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在本發明中,如果區分尋常大氣的降水是空氣中的水分在大氣中變冷而導致水汽凝結成降至地麵的過程為外降水的話,那麽,沙漠內部沙層的低溫致冷被吸入沙層的空氣產生凝結的薄膜水和重力水的過程就應該被定義為沙漠的 ‘內降水’ 現象。 同時,這裏把沙漠各沙層中的含水特征隨晝夜溫度的變化而起伏變化的現象稱之為沙漠的 ‘內潮汐’。而把沙漠晝夜內外冷熱空氣的交換現象稱之為 ‘沙漠的呼吸’。 而把沙層溫度的變化特別是第一
第二沙層溫度變化隨晝夜循環而變化的現象稱為沙漠內部的 ‘溫度變化的循環’, 簡稱‘溫度循環’。 顯然,沙漠的內降水是由兩部分組成:大部分是白天的熱空氣被沙漠內的負壓吸入沙層內並降溫到露點導致空氣中水汽的凝結出現薄膜水並最終成為重力水下沉, 以及少部分是夜晚的冷空氣因沙漠的負壓和自身的重力下沉進入沙層內進一步降溫在白天被熱交換升溫了的沙礫間隙的空氣並使之降到露點產水。至於夜晚沙漠上空大氣中的水汽凝結在沙漠表麵沙粒上的冰(或露水)應該是屬於沙層外部的凝聚水。這部分的水一部分在白天會被重新蒸發回大氣,另一部分會因負壓進入第一沙層參與沙層產水過程。 因此,沙漠產水來源除了內降水之外還部分來源於每個夜晚的地表冷凝水的部分水量。 應該指出的是:沙漠內降水和地表冷凝水在單位時間的計量上較之沙漠環境的大氣降
雨量可能要少得多。 但是在沙漠條件下,這個過程卻每日每夜都在幾乎不停的進行著。自從沙漠誕生以來的第一天到千年萬年來一直不停積累將會使得沙漠內降水的總量會較之人們目前,即使是在讀此發明介紹時所能想象的還要多得多。所以,沙漠地下的儲水量必定十分可觀, 沙漠越大,沙層越厚的沙漠產水量就越大。這點,可以從世界上的大部分沙漠地下都發現巨大的水源積聚,特別是在沙哈拉大沙漠地低的巨大儲水探測量得到佐證 [21]。
本發明理論的另一個觀點是認為沙漠上空大氣極端幹燥的原因是由於沙漠日日夜夜的產水作用造成的不停抽吸排幹空氣中的水份的效果所導致。 因為如果沙漠上空大氣的幹燥原因是通常人們認為是因為白天的高溫所致的高蒸發量和高露點的原因,造成降雨量的極少的話,那麽,白天被蒸發入空氣中的水分在晚間低溫露點時的降雨和強降雨應該是很普通的沙漠現象;即因此的日均 24 小時降水量應該不少 --- 這顯然與事實不符。在這裏, 通常沙漠在日間所說的蒸發量嚴格來說應該被稱為是‘蒸發潛能’或者是 ‘蒸發能力’; 因為實際上在沙漠日間根本沒有那樣多的水量供白天的沙漠環境去蒸發。所以,沙漠以其在溫度循環基礎上的沙漠呼吸,使得沙漠把空氣中的水份經過沙層外部的地表冷凝和內部的內降水形式日日夜夜不停的收集並儲存在地下。這才是沙漠上空大氣極端幹燥的真正原因。
縱觀各研究文章的敘述可以看出,如果把承壓水換成內降水量的概念,幾乎所有的疑問都迎刃而解。而把凝聚 -- 部分蒸發和部分內滲 --- 再凝聚 -- -再部分蒸發和部分內滲的蒸發和凝聚的循環因素考慮進去的話。那麽上述沙層中孔隙水的反複蒸發-補給的過程也得到證實。也就是說沙漠地區白天地表蒸發入空氣的水分在夜晚又會部分以地表冷凝水的形式回歸地麵沙層以下。由此是造成了一些文章中發現的 20-25cm 以下沙層中孔隙水的 18O 數值表明它經過了反複蒸發和補給的過程 [8,9, 11] 的真實原因。當然這裏並不是說所有湖水的補充一定沒有傳統概念的地下承壓或地質深層的水源介入,而是說絕大部分現在的承壓水概念應該來源於沙漠內部的降水和夜間的凝聚水。
反大湖效應
在氣象學中有一種現象被稱為‘大湖效應’:當秋冬時節移動的冷氣團遇見大湖上空的濕潤暖空氣之後會在冷氣團經過的地區產生大量的降雪,形成雪暴災害。此現象所降之水來源於湖區上空蒸發的水汽。而在沙漠地區的幹旱高熱氣象條件,與大湖現象完全相反,應該存在一種 ‘反大湖效應’ 即‘沙漠效應’的氣象現象的存在:白天的高溫使得沙漠上空的空氣膨脹上升到較高的大氣空間。由此沙漠四周較低溫度和較重空氣在較低的高度上向沙
漠地區移動填補沙漠氣流上升造成的空間並帶來相對濕潤的空氣流。而沙漠上空白天上升並擴張的大氣在於周邊氣流交集的結果造成了沙漠地區周圍的氣象也變得幹燥少雨。簡單地說沙漠上空的大氣與周圍的空氣交融濕度和溫度。使得沙漠內降水造成的幹燥效果影響到沙漠外周圍地區。遠期的效果是沙漠環境的擴張。同時也使得沙漠區內邊緣部分的內降水現象應該要大於沙漠的中心地區。特別是在沙漠外周空氣流填補沙漠上空路過的“風徑”上越過高山後下沉並溫度降低導致空氣的體積變小而濕度上升時應該更為明顯。比如在中國的巴丹吉林沙漠湖群現象;湖群密布在盆地地貌的沙漠東南部邊緣區,山區的西北麵地區。這種效應在氣象和地質學上應該被定義為 ‘沙漠效應’。 在巴丹吉林沙漠內緣周圍的沙漠效應過程用還涉及另一個過程,或者另一個現象:似
乎是 ‘逆焚風’現象:即當有相對濕度較高但實際濕度較低的空氣流吹向山背後相對濕度較低的地區時,由於此時空氣的實際濕度較低,所以在越過山巒時不會像焚風吹過高山那樣產生降水現象。因此此時空氣所帶的水量沒變。當這樣的風吹過山峰後,為山背麵相對濕度較低的大地帶來相對較高的濕度(而非像焚風那樣在越過高山後給山背麵帶去幹燥的熱風)。 在個過程在效果上起到了沙漠抽吸周圍大氣中水分的作用。 這自然地有利於沙漠 ‘主動地’向外擴張,造成周邊地區的沙化。這也應該是位於雅布賴山西北麵和北大山以北的巴丹吉林沙漠湖群區降水多於西北部的原因之一。
從以上的原理還可以看出:沙漠大氣的濕度越高就越有利於沙漠內降水的效率。但是,降雨卻對沙漠內降水會產生抑製效果;因為降水淋漓第一沙層可以快速地破壞第二沙層的溫度穩定和填補沙漠的負壓效果。這從一些研究結果可以直接看出[18,Fig. 4] 。雖然由於降雨帶來入滲的水量,使得流入地下的水量會是增加的。但在雨量小的時候有時僅僅可以觀察到隻在第一沙層的潮濕增加而似乎沒有影響到第二沙層 [8 ],但是,由於負壓的存在,第一沙層由雨水所致的潮濕空氣中的大部分水分將被負壓吸入第二沙層增加內降水的量,而非想象的全部又被蒸發回到大氣中。
在諸多的研究中都報道沙層表麵的幹沙層僅僅在 20-40 厘米之間 [9, 12, 14(表6), 17]。 陳建生還報道,2003 年 9 月兩次分別為 5.5 和 10.6 毫米降水量的大氣降雨僅僅滲入沙層的厚度為 65 和 130 毫米。且於一周後入滲的雨水全部被蒸發幹[9] 。馬寧報道,在 2012 年觀測到幾次 4.0 毫米的大氣降水事件,絕大部分在隨即的幾天內蒸發 [20] 。依此現象,那麽現在通常大氣降水量對湖水補給的概念都應該依當地幹沙層的厚度及其季節變化來更精確地計算和相關概念的評定。因為如果不以內降水的概念來看,所有降水量小於可以濕潤表麵幹沙層(約 200-400 毫米)的大氣降水都不應考慮為 直接補給湖水的來源。況且又有報道在巴丹吉林沙漠地區的降水中,有高達 90%的降水次數是小於 5 毫米的事件[20] 。 因此,引入‘表層降水’,‘表層降水量’,和 ‘深度降水’,‘深度降水
量’,及其兩者間‘閾值降水’ 和‘閾值降水量’的概念是必要的。(這裏不用‘有效’和‘無效’ 的概念來劃分,是由於所有的大氣降水都會對沙漠內降水產生某種‘有效’的影響)。 同理,在考慮蒸發量時應該把實際的蒸發量和蒸發潛能分開:湖水水麵的蒸發量與沙地表麵的實際蒸發量是不同的:對於前者來說,蒸發量等於蒸發潛能。而對於沙地來說,實際的蒸發量應該要小於蒸發潛能,即湖麵的蒸發量。因為沙地的實際蒸發量依照大氣的狀況在不停的變化的特別是大氣降水的前後這種變化極具明顯[20 圖 6a,圖 8a] 。 所以,湖水水麵的蒸發量實際上對於沙地表麵來說應該是蒸發潛能。那麽,在考慮到沙漠的蒸發量,特別是沙地的實際蒸發量對湖區水源來源量作統計時,不應該把所有湖區流域麵積與湖水麵積和沙地麵積來統一的計算它們的蒸發量。也就是說,在沙地的蒸發量不應該以沙地的蒸發潛能來計算實際的蒸發量。
受沙漠內降水因素的影響,沙漠綠洲湖泊水源相當一大部分甚至可以是全部來自於附近沙漠地質結構的內降水造水。沙漠湖泊綠洲的生存環境一方麵與沙漠綠洲地下的地質構造高度由關,另一方麵也與之高度相關的是綠洲附近沙漠沙層的厚度。 沙層的總厚度越厚,第二第三沙層產水的潛力就越大。同時,沙山的高度因為所擁有的麵積和體積要大於平坦地勢的沙地,所以沙山內部的內降水將多於後者。 這應該也是沙漠湖泊多臨近沙山的原因;幾乎絕大部分的綠洲都傍沙山存在。 如果沙漠巨大的地下水資源是來源於大氣降水的話,那麽,在撒哈拉地區空氣極其幹燥,大氣降水量極其罕見的條件下仍然在地下儲藏著世界最大的地下水量, 就與之矛盾。
沙漠內降水理論對先前研究結果的解釋,或者現有的研究結果對它有利的證明:
1. 巴丹吉林沙漠地區大氣降水量少且年蒸發量大的條件下,湖區仍基本維持常年的豐富水量。雖然被認為是地下水源補給湖水,但至今為止沒有足以說服人的證據來直接給與證明。
2. 馬延東的報道發現 [14]:在距離沙山頂部 35 米處發現的窪地聚水灘[圖 2],以內降水原理來解釋:說明了該沙山內降水至少在 35 米厚處的沙層中就可以形成上述第四沙層。因為如果是大氣降水的話,那麽,依據該文表 5 的大氣降水入滲慮率 2.0cm/min 來估算, 從沙山頂部及其附近雨水入滲到該處窪地聚水應該不到 36 小時的時間。如果在考察前一兩天該處如果已經下過雨的話,那麽,研究人員絕不會把那個對研究有如此重大影響的因素忽略掉。參考趙景波在騰格爾中衛沙層所發現在距地表約 2.5 米處就已經發現有重力水出現的事實,結合該地沙層入滲率來分析 [12,圖 5,表 1] , 可以佐證在距沙山頂部 35 米這個深度以上的沙層應該早就已經有內降水產生了。而作者再往沙山下部發現水的徑流溢出的現象應該是由於內降水造成的;該處內降水的重力水量超過了該處的入滲率。也就是說該處的內降水的重力水向下流滲時遇到相對滲透率較小的細沙層而溢出山體。這是與在山頂 35 米處發現的水灘窪地是由同一個原理造成,隻不過在窪地時發生使水聚積而非再次入滲下層粗沙層而已。所以在窪地處的水聚集沒有也不易發生文中隨後所述的,在海拔 1350 米和 1326 米處發現的徑流出露產生造成的化學和物理沉積現象。
3. 在陳建生的報道中距湖麵高 17 米處的沙地有泉水流出的現象 [9],在當地 9 月份考察的時間僅僅有過兩場‘表層降水’的條件下出現高出湖麵 16 米(17 米減去 1 米的井深)處的泉水流出,且沒有地下泉水上湧的類似高程水頭的泉眼出現的情況下,該處的泉水來源隻能以沙漠內降水的產物來解釋。
4. 同位素異常測定值:孔隙水的千分偏差 18O 的正值表示它經過了反複補給-蒸發過[8, 11]。地下水中的氘氧同位素異常表明地下水在入滲之前就受到了強烈的蒸發[8!] 。同時,這個結果間接地證明了依照上述分析的原理, 表層降水量的去向分化為重新蒸發部分和被負壓吸入深部沙層成為孔隙水的部分:後者的千分偏差 18O 的正值表示它經過了反複補給蒸發。
5. 不僅是巴丹吉林沙漠下,幾乎所有沙漠地下都發現有地下水儲存。特別是撒哈拉沙漠[21] 。這似乎給人以沙漠越大,其地下水越多的概念。
6. 在趙文考察中衛沙漠同一時期考察的民勤地方的沙層,卻在地下 4 米處仍然未見重力水的出現[12, 圖 5a1,a2],說明了沙層的分層變化依不同的地質和大氣條件而不同的事實;中衛地區的年降水 186mm,民勤地區的年降水 107mm。
7. 值得注意的是,在以往的研究中在考慮湖區總補給水量時,都是將降水量以外的補給量都認為是來源於承壓水及其越流。如果僅僅這樣的分析將會得到大氣的降水沒有抑製反而增加了沙層內降水的效果而與上麵 [0023] 中所述大氣降水會抑製內降水的結論矛盾。因為在以沙漠內降水的原理來分析上述諸多的文章的結果時,比如中衛地區的年降水 186mm,民勤地區的年降水 107mm。前者沙層含水量較後者豐富是由於地區降水多造成的這樣一個矛盾的概念。但是在考慮沙層的入滲率後就可以看出者是不對的。因為在發生可以入滲到第二沙層的降雨水量之後,依據當地的沙層入滲率[9 表 5]粗略地來推算,雖然沙層可以保持一定的水量,但僅僅需要大約不到三小時降水就可以穿透 4 米的沙層,在沙層下開始排出降水(重力水)。研究人員不會在雨後三個小時就開始收集數據而不特別說明。
8. 丁宏偉報道[10]:通過對巴丹吉林沙漠毛日圖和西巴丹山頂剖麵深度的溫度和濕度的測量,發現“兩個地點 20cm 以上淺沙層含水率僅為 1.1%~1.2%, 40 cm (處)迅速達到2.8~3.2 %, 形成濕沙層”[圖 4]。
9. 所有上述沙層中重力水下行或以任何形式的排出,造成的流水體積的空缺會對沙層地表麵產生向內的空氣負壓。上述所有觀察到大氣降雨在隨後的時間又被蒸發消失的現象在上述負壓的存在下邏輯上不可能全部都被單向地蒸發回到沙漠的大氣中。這點從馬寧文章[20 圖 7 所示的 2012 年 6 月 28 日及以後數次降水後的沙層體積含水量變化可以看出:自第一次的 6 月 27 日降水後至 7 月 20 日的時間中 45 厘米深處沙層和含水量一直在增加。即使是在距離最後一次降水的 7 月 6 日以後的 14 天內都一直是這樣。從而證明了沙層中的雨水有負向蒸發現象的存在。雖然目前還沒有令人信服的理由來解釋同圖 65 厘米處含水量穩定的原因。但是在負壓條件下來考慮,蒸發量不能作為否定大氣降水入滲地下作為湖水來源的理由。
附圖說明 （略）
此原理設計在相應的技術改進之後可以用在海洋,海島來製備淡水。
具體實施方式
實施例
一種大氣自動製水係統,完全不消耗包括人工轉換的自然能源在內的能源的。該係統借助對吸附空氣中水氣的物體被大氣日夜溫差造成持續循環的冷卻,以促使所述吸附空氣中水氣的物體之間的空氣進行循環冷卻以降低空氣露點來產生凝聚水的方法。該 產水係統包括了用來產生負壓為目的的風井 1,氣/水分離室 3 和帶有壓力節製閥 19 的儲水池 10和吸附空氣中水氣為目的的物體。
風井 1 大部分突出地表以上,產生一個對吸附空氣中水氣為目的的物體單一方向的負壓。 所述用於產生負壓作用的風井上部高出地麵,其下部連接有氣/水分離室 3,可引導水流進入。所述風井底部帶有除塵口,用以排除沉積的沙粒。 所述的氣/水分離室指任何分離所產的水和空氣的部分。其有一定的空間高出所產水流以上以分離水和空氣。可以讓水和氣體溢出。並且有開口引導水流最終進入儲水池。在簡化設計可以與儲水池合並。 所述的儲水池由一個引導水的流入管和一個儲水池和一個出水管組成。出水管上帶有節製閥,其作用是當儲水池中的水壓但到一定的程度時會自動打開放水。 所述係統的原理可以變通簡化包括但不僅僅限製於用在沙堆下方直接承接該沙堆因溫度變化所導致的沙堆產生的凝聚水。承接水的方法可以用任何方法來引出或者儲存。 任何增加沙堆或替代物之間的空隙之間的空氣流通量以增加冷凝水產量的方法包括但絕不局限於在此發明原理的基礎上使用電能使風井增加吸氣排氣能力的方法。 基於上述應用係統的沙漠產水方法,包括了,沙漠底部凝聚水的排流造成沙漠沙層產生負壓使得沙漠吸入地表大氣在沙漠日夜溫差變換條件下導致沙漠對大氣中水分抽吸是造成沙漠幹旱原因的理論概念。
說明書附圖： （略）
續完。
