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第5章 资源和灾源(3)

C.水资源

水资源是人类生存和发展不可缺少、不可替代的物质资源,具有可以更新、可供永续利用的特点。1993年1月18日第47届联合国大会193号决议,确定自1993年起,每年3月22日为“世界水日”。从1994年开始,把“中国水周”的时间由每年的7月1日至7日改为每年的3月22日至28日,以推动对水资源进行综合性统筹规划和管理,加强水资源保护,解决日益严重的水问题,开展宣传教育以提高公众意识。

在以地球为中心的自然界,无机物质“水”,由于物理、化学性质所决定,得以“三态”同时共存,而且都是和其他物质化合、溶解、配合和混合存在的。水是宝贵的不可替代的资源,所以,水资源的概念就有广义和狭义之分。广义的水资源是指“存在于自然界的一切状态的水,包括液态、固态和气态的水”。狭义的水资源是指“在当前经济技术条件下可为人类利用的那一部分水,如浅层地下水、湖泊水、土壤水、大气水及河川水等淡水”。

地球表面约有70%以上为水所覆盖。地球上的总水量为13.86亿km3,包括海洋水、冰川水、湖泊水、沼泽水、河流水、地下水、土壤水、大气水和生物水。水资源的96.54%分布在海洋,淡水占地球上总水量的2.53%。在淡水中绝大部分存在于高山冰川、两极冰川和永久积雪及深层地下水中,占淡水总量的98.7%左右,而和人类关系密切、易于利用的河流和湖泊中的淡水数量分别只占淡水总量的0.006%和0.26%。因此,地球上的淡水资源是有限的。

我国水资源主要有以下特点:

第一,水资源总量多,人均占有量少。2002年《中国水资源公报》:2002年我国水资源总量为28255亿m3,全年平均降水量为660mm;2002年人均水资源2076m3,水资源拥有量居世界第六位,但人均水资源仅为世界人均水资源的1/4,是世界水资源匮乏国家之一。北京的人均水资源占有量只有世界人均的1/30。

第二,水资源的时空分布不平衡。我国水资源的分布严重不平衡,既患寡又患不均。在时间方面,每年70%~90%的降水集中在6~9月间。在空间方面,水资源的分布是东南多西北少。长江流域及其以南地区水资源占全国总量的82%以上,而耕地只占36%;长江流域以北地区水资源不到全国的18%,而耕地却占64%。华北平原耕地面积约占全国的40%,而水资源只占全国的6%左右。水、土资源配台欠佳的状态,进一步加剧了我国北方地区缺水的程度。

第三,水资源人为污染严重。水环境污染状况堪忧。全国工业废水(不包括火电直流冷却水)和城镇生活污水年排放总量已从1949年的20多亿t增加到2003年的4160亿t,大量未经处理或不达标的废水、污水直接排入江河湖库水域,造成严重的水污染。50%的城市地下水均不同程度地遭到污染,118座大城市中约有98%的浅层地下水受到不同程度的污染;城市湖泊受到中度污染,有些淡水湖泊水体富营养化严重:近岸海域劣Ⅳ类海水占32%。

我国对水资源的开发利用已有悠久的历史,自公元前两千多年的大禹治水至今,已有四千多年的历史,但大规模的水利建设则是始于1949年建国以后。建国50年来,我国修建了大量水资源开发利用工程,如引滦入津工程、引黄济青工程、南水北调工程等,年供水量超过5000亿m3。特别是近20年来,水作为资源,更受到普遍关注和高度重视。我国1949年总用水量仅为1031亿m3,2002年全国总用水量达到5497亿m3,其中城镇生活用水占5.8%,农村生活用水占5.4%,工业用水占20.8%,农田灌溉用水占61.4%,林牧渔用水占66%。自20世纪80年代以来,我国用水结构发生了一些变化,农业用水量占总用水量的比例,已由1980年的88%下降到2002年的61.4%。在农业用水中,近些年来灌溉用水略有减少,林、牧、渔业用水略有增加。

建国后我国修建了大量供水工程,但农业缺水问题依然十分严重。我国农业每年缺水达三百多亿m3,受旱面积约0.2亿多km2,这无疑是中国农业生产发展的重要障碍之一。中国一些干旱的山区、牧区、微咸水区和海岛,水资源贫乏,有六千余万人和几千万头牲畜至今饮水困难。我国工业用水虽然次于农业用水而居第二位,但其增长速度很快。从1980年到2002年,工业用水占总用水量的比例也从11%提高到20.8%。城市生活用水虽在各类用水中所占比例最低,但是水需求增长最快,且对供水的水质要求最高。我国在世界153个国家的人均水资源的排位中居12l位,属于严重缺水国家之一。全国670多个城市中,有400多个缺水,缺水特别严重的有114个,日均缺水1600万m3,严重制约了城市的发展;农业缺水量大于3000亿m3,由于缺水造成农业减产0.75亿~1亿t,土地沙漠化面积达160.7万km2。

D.阳光资源

太阳对人类而言至关重要。地球大气的循环,日夜与四季的轮替,地球冷暖的变化都是太阳作用的结果。对于天文学家来说,太阳是唯一能够观测到表面细节的恒星。通过对太阳的研究,人类可以推断宇宙中其他恒星的特性,实际上,太阳是我们唯一能看到表面细节的恒星,人类对恒星的了解大部分都来自于太阳。

阳光是太阳上的核反应“燃烧”发出的光,经很长的距离射向地球,再经大气层过滤后到地面,它的可见光谱段能量分布均匀,所以是白光。

万物生长靠太阳。地球上一切生命活动所需的能量都来源于太阳。《列子·汤问》里说:“阳光炽烈,坚冰立散。”太阳光是最重要的自然光源,它普照大地,使整个世界变得姹紫嫣红,五彩缤纷。当光线随时间的推移以及天气发生变化时,都会直接影响物象的色彩。触及不到。

“太阳是大地的母亲”,正是由于太阳光的照耀,才使地面富有生气;疾风劲吹,江水奔流,花开果熟,生物生生不息。太阳是一个取之不尽用之不竭的能源。目前,人们正在想方设法,利用太阳能。人们利用太阳能做了很多事情,比如红外线的应用,紫光灯,太阳能热水器,发动机等等,有太阳才有光明的世界。

近年来,我国应用太阳能采暖发展迅速,节能效果明显。在建筑物的能耗结构中,其中75%的能源用于建筑采暖和热水供应。将太阳能利用与建筑节能技术相结合,可以降低能源消耗,减少环境污染,是建筑节能的一个重要途径。

太阳能的利用主要有两种类型:

第一种类型:被动式太阳能利用

被动式太阳能是指不借助风扇、泵和复杂的控制系统而对太阳能进行收集、储藏和再分配的系统。这种功能建立在对建筑设计的综合研究之上,那些建筑的基本要素,如窗、墙、楼板等都尽可能地负担着各种不同的功能。例如,墙不仅起支撑屋顶和围护的作用,还负担着热能的储存和释放作用。每一个被动式太阳能采暖系统至少要有两个构成要素:朝南的玻璃采集器和通常由砌块、岩石或水等保温材料组成的能量储存构件。根据这两个要素之间的关系,被动式太阳能系统主要的几种形式有:直接获取系统、图洛姆(Trombe)保温墙、太阳室、屋顶水池、现代园艺温室等。

a.直接获取系统

在直接获取系统中,每个朝南的窗户都是一个直接获取太阳能的系统,而其他朝向的窗户在冬季所丧失的热量比其获取的热量要多。在直接获取系统中,温室效应能够起到一个热调节阀的作用,它使太阳的短波辐射进入,同时又阻止了热量的丧失。建筑内部的保温材料能够吸收这些热量,同时可以防止白天室内温度过高,而夜晚则将储存的热量释放出来,如果设计合理,保温墙散发的热量将能够使房间在整个夜晚感觉非常舒适。因此,保温材料的面积和南向玻璃面积之比在直接获取系统中是非常关键的。

b.图洛姆(Trombe)保温墙系统

图洛姆保温墙系统是将保温墙置于南向玻璃窗内侧。由于它是由法国太阳能实验室主任Felix Trombe教授研制成功的,因此又常常称它为Trombe wall(图洛姆墙),当图洛姆墙应用于建筑物向室外排风时,也称它为太阳能烟囱。其原理均是在朝南向阳墙的外表面涂以深色选择性涂层,并在离墙外表面10cm左右处装上玻璃或透明塑料薄片以形成空气间层,利用“温室效应”原理加热夹层空气,从而产生热压来驱动空气流动。冬季可以通过打开集热墙上下两个通风口形成循环对流来对室内空气加热,当需要新鲜空气或室外气温比较合适时,也可打开玻璃下面的进风口、关闭集热墙下面的风口来对室外新鲜空气先加热后再流入室内。夏季,则只打开玻璃上风口与集热墙下风口,利用夹层空气的热压流动来预防室内过热,同时带走室内的部分余热。

同时,由于图洛姆保温墙很厚,通常为12英寸左右,延续时间长,热量到晚上才能传到墙体的内表面。如果有足够的保温材料,整个晚上图洛姆保温墙体都能起到散热器的作用。

一般说来,仅在需要太阳热量而不需要太阳光的情况下才选择图洛姆保温墙这种方式。因为这种情况很少出现,所以图洛姆保温墙多与直接采暖方式结合使用。

c.太阳室

太阳室是一种为建筑物主体采暖而设计的房间,其用途犹如第二起居室。这种概念源自18世纪至19世纪流行的“暖房”。今天太阳室常被人们称为“日光浴室”。

因为太阳室隔热及遮阳的效果差,所以不能加热或制冷。机械采暖和制冷需要太多的能量,而太阳室则是损失能量快于获取能量。它存在温度变化幅度过大的问题,当温度达到最高时,太阳室将暂时不能使用。因此,一个好的太阳室设计应使其在一年中可以有较多的时间令人感到舒适。

第二种类型:主动式太阳能利用

a.太阳能热泵技术

热泵技术是一种新型的节能型空调制冷供热技术,是利用少量高品位的电能作为驱动能源,从低温热源吸取低品位热能,并将其传输给高温热源,以达到泵热的目的,从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源,节约高品位能源,是一种能够提高能量品位的技术。将太阳能作为蒸发器热源的热泵系统称为太阳能热泵系统。太阳能热泵应用的主要研究领域为冬季太阳能热泵——地板辐射供暖系统和非采暖季太阳能热泵供热水系统的研究。

b.太阳能制冷技术

在太阳能的利用中,太阳能制冷空调是一个极具发展前景的领域,也是当前制冷技术研究中的热点。太阳能制冷具有以下三个优点:①节能;②环保;③热量的供给和冷量的需求在季节和数量上能够高度匹配,太阳辐射越强,气温越高,冷量需求也越大。太阳能制冷还可以设计成多能源系统,充分利用余热、废气、天然气等其他能源。目前,关于太阳能制冷系统的研究较多,从原理上看主要包括以下两种:①以热能为驱动能源,如吸收式、吸附式、喷射式制冷等;②以电能为驱动能源,先把太阳能转化成电能,然后再利用电能来制冷,如光电式制冷、热电制冷等。

c.建筑光电一体式系统(BIPV)

目前,在欧美等发达国家,一些公用事业公司通过大型中心光电场以增加他们的电能,而另一些电力公司则通过建立靠近用户的小型光电场达到这个目的。有的光电阵列集电板布置在毗邻建筑的地方,有的布置在屋顶上,或者干脆整个结合到建筑的围护结构中。在这种情况下,建筑光电一体式系统就应运而生,简称为BIPV。这种BIPV光电设备可以充当建筑的屋顶、外壁板、幕墙、玻璃窗或者雨篷等特殊元件。

建筑光电一体式系统作为一项新领域有如下优点:能够减少电量输送过程的费用,而这部分费用有时高达总电价的50%;能够减少电量输送过程的能耗;避免了放置光电阵板的额外占用空间;可以省去建筑围护结构的部分费用;与建筑结构合二为一,可以省去单独为光电设备提供的支撑结构;使用新型建筑围护材料,发挥美学潜力;以不破坏环境的方式生产全部或部分的建筑所需电力。

由于建筑光电一体式系统具有如上所述的一系列优点,并且随着光电技术研究的进步、光电设备价格的下降,在不久的将来,将有越来越多的建筑表面将采用光电覆面。

太阳辐射能作为一种自然能源,以其储量丰富且无污染性显示了其独特的优势,已被国际公认为未来最具竞争性的能源之一。我国陆地面积接收的太阳辐射总量在3.3×103kJ/(m2·年)~8.4×10kJ/(m2·年)之间,相当于2.4×10亿t标准煤,属太阳能资源丰富的国家之一,太阳能利用前景十分广阔。在人口膨胀、资源紧张等问题困扰人类的今天,开发利用太阳能,提倡建造绿色建筑,充分体现了可持续发展和人类回归自然的理念。

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