过滤比较清洁的地下 水或地表水以生产瓶装饮用水的工艺，其二即直接采用燃料加热蒸发海水，使海水脱盐净 化的淡水生产工艺。但上述二类淡水生产工艺均需要消耗大量电力或燃料，成本高昂，并且 它们的生产规模也根本无法满足大幅度增加全部塔里木盆地范围内淡水资源的需要。而在 自然界中地下水及地表水则主要系通过植物的蒸腾作用以及地表水在吸收太阳辐射热后 的蒸发汽化作用而得以及时大规模的转化为大气水。但由于塔里木盆地内植被稀少，沙漠 面积较大，大量地表水迅速渗漏到砂层深处，无法转化为大气水，并只能长期处于禁锢水状 态，从而脱离了水体自然转化规律。这就造成整个盆地范围内水体的自然转化过程长期处 于严重失衡的大气水比较很低的极端干旱状态。本发明即试图以人工干预的方式，逐步启 动盆地范围内的水分重新恢复其不断再生转化的水体自然存在时的正常规律。在上世纪80年代中国科学院塔克拉玛干沙漠综合科学考察队编著的“塔克拉玛 干沙漠地区水资源评价与利用”一书中估计在浩瀚的塔克拉玛干沙漠的地下蕴藏着高达81 亿万吨的矿物质含量很高的地下水资源[2]]P. 238，本发明目的即直接在地形比较封闭的 塔里木盆地内利用塔克拉玛干沙漠中极为充沛的太阳能直接在露天的蒸发场上大规模蒸 发，净化从沙漠下抽取的高矿化度的地下水资源以增加盆地范围内底层大气的湿度，使其 每天增加的露水量达到足以维持抗旱植物生存从而逐步恢复沙漠地区水分的自然循环状 态的方法。随着盆地内水分循环状态的逐步正常化，盆地的生态环境也必将同步恢复正常 化，通过众多植物所自然具备的庞大水分蒸腾能力即能进一步维持盆地范围内大气水的不 断正常再生循环需要，从而使大气层的降雨概率上升。塔里木盆地海拔900 1000公尺，位于亚洲大陆腹地，远离海洋。盆地北面为平 均海拔3，500公尺左右的天山山脉，西部为海拔5，000公尺以上的帕米尔高原，南面是平均 海拔6，000公尺以上的昆仑山山脉和海拔4，000 5，000公尺的阿尔金山脉所环绕，仅盆 地东北部阿尔金山脉与库鲁克塔格山脉间的夹谷地段是盆地唯一与外界的通道，见图1。从 图1中可清晰的看到处于群山包围中的塔里木盆地具有着比较封闭的地形。发明依据大气水在大气层中沿高度方向的分布很不均勻，从地面向上每升高
31. 5 2公里，水汽含量就减少一半，到5公里高度时水汽含量仅为地面的1/10，通常大气 层中水份主要集中在距地表3公里左右的范围内[1]P.84。上述水分在大气层中的分布情 况表明环绕塔里木盆地周围的相对高度在2，500 3，000米以上的群山应能相当有效的将 人工增湿后的大部分水汽阻挡在盆地范围内以防止其过早逸出盆地范围。水分在空气中的 溶解度并不大，并且水分在空气中的溶解度受温度的影响很大，在气温降低后水的溶解度 迅速减小并使处于过饱和状态的水汽及时转化为云，雨，霜，雪，露水等液态及固态的微粒 飘浮在低层大气中并使所接触的地表润湿，土壤中的大部分水分则主要系通过植物的蒸腾 作用重新返回大气层中。本发明通过必要的工程热力学计算表明如采用大规模抽取塔克拉 玛干沙漠下的地下水并利用沙漠中充沛的太阳能进行蒸发，使重新再生形成漂浮在大气层 中的净化后的大气水在技术上具有可行性。直接采用人工使比较封闭的塔里木盆地范围内 的大气层增湿的措施应该是一种比较有效的改变塔里木盆地内气候极为干旱形式的淡水 大规模制造工艺。本发明正是基于自然界中水分所普遍具有的再生循环特性提出了大规模开采塔 克拉玛干沙漠地下的咸水资源，利用沙漠中强烈的太阳辐射热使之迅速蒸发，净化并重新 进入水分在大气层中的正常再生循环过程中去，以人工方式迅速增湿塔里木盆地内大气底 层的湿含量，并通过植物继后长大后所具有的水分蒸腾作用进一步增加在塔里木盆地范围 内水分的再生循环数量，以解决塔里木盆地因长期存在的淡水资源匮乏而形成的大面积沙 漠化的现象，使盆地重新恢复众多植物能正常生长繁衍的生态。本发明特征是通过直接大规模抽取塔克拉玛干沙漠下高矿化度咸水，并在设置 于机井旁的露天蒸发场内利用塔克拉玛干沙漠中丰富的太阳能使之汽化，净化，以增湿塔 里木盆地范围内的大气层，从而达到大幅度提高盆地范围内大气层湿度以保证各种抗旱植 物能够自然生存及繁衍的方法。这实际上是以大规模的人工增湿盆地内大气层方式取代植 物群体的水分蒸腾作用，相关计算表明人工大规模利用无偿的太阳能蒸发地下咸水以增湿 盆地范围内的大气层同样能达到启动各种抗旱植物自发生长繁衍的目的。人工增湿大气层 会使每天夜晚在各种植物的茎叶表面以及沙层表面上生成的凝结露水的数量显著增加，从 而提高植物的抗旱生存和繁衍能力，并逐步通过抗旱植物蒸腾作用的增加而进一步恢复大 气层内的水分含量，从而逐步恢复塔里木盆地沙漠化前内原有的生态环境。人工增湿比较 封闭的塔里木盆地范围内大气层的措施具有功效迅速，能充分利用咸水资源并防止净化后 的淡水资源向砂层内迅速渗漏的显著特征。增湿水量计算根据[2]中所提供资料，塔克拉玛干沙漠内4 10月份平均湿度约为33%左右， 沙漠外侧平原地区城镇平均湿度约为45% [2]P. 130，又沙漠地区面积约为40%的盆地面 积，因此全盆地范围内近地表的加权平均湿度约为33% X40%+45% X60%竺40%。根据 中科院上世纪80年代的估计在塔里木盆地范围内的地下水总量(基本为高矿化度咸水) 即高达8. 1万亿吨之多[2]，为数非常巨大可观。现计算使盆地内大气层湿度由上述平均值约ψ = 40%增湿至Ψ = 66%所需水 量(后一湿度值与夏季时赤峰，呼和浩特，银川，昆明，西宁，榆林近地表大气层平均湿度相 近[3]Ρ· 823)已知盆地内河川总径流量为GO = 392. 55X IO8吨[2]Ρ. 14，其中渗漏为地下水量为Gl = 169X IO8吨[2]P. 28，由此可推算出上述地表水在盆地内蒸发的水总量应为G2 = 392. 55X 108-169X 108 = 224X IO8吨，显然正是此地表蒸发水总量使盆地内比较封闭的大 气层的平均相对湿度能长期稳定的保持为Ψ = 40%左右。因此在考虑采用人工使盆地内 大气层使再增湿26%时所需要的水量应为G3 = (26% +40% ) Χ224Χ108 丝 146Χ108 吨 / 年=146 亿吨 / 年。考虑到在 实施抽水增湿技术过程中尚需留10%左右返回水用于使蒸发过程中变浓的盐水及时返回 蒸发场地下的沙层内，故实际所需抽水量应为G4 = G3 + 0.9 = 146X 108 + 0.9 ^ 16. 2X IO9 = 162 亿吨 / 年(此数量相当于 30%规划中的南水北调总量)考虑全年气温能进行水分蒸发汽化的时间约为8个月左右，也即每年能进行喷水 汽化的时间约为244天，因此抽水量162亿吨/年约折合10万口每天抽水量为664吨的机 井每年工作244天的总抽水量。此水井平均分布密度相当于在塔里木盆地范围内平均每 8. 4平方公里面积上布置一口每天出水量为664吨水量的大型机井。现分析在上述盆地范 围内大气层进行人工增湿强度下(使大气层相对湿度由40%增加到66% )沙漠底下所埋 藏的咸水资源量的可持续运行年限已知塔克拉玛拉沙漠地下高矿化度咸水的估计储量为G5 = 8. 1 X IO12吨G5 + G4 = 8. 1Χ1012 + 1· 62 X IO10 ^ 500 年即按上述中科院所估计的高矿化度地下水资源总储量计算，上述高矿化度地下水 资源足可以使塔里木盆地内大气层持续大规模增湿(按抽水量162亿吨/年考虑)长达 500年之久。计算增湿气团对环绕塔里木盆地的山坡地区的增湿作用设气团增湿前气温 为20°C，相对湿度为66%，查表可知20°C时空气中的饱和水蒸气含量为19克/标米3[4] P. 204，因此上述相对湿度66%下的空气的绝对含水量为19X66%= 12. 54克/标米3。由同一表可知气温降到13°C时空气的相应饱和水蒸气含量为12. 1克/标米3。因 此当温度下降幅度为ST = 20-13 = 7°C时上述增湿后气团中水汽将达到饱和状态。又已 知正常情况下大气层每升高1，000公尺气温下降6. 5°C [5]P. 55，也即当该20°C增湿气团沿 山坡爬升(7 + 6. 5) X 1,000 = 1，077公尺时，该气团的气温将从20°C下降到13°C，换言之 当该增湿气团爬升到一千多公尺后其中的水汽将呈现过饱和状态，此过饱和状态的水汽将 会以露水形式在所接触的裸露山坡表面自然析出，并使山坡湿润，从而使环绕塔里木盆地 的山坡地带成为可能最先自发绿化的地区蒸发场面积计算水分实际蒸发能力主要与气温，地表太阳辐射强度，风速，大气相对湿度四因素有 关。沙漠地区气候干燥，云层量少，辐射强烈，且到达蒸发场表面的太阳辐射能总是首先加 热处于地表的沙粒表面，因此直接将水分喷洒在沙层表面后水分吸热蒸发的速度将会比较 高，且蒸发场上空极为干旱空气的吸湿能力会显著的增加水分蒸发速度，因此只要控制好 喷水量，则单位沙漠地表面积上水分蒸发速度必将远远高于海洋表面，资料表明在塔克拉 玛干沙漠腹地的年蒸发能力高达3500m. m水柱/年[2]。蒸发场面积计算按每年增湿大气层的作业时间为8个月，每天蒸发8小时考虑， 基于低温蒸发月份及非正午运行时间蒸发能力偏低的因素，因此计算蒸发场面积时仅按太 阳辐射强度值为
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A = 350w/m2 = 350X3. 6kJ/h. m2 = 1，260kJ/h. m2 考虑，现按此 A 值估算所需蒸发 场面积按每口机井每小时蒸发水量为GI = GX90% +8 = 664X90% +8竺74. 7吨/ 时=74，700kg/h(蒸发过程中留出10%高浓度水量返回流入地下)其相应需要的蒸发吸热量为Q = 74，400X2，453 ^ 1. 83X 108kJ/h。取潮湿沙层地表反射率为20%，每口水井需要的蒸发场面积为Fl = Q+ (AX80% ) = 1. 83X 108+ (1，260X80% ) = 181，785M2 ^ 427X427M2。图2为蒸发场布置示意图。喷水量检测控制装置为保持最佳蒸发强度，单位蒸发面积上喷水量应与其上的相应蒸发能力相适应， 且所喷水量应略高于蒸发量，以使太阳辐射热量基本均转化为使水分蒸发所需热量，并且 略为过剩的高含盐量水流还能及时渗入沙层返回地下以防止地表析出固体盐粒产生污染 环境问题。但如果喷水量过多，则太多剩余水分在渗入地下时会同时带走大量热量，从而将 大幅度的降低蒸发场的蒸发强度。由于在不同季节及不同时刻太阳的辐射强度均有较大幅 度的变化，为此应在蒸发场内安装专门设计的蒸发量控制仪，以控制实际喷水量始终能保 持蒸发场在最佳蒸发负荷下工作，附图3为控制喷水量的传感器结构图。附注[1]伍光和，王乃昂，胡双熙等编著“自然地理学”高等教育出版社，2008[2]中国科学院塔克拉玛干沙漠综合科学考察队，“塔克拉玛干沙漠地区水资源评 价与利用”科学出版社1993[3]第一机械工业部第一设计院主编“工业炉设计手册”机械工业出版社，1989，[4]刘人达，“冶金炉热工基础”北京冶金工业出版社，1983，[5]迈克尔.阿拉贝著[英]，张镌译“干旱”上海科技出版社，2006，
图1塔里木盆地地形图，图中群山位置充分显示出塔里木盆地比较封闭的地形；图2蒸发场布置示意图，图中深井泵1系每天按24小时运行，以充分抽取地下水， 所抽取的地下水先储存在储水池2中。喷水水泵3系每天在白天气温较高水分能迅速蒸发 时工作，4为喷水管道系统，5为蒸发场；图3传感器结构图，图中1为10目不锈钢筛网罩网，2为能吸收水分的厚棉布，3 为压紧棉布的筛网，4为电磁流量计。水分喷洒在传感器顶面的厚棉布上，在蒸发过程中多 余的水分将沿传感器顶部倾斜的内表面流向中心孔内，并沿中心孔流入带有流量输出信号 功能的电磁流量计4中，流量计的输出信号则直接控制喷水泵的运行及停止。
权利要求
一种在塔里木盆地内大规模生产淡水资源的方法，其特征是通过直接大规模抽取塔克拉玛干沙漠下高矿化度咸水，并在设置在机井旁的蒸发场内利用塔克拉玛干沙漠中丰富的太阳能进行汽化，净化，以增湿塔里木盆地范围内的大气层，从而达到大幅度提高盆地范围内大气层湿度以保证各种抗旱植物能够自然生存及繁衍的方法。
全文摘要
文中提出直接大规模抽取塔克拉玛干沙漠中极为丰富的咸水资源，利用沙漠中充沛的太阳能使其迅速蒸发净化以大幅度增湿地形比较封闭的塔里木盆地上空的大气层。在盆地内空气湿度大幅度增加后可以使盆地内每天夜晚降温后所析出的露水量也大幅度增加，从而满足各种抗旱植物自发生存和繁衍的最低生存水分需要。这种供水方式能完全避免传统灌溉方式中大量水分未经植物吸收利用即迅速通过沙层漏失的巨大弊端。随着植物成长过程中植物的自然蒸腾能力的迅速增长，植物将向大气层提供规模更大的蒸腾水分。本发明系根据中科院上世纪80年代对塔里木盆地的相关勘探时的数据仔细计算了每年使塔里木盆地范围内大气层平均湿度由40％增加至66％时所需要增湿大气层的水分总量。
文档编号C02F1/04GK101913665SQ201010224819
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者朱平生 申请人:朱平生