邓云成

（国家海洋局海岛研究中心，福建平潭350400）

应对海岛淡水缺乏新思路
——风力制水机

邓云成

（国家海洋局海岛研究中心，福建平潭350400）

我国淡水资源缺乏，海岛情况尤甚。在阐释我国已采取的应对措施及其不足的基础上，介绍了海洋经济绿色科技——风力制水机的运作原理、技术发展情况及其特有优势，分析了风力制水机的技术、经济效益定位，特别强调希望在政府试点和推广之下，促成风力制水机的产业化，以改善海岛基础设施差的状况，以助于维护我国海洋权益。

海岛；淡水资源；风力制水机；经济效益；政策规划；海洋权益

引言

我国是海洋大国，海岛众多，在300多万平方千米的管辖海域中，分布着11 905①数据来源于2014年11月26日国家海洋局海岛研究中心李文君副主任关于《我国海海岛海域管理情况介绍》讲座。个海岛，根据国家海洋局2012年4月19日公布的《全国海岛保护规划》，面积大于500平方米的海岛有7 300多个，其中有居民海岛②这里的有居民海岛是指作为常住户口居住地的海岛，另还有一些有人居住，但非户口居住地的海岛。另外，某些无人岛的情况也在变更。共有489个［1］。我国海岛发展建设近年来取得了不小的成绩，但相对沿海发达城市而言，发展相对落后、基础设施薄弱，除少数较大海岛外，全面落后于东部平均发展水平，部分岛屿甚至落后于西部地区。海岛发展相对落后最大原因是海岛远离大陆，建设成本平均约为陆地建设成本的3～5倍，技术、成本等因素的限制导致整体基础设施供应不足［2］。同时小岛众多，难以形成集聚规模发展，无法有效运用市场进行资源配给。在众多不足和缺陷中，淡水资源不足尤甚。淡水匮乏也限制了我国南海驻守和船舶中转补给基地的建设。如何实现淡水充足供给，同时作为基本人权的需要，保证每一个人，不论其地位身份如何，都有权获得足够数量的饮用水和与其基本需求相一致的保障质量的水［3］，成为当前发展海岛经济、维护海洋权益的严肃课题。

1　我国海岛淡水资源缺乏

基于海岛地理区位因素，本文重点以近岸岛平潭岛、远岸岛西沙群岛和南沙群岛为例阐述海岛淡水缺乏的现状。

平潭岛位于福建省东部沿海，紧临福州、福清、莆田等地，东邻台湾海峡。平潭县共有126个大小岛屿，167个岩礁组成。其主岛为海坛岛，是全国第五大岛，福建省第一大岛［4］。由于交通不便，发展长期落后，之前属于贫困帮扶地区。2010年正式建成平潭海峡大桥，结束了平潭县近40万居民只能通过轮渡进出平潭岛的历史，从根本上解决了制约平潭经济社会发展的交通瓶颈问题［5］，平潭岛的基础设施建设从此之后才真正开始。平潭主岛面积约为厦门岛的两倍，人口约为厦门的十分之一。但遗憾的是平潭本岛至今无法实现淡水自行供给，主要依靠海峡大桥铺设的淡水管道支援。平潭岛虽多方作为，也建设雨水收集等设施，但仍无法实现淡水有效供给，进而在一定情况下限制了平潭岛的发展。我国近岸岛约占海岛总数的55%左右，其中多为小岛，同样面临淡水缺乏的困难［2］。

西沙群岛位于海南岛东南部，受热带海洋气候影响，年平均降水量在1 500毫米左右［6］，但是，地表没有较大的贮水体，雨水降落地面后迅速渗入地下，且往往与海水相连通，因此地面、地下均无法保存良好的淡水，居民用水只能靠海南岛或其它地方用船运来补给，或用房屋截留雨水导入贮存器，净化后作为生活用水［7］。不仅受自然条件限制导致淡水缺乏，30年来人类活动也严重污染了西沙群岛的地下水③在对西沙群岛的水样进行测试后，并对比30年前西沙群岛地下水的重金属含量记录，发现现代地下水中金属元素含量较高。［6］。三沙市成立之后，在国家大力支持之下，虽然主要岛屿都建设了海水淡化、雨水收集等设施，截至2014年11月18日，永兴岛、晋卿岛、鸭公岛、羚羊礁和北岛都使用上了海水淡化设备［8］，但仍无法像大陆一样供给充足，只能保证有居民海岛的淡水使用。因此，必须在合理保护西沙群岛有限地下水资源的同时，采用新的现代科技，缓解用水危机，维护岛屿生态系统。

南沙群岛是典型的热带珊瑚礁海区，年降雨量为1 500～3 000毫米［9］，且南沙群岛中始终能够高于水面的独立区域较少，只有太平岛、南威岛、南北子岛、中业岛等不足20个岛、洲上有植物生长［10］。除此之外，由于南沙群岛岛屿小，地表堆积物极疏松，降雨未能形成地表径流［11］。因此，在植被稀疏、土质疏松的情况下，南沙群岛虽美丽富饶，却也因淡水匮乏而发展止步。就目前而言，南沙各岛礁尽管都配备了海水淡化装置、雨水淡化装置，但是经常使用的成本太高［12］，因此也未能完全解决用水困难，如何实现淡水自给，仍是一个亟待解决的难题。

2　我国海岛现行淡水解决方式及不足

如上所述，自然区位等条件限制导致了绝大部分海岛无法实现饮用水和生活用水自给。淡水、粮食需由大陆供应，补给线长，限制了岛屿人口数量的增加［13］。目前通过传统方式，如开采地下水、抽取河流水等已难以满足海岛现在及未来的淡水需求［14］。在极度缺乏淡水的情况下，经过近十几年的努力，这种状况多有改善④在2000年以前，礁上官兵每天每人限5千克水，2008年时，官兵每人每天的配额提高到50千克。［14］，在现代化的雨水收集设施、新增加的一次中途补给以及先进的海水淡化设备的帮助下，让淡水供给变得更加充裕［15］，却没有足够的自给淡水无限量供应。此外，由于南沙诸岛等淡水匮乏⑤不仅南沙岛礁缺水，西沙岛礁也存在缺水情况，通过引进大型的海水淡化装置，现在才有效缓解了吃水难的问题。［16］，无法形成一个有效供给链，使得我国岛上渔民只能望洋兴叹，对于维护我国海洋权益极为不利。

另外，海水淡化在很大程度上缓解了淡水不足的问题，但由于其过于“干净”，同时缺乏基于大规模数据合理论证，长期饮用对人体健康的影响仍值得重视和研究［18］。且我国淡化水主要为工业用途，尚未大规模进入市政供水系统［18］。并且相对而言，其占地面积较大、成本高［19］的问题无法灵活有效地应对面积较小的岛屿的自然区位限制。除此之外，通过船舶运输淡水进行补给，具有运输高成本、补给不稳定等问题⑥。所以面对淡水匮乏，应利用更为先进的、更适应在面积狭小的岛礁开展的造水技术，来化解这一难题，以保证海岛常住及非常住居民基本的生存和发展需求。有鉴于此，本文提出基于空气的取水技术是下一步亟需发展的方向，也是长久解决我国南海缺水的关键所在。

3　新绿色科技：风力制水机

地球上的淡水含量仅占全球总水量的2.53%，其中68.7%源于固体冰川。而人类所能够直接利用的淡水资源分布不均且日益稀缺。对于海岛和沿海淡水匮乏地区而言，解决淡水供应问题的传统方法包括交通运输和海水淡化两种途径［20］。但以上两种方式，都未能解完全决缺水这一瓶颈问题。而富含水蒸气的空气则无处不在，为空气取水技术的广泛运用创造了基础条件。空气作为自然界水循环过程中水蒸气存在的一种介质，携带水蒸气完成循环［20］。而空气取水技术，简言之，即是通过一定的装置，将空气中的水分加以吸收利用。

因此为改变淡水匮乏的现状，必须结合我国海岛的现实状况，充分利用现有的科技，从空气中提取水（from air to water）——空气制水。传统的风力发电是利用风力带动发电机发电，而风力制水机为新的创造，主要通过风力机叶片驱动热泵（制冷），然后由热泵将空气中的水蒸气制冷凝结成水，净化过滤后，就可以直接用于饮用和灌溉［21］。就其工作原理而言，风力制水机仅依赖当地的气温以及空气中的水分含量。因此，在运用上几乎不受限制。风力制水机已经在荷兰［22］和科威特［23］成功实现造水（风力制水机AW75荷兰吕伐登地区产水数据如表1所示）。其也有别于之前通过风力发电，然后通过电制水的技术。目前，中国已经有一家公司申请了风力制水机的实用新型专利［24］，某个体研究者也申请了直联式风力制水机专利⑦直联式风力制水机专利（申请号：CN201420360986）。。其工作原理简单，湿度为50%的20℃空气中，每千米空气蕴含7克左右的水；湿度为50%的30℃空气中，储藏近14克的水。风力机迫使空气流经热换器，使空气制冷并凝结。当温度达至露点，将形成水滴并为蓄水仓所收集［25］。

图1　AW75实践运用示意图Fig.1AW75 and its practices

除了工作原理简单，风力制水机还具有以下优势：（1）占地面积小，对地域面积的要求极低；（2）环保且能够持续利用，不会对环境带来负面影响，不需要外部能源（电力），仅仅风力就足够⑧；（3）一个小型的风车能为500～1 000人⑨［26］的小村庄提供充足的饮用水；（4）适应能力强，能够适应各种气候和地质环境——海岛、荒漠、环境恶劣地区、水源已被污染的地区。当然，风力制水机因为其特殊结构，并不是适用于任何自然环境。当气温低于15℃时，不能顺利提取水；并且，较适合于少雨的地方［21］。

表1　风力制水机AW75型荷兰吕伐登地区2012年产水数据Tab.1Production data of AW75，2012，Leeuwarden

4　我国海岛应用风力制水机效益分析

我国海岛众多，承担着我国发展海洋经济，落实海洋战略，维护海洋权益的重任。风力制水机应用于海岛需要有比较明确的技术发展方向，将产生良好的经济和社会效益。

4.1技术发展方向

海水淡化在我国已有较长的历史，有隶属于国家海洋局的天津海水淡化与综合利用研究所专门从事此方面的研究。据最新介绍⑩2014年12月28日，由中国高科技产业研究会主办、中国高科技产业研究会海洋分支和国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所承办的“中国科技论坛——海水淡化与用水安全及海洋高新技术产业化论坛”在天津召开，其中与会嘉宾介绍了海水淡化的最新进展与未来发展规划。，各沿海城市将来会有一定比例的淡水供应是来自海水淡化。由于其出产淡水规模大，应用方面应着重于在需求量大且地域面积并不紧张的地区进行推广，其中也包括面积较大的海岛。而风力制水机则可作为海水淡化技术的补充，在面积较小海岛、地下水污染严重以及人均密度较低且缺水的农村地区应用，以保证可饮用淡水的供应。风力制水机与海洋淡化工程是相辅相成的技术，其目标一致，但应用区域却各有不同。

鉴于我国海水淡化当下的主要功用为工业用水，因而使用海水淡化与风力制水机的目标群体也有所差别，海水淡化可以朝向工业用水为主、饮用水为辅的技术方向大力发展，而风力制水机则可单纯向保障人群饮用水安全的技术方向发展，形成差异化、共同发展的格局。

4.2效益分析

4.2.1成本竞争方面的经济效益分析

风力制水机的占地面积小，适应能力强，能够适应各种气候和包括海岛、荒漠、环境恶劣地区、水源已被污染的地区，制出的水可直接饮用，市场潜力巨大，但首先要考虑其市场化的可行性。本文具体针对海岛，分析风力制水机与陆地淡水供应、海水淡化和船舶运输淡水及海岛自打井相比均具有市场竞争优势。

首先，陆地淡水供应方面，以近岸大岛平潭为例，其自身供水不足，主要从福清购买淡水依靠海峡大桥运输补给，平均每吨水的价格为人民币3元左右。价格相比而言具有优势，但需要注意的是，据笔者调查，平潭水务网线工程设备基本是20世纪80年代建成，到普通居民家中的水呈现有色状态，可饮用的安全度存在疑问。同时，平潭作为综合实验区、福建自贸区所在地，人口增加已成必然。现在的福清供水仅能满足平潭综合实验区主岛的主城区供水，其它地方的供水并没有保障。而作为饮用水，一般家庭都额外付费加装净水器或直接购买桶装水（以每桶19升为计算标准，价格12元至50元皆有）。办公场所都不直接饮用自来水，饮用的是桶装水或瓶装水（以500毫升计算，每瓶大约1.5元至5元），因而单纯以自来水出厂价格来计算饮用水成本，并不合理。此外，我国自来水价格由于管制原因，明显低于市场应有的价格。

其次，海水淡化供应方面，我国除了在沿海地区有海水淡化设施外，在很多海岛上也有海水淡化设施，其中就包括我国三沙市的较大海岛，海水淡化成为这些海岛饮用水的主要来源。虽然我国海水淡化研究和产业化发展迅速，但实际上，我国至今的海水淡化主要是工业用水，北京因为极端缺水，河北曹妃日产百万吨淡化海水项目于近期获批，预计2019年开始向北京输水。同时长期饮用淡化海水对于身体的影响还有待继续观察，此因素也进而限制了海水淡化饮用的市场规模。海水淡化每吨成本5～8元［27］，而以江苏丰海新能源淡化海水发展有限公司的新产品“中盐海露”海水淡化纯净水为例，其一般售价为每瓶3元（350毫升）［28］。海水淡化作为饮用水来讲，并不像看起来那样拥有极高竞争力。

再者，船舶运输淡水及海岛自打井供应方面，我国南沙群岛中无天然淡水供应的较小海岛主要是通过雨水收集，更多是船舶运输方式补给淡水资源，其成本非常高，并且很不稳定，申请船补水提前时间约为61天［29］。遇到恶劣天气和突发事件，守岛官兵就可能有生命危险。而近岸岛的自打井取淡水，适用范围小，可供给人数也少，并且我国很多岛屿根本不适合提取地下水资源。相对而言，这两种方式都不是解决海岛保护与开发要求的淡水供应的长久之计。

而以风力制水机AW75型为例，其可饮用水制水成本为每升0.01欧元（约为人民币0.07元）［21］，相对而言，对于一些海岛，特别是要进行开发，需要保障海岛居民饮水安全和生活品质的海岛，具有相当的竞争优势。

同时风力制水机属于海洋绿色新科技，其技术还有很大的改良和提升空间。除了风力驱动之外，还可以采用太阳能双种动力驱动，法国WMS1000混合动力风力制水机在没有风的情况下，可以通过太阳能发电驱动制水，而这样的混合动力，使得风力制水机在新疆、内蒙古、北京、河北、山西、甘肃等内地也具有市场。在剔除财政补贴的情况下，不同光照资源区，目前装机规模0～50千瓦的光伏发电系统发电成本在1.13～1.94元/千瓦时，在2015年将下降到0.74～1.28元/千瓦时，2020年将进一步下降到0.58～1.00元/千瓦时［30］。各项成本的降低，意味着风力制水机在混合动力系统下的产水成本的降低。而且，国外对于太阳能的产业化发展并不比中国好，中国在此方面具有优势，换言之，中国对于风力制水机的未来运用占有较大优势，具备抢占国外市场的可能性。

4.2.2维护国家权益方面的效益分析

我国南海权益维护已上升成为国家重要战略，其中比较重要的就是维护我国的海岛主权。作为“海洋宪法”的《联合国海洋法公约》并没有对岛屿这一概念的面积大小有明确规定。只是在第121条第3款规定不能维持人类居住或其本身的经济生活的岩礁，不应有专属经济区或大陆架。对于南沙岛礁中存在的半人工半自然的混合岛礁，国际法并没有明确界定其法律地位［31］。此时，如何快速完成岛礁上改善居住环境建设，同时使其变得能维持人类居住或其本身的经济生活，是极为重要的问题。单纯从GDP或绩效考核来看，对于岛屿的各种建设经济成本巨大，但从岛屿主张经济专属区、大陆架等权利获得的社会效益等出发，这些投入意义重大。南沙诸岛面积小，寸土寸金，风力制水机应是其经济计算之下解决生存和发展困难的优先选择。

5　结论与建议

我国虽地大物博，但仍属于淡水资源缺乏国家，人均淡水占有量仅为世界人均的四分之一。且时空分布不均。600多座城市有400多个供水不足，严重缺水城市有110个。农村约有3.6亿人喝不上符合标准的饮用水［32］。这样的情况在海岛、地下水污染严重等地区更为严重，因而借助新技术解决面临的问题，显得非常重要。

海水淡化作为缓解沿海地区水资源匮乏的重要措施，发展势头迅猛。我国在海水淡化方面的政策扶持力度可观，《海水利用专项规划》《海水利用标准发展计划》《海水淡化科技发展“十二五”专项规划》《国家海洋局关于促进海水淡化产业发展的意见》《海水淡化产业发展“十二五”规划》《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》《国务院关于加快发展节能环保产业的意见》《浙江省海水淡化产业发展“十二五”规划》等相关规划相继发布。在各个层级、不同部门齐心合力推动之下，在发展战略规划和政策法规促进保障之下，我国海水淡化产业化进程逐步加快，其成本也从最初的基本无法接受到现在的可以逐步推广。

风力制水机是除海水淡化以外，又一项极具潜力的新技术，应用前景甚至可能比海水淡化更为广阔，应给予足够的重视和支持，以期在实现产业化的同时，极大的改善海岛生活条件，实现维护我国海洋权益的目标。就具体落实而言，应从以下几个方面着手。

5.1逐步纠正水价非正常低价现象，实现淡水资源市场化配置

由于特殊历史和现实原因，我国淡水资源市场购买价处于较低价格，且在供应相对垄断的情况下，政府一直强调利用工程增加淡水供应，普通人无法亲身直接感受到水资源的宝贵。在低价情况下，水资源除了被大量浪费，还产生了很多额外成本。比如，由于现在很多饮用水水质相比以前存在一定程度的下降，以北京一些酒店为例，已开始区别可饮用水和一般水。增加了运营的成本，而各企业单位日常都购买桶装水，而非直接饮用自来水厂供水，在一定程度上这部分额外成本一直未纳入水价计量之中。同时，鉴于水资源品质的日益降低，家庭用的净水设备已开始大量装备，以求保证水质的可饮用。形成了低水价、低品质、浪费大，隐形成本不断增加的中国特有局面。同时，在这样的低水价之下，相关淡水资源绿色科技产品相对而言就显得成本比较高，不具有市场竞争性。而适时推动淡水资源的市场化运作，则显得更为必要，在淡水实际成本居高的情况下，才有绿色科技应用的市场保证。

5.2政府应为风力制水机提供政策支持，推动其试点和推广运用

由于市场暂时失灵，风力制水机的市场受限，但其需求仍在，且对维护我国海洋权益和改善海岛居民的落后基础设施有极大的益处。我国在制定相关发展战略规划和政策法规中应对这一新兴科技给予足够的重视，出台相关政策法规推动其试点和推广，为我国海岛及亟需淡水的地方提供新的选择，促进相关产业的发展。比如，给予风力制水机以海水淡化同样的政策支持，在提及促进海水淡化的公共政策文件中，除了明确提及海水淡化之外，补充包括风力制水等其它技术应加速推广运用试点。在新经济常态要求各地方主管部门应出台政策和投入资金支持创新，鼓励包括风力制水机在内的海洋经济绿色科技的发展，领先一步，形成产业化，形成地方海洋经济发展新的支撑点。

风力制水机已是成熟的技术，在国外已经成熟，可成套购买。国内有公司也已就相关技术申请了专利，但因无广大市场保证和政策鼓励，处于暂停状态。各级政府部门应在基础设施专项资金中单列淡水资源新科技应用经费，保障其推广与运用。只有在大力推广的前提下，才存在产业化的可能性，同时降低购买成本。

5.3以产业化为导向，开放知识产权限制

相关政府部门可以考虑与国内拥有该项专利技术的公司合作，采取一年保底购买若干台风力制水机设备措施，同时要求其积极“反向分析”国外成熟技术，推出新型、适用地域更为广泛的产品，并且要求其在5～10年内放弃专利权，使其他公司进入风力制水机行业，降低垄断技术带来的高成本，以实现风力制水机产业化、低成本化。

致谢：本文在写作过程中，得到了刘建辉研究员、刘贞文研究员的帮助，在资料收集方面受到了傅崐成教授、刘阳女士、赵菊芬女士的帮助，在此一并致谢！

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A New Method for Responding to the Freshwater Shortage on Islands：Wind Powered Water Production

DENG Yuncheng
（Island Research Center，SOA，Pingtan 350400，China）

China lacks fresh water resources，especially on islands.The paper illustrates the measures taken by relevant departments and the defects thereof.As the wind powered water production，a green technology of marine economy，has been developed maturely，the paper explains its working principles，technological developments and advantages，as well as analyzing the positioning of the technology and economic benefit.It is expected that through pilot and promotion programs，the industrialization of this new technology will be implemented，the backward infrastructures on islands will be improved，and China's maritime rights and interests will be safeguarded more at the same time.

islands；freshwater resources；wind powered water production；economic benefit；policyplanning；maritimerightsandinterests

F407

A

2095-1647（2015）01-0013-08

2014-12-06

国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目［20145037］

邓云成，男，助理研究员，主要研究方向：国际法、海岛政策与权益，E-mail：dengyuncheng2006@163.com。