空中水资源的开发与利用
□ 张继群 万育生
摘 要 水资源短缺严重制约着我国华北、西北地区社会经济发展与生态环境建设。解决水资源短缺，一靠开源，二靠节流。作为“开源”的手段之一，充分开发利用空中水资源，在适当区域增加降水量，不仅能增加地表水，对补充地下水和维持生态平衡也尤为重要。在分析国内外以增加可降水资源为目的的人工增雨的现状、特点和存在的主要问题基础上，对空中水资源有效开发和利用提出了建议。
关键词 空中水资源 人工增雨 开发 利用 |
我国北方特别是西北地区属典型的干旱、半干旱气候区，是我国缺水最严重的地区。水资源短缺严重制约着该地区社会经济与生态建设的发展。解决水资源短缺，一靠开源，二靠节流。在当今水资源严重短缺的情况下，应当把开源，特别是开发空中水资源，提高大气降水效率，提到重要议事日程上来。
一、空中水资源开发利用的原理
1．空中水资源量及特点
大气含水是空中水资源的主要组成部分，包括气体状态的水(汽)和固态、液态的水(云)。全球大气中的总含水量约为12.9万亿t。大气水分的80%集中在离地面2km的大气层内。据各地的气象观测资料和卫星遥感观测数据推算全球大气云中的含水量大约是900亿t，与大气中气体状态的水量比，“云水”仅占0.7%。地球上的多年平均降水量是1130mm。每年降落到地面的降水约为576万亿t。因此大气中的水汽每年要补充约45次才可以维持每年的降水量，即大气中的水分平均8天循环一次。这里的8天也仅是一个全球的平均值。据研究蒸发到大气中的水分以水气形态存在8天、以云形态存在1.8小时、以雨滴或雪花形态存在13分钟，最后降落到地面或海洋。
2．人工增雨的基本原理
人工增雨主要是利用自然云的微物理不稳定性，在适当的云雨条件下，选择适当的时机和部位，针对不同的云，采用相应的人工催化技术方法，通过人工干预、催化，给水汽或小水滴以“促进力”，使它有能力去吸引另外一些水汽或者小水滴，聚成大水滴或者冰晶和雪晶，从而改变云滴谱分布的均匀性，以利于重力碰并过程的进行，达到增加降水的目的。人工增雨的催化剂通常分为三类，第一类是产生大量凝结核或凝华核的碘化银等成核剂，第二类是使云中水分形成大量冰晶的干冰等制冷剂，第三类是吸附云中水分变成较大水滴的盐粒等吸湿剂。碘化银、干冰等适用于温度低于0℃冷云的催化剂；而盐粒等，是只适用于温度高于0℃暖云的催化剂。人工增雨作业的主要设备有：高炮、飞机、火箭、无线电控空仪、气象雷达、卫星接收系统等，通过这些催化剂、设备的应用，显著地提高了人工增雨效果。
不同的云在不同地区、不同季节、不同的催化条件下有不同的特点，因此要真正用好空中水资源，还有许多问题值得深入研究。
二、空中水资源开发利用的实践
1．国外研究状况及利用情况
(1)人工增雨机理的揭示
1891年前后，美国曾试验用大炮轰云，用气球和火箭携带炸药到云中爆炸等方法，以增加降雨量。以后有人设想用引入氢气以抬升空气，用加热气块以抬升空气，用机械方法利用鼓风机抬升空气，用电学方法播撒带电沙粒等方法促使降雨形成。遗憾的是这些方法不是收效甚微就是完全失败。直到20世纪中叶美国物理学才初步揭示了成雨及人工增雨机理：冷云上部如有大量冰晶可持续生长，而后落人下部便化为雨滴下降。如果冷云上部没有冰晶或冰晶数量不够，可通过向云中播撒催化剂，生长大量的人工冰晶，形成凝结核，造成降雨过程。
(2)催化剂成功应用
1946年11月，美国科学家朗缪尔和助手谢费在过冷层状云中播撒干冰，首次“向天取水”成功。1947年，美国人冯尼古特通过实验发现，在过冷雾中引入碘化银烟粒后，也能产生大量冰晶。用碘化银催化不需飞机，设备简单，用量很少，费用低廉。因此，一时之间，在美国出现了许多人工造雨公司，在其他国家也迅速推广开来。自此之后的50余年间，世界上先后已有80多个国家和地区加入到了“向天取水”的科技行列。美国、俄罗斯、以色列、乌克兰等国家的一些地区通过长期深入的科学试验研究，掌握了当地云雨特点和相应的人工增雨技术，证实了人工增雨的效果。
(3)开发利用空中水资源的形式
开发云水资源：美国加利福尼亚州由于经济的发展，水资源明显不足。1976～1987年间，美国垦务局等单位联合开发云水资源，他们用飞机上装置的碘化银发生器催化地形云，在人工影响的云区内可产生5万m3的降水。美国还在科罗拉多的落基山脉、新墨西哥的杰朱治山、华盛顿的卡斯卡达山、犹他北部的瓦桑奇山等地进行过人工影响地形云降水试验，取得了增加降水15%～20%的效果。1975年，以色列在其北部开始了以增加水资源为目的的人工增雨作业计划，达到相对增雨13%～15%的效果。从经济分析来看，每吨降水成本约合4美分，合人民币0.32元，取得了良好的经济效益。
利用雾水资源：南美洲的秘鲁西部山地和沙漠地区，属热带沙漠、草原干旱气候，年平均降水量不足50mm。由于西临太平洋，雾日较多，一些树林靠雾水生长。秘鲁为开发雾水资源，在西海岸利马(首都)以北105km处拉奥罗亚和利马以南602km处阿雷基帕设立了两个雾水收集站。雾水收集器是用尼龙网制成的，网上的小孔规格为lmm×lmm大小，面积4.5m2。尼龙网支架下边有一个大铁盘收集雾水。1988年5～8月是两个雾水站收集雾水最多的一年。在拉奥罗亚收集雾水1336.2L，换算出雨量为296.8mm，在阿雷基帕收集雾水742.5L,即165.1mm雨量。因此开发雾水资源有可能为缓解当地干旱作出一定贡献。
2．国内研究状况及利用情况
(1)我国人工增雨试验研究阶段
我国是掌握人工增雨技术较早的国家之一。1958年8月8日，一架苏式图—2轰炸机在吉林市北部至长春市之间的云层中：一路播撒干冰，使久旱的丰满水库地区迎来当季的第一场好雨。这是新中国历史上的“人工第一雨”。1963年3月8日，雷达第一次被应用到了人工增雨的作业中。一架由伊尔—12型飞机改装的人工降雨飞机，在北京房山县的良乡上空播撒下干冰，地面上则用雷达对整个过程进行跟踪观测，不仅记录了层状云降水回波的明显变化，而且还取得了许多人工雪晶和冰晶的系统资料，为研究人工增雨提供了重要的数据。
(2)人工增雨规模居世界之冠，效果显著
2003年全国已有30个省、自治区、直辖市的1862个县在开展长年的人工影响天气作业，形成了地面催化，高炮、火箭、飞机人工增雨立体网络体系。目前拥有人工影响天气专用飞机30架，高炮6929门，各种类型火箭发射架3804台，从事作业人员达3.5万余人，人工影响天气作业规模居世界首位。1975～1986年福建古田水库开展的高炮人工增雨试验表明，可增雨24%。1990～1995年河北省的飞机人工增雨研究分析表明，可增雨18%。1998～2003年北京市一共用飞机进行了22次液氮人工增雨作业，共增加了8.98亿m3降水，相当于每年增加53个昆明湖的水量，北京人工增雨的投入产出比高达1/90。人工增雨lm3水花费不到5分钱。可以看出，人工增雨不仅在抗旱减灾中起到巨大作用，而且为缓解水资源短缺和生态建设等方面发挥了重要作用。
(3)实施空中取水战略，建设人工增雨基地
我国西部内陆严重缺水，开发利用大气云水资源成为一项战略措施。针对青海省黄河上游云水资源条件好、有利于开发利用和解决黄河下游断流问题，加之该省多年的人工降雨经验，国家气象部门在开展云水资源调查和研究后，决定在青海省建设全国第一个云水资源开发基地。首期作业区约1万km2，目标是每年增加雨水30%。1997～2000年4年间，青海省在黄河上游约3.5万km2的区域内实施人工增雨作业，共增加降水60亿m3，其中为黄河增加径流13亿m3，不仅缓解了黄河下游的断流状况，而且增加了梯级水库的蓄水量，减低了水力发电的单位成本，对当地及黄河下游地区的社会经济发展和生态环境建设起到了重要作用。这一项目的建成将成为中国最先进的国家级人工增雨基地，并成为今后建设国内其他基地的示范。
吉林市2003年5月建立了全省首家立体开发空中水资源综合基地。配备了专用飞机、火箭装置、高炮、增雨防雹气象雷达、气象卫星接收系统等设备，具备了人工增雨防雹、飞机播种、航空灭虫、飞机施肥、水(火)险情监测、抢险救灾、护林防火等多种立体开发空中水资源综合性服务功能。
山西省大同市大力开发空中水资源。已探明该市空中水资源年均总量达476亿t。除去自然降水部分，每年至少还有27亿t空中液态水资源可供开发利用。由此形成了实施“空中取水”的战略。该工程由人工增雨防雹指挥中心、云水资源监测探测系统、信息网络和通信系统、空中水资源预测和预报系统、人工增雨防雹作业指挥系统、农业遥感信息中心6个子项目组成。项目建成投入使用后，“空中取水”每年可以增加水源1.5亿t，不仅可以有效地增加全市范围特别是雨养旱作农业区所需水分，同时能够大大改善水库蓄水量，提高向首都北京的送水能力，缓解北京市用水紧张的局面。
