以色列依靠科技创新走出缺水困境的经验

秦同春

（1.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站,河北 沧州 061000；2.中国地质环境监测院,北京 100081）

受气候环境和地理因素影响，以色列是世界上天然淡水资源最贫乏的国家之一[1]。以色列通过领先全球的精密水利技术以及充满各种智慧创新的节水科技，有效解决了本国水资源短缺困境，甚至向邻国及周边地区供给水资源[1-3]。丰富的水资源供给使以色列成为世界上首个沙漠面积衰减的国家，成为世界主要农产品出口大国之一[4]。其农产品不仅自给自足，甚至远销欧洲，被赞誉为欧洲国家的“冬季厨房”“果园”“菜篮子”等。

我国是世界上主要的干旱国家之一，干旱、半干旱和半湿润易旱区的总面积约4.93×106km2，占全国总面积的一半以上[5-6]。以色列如何走出缺水困境有借鉴意义，其“沙漠奇迹”值得我们认真思考。

本文从地理气候概况、水资源分类以及水资源危机应对措施等方面，系统介绍了以色列从缺水之国变为水之强国的经验，为我国水资源高效利用与管理提供借鉴，也为今后我国与以色列开展水资源方面相关合作及学术研究提供资料。

1 自然地理和气候

以色列位于亚州西部，地处亚、非、欧三大洲的结合处，是地中海东南海岸一个狭长的半干旱国家，南北长约470 km，东西最宽处约135 km。沿海是地势较低的狭长平原，东部是山地和高原。北靠黎巴嫩，东临叙利亚和约旦，西南与埃及接壤，西海岸线与地中海相连，最南端的埃拉特湾（Gulf of Eilat）与红海相连。根据世界银行2020年发布的数据，以色列国土面积为21 640 km2，耕地约占国土面积的20%，沙漠占国土面积的60%。

受地中海东岸亚热带湿热气候、亚热带沙漠气候（撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠）的共同影响，以色列夏季漫长炎热且少雨，冬季短暂凉爽并多雨[7]。根据世界数据网及全球经济指标数据网发布的数据，以色列1999—2019年历年的年内气温变化范围为10～30 °C，部分年份的最高温度高于30 °C、最低温度低于10 °C。当年12月至次年2月是最冷的月份，白天气温在5 ～10 °C 范围内波动，夜间气温通常低于5 °C；7—9月温度最高，白天气温在35 ～40 °C 范围内波动，夜间气温平均为20 °C（图1 和图2）。以色列降水以降雨为主，戈兰高地（Golan Heights）和耶路撒冷（Jerusalem）等地势较高地区可能出现极少降雪。1999—2019年降水量变化范围为0～100 mm，部分年份的降水量会超过100 mm，约70%的降水集中在当年11月至次年3月，5—10月几乎无雨（图1 和图2）。

图1 以色列1999—2019年年间降雨与温度变化Fig.1 Precipitation and temperature of Israel from 1999 to 2019

图2 以色列1999—2019年多年月均降雨与温度变化Fig.2 Average monthly precipitation and temperature of Israel from 1999 to 2019

以色列年内降水空间分布因纬度以及与地中海的距离变化呈现较大的空间差异性：南部内盖夫沙漠（Negev Desert）占据近60%的国土面积，年均降水量不足100 mm，干旱年份甚至低于30 mm；北部丘陵和山地降水充沛，年均降水量超过600 mm；沿地中海的几个城市，如海法（Haifa）、内塔亚（Netanya）、特拉维夫—雅法（Tel Aviv—Yafo）等，年均降水量在400～600 mm 之间[8-9]。以色列全国降水量分布情况见图3。

图3 以色列降水量分布图Fig.3 Distribution of precipitation in Israel

2 主要水资源

以色列的水资源包括常规水资源（天然水资源）和非常规水资源（人工再生水资源）两大类。常规水资源指天然地表水资源和地下水资源，约80%位于该国北部（图4）。近年的总水资源供给量约为24×108m3，其中常规水资源量每年变化不大，约为17.8×108m3，地下水资源约占11×108m3，地表水资源量约占6.8×108m3[10-11]。

图4 以色列水资源分布图Fig.4 Distribution of water resources in Israel

在常规水资源中，天然地表水资源水域面积不足国土面积的1%，境内的非季节性河流有约旦河（Jordan River）、基雄河（Kishon River）、雅孔河（Yarkon River）以及雅莫科河（Yarmouk River），湖泊有加利利湖（Sea of Galilee）和死海。死海为咸水湖，含盐量在25%～35%左右，不可直接饮用。

地下水资源主要有两大地下含水层：沿海含水层和山区含水层（图4）[11]。此外在内盖夫沙漠和阿拉瓦河谷（Arava Valley）也零星分布着一些规模较小的含水层。沿海含水层沿地中海沿岸分布，直接接受天然降水、河流补给和人类生活产生的水源补给。由于工厂排污、垃圾露天堆置、农田灌溉等人类活动，以及过度开采导致的海水入侵，沿海含水层水质较差。沿海含水层的年度可持续开采量约为3.6×108～4.2×108m3，为控制水质，近几年政府已逐步关闭部分沿海抽水井。山区含水层从北部的里雄雅科夫（Zichron Yaakov）一直延伸到南部贝尔谢巴（Be’er Sheva），长约130 km，宽约35 km，总面积近6 000 km2。该含水层主要接受以色列北部和西岸地区的降水补给，水质优于沿海海水层水质。该含水层的年度可持续开采量约为3.5×108m3，但以色列和巴勒斯坦每年的总开采量约为6.8×108～7.4×108m3，远超年度可持续开采量，加之近年来降水减少，含水层面临水量枯竭和退化的危险[11]。

非常规水资源则包括回收水再利用和海水及苦咸水淡化后产生的人工再生淡水资源。非常规水资源供给量逐年递增，综合以色列水资源部门和世界银行的数据，非常规水资源的供给量从建国初期几乎为0 增长至2014年的14.5×108m3，如今已经逐步接近常规水资源的供给量。非常规水资源主要通过新技术实现，具体介绍见文章第4 节。

3 水资源利用结构

以色列的水资源利用主要集中在四个方面：农业用水、工业用水、居民生活用水以及出口一部分水资源给约旦和巴勒斯坦，其中农业用水是以色列水资源消耗的主要部分，占比超过一半[12]。根据以色列水务局和巴勒斯坦中央统计局发布的统计报告，2016年以色列全国总用水量约为23.5×108m3，其中农业用水量为12.8×108m3，居民生活用水量为8.09×108m3，工业用水量为1.24×108m3，向约旦和巴勒斯坦权力机构供给的水量为1.31×108m3[12-13]。

4 依靠科技创新解决水资源危机

4.1 节水灌溉技术

以色列政府对节水灌溉技术研发、节水设备研制和推广使用给予大力扶持，制定了一系列优惠政策和措施，促进节水农业迅速发展。节水灌溉技术从简单的喷灌，逐步发展到现在的全部由计算机自动控制的水肥一体的滴灌和微喷灌系统。该系统由太阳能供能，受计算机控制，利用特制的塑料管道灌水系统密封输水，可根据作物的生长状况及水、肥状况自动进行灌水和施肥，既节省了人力，又高效管理农田，农作物的产量和品质都有较大幅度的提高，经济效益显著提高。

为防止滴灌和微喷灌系统给植物提供的水源快速渗透流失和蒸发，以色列研发了新型“土壤”，在节水灌溉技术中扮演着重要角色。这种土壤主要由1 000 °C高温下形成的多孔石组成，并混合一定比例的营养物质。掺入细碎多孔石的混合土与传统土壤相比，有更好的通风和保水保湿效果。

节水灌溉技术使以色列在农业用水总量基本保持不变的情况下，农田灌溉面积从1960年的13.5×108m2增加到目前的22×108m2，而每公顷的用水量从1960年的8 700 m3减少到现在的5 250 m3，水肥利用率提高到了80%～90%，节水90%，节能50%，平均增产30%，各项指标均排在世界前列。

此外，节水灌溉技术还带动了周边技术发展，诸如温室技术、育种技术等，促进了以色列节水灌溉、温室、育种一体化现代农业的迅速发展。

4.2 微咸水灌溉技术

微咸水的比重介于1.005 和1.010 之间，比淡水咸，但咸度不如海水，对大多数植物生长不利。以色列南部为沙漠地区，几乎没有淡水资源，但地下却埋藏着丰富的微咸水资源。以色列最大绿色组织“犹太国家基金”（Keren Kayemeth LeIsrael-Jewish National Fund，KKL-JNF）对微咸水种植进行研究，提出两种微咸水种植方案：一是培育直接在微咸水中生长的植物，另一是用微咸水与淡水混合灌溉。KKL-JNF 指导当地农民尝试在沙漠地区进行微咸水种植。经过长期试验，两种方案均获得成功。在第一种方案中，专家培育出耐盐橄榄树，适宜略高浓度的咸水浇灌。在第二种方案中，专家尝试出不同作物的最优微咸水和淡水混合比例，比如樱桃番茄用6∶4 的微咸、淡水混合水浇灌后，产量增产最高，且经过微咸水浇灌的樱桃番茄更美味，抗氧化成分也更高。

目前，以色列农业灌溉所用微咸水量已超过农业用水总量的10%。开发利用微咸水不仅为以色列开辟了“新水源”，也为其壮大沙漠农业奠定了基础。

4.3 污水回收技术

以色列要求各企业首先对废水进行第一级处理，然后排入城市污水收集系统，与城市污水汇集后进行第二级处理。第二级处理后的污水水质可达到饮用标准，将二级处理水与收集的降水一起储存入人工水库，再输送至缺水地区。尽管人工水库内储存水的水质达饮用标准，但是为了控制风险，这些水主要用于农作物灌溉，禁止流入居民饮用水系统。回收水的水价为饮用水水价的1/5，在有些地区甚至免费供应给农民使用。1997年，以色列废水（包括工业废水和城市污水）的收集率已达90%，处理率达80%，利用率约50%，约有2.5×108m3的回收水用于农业灌溉，约占农业用水总量的20%。污水回收技术将部分农业用水配额转给工业生产，促进了工业发展。

目前，以色列污水处理率达100%，水循环利用率达80%，是世界水循环利用最领先的国家。

4.4 海水和微咸水淡化技术

早在20世纪70年代，以色列政府便在埃拉特修建了第一家以微咸水淡化为主的工厂[14]。以色列目前已经有6 家大型海水和微咸水淡化厂（表1）。根据以色列财政部数据，目前以色列每年总的海水淡化年产量为8×108～10×108m3。以色列于2020年在索瑞克（Sorek）开建第7 座海水淡化厂，预计2023年完工，年产量预计为2×108m3，每立方米的淡水生产成本预计将降为1.82 谢克尔，约合0.52 美元，届时海水淡化厂将为以色列提供超过85%的饮用水，占居民用水和市政用水量近20%。

表1 以色列现有海水和微咸水淡化厂Table 1 Desalination plants of seawater and slight-saltwater in Israel

除以上7 家海水和微咸水淡化厂外，以色列还有约30 家小型海水和微咸水淡化厂，多位于内盖夫沙漠和南部红海沿岸，以淡化沙漠地下微咸水和红海海水为主，这些小型海水和微咸水淡化厂的年淡水产量约为0.3×108m3。

4.5 收集利用雨水

以色列政府在降水量较大的中部地区和北部丘陵地区以及降水量在300 mm 左右的中部内陆地区修建水库和拦水坝，收集雨水。这部分水库同时还收集处理后的污水。目前以这种方式每年可收集约1×108m3的雨水，对缓解以色列水资源危机发挥了一定作用。另一个措施是在中部沿海平原修建拦水坝和引水渠，将雨水人工回灌到沿地中海平原的沿海含水层，以保护地下水源，防止海水入侵。

目前以色列雨水的利用率约为18%（包括收集和回灌地下含水层、作物直接吸收等），雨水的利用潜力还很大，政府正在采取进一步措施来提高雨水的利用率。

4.6 收集空气水

俄罗斯亿万巨富Mikhael Mirilashvili 投资的以色列科技企业Watergen 公司成功研发出一款空气过滤系统GENius，可以将空气过滤后，提取其中的水分子转化为干净的水。每台GENius 过滤系统内部都有一套储水装置和水处理系统，制水机先将周围空气过滤后吸入机器内部，并将温度降至冷凝点以收集水分。收集的水经内置水处理系统提纯、矿化后，就可以安全饮用。

除GENius 外，以色列理工学院的研究人员也开发出另一种更为低能耗的独立“凭空造水”系统H2OLL。H2OLL 系统不同于GENius 系统，它采用了两个阶段的循环过程：首先利用高浓度盐溶液吸收空气中的水分，然后在低于大气压的条件下通过冷凝蒸气分离水分以获得水，整个过程减少了生产水所需的能量。

5 结论与思考

以色列天然水资源短缺，人均淡水资源量仅为联合国所规定的1/3 左右。但以色列水资源又很“丰富”，在天然水资源短缺的情况下，政府一方面通过法律手段合理利用水资源，另一方面通过该国科技优势发展海水淡化、废水回收利用等再生水资源产业，摆脱了缺水困境。

我国是全球人均水资源最贫乏的国家之一[5-6]。近年来，我国新疆、甘肃、宁夏、山西、陕西、河北、天津、云南等地区积极与以色列开展科技合作，引入了滴灌喷灌一体化节水灌溉、海水淡化等水资源高效利用领域的科技创新技术。但水资源高效利用技术的发展在我国依然处于起步阶段，虽然局部地区已进行试点推广取得了一定成效，全国范围的内推广还有很长的路要走。同时在普及推广中，常碰到技术投资成本高、自主研发水平不足、推广前科普工作不到位、企业负责人以及农民积极性不高等问题。

我国面对与以色列类似的缺水困境，深入研究以色列水资源保护利用措施，因地制宜地借鉴以色列在水资源利用方面的经验，探索出适合我国实际情况的水资源可持续利用发展之路，克服在推广普及时遇到的障碍，对解决我国面临的水资源短缺问题有很大意义。

编者按：2022年是中以建交30 周年，两国双边合作达到全面发展的新高度。我国在高效节水技术方面与以色列开展了系列务实合作，但距离全面推广节水技术尚有很长的路要走。本文作者曾在以色列开展过科技外交工作，对以色列的水资源类型、高效节水技术进行过系统调研。作者结合其在该国的工作经历，对以色列的地理气候情况、水资源类型、水资源危机应对措施等方面进行了整体且系统的介绍，为我国走出缺水困境提供参考，也可为今后两国水资源方面的相关合作及学术研究提供资料。