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在本发明中,如果区分寻常大气的降水是空气中的水分在大气中变冷而导致水汽凝结成降至地面的过程为外降水的话,那么,沙漠内部沙层的低温致冷被吸入沙层的空气产生凝结的薄膜水和重力水的过程就应该被定义为沙漠的 ‘内降水’ 现象。 同时,这里把沙漠各沙层中的含水特征随昼夜温度的变化而起伏变化的现象称之为沙漠的 ‘内潮汐’。而把沙漠昼夜内外冷热空气的交换现象称之为 ‘沙漠的呼吸’。 而把沙层温度的变化特别是第一
第二沙层温度变化随昼夜循环而变化的现象称为沙漠内部的 ‘温度变化的循环’, 简称‘温度循环’。 显然,沙漠的内降水是由两部分组成:大部分是白天的热空气被沙漠内的负压吸入沙层内并降温到露点导致空气中水汽的凝结出现薄膜水并最终成为重力水下沉, 以及少部分是夜晚的冷空气因沙漠的负压和自身的重力下沉进入沙层内进一步降温在白天被热交换升温了的沙砾间隙的空气并使之降到露点产水。至于夜晚沙漠上空大气中的水汽凝结在沙漠表面沙粒上的冰(或露水)应该是属于沙层外部的凝聚水。这部分的水一部分在白天会被重新蒸发回大气,另一部分会因负压进入第一沙层参与沙层产水过程。 因此,沙漠产水来源除了内降水之外还部分来源于每个夜晚的地表冷凝水的部分水量。 应该指出的是:沙漠内降水和地表冷凝水在单位时间的计量上较之沙漠环境的大气降
雨量可能要少得多。 但是在沙漠条件下,这个过程却每日每夜都在几乎不停的进行着。自从沙漠诞生以来的第一天到千年万年来一直不停积累将会使得沙漠内降水的总量会较之人们目前,即使是在读此发明介绍时所能想象的还要多得多。所以,沙漠地下的储水量必定十分可观, 沙漠越大,沙层越厚的沙漠产水量就越大。这点,可以从世界上的大部分沙漠地下都发现巨大的水源积聚,特别是在沙哈拉大沙漠地低的巨大储水探测量得到佐证 [21]。
本发明理论的另一个观点是认为沙漠上空大气极端干燥的原因是由于沙漠日日夜夜的产水作用造成的不停抽吸排干空气中的水份的效果所导致。 因为如果沙漠上空大气的干燥原因是通常人们认为是因为白天的高温所致的高蒸发量和高露点的原因,造成降雨量的极少的话,那么,白天被蒸发入空气中的水分在晚间低温露点时的降雨和强降雨应该是很普通的沙漠现象;即因此的日均 24 小时降水量应该不少 --- 这显然与事实不符。在这里, 通常沙漠在日间所说的蒸发量严格来说应该被称为是‘蒸发潜能’或者是 ‘蒸发能力’; 因为实际上在沙漠日间根本没有那样多的水量供白天的沙漠环境去蒸发。所以,沙漠以其在温度循环基础上的沙漠呼吸,使得沙漠把空气中的水份经过沙层外部的地表冷凝和内部的内降水形式日日夜夜不停的收集并储存在地下。这才是沙漠上空大气极端干燥的真正原因。
纵观各研究文章的叙述可以看出,如果把承压水换成内降水量的概念,几乎所有的疑问都迎刃而解。而把凝聚 -- 部分蒸发和部分内渗 --- 再凝聚 -- -再部分蒸发和部分内渗的蒸发和凝聚的循环因素考虑进去的话。那么上述沙层中孔隙水的反复蒸发-补给的过程也得到证实。也就是说沙漠地区白天地表蒸发入空气的水分在夜晚又会部分以地表冷凝水的形式回归地面沙层以下。由此是造成了一些文章中发现的 20-25cm 以下沙层中孔隙水的 18O 数值表明它经过了反复蒸发和补给的过程 [8,9, 11] 的真实原因。当然这里并不是说所有湖水的补充一定没有传统概念的地下承压或地质深层的水源介入,而是说绝大部分现在的承压水概念应该来源于沙漠内部的降水和夜间的凝聚水。
反大湖效应
在气象学中有一种现象被称为‘大湖效应’:当秋冬时节移动的冷气团遇见大湖上空的湿润暖空气之后会在冷气团经过的地区产生大量的降雪,形成雪暴灾害。此现象所降之水来源于湖区上空蒸发的水汽。而在沙漠地区的干旱高热气象条件,与大湖现象完全相反,应该存在一种 ‘反大湖效应’ 即‘沙漠效应’的气象现象的存在:白天的高温使得沙漠上空的空气膨胀上升到较高的大气空间。由此沙漠四周较低温度和较重空气在较低的高度上向沙
漠地区移动填补沙漠气流上升造成的空间并带来相对湿润的空气流。而沙漠上空白天上升并扩张的大气在于周边气流交集的结果造成了沙漠地区周围的气象也变得干燥少雨。简单地说沙漠上空的大气与周围的空气交融湿度和温度。使得沙漠内降水造成的干燥效果影响到沙漠外周围地区。远期的效果是沙漠环境的扩张。同时也使得沙漠区内边缘部分的内降水现象应该要大于沙漠的中心地区。特别是在沙漠外周空气流填补沙漠上空路过的“风径”上越过高山后下沉并温度降低导致空气的体积变小而湿度上升时应该更为明显。比如在中国的巴丹吉林沙漠湖群现象;湖群密布在盆地地貌的沙漠东南部边缘区,山区的西北面地区。这种效应在气象和地质学上应该被定义为 ‘沙漠效应’。 在巴丹吉林沙漠内缘周围的沙漠效应过程用还涉及另一个过程,或者另一个现象:似
乎是 ‘逆焚风’现象:即当有相对湿度较高但实际湿度较低的空气流吹向山背后相对湿度较低的地区时,由于此时空气的实际湿度较低,所以在越过山峦时不会像焚风吹过高山那样产生降水现象。因此此时空气所带的水量没变。当这样的风吹过山峰后,为山背面相对湿度较低的大地带来相对较高的湿度(而非像焚风那样在越过高山后给山背面带去干燥的热风)。 在个过程在效果上起到了沙漠抽吸周围大气中水分的作用。 这自然地有利于沙漠 ‘主动地’向外扩张,造成周边地区的沙化。这也应该是位于雅布赖山西北面和北大山以北的巴丹吉林沙漠湖群区降水多于西北部的原因之一。
从以上的原理还可以看出:沙漠大气的湿度越高就越有利于沙漠内降水的效率。但是,降雨却对沙漠内降水会产生抑制效果;因为降水淋漓第一沙层可以快速地破坏第二沙层的温度稳定和填补沙漠的负压效果。这从一些研究结果可以直接看出[18,Fig. 4] 。虽然由于降雨带来入渗的水量,使得流入地下的水量会是增加的。但在雨量小的时候有时仅仅可以观察到只在第一沙层的潮湿增加而似乎没有影响到第二沙层 [8 ],但是,由于负压的存在,第一沙层由雨水所致的潮湿空气中的大部分水分将被负压吸入第二沙层增加内降水的量,而非想象的全部又被蒸发回到大气中。
在诸多的研究中都报道沙层表面的干沙层仅仅在 20-40 厘米之间 [9, 12, 14(表6), 17]。 陈建生还报道,2003 年 9 月两次分别为 5.5 和 10.6 毫米降水量的大气降雨仅仅渗入沙层的厚度为 65 和 130 毫米。且于一周后入渗的雨水全部被蒸发干[9] 。马宁报道,在 2012 年观测到几次 4.0 毫米的大气降水事件,绝大部分在随即的几天内蒸发 [20] 。依此现象,那么现在通常大气降水量对湖水补给的概念都应该依当地干沙层的厚度及其季节变化来更精确地计算和相关概念的评定。因为如果不以内降水的概念来看,所有降水量小于可以湿润表面干沙层(约 200-400 毫米)的大气降水都不应考虑为 直接补给湖水的来源。况且又有报道在巴丹吉林沙漠地区的降水中,有高达 90%的降水次数是小于 5 毫米的事件[20] 。 因此,引入‘表层降水’,‘表层降水量’,和 ‘深度降水’,‘深度降水
量’,及其两者间‘阈值降水’ 和‘阈值降水量’的概念是必要的。(这里不用‘有效’和‘无效’ 的概念来划分,是由于所有的大气降水都会对沙漠内降水产生某种‘有效’的影响)。 同理,在考虑蒸发量时应该把实际的蒸发量和蒸发潜能分开:湖水水面的蒸发量与沙地表面的实际蒸发量是不同的:对于前者来说,蒸发量等于蒸发潜能。而对于沙地来说,实际的蒸发量应该要小于蒸发潜能,即湖面的蒸发量。因为沙地的实际蒸发量依照大气的状况在不停的变化的特别是大气降水的前后这种变化极具明显[20 图 6a,图 8a] 。 所以,湖水水面的蒸发量实际上对于沙地表面来说应该是蒸发潜能。那么,在考虑到沙漠的蒸发量,特别是沙地的实际蒸发量对湖区水源来源量作统计时,不应该把所有湖区流域面积与湖水面积和沙地面积来统一的计算它们的蒸发量。也就是说,在沙地的蒸发量不应该以沙地的蒸发潜能来计算实际的蒸发量。
受沙漠内降水因素的影响,沙漠绿洲湖泊水源相当一大部分甚至可以是全部来自于附近沙漠地质结构的内降水造水。沙漠湖泊绿洲的生存环境一方面与沙漠绿洲地下的地质构造高度由关,另一方面也与之高度相关的是绿洲附近沙漠沙层的厚度。 沙层的总厚度越厚,第二第三沙层产水的潜力就越大。同时,沙山的高度因为所拥有的面积和体积要大于平坦地势的沙地,所以沙山内部的内降水将多于后者。 这应该也是沙漠湖泊多临近沙山的原因;几乎绝大部分的绿洲都傍沙山存在。 如果沙漠巨大的地下水资源是来源于大气降水的话,那么,在撒哈拉地区空气极其干燥,大气降水量极其罕见的条件下仍然在地下储藏着世界最大的地下水量, 就与之矛盾。
沙漠内降水理论对先前研究结果的解释,或者现有的研究结果对它有利的证明:
1. 巴丹吉林沙漠地区大气降水量少且年蒸发量大的条件下,湖区仍基本维持常年的丰富水量。虽然被认为是地下水源补给湖水,但至今为止没有足以说服人的证据来直接给与证明。
2. 马延东的报道发现 [14]:在距离沙山顶部 35 米处发现的洼地聚水滩[图 2],以内降水原理来解释:说明了该沙山内降水至少在 35 米厚处的沙层中就可以形成上述第四沙层。因为如果是大气降水的话,那么,依据该文表 5 的大气降水入渗虑率 2.0cm/min 来估算, 从沙山顶部及其附近雨水入渗到该处洼地聚水应该不到 36 小时的时间。如果在考察前一两天该处如果已经下过雨的话,那么,研究人员绝不会把那个对研究有如此重大影响的因素忽略掉。参考赵景波在腾格尔中卫沙层所发现在距地表约 2.5 米处就已经发现有重力水出现的事实,结合该地沙层入渗率来分析 [12,图 5,表 1] , 可以佐证在距沙山顶部 35 米这个深度以上的沙层应该早就已经有内降水产生了。而作者再往沙山下部发现水的径流溢出的现象应该是由于内降水造成的;该处内降水的重力水量超过了该处的入渗率。也就是说该处的内降水的重力水向下流渗时遇到相对渗透率较小的细沙层而溢出山体。这是与在山顶 35 米处发现的水滩洼地是由同一个原理造成,只不过在洼地时发生使水聚积而非再次入渗下层粗沙层而已。所以在洼地处的水聚集没有也不易发生文中随后所述的,在海拔 1350 米和 1326 米处发现的径流出露产生造成的化学和物理沉积现象。
3. 在陈建生的报道中距湖面高 17 米处的沙地有泉水流出的现象 [9],在当地 9 月份考察的时间仅仅有过两场‘表层降水’的条件下出现高出湖面 16 米(17 米减去 1 米的井深)处的泉水流出,且没有地下泉水上涌的类似高程水头的泉眼出现的情况下,该处的泉水来源只能以沙漠内降水的产物来解释。
4. 同位素异常测定值:孔隙水的千分偏差 18O 的正值表示它经过了反复补给-蒸发过[8, 11]。地下水中的氘氧同位素异常表明地下水在入渗之前就受到了强烈的蒸发[8!] 。同时,这个结果间接地证明了依照上述分析的原理, 表层降水量的去向分化为重新蒸发部分和被负压吸入深部沙层成为孔隙水的部分:后者的千分偏差 18O 的正值表示它经过了反复补给蒸发。
5. 不仅是巴丹吉林沙漠下,几乎所有沙漠地下都发现有地下水储存。特别是撒哈拉沙漠[21] 。这似乎给人以沙漠越大,其地下水越多的概念。
6. 在赵文考察中卫沙漠同一时期考察的民勤地方的沙层,却在地下 4 米处仍然未见重力水的出现[12, 图 5a1,a2],说明了沙层的分层变化依不同的地质和大气条件而不同的事实;中卫地区的年降水 186mm,民勤地区的年降水 107mm。
7. 值得注意的是,在以往的研究中在考虑湖区总补给水量时,都是将降水量以外的补给量都认为是来源于承压水及其越流。如果仅仅这样的分析将会得到大气的降水没有抑制反而增加了沙层内降水的效果而与上面 [0023] 中所述大气降水会抑制内降水的结论矛盾。因为在以沙漠内降水的原理来分析上述诸多的文章的结果时,比如中卫地区的年降水 186mm,民勤地区的年降水 107mm。前者沙层含水量较后者丰富是由于地区降水多造成的这样一个矛盾的概念。但是在考虑沙层的入渗率后就可以看出者是不对的。因为在发生可以入渗到第二沙层的降雨水量之后,依据当地的沙层入渗率[9 表 5]粗略地来推算,虽然沙层可以保持一定的水量,但仅仅需要大约不到三小时降水就可以穿透 4 米的沙层,在沙层下开始排出降水(重力水)。研究人员不会在雨后三个小时就开始收集数据
而不特别说明。
8. 丁宏伟报道[10]:通过对巴丹吉林沙漠毛日图和西巴丹山顶剖面深度的温度和湿度的测量,发现“两个地点 20cm 以上浅沙层含水率仅为 1.1%~1.2%, 40 cm (处)迅速达到2.8~3.2 %, 形成湿沙层”[图 4]。
9. 所有上述沙层中重力水下行或以任何形式的排出,造成的流水体积的空缺会对沙层地表面产生向内的空气负压。上述所有观察到大气降雨在随后的时间又被蒸发消失的现象在上述负压的存在下逻辑上不可能全部都被单向地蒸发回到沙漠的大气中。这点从马宁文章[20 图 7 所示的 2012 年 6 月 28 日及以后数次降水后的沙层体积含水量变化可以看出:自第一次的 6 月 27 日降水后至 7 月 20 日的时间中 45 厘米深处沙层和含水量一直在增加。即使是在距离最后一次降水的 7 月 6 日以后的 14 天内都一直是这样。从而证明了沙层中的雨水有负向蒸发现象的存在。虽然目前还没有令人信服的理由来解释同图 65 厘米处含水量稳定的原因。但是在负压条件下来考虑,蒸发量不能作为否定大气降水入渗地下作为湖水来源的理由。
附图说明
图 1 显示了大气水源采集器的设计工作原理。
图 2 示意原理应用一种但不限于此的简易方法:直接在沙层或类似作用的物体堆积底部加一道人工隔水层,收集沙层自然产的凝聚水进入所需的引流管或储水罐。
图 3 示意原理应用另一种但绝不仅限于此的简易方法。
图例标记及发明设备工作原理说明:
1-表示风井,该风井以产生抽吸空气造成负压为目的,由风井产生的负压经此抽吸地下的凝聚水和空气。同时造成地面产生一个由地面向地内方向的负压吸力。 在夜晚吸入较低的空气以冷却产水系统周围的自然的或者经过筛选过大小的沙粒层 12 (或者任何用以冷凝大气水分为相同目的的任何形状的物体,包括任何人造的,以任何材料制成的物体)。当白天较高温度的地表空气被吸入地下后,与夜晚已经被降温了的沙粒 12 进行冷热交换得到冷却。冷却后的空气湿度增加并使水汽吸附/凝聚在沙粒 12 与空气接触的表面上。被沙粒 12 吸附的水气由开始的薄膜水逐渐成为重力水,并最终循经由气/水分离室 3底部的沙层 2 进入气/水分离室 3。风井的高低和直径将影响产水量效率。在图 2 中风井也可以直接和储水池连接。
2-带有气孔的隔沙层,位于沙层的下部 。 在某些设计中可以不需要。
3-气/水分离室。其作用是降低此处的负压 使得凝聚的水留在底部而不至于被所含有的气体因过大的负压导致翻腾蒸发造成部分的损失。并使得水中的气体被风井抽出。在图3 中与 9 , 5 合为一体。
4-风井底部带有侧壁或底部开口(图中未示)的集沙池。其开口便于清理日久由外部气象因素引起的沙尘倒灌产生的沉淀物。(在变通简化的应用设计中可以不需要)。
5-气/水分离室底部引水管出口。在图 3 中与 9 , 3 合为一体
6-气水分离室底部引水管周围前的突起,起到沉淀,阻碍细沙流入蓄水池的作用。(在变通简化的应用设计中可以不需要)。
7-聚沙池,经过突起 6 之后的细小沙粒在此进一步被沉淀隔离。(在变通简化的应用设计中可以不需要)。
8-聚沙池底部的排沙口,此出口打开时池中的水流冲击底部的沙沉淀经排沙管道(图中未示出)排沙。(在变通简化的应用设计中因为聚沙池 7 的弃用而自然无需要)。
9-引水通道。被收集到的水(经被突起 6 和聚沙池 7 阻挡除去细沙的水流在注满聚沙池 7 后,)由此管引入储水池。在图 3 中与 3 , 5 合为一体。
10-储水池。底部有放水口 11,把放出的水经管道引流到需要的地方。
11-出水管道口。上有节制阀门 19 ,当储水池中水位的压力一定时该阀门会自动打开。
12-沙层和沙粒,其作用是起到让被吸入的空气冷却。沙层和沙粒 12 受夜晚低温大气冷却,再于白天与被吸入沙层的热空气进行热量交换以降温吸入的热空气,使得后者释放出水分,并使水分吸附在沙层沙粒表面成为薄膜水,再进而成为重力水。最后经沙粒之间的间隙被负压运送通过 3 的底部小孔 2 并最终进入储水池。
13-风井上的防尘防水倒灌装置:预防沙尘暴时的沙尘粒降落进入井内。(在变通简化的应用设计中可以有风井顶部下弯代替)。在海面/海岛的条件下,该装置还有防止海水因海浪倒灌污染淡水的作用。
14-任何形式的人工隔水层。其作用是增加风井产生的负压效果。(在变通简化的应用设计中可以不需要)。在图 2 中表示隔离重力水的流失,经引水通道 9 用以收集淡水。 在海洋海岛的系统改进应用方面,还起到隔离海水污染淡水的作用。
15-气/水的混合流及其方向。
16-水流的收集流向。
17-气流及其方向:在图 1 中表示被风井形成的负压抽吸空的。在图 2 中是由重力水下沉产生。 或由风井(图中未示出)直接连接储水池 10 带来的负压形成向储水池方向的气流。
18-地表线,简示地表与地下的上下界面。其上部为空气,下部为沙层或或者是任何用以冷凝大气水分为目的的任何形状的物体 12,包括以任何材料制造的人造物体埋填此大气制水装置的四周。
19-压力节制阀的作用是当储水池的水达到一定的压力后自动方水而无需人工操作。
20-加固的隔沙透水装置,以阻挡沙粒进入储水池。某些设计中可以用 2 来替代。
21-围墙,用以防止风和雨水以及海水损毁堆积物(如沙层和沙粒 12)及其流失。在陆地上也可以不需要。
具体实施方式
实施例
一种大气自动制水系统,完全不消耗包括人工转换的自然能源在内的能源的。该系统借助对吸附空气中水气的物体被大气日夜温差造成持续循环的冷却,以促使所述吸附空气中水气的物体之间的空气进行循环冷却以降低空气露点来产生凝聚水的方法。该 产水系统包括了用来产生负压为目的的风井 1,气/水分离室 3 和带有压力节制阀 19 的储水池 10和吸附空气中水气为目的的物体。
风井 1 大部分突出地表以上,产生一个对吸附空气中水气为目的的物体单一方向的负压。 所述用于产生负压作用的风井上部高出地面,其下部连接有气/水分离室 3,可引导水流进入。所述风井底部带有除尘口,用以排除沉积的沙粒。 所述的气/水分离室指任何分离所产的水和空气的部分。其有一定的空间高出所产水流以上以分离水和空气。可以让水和气体溢出。并且有开口引导水流最终进入储水池。在简化设计可以与储水池合并。 所述的储水池由一个引导水的流入管和一个储水池和一个出水管组成。出水管上带有节制阀,其作用是当储水池中的水压但到一定的程度时会自动打开放水。 所述系统的原理可以变通简化包括但不仅仅限制于用在沙堆下方直接承接该沙堆因温度变化所导致的沙堆产生的凝聚水。承接水的方法可以用任何方法来引出或者储存。 任何增加沙堆或替代物之间的空隙之间的空气流通量以增加冷凝水产量的方法包括但绝不局限于在此发明原理的基础上使用电能使风井增加吸气排气能力的方法。 基于上述应用系统的沙漠产水方法,包括了,沙漠底部凝聚水的排流造成沙漠沙层产生负压使得沙漠吸入地表大气在沙漠日夜温差变换条件下导致沙漠对大气中水分抽吸是造成沙漠干旱原因的理论概念。
说明书附图： （略）
续完。
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