CN1977589A

CN1977589A - 沙漠治理

Info

Publication number: CN1977589A
Application number: CNA2005101110349A
Authority: CN
Inventors: 朱平生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-13

Abstract

本发明仔细分析了水分在大气与土壤间的循环过程，指出植物蒸腾作用是维持大陆上方大气层湿度的主要手段，植物消亡直接造成土壤内水分蒸发量的大规模减少是产生沙漠的主要原因。提出在沙漠地区用建立泵群大规模抽取地下咸水并利用太阳能及风力蒸发以代替植物的蒸腾作用来恢复大气层湿度，只有首先使沙漠地区大气层的湿度恢复正常才能使耐旱植物能在沙漠地区生存及恢复繁衍的能力。说明书并举例证明本发明设施后可能的治理效果。

Description

沙漠治理

所属技术领域

本发明的内容是有关利用太阳能和风能大规模蒸发地下高矿化度水分使沙漠地区大气层湿度增加到足以维持抗旱植物生存从而恢复沙漠地区生态的方法。本说明书通过必要的工程热力学计算举例说明上述方法在技术上和经济上均具有可行性。阐述内容属于大规模利用太阳能和风能改变沙漠地区干旱气候的问题，目前这仍是一个前人尚未涉足的发明领域，故并无可参考的对比技术文献。

背景

在地表水资源短缺地区土地的沙漠化进程基本可分为以下几个阶段：首先是植物的消亡，然后是天气干旱化的进一步加骤，最后随着风力的增加和风力筛选作用的结果使土壤中黏土质成分逐渐吹散，导致土壤结构彻底沙化几个阶段。在土壤表面的植被一旦消失后，裸露在地表的土壤颗粒组织极易在风力吹动下四散漂移，其中黏土质成分颗粒度细小，重量轻，更易为风力所吹散。原本由不同颗粒度构成的土壤在风力筛选过程中最后将不再含有能阻滞水分流动的黏土成分，只剩下颗粒度粗大的无保持水分功能的沙粒结构。在土壤沙化到一定厚度后植物根系将难以通过深厚的沙层进入含有水分的土壤中，从而不得不因干旱而死亡。由于土壤结构的彻底沙化，因此即使偶尔再出现几个雨水较多的年份，沙层也很难长期保存有限的水分以维持植物的生存，所以一旦土地完全沙漠化后任何自然界暂时性的雨水增多以及人工灌溉均极难再使沙漠地区恢复其原有的生态环境。在沙漠化进展到相当规模后，随着沙层量的增厚和沙粒流动性的加大，众多沙粒将在风力驱使下不断向周围地区扩展并直接覆盖在原本结构良好有较多黏土质的土壤表面，使沙漠面积快速扩张。

从水分循环过程的角度而言，覆盖在土壤上方的各种植被均具有蒸腾作用，植物具有通过根系不断从土壤中吸收水分并通过叶面源源不断的将水汽蒸发到周围大气中去的功能。土壤深处的水分正是通过植物的蒸腾作用源源不断的进入大气层内，使空气增湿。具有较高湿度的空气通过对流作用上升到高空冷却后，因温度降低而成过饱和的水分后将从空气内析出成为云层内的水滴，水滴合并长大后又以雨水形式复归地面。正是水分在大气层内这种频繁的循环机制补充了陆地上方经常性的降雨和降雨后土壤内的含水量。在上述大陆地区的水体循环过程中植被的蒸腾作用具有非常关键性的作用，当土地一旦沙漠化后众多植被的死亡会迅速造成黏土成分的流失和土壤结构的变化，并大规模的减少土壤储存和蒸发水分的功能，引起空气湿度的迅速下降，从而减少了大气层形成云雨的数量。而降雨量的减少更使残留植被更难以存活，这种互为因果的过程会加速干旱地区走向沙漠化的速度。在极干旱的气候，淡水资源的高度缺乏以及土壤转化为不能保持水分的沙层结构这三种因素共同作用下，任何意图在沙漠地区通过植树种草以恢复昔日生态的做法均极难成功。不仅如此，干旱地区一旦形成沙漠后，在劲风吹动下滚滚黄沙会不断侵袭周围农田，直接覆盖在具有良好颗粒结构的土壤层上面，使沙漠面积快速扩张。因此按习惯看法沙漠一旦形成后就具有难以人工逆转的特征。目前全球沙漠面积已扩展到占陆地总面积的20％之多。

发明内容

本发明提出在沙漠地区通过大规模抽取地下高矿化度水分利用沙漠地区丰富的阳光和干旱的气流直接进行蒸发以增加沙漠地区大气层的湿度，首先使沙漠地区大气层的湿度正常化，然后才可能使各种抗旱植物能仅依靠在茎叶表面及沙层表面每天生成的凝结露水的滋润和少量的降雨就能生存繁衍，并逐步通过抗旱植物蒸腾作用的增强而恢复大气层内水分的正常循环模式，从而才能逐步恢复沙漠地区原有的生态环境，本发明特征是：在沙漠地区利用太阳能及风能大规模蒸发水分，直到沙漠地区大气层的湿度增加到仅靠少量降雨及每天夜晚产生的冷凝露水量就足以维持抗旱植物在沙漠内的生存及繁衍的程度后沙漠地区生态环境就会恢复正常。

就自然界水分循环过程而言，土壤内的液态水分通过植物的蒸腾作用源源不断的通过叶面气孔以气态形式进入大气层内，地面上的每一株植物均相当于一台在阳光照耀下不间断工作的抽水泵不停顿的将土壤内的水分输送到大气层内。阳光照耀越强烈，植物的蒸腾作用也越大，在大陆地区上空自然界正是主要通过植物的蒸腾作用使大气层始终保持在一适宜植物生存的湿度水平上。因此人类为恢复沙漠地区昔日的生态环境必须首先用人工方式增加沙漠地区大气层湿度，以设法恢复为植物的生存所必须的大气层湿度环境。从现代工程技术观点而言，这并不难做到，通过大量抽取沙层下普遍存在的并无任何饮用和灌溉价值的高矿化度咸水，然后借助沙漠中极为丰富的日光及风力以及空旷的土地就可以直接使水分以非常低廉的费用蒸发到空气内进行大气层的增湿。计算表明以众多水泵群的抽水并通过相应众多喷嘴的喷淋蒸发作用，以取代绿化后植物群体的蒸腾作用同样能达到使大气层增湿的目的，从而使沙漠地区气候恢复正常。人工增湿大气层措施具有功效迅速，能利用咸水的优点。水分在空气中的溶解度并不大，因此直接采用人工使大气层增湿的措施应该是一种比较经济有效的改变气候参数的形式。空气内水分溶解度随着温度变化会产生很大的变化，夜晚时空气的降温会使近地层空气的相对湿度明显增大，从而会使地表附近的空气迅速达到水分过饱和的温度，并在植物茎叶表面及沙层表面以冷凝露水的形式析出。就植物最低生存条件而言，当沙层含水量大于2～3.5％即可生存，因此当空气湿度增大后通过每天夜晚降温后植物茎叶与湿润空气接触产生的冷凝露水以及地表沙层吸附的露水即可以提供维持抗旱植物生存的最低水分需要。

具体实施方式

现仅以我国新疆塔里木盆地内的塔克拉玛干沙漠为例来说明先增湿沙漠地区大气层使植物能仅靠冷凝露水及少量降雨即能维持生存，再依靠植物的自然繁衍及蒸腾功能的逐步增强以恢复沙漠地区生态环境的方法。塔里木盆地海拔900～1000公尺，位于亚洲大陆腹地，远离海洋，盆地北面为海拔3500公尺左右的天山山脉，西部为5000公尺以上的帕米尔高原，南面是4000～5000公尺以上的昆仑山山脉和阿尔金山脉所环绕，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，从而具有非常封闭的地形和极度干旱的沙漠型气候。塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地腹部，是我国最大的流动性沙漠。塔里木盆地总面积为84万平方公里，其中沙漠面积约33.8万平方公里，为盆地面积的40％。表面起伏不定的沙丘系由厚达数百公尺的风成沙及沉积沙层所构成，沙漠周围城镇相对湿度为38～45％，沙漠内相对湿度为24～54％，降水主要集中在周围山区，高山上冰川积雪融化后通过盆地周围的144条季节性及常年性河流进入盆地并最终渗入沙漠[1]。自盆地构造形成以来长达数百万年的漫长历史时期中发源自周围高山群岭的冰川积雪融化后的水流源源不断的进入盆地并最后渗漏消失在浩瀚无垠的沙漠地下深厚的具有储水能力的沙层之中，为数应该非常可观。在大部分沙丘低洼处地下水埋深仅3～10米。由于地质史上塔里木盆地曾是古地中海的一部分，因此埋藏在沙层内的地下水矿化度很高，绝大多数矿化度高达3～10克/升，无法饮用或灌溉。迄今广大沙漠地区地下水资源(包括高矿化度水)总量尚未进行全面地质调查，仅采用较保守公式进行过估算，根据估算值盆地内地下水总量(包括高矿化度咸水)即高达8.1×10¹²吨之多[1]，为数非常可观。

现估计在夏季使盆地内大气层湿度由目前平均值约Ψ＝45％增湿至Ψ＝65％所需水量(此增湿后的大气层湿度值与夏季时承德，西安，西宁大气层湿度相近)：

已知盆地内河川总径流量为G₀＝392.55×10⁸吨，其中渗漏为地下水量为169×10⁸吨[1]，因此可知盆地内蒸发水量为G₁＝392.55×10⁸-169×10⁸＝224×10⁸吨，显然正是此地表蒸发水量使盆地内高度封闭的大气层的平均湿度能保持为Ψ＝45％左右。所以考虑采用人工使盆地内大气层再增湿20％时的水量应为G₂＝(20％÷45％)×224×10⁸＝99.6×10⁸吨。

考虑在增湿过程中尚需留10％水分使水分蒸发过程中析出的盐分能重新溶解并渗入沙层内，故实际需抽地下水量为G₃＝G₂÷0.9＝99.6×10⁸÷0.9＝1.1×10¹⁰吨(110亿吨)

为减少转化过程中所需能量费用，本方案采用阳光及风能直接蒸发高矿化度地下水以替代正常绿化后植物才具有的水分蒸腾功能，大规模的将封闭于盆地内的大气层增湿以恢复盆地内空气正常湿度。增湿后的空气在对流到高空后温度下降，所含的过饱和部分水分将以云层内水滴形式析出，并最后以降雨形式润湿地面。在地面附近湿度较高的空气随着夜晚气温的下降，其所含过饱和部分水分也将在地表及植物茎叶表面以冷凝露水形式析出。本方案目的在于使原本长久禁锢在地下达数十万年或更久远并含有很高矿化度无法利用的水资源得以成为解除沙漠地区干旱气候的宝贵水源。只要大气层湿度逐渐恢复正常化，则各种抗旱性较强的植物种群必将在广袤的盆地范围内迅速自然繁殖，其中草本类植物繁衍的速度应该与大气层增湿的速度基本同步。采用本方案进行沙漠生态恢复过程中水分系直接用于空气的增湿，植物生存所需水分系通过大气层反复的降雨及夜晚降温后空气内析出的冷凝露水二种循环形式吸收，从而避免了人工灌溉的环节，这能极大的减少在人工灌溉过程中大量淡水通过沙层漏失的现象发生，从而具有非常高效的水分利用系数。

估算水井数量：

按每口井出水量为720吨/天，每年工作270天考虑，

需要机井总数为N＝G₃÷720÷270＝1.1×10¹⁰÷720÷270＝56,584口≌57,000口

在未找到大型集中储水区前，井距按1公里考虑，此5.7万口井分布面积为

F＝5.7万平方公里。

综上所述本方案通过向大气层增湿的方法，以首先恢复云，雨，霜，雪等水分在大气层内存在和快速循环的功能后可迅速高效的提高植物生存所必须的水分，例如以凝结露水的形式使地表沙层湿润的效益将每天夜晚发生，产生频率高，其增湿总量可观。沙漠地区地表起伏，在沙丘的朝阳面与背阴面间烈日暴晒度差异很大，非常容易构成不同温差的地表温度，从而造成空气的强烈对流，湿度提高后的空气层在对流到高空降温后会很容易形成云雨过程，而干旱的沙漠地表在降雨过程中会立即产生水分的再蒸发现象，其云层的重复降雨量要远高于其他比较潮湿的地区。一旦气候恢复到沙漠形成前的状态，则各种具有耐旱性的植物种群将不难自然的得到迅速恢复，大部分草本植物的恢复速度应该基本上与天气的正常化速度具有同步性。

单元布局见附图

附图说明

图中1：水井；2：深井泵；3：电磁阀；4：储水池；5：辅助水泵；6：蒸发场

附注

[1]“塔克拉玛干沙漠地区水资源评价与利用”[M]中国科学院塔克拉玛干沙漠综合科学考察队科学出版社1993

Claims

本发明专利提出在沙漠地区通过大规模抽取地下高矿化度水分利用沙漠地区丰富的阳光和干旱的气流直接进行蒸发以增加沙漠地区大气层的湿度，首先使沙漠地区大气层的湿度正常化，然后才可能使各种抗旱植物能仅依靠在茎叶表面及沙层表面每天生成的凝结水的滋润和少量的降雨就能生存繁衍，并逐步通过抗旱植物蒸腾作用的增强而恢复大气层内水分的正常循环模式，从而才能逐步恢复沙漠地区原有的生态环境，本发明特征是：在沙漠地区利用太阳能及风能大规模蒸发水分，直到沙漠地区大气层的湿度增加到仅靠少量降雨及每天夜晚产生的冷凝水量就足以维持抗旱植物在沙漠内的生存及繁衍的程度后沙漠地区生态环境就会恢复正常。