空中水资源的开发与利用

　　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。

　　三、主要问题及建议

　　虽然不少地区开展了一些人工增雨工作，但因财力、物力的制约，以增加水资源为目的的空中水资源开发利用工作开展较少，规模化程度和科技水平不高，还没有从战略的高度来认识开发利用空中水资源的重要性和必要性。

　　1．主要问题

　　20世纪提出了大气水分循环和人工影响天气的基本理论，但是从观测到理论都还比较粗浅，而且不完整。尤其是成云致雨的理论及人工增雨技术等微观物理学过程了解不透彻。对人类活动无意识影响天气，特别是对其造成的气候变化可能影响的科学研究和认识不足。我国从20世纪50年代起，就开始搞人工增雨作业，但是，始终把它仅仅当作一种抗旱的技术手段，每遇干旱难熬时，地方政府就拨些款，向云层开炮，喷洒碘化银，能降多少算多少，以解燃眉之急，重应急抗旱作业，缺乏与水利设施建设相结合的空中水资源长期开发利用计划。科技投入不够，探测和作业技术装备相对落后，致使空中水资源利用效果难以准确评估。因此，我国人工增雨工作仍停留在粗放的应用研究阶段，还没有把人工增雨提高到战略资源开发的重要位置上。

　　2．对策建议

　　国内外已陆续开展了增加可利用水资源为目的的人工增雨工程。如果人工增雨能和现有地面上的江河湖泊及水利设施配合起来使用，将能缓解部分地区水资源短缺的状况。

　　(1)依靠科技进步合理开发空中水资源
　　应该大力加强科学研究和技术开发工作，建立地方、部门、科研院所、高等院校相结合的科研与技术开发体制，开展降水科学的应用基础研究，包括大气降水宏、微观结构及其变化规律和机制的研究；开展空中水资源人工调控和人工增雨技术研究；开展区域降水量与下垫面状况的关系研究等。

　　(2)建立多学科、多渠道的空中水资源开发机制
　　人工增雨工程除可增加降水资源外，还具有改善生态环境作用。在实施退耕还林、退耕还草工程时，如果结合适当的人工增雨，会有利于植被的快速恢复。简单的增雨对治理肆虐北方的沙尘暴的效果有限，但是如果增雨能和地面的植树造林活动相配合，则能取得相当显著的效果。结合人工增雨及时用飞机播撒合适的草种能为改造沙漠提供一条新途径。

　　(3)适应新形势，建设现代化的人工增雨机制
　　建设现代化农业、发展农业经济、增加农民收入，是全面建设小康社会的重大任务，也是开发空中水资源工作面临的新任务。随着我国经济的发展和气候变化的影响，水资源短缺日趋严重，生态环境日趋恶化，严重影响着广大人民群众的生活。因此在空中水资源开发和利用上要抓住一切有利降水的天气过程，采取多种手段，精心组织，科学设计，不失时机地开展以抗旱减灾和水资源开发利用等为目的的人工增雨作业。

　　(4)建立水资源利用立体保障体系，丰富空中水资源开发内容
　　综合考虑空中水资源的开发与地表水资源的调配、利用，逐步形成空中水与地表水、地下水相结合的三层立体水资源保障体系。人工影响天气服务由为农业抗旱、防灾减灾服务向合理开发利用空中水资源、防灾减灾、生态环境建设和提高人民生活质量服务拓展，由旱季作业向有利于调蓄水资源的其他季节作业拓展，由旱区作业向江河、库区水域源头作业拓展。随着投入的加大和技术手段的进一步完善，科学化、规模化的人工增雨技术将是新世纪缓解水资源短缺的一项重要的开源措施。科学地开发利用空中水资源，加强生态环境建设，促进人与自然的和谐发展和经济社会的可持续发展，都具有十分重要和深远的战略意义。　■

(作者单位：水利部水资源管理中心)
责任编辑 党维勤(实习)