将太阳能海水淡化技术与含水层管理相结合，以实现沙特阿拉伯中部的综合地下水管理

《Desalination》：Coupling solar-powered desalination and Managed Aquifer Recharge for integrated groundwater management in Central Saudi Arabia

沙特阿拉伯利雅得-卡西姆走廊开展PV-RO与MAR耦合试验，250kWp光伏反渗透系统日均产水324立方米，电耗3.34kWh/立方米，回灌 basin容积1600平方米，12个月回收75%注入量。水质显著改善，电导率、总溶解固体、钠分别降低19-25%、19-25%、4.1。长期模拟显示PV-RO-MAR方案至2050年水位下降18米，优于持续抽水28米的情景。生命周期评估显示CO?排放减少85%，投资回报期6年，内部收益率14%。

　　沙特阿拉伯的水资源状况正面临严峻挑战，这一问题在该国的沙质地层地下水系统中尤为突出。由于过度抽取地下水，该地区的地下水位正在以每年1.8米的速度下降，而自然补给量却远远低于需求。这种不平衡不仅威胁到农业、工业和城市用水的可持续性，还导致了一系列环境问题，如土地沉降、盐水入侵和硝酸盐富集。为应对这一挑战，沙特阿拉伯正在推进其“2030愿景”，将可再生能源与地下水管理技术相结合，以提高水资源的可用性和质量。

本研究在利雅得-卡西姆走廊开展了一项现场示范，测试太阳能驱动的反渗透（PV-RO）脱盐技术与管理性含水层补给（MAR）结合是否能有效稳定地下水位并改善水质。该地区是沙特阿拉伯重要的农业和工业区域，地下水的过度开采导致了严重的水危机。研究团队部署了一套250千瓦光伏阵列，为一套双级、压力交换型反渗透脱盐设备提供电力，该设备平均满足每日1.08兆瓦时的电力需求，生产出每天324立方米的渗透水。太阳能供电占总电力需求的87%，显示出太阳能在该地区脱盐应用中的可行性。多余的渗透水通过一个1600平方米的渗滤盆地进行渗入，并通过一个每秒25升的注入井进入地下含水层。经过12个月的运行，75%的注入水量被回收至生产井，这表明MAR技术在该地区的有效性。

在水化学方面，研究结果显示，经过MAR处理后的地下水电导率、总溶解固体（TDS）和钠含量分别减少了19%至25%。钠吸附比（SAR）也从5.2降至4.1，显示出水质的显著改善。这种改善不仅提高了地下水的可用性，还增强了其作为饮用水的潜力。地下水位的变化同样引人注目，特别是在补给区附近，地下水位回升了高达1.3米。这表明通过MAR技术将太阳能脱盐的多余水注入地下，能够有效缓解地下水位下降的趋势，恢复含水层的水力平衡。

从长期来看，研究团队使用MODFLOW 6-MT3DMS模型预测了在当前需求下，到2050年地下水位的累计下降将被限制在-18米，而如果继续无节制抽取地下水，这一数值可能达到-28米。这一结果强调了将可再生能源与地下水管理技术结合的重要性，因为这种结合不仅能够减少地下水的过度开采，还能在一定程度上延缓地下水位的下降速度。此外，研究还评估了该系统的生命周期成本和碳排放，结果显示与柴油驱动的脱盐系统相比，CO?排放量减少了85%。同时，通过折现现金流模型计算出的回收期为六年，内部收益率（IRR）为14%，表明该系统的经济可行性。

在气候和地理条件方面，利雅得-卡西姆走廊位于沙特阿拉伯的中部，地理坐标介于北纬22°至26°，东经44°至46°之间。该地区的气候属于干旱至半干旱类型，年降水量极少，而蒸发量却非常高。这种气候条件使得地下水的自然补给极为有限，而农业和工业用水需求却持续增长。研究团队在该区域的地下水监测井（MW-1至MW-5）之间布置了脱盐和MAR系统，这些监测井分布在从利雅得南部城市中心到卡西姆北部农业区的海拔梯度上。系统的核心设施——太阳能脱盐厂、渗滤盆地和注入井——位于监测井MW-3和MW-4之间，形成了一种闭环的基础设施，用于可持续的地下水管理。

为了全面评估系统的性能，研究团队建立了一个现场监测网络，并定期采集水样进行分析。监测网络包括多个关键点：太阳能阵列的运行情况、脱盐设备的出水质量、渗滤盆地的补给效率以及注入井对地下水的影响。通过这些数据，研究人员能够深入了解太阳能脱盐与MAR结合后的水力和化学响应。例如，渗滤盆地的设计使得渗透水能够通过重力作用进入浅层含水层，而注入井则确保了水的深层补给。这种分层补给策略有助于提高地下水的储存能力和质量，同时减少表面积水的蒸发损失。

在太阳能脱盐性能方面，研究团队关注了单位能耗（SEC）、回收率和浓缩水（brine）的质量。系统平均单位能耗为3.34千瓦时每立方米，这一数值表明太阳能脱盐在该地区的能效表现良好。同时，脱盐设备的回收率保持在较高水平，确保了大部分处理水能够被有效利用。浓缩水的排放也得到了妥善处理，通过专门的渠道排入周边环境，避免了对地下水系统的进一步污染。此外，研究还发现，太阳能的产出与脱盐设备的运行需求高度吻合，特别是在冷却需求高峰期，这种同步性有助于提高系统的整体效率，减少能源浪费。

研究团队还分析了不同补给策略对地下水管理的影响。在利雅得-卡西姆走廊，通过GIS和AHP（层次分析法）分析，研究人员确定了64%的中央地形区域在物理和水文-地球化学条件上适合用于MAR盆地。这些盆地可以利用回收的废水或太阳能脱盐的多余水进行补给，从而形成一种分布式、无蒸发损失的水储存系统。这种系统不仅能够作为干旱时期的应急水源，还能在电网中断时提供稳定的供水保障。此外，研究还发现，将太阳能脱盐的渗透水注入地下含水层，可以有效减少表面积水的蒸发损失，同时避免高温地区常见的藻类污染问题。

在地理信息系统（GIS）和遥感技术的支持下，研究人员能够精确地确定MAR盆地的最佳位置，并优化太阳能脱盐设备的布局。例如，在Al Qunfudhah沿海地区，Alshehri等人通过AHP-GIS分析发现，仅有4.04%的研究区域被评定为非常高的补给潜力，而31.09%的区域则被认为是非常低的潜力。这表明，在选择MAR实施地点时，必须综合考虑地形、地质构造和排水模式等因素。此外，在Abha-Khamis高地走廊，Arshad等人结合AHP和群体决策模型，筛选出20个符合技术、社会和环境要求的垃圾填埋场，这些场地被用于太阳能场和处理废水管道的建设，展示了多标准工具在辅助基础设施选址中的价值。

城市规划也从这一研究中受益。Aloshan等人在Onaizah设计了三条步行导向走廊，这些走廊不仅提高了城市步行的便利性，还减少了机动车排放，同时为未来的水输送管道预留了地下通道。这种将水资源管理与城市基础设施相结合的策略，有助于在城市扩张过程中维持水资源的可持续性。此外，研究团队还发现，通过优化太阳能脱盐与MAR的协同运行，可以进一步提高系统的经济性和环境效益。例如，在Neom的优化研究中，联合调度水和电力资产的策略比单独运行的策略更具财务优势，尤其是在电力组合偏向非调度性可再生能源的情况下。

尽管太阳能脱盐和MAR技术在其他地区已有成功应用，但在沙特阿拉伯，尚未有研究系统地展示这两种技术的现场耦合及其综合水力-能源性能。现有的脱盐试点主要集中在优化膜材料以适应咸水来源，而MAR研究则更多关注于选址算法或补给坝的效率。然而，本研究填补了这一空白，首次在沙特阿拉伯实现了太阳能驱动的反渗透脱盐与稳定同位素追踪的MAR技术的现场结合。这一结合不仅提高了地下水管理的科学性和技术性，还为未来大规模推广提供了实践基础。

总体而言，本研究展示了太阳能脱盐与MAR技术在应对沙特阿拉伯地下水危机中的巨大潜力。通过将太阳能转化为电力驱动脱盐设备，再将多余的渗透水注入地下含水层，这一系统能够在减少地下水开采的同时，提高水质和恢复地下水位。此外，该系统在经济和环境方面的表现同样令人鼓舞，其单位能耗较低，碳排放显著减少，且具有较长的回收期和较高的内部收益率。这些优势使得太阳能脱盐与MAR技术成为沙特阿拉伯实现水安全和可持续发展的重要工具。

未来的研究可以进一步探索如何在不同地理和气候条件下优化太阳能脱盐与MAR的结合。例如，如何在高蒸发率地区提高渗滤盆地的补给效率，如何在水资源紧张的区域最大化地下水位的恢复，以及如何通过政策和技术手段推动这一系统的广泛应用。此外，研究还可以关注如何将这一技术与其他水资源管理措施相结合，如雨水收集、废水处理和循环利用，以构建更加综合和高效的水资源管理体系。最终，通过不断的技术创新和政策支持，太阳能脱盐与MAR技术有望成为沙特阿拉伯应对水资源危机的关键解决方案，为农业、工业和城市用水提供长期保障。