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    沙丘固定毛里塔尼亚大型海水管道工程

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    Viorel Badescu Richard B. Cathcart

    1、简介

    毛里塔尼亚的沙丘区域是发育良好的沉积地貌,对其沉积过程,人们认识得也越来越深入。在地理学上,面积广阔的众多沙丘包含大量随风移动的沉积物,主要分布在3个沉积地形区域:(1Akchar;(2Aouker;(3Majabat al Koubra(图1)。毛里塔尼亚活动沙丘主要分布在当前年降雨量低于150毫米的区域。沙丘的沙子是一种惰性土壤,因为其颗粒性和不易保水的大孔隙度、高渗透率、淋溶性及其风蚀性,对植被几乎没有积极作用。据估计,毛里塔尼亚含沙量较大的沙丘,每立方米沙子含有1.3×109个直径1毫米的沙粒。在相同的气候环境下,固定的湿沙层的蒸发量较非流动淡水少12%

    根据1958O. Wipplinger在南非荒漠地带进行的野外试验,Helga Besler认为直径为0.3毫米的沙粒的渗透性可以使淡水每天下渗20,直径为1毫米的沙粒的渗透性可以使淡水每天下渗达到60。在沙丘表面1以下,淡水蒸发失效(Besler 2008)。风蚀是土壤退化的一个主要过程,可造成植物营养物质的流失(Goudie 2008)。被侵蚀的矿质灰尘增加了沙丘的不稳定性(Yair Verrecchia 2002)。但值得指出的是,毛里塔尼亚受干旱、流行病、洪水、虫灾和沙尘暴危害严重,但是大地震的可能性较小。改进的麦式震级为7级的地震使沙坝坍塌,约为Richter的里氏震级的5.5-6.1级。

    沙粒表面突变和其它干燥颗粒媒介引起的风运动可以通过应用化学稳定剂来消除,如钠米粘土(沙漠防治 2007)和生物碳Lehmann 2007),还可以通过围栏建设和植被种植达到防风固沙的目的。自然和人造的生物土壤结皮有利于提高沙地表面稳定性。当前和未来沙丘移动、湖泊干涸土壤侵蚀、矿质灰尘尘云的积累,包括岩盐和其它盐类,使活动和不活动沙丘下风向的宏观工程实践和人类生存面临巨大挑战(Thomas 2005)。目前,宏观工程方面仅有一些实验性技术应用于流动沙丘的固定:(1)利用机械移除沙丘;(2)利用机械进行沙丘平整;(3)通过种植植被、围栏、壕沟、添加剂和其它手段固定沙丘。当然,这些宏观的固沙工程,涉及到雄心勃勃的,甚至是武断的人对自然资源的长期主宰。景观恢复是基于生态规划和设计,包括调查全球和区域气候变化以及全球和区域生物多样性变化引起的退化。每一个景观恢复重大工程都需要明确其与特定的地理、经济、文化和国内环境的关系。同时,社会对改变环境的重大工程的适应能力是有限的,这是由毛里塔尼亚现存的社会价值观、地球科学知识、地理风险意识、以及各种社会文化结构决定的。

    亚马逊盆地约40%的尘土来自于乍得的Bodele。毛里塔尼亚东部干旱地区和沙漠是非洲第二大矿物尘土来源。这种尘云源自北非,当近地表边界层风速小于10/秒时,能够极大的改变地表反射率,并抑制北大西洋飓风的形成。也就是说,撒哈拉非受控的或减轻的尘云对人类影响巨大。如果能采用技术手段消除尘云,北非将成为一片沃土。植草区域因为植物影响会具有更好的尘土沉积作用。矿物微粒的自然和非自然沉积作用有利于提高沙丘的稳定性。总之,建议在毛里塔尼亚沙丘表面种植野生和栽培植物品种,然后扩展到乍得和利比亚,利用泵送海水到内陆进行大范围灌溉。对海水的利用也有利于减轻E. Hansen 和其它专家提出的海平面上升危机。毛里塔尼亚海水输送管道工程难度甚至不及Keahole Point 和夏威夷的管道工程,水深914,管道直径1 397毫米每分钟输送102 190水。

    2 毛里塔尼亚

    4、太阳能撒哈拉海水输送管道

    柔性太阳能装置由可弯曲的光电设备安装在太阳热能收集器上构成。毛里塔尼亚调运海水管道的重大工程整合了此太阳能装置,并将该柔性模块附着在管道上半侧,该工程在严酷的沙漠气候条件下至少可以工作数十年,并且该工程已经被提议作为发电系统的一项基础设施。该工程的英文缩写为SSSP

    1中进行灌溉的干旱区域地形和北非相似,轮廓形状和Schluter基本相似。Sakurai内陆人造湖的位置甚至代表了毛里塔尼亚世界著名的Richat地貌(同心圆地貌),其直径约为38公里。中央深度为海报400,四周围墙还要高出100Maur Adrar 沙漠的Richat地貌显露除大量平坦的石灰岩。Richat地貌海拔约600,同心圆中心海拔约为400。作为贮存海水的场所,为了增加贮存水量,需要在同心圆地貌的西南边缘增建小型水坝。

    6 海水在管道中的流速、水泵功率和所需能源来源于管道直径的关系(按管道使用期限N50年计,海水在管道中的流速Wsw,水泵功率Ppump

     

    但管道费用Cduct也随着管道直径的增加而增加(图7a)。管道成本主要取决于其结构材料,复合纤维是成本最低的材料。管道安装费用也呈现相同的变化规律,但安装成本与管道直径的依赖关系较弱。水泵成本包括水泵安装费用,还有泵送海水所消耗的传统燃料能源费用,都是随管道直径增加而减少(图7b)但是,水泵成本和传统燃料能源费用在管道直径大于6时,变化不大。按照该工程运转50年计,水泵费用约几百万美元,而此期间泵送海水所需的能源费用则达到数十亿美元。初期投入主要是在管道制造方面,使用纤维材料成本最低(图7c)。无论使用什么管道材料,初期成本投入最小值是在4直径的钢管和塑料管,或者4.5直径的纤维管。如果使用钢管或塑料管,工程初期投入约为11亿美元,使用纤维管的工程初期投入约为6亿美元。

    7 各项成本与管道直径间的关系。a 管道材料成本和安装费用与管道直径间的关系;b 水泵安装费用、N年内消耗的传统燃料能源费用与管道直径的关系;c 工程初期成本投入与管道材料的关系;工程运转年限N50年计。

     

    对于毛里塔尼亚沙丘区域的固沙重大项目相关的海水灌溉重大工程也进行了研究。结果如图8,基于工程初期成本最小的4.5直径的纤维管道。为完成沙丘的固定,灌溉面积随着工程运转年限N的增加而减小(图8a)。这是因为N增加,用于沙丘的固定的海水量就会下降。所有计算范围在14公顷,工程运转年限为50年,灌溉面积约1.5公顷。灌溉系统成本和维护费用随工程运转年限N增加而减少(图8b)。两种海水灌溉的农产品经济收益如图8c。该收益随着工程运转年限N的增加而减少。以食用油为例,其收益不足10万美元,但海笋的收益可以达到数百万。

    由此发展的海水农工业发展提供的经济收入可能在固沙工程完成后,通过管道海水流速的增大而而增加。这确保了较大的海水流速,并因此可进行大范围的灌溉。然而,由于管道水流对管道的磨损,海水流速受到限制。流速加倍,灌溉面积也成倍增加。可以通过在管道内部使用碳纳米材料或者塑料涂层减少水流磨损。这意味着经济收益可能也比目前的估计值(图8c)加倍。但是,即使是最乐观的经济收益估算,对于该沙丘的固定的工程总花费来说也是微乎其微的。因此,该重大工程的决策应排除经济因素。而且,在工程的任何实施工程中,都要进行财务审计,在此之前,还要组织干旱区域土壤退化专家进行完善的环境管理体系评价。

    最后,需要指出的是本文中的数据计算较粗略,该重大工程的成本可能还要大的多。

    6 对全球海平面上升的影响

    约公元前3900年,最后一次冰期海平面稳定1100年后,人类文明开始利用沿海资源。公元前2300年,城市管理者开始建设永久性基础设施。同时期海平面的不稳定性影响了城市管理者和基础设施。例如,LagosKarachiMumbaiKolkata BangkokJakartaManilaShanghai等重要城市的地下水正发生盐水侵入,而且可能会越来越严重,这或许是有海平面上升引起的。全球变暖看起来是真实存在的,在二十一世纪里和更远的将来,其影响从零可能会一直增加到非常严重。与地球实际的气流现象相比,电脑模拟未来气候变化显得过于简单。

    世界范围内大约有10.5%的人口居住在距海岸线不到100千米、海拔低于10的沿海区域,约占陆地总面积的2.2%。由海平面上升引发的涉及沿海区域调整的国家和国际法律意义深远。水文地质学将在重大工程方面发挥主要作用,并且该领域已经对地下封存在深层盐碱含水层的二氧化碳气体进行了深入研究。

    该重大工程在该方面对地球上的海水资源进行了大量人为重新分配。尽管全球海平面上升,还有全球变暖等其它现象,James E. Hansen定义全球海平面上升的实质为:海平面总体上升2,因为这足以淹没部分孟加拉国、尼罗河三角洲、佛罗里达和其它许多岛屿国家,造成数千万,甚至上亿居民的迁移。20年前,Walter Stephenson Newman (1895–1978) and Rhodes Whitmore Fairbridge (1914–2006)推测人类可以使用重大工程战略技术控制海平面上升,可将海水转移到大陆的洼地。据估计,里海可储水13 000立方千米,咸海区域可储水1 000立方千米,埃及的盖塔拉洼地可储水3 200立方千米,死海可储水1 260立方千米,艾尔湖地区可储水200立方千米,沙顿海海区域可储水400立方千米。陆地洼地储水潜力约为18 060立方千米,全部为开放区域,会伴随太阳照射蒸发,也就是说,这些储水地区需要不断补充蒸发掉的水量,这也意味着难以估计的经济和能源消耗成本。地表海洋面积为3.62×108平方千米。如果海平面上升2,水量增加约725 000立方千米,地表可以储存的海水量仅为必须从海水中移出水量的2.5%

    第一,每年地表径流的20%(约7200立方千米)被人为的储存。第二,深达地下2000处的空隙的容量巨大,仅沙土、沙岩和碳酸盐间的空隙就可以人为填充2500万立方千米的海水。沙漠地区地下1千米处仍具有原始的多孔性。多孔性在地表100深度时变化不大,大约下降到48%300时下降到45%,到地下1千米时,下降到37%Kalahari沙层位于南非,面积250万公顷,是全球最大的松砂连续分布区域。任何纯度的水都可在不饱和的渗流带快速聚集。油田通过注入海水进行增压的技术已使用多年,以防止石油和天然气开采造成的地面沉降。

    J. E. Hansen提出的全球变暖理论,推断会影响到海平面上升,改变海陆界面,导致内陆海洪的增加和土壤盐渍化上升。

    依据上述图表计算,该重大工程每秒可抽取28.5立方米海水,每年用于喷洒在毛里塔尼亚沙丘的海水量为0.9立方千米,这与Hansen提出的海平面上升2所增加的水量相比是非常少的。然而,国际专家组气候变化最新项目对于21世纪海平面上升估计为18-59厘米据估计,20世纪海平面平均每年上升1.6毫米。也就是说,毛里塔尼亚的海水输送管道工程可以抽取海洋年均增加水量的0.116%。因此,我们认为该海水输送管道重大工程虽然不是海平面上升问题的解决办法,但对缓解该问题具有一定的积极作用。

    7结论

    毛里塔尼亚海水输送重大工程不论从经济上还是发展上,都具有可推广性。该工程通过简单有效的技术手段,将海水储存在威胁的城市生存的沙丘地带,这是一种具有革命性的观念。

    撒哈拉包括多个面积巨大的沙丘区域。这些沙丘在风的作用下不断形成,并改变着形状。毛里塔尼亚海水输送管道重大工程主要是从北大西洋抽取海水,经管道泵送,并灌溉到毛里塔尼亚内陆沙丘区域,提高土壤湿度,增加土壤异质性,从而达到固定沙丘的目的。未来海水灌溉可能伴随一些净化过的城市污水灌溉,为植被和作物增加土壤营养。


    作者: 来源: 发布时间:2014年09月11日