基于 GIS的南水北調(diào)中線(xiàn)延伸*與大西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程研究

梁書(shū)民

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所 北京 100081)

1 大西線(xiàn)南水北調(diào)研究現(xiàn)狀

土地資源極為豐富而水資源極為匱乏是中國(guó)大西北的最大特點(diǎn)。目前中國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期,通過(guò)向大西北調(diào)水促進(jìn)當(dāng)?shù)氐馁Y源開(kāi)發(fā),對(duì)全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。在經(jīng)濟(jì)方面,可以促進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的空間均衡發(fā)展;實(shí)現(xiàn)中國(guó)耕地的占補(bǔ)平衡,促進(jìn)全國(guó)的城鎮(zhèn)化建設(shè);有利于保障中國(guó)的食物安全。在社會(huì)方面,可增加農(nóng)民收入,有利于維護(hù)邊疆的社會(huì)穩(wěn)定;通過(guò)生態(tài)移民可以加快貧困山區(qū)的脫貧致富步伐。在生態(tài)方面,可改善西北干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境;實(shí)現(xiàn)防洪、排沙、發(fā)電、灌溉的協(xié)調(diào)發(fā)展,有效地維護(hù)河流的自然生態(tài)環(huán)境和保護(hù)河口生態(tài)系統(tǒng)。

大西線(xiàn)南水北調(diào)的設(shè)計(jì)方案很多,韓亦方、曾肇京于 2000年[1],楊洪潤(rùn)、李明生于 2001年[2]對(duì)諸方案分別進(jìn)行了總結(jié)。筆者將大西線(xiàn)南水北調(diào)方案歸納為 8種:水利部規(guī)劃的西線(xiàn)自流調(diào)水方案[3];黃河水利委員會(huì)南水北調(diào)西線(xiàn)工程后續(xù)水源[4];長(zhǎng)江水利委員會(huì)林一山方案[5];中國(guó)科學(xué)院陳傳友方案[6];貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)院方案;郭開(kāi)—袁嘉祖方案[7];郭開(kāi)方案修正案 (郭開(kāi)方案由于缺乏科學(xué)根據(jù),遭到專(zhuān)家質(zhì)疑[8,9],崔荃、劉剛對(duì)該方案進(jìn)行了修正[10]);黃河水利委員會(huì)的舊調(diào)水方案[11],典型線(xiàn)路有翁水河—定西線(xiàn),沙布—洮河線(xiàn),金沙江的惡巴—洮河線(xiàn),石鼓—渭河線(xiàn),玉樹(shù)—積石山線(xiàn)等。

從大西線(xiàn)調(diào)水的目的可以確定對(duì)調(diào)水線(xiàn)路的要求。首先,需要依靠自流輸水以節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本和電力損耗;調(diào)水線(xiàn)路海拔越高調(diào)水量越少,且存在調(diào)水線(xiàn)路施工和維護(hù)困難問(wèn)題;線(xiàn)路越低調(diào)水量越大,但線(xiàn)路越低,坡降越小,隧洞工程量越大,向大西北調(diào)水越困難,于是存在引水線(xiàn)路的合理海拔高度問(wèn)題;由于從雅魯藏布江調(diào)水工程浩大,且運(yùn)營(yíng)成本高,應(yīng)當(dāng)排除此選項(xiàng)。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)上述諸線(xiàn)路可見(jiàn),水利部和黃河水利委員會(huì)的規(guī)劃偏于保守;林一山方案和貴陽(yáng)院方案存在調(diào)水量估計(jì)偏大和提水問(wèn)題;陳傳友方案和黃委會(huì)玉樹(shù)—積石山線(xiàn)的海拔過(guò)高;郭開(kāi)及其修正案最大問(wèn)題是工程不具有技術(shù)可行性;黃河水利委員會(huì)的舊調(diào)水方案中翁定線(xiàn)較為可行,缺點(diǎn)是線(xiàn)路偏低,工程量大;惡巴—洮河線(xiàn)較為適宜,可惜未設(shè)計(jì)向?yàn)憸娼?、怒江的延伸調(diào)水;石鼓—渭河線(xiàn)線(xiàn)路比翁定線(xiàn)的海拔還低,也存在工程量大的問(wèn)題。

2 聯(lián)合調(diào)水方案總體設(shè)計(jì)

南水北調(diào)中線(xiàn)延伸與大西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水方案的總體設(shè)計(jì)是:廢止規(guī)劃的西線(xiàn)高海拔調(diào)水方案,而采用中海拔調(diào)水線(xiàn)路以增大調(diào)水量;在現(xiàn)有南水北調(diào)中線(xiàn)工程基礎(chǔ)上,通過(guò)延伸南水北調(diào)中線(xiàn)至長(zhǎng)江三峽水庫(kù),擴(kuò)大中線(xiàn)的北調(diào)水量,保證黃河下游的用水需求;利用現(xiàn)有的黃河中上游水利工程和小浪底水利樞紐工程,使黃河水除調(diào)沙入海外,均留于中上游使用,同時(shí)通過(guò)增加中線(xiàn)調(diào)水量作為替代水源,用于滿(mǎn)足黃河下游的用水需求;建設(shè)大西北引水干渠,在滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)劃供水量的基礎(chǔ)上,利用劉家峽水庫(kù)盡可能多地將水引向河西走廊、內(nèi)蒙古高原西部和新疆東南部 (圖 1)。

圖 1 南水北調(diào)大西線(xiàn)與中線(xiàn)延伸聯(lián)合調(diào)水方案示意

中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水方案的核心工程包括:大西線(xiàn)西藏左貢縣東壩—洮河線(xiàn)調(diào)水工程,從怒江、瀾滄江和長(zhǎng)江流域向黃河流域自流調(diào)水,9條尾洞 (西線(xiàn) 9條龍)年總調(diào)水量為 1198億 m3;中線(xiàn)延伸香溪—浪河隧洞調(diào)水工程,采用 5隧洞輸水 (中線(xiàn) 5條龍),可從三峽水庫(kù)自流調(diào)水 250億 m3到丹江口水庫(kù);大西北供水干渠工程,可向中國(guó)最為干旱的西北內(nèi)流區(qū)甘肅、內(nèi)蒙古和新疆調(diào)水 1059億m3。

其中的大西線(xiàn)調(diào)水線(xiàn)路海拔適中,輸水線(xiàn)路全程長(zhǎng) 1107km,水位海拔從 2920m降為 2320m(圖2),具有可觀的發(fā)電潛力;從水源區(qū)到受水區(qū)全程自流,運(yùn)營(yíng)成本低;避免了從雅魯藏布江調(diào)水,工程量適中;涉及最大壩高為 295m,最長(zhǎng)隧道106km,最大隧洞半徑 6.57m,工程技術(shù)上是可行的,是天賜中國(guó)的優(yōu)良調(diào)水線(xiàn)路。設(shè)計(jì)延伸了南水北調(diào)中線(xiàn),從長(zhǎng)江三峽水庫(kù)向丹江口水庫(kù)調(diào)水,連同原規(guī)劃的漢江水北調(diào)量,使中線(xiàn)南水北調(diào)最大調(diào)水量增加到 470億 m3,從而使設(shè)計(jì)的中西線(xiàn)北調(diào)水量總計(jì)為 1668億 m3,加上規(guī)劃的東線(xiàn)調(diào)水 148億 m3,總計(jì)可向北方調(diào)水 1816億 m3,約為黃河年徑流量 580億 m3的 3.1倍。

中線(xiàn)延伸工程可置換黃河下游的當(dāng)前用水配額 145.4億 m3,并置換黃河流域規(guī)劃新增的 150億 m3用水量中分配給下游的 58.95億 m3,總計(jì)為黃河中上游增加用水配額 204.35億 m3,可使黃河中上游地區(qū)凈增規(guī)劃外配額 54億 m3,從而使黃河中上游和西北內(nèi)流區(qū)可新增計(jì)劃外用水量1253億 m3。

設(shè)計(jì)的大西北供水總干渠總長(zhǎng) 6794km,加上輔助工程陜西引洮河入渭河輸水線(xiàn)路長(zhǎng)約 462km,山西萬(wàn)家寨引黃入晉輸水線(xiàn)路長(zhǎng)約 452km,寧夏黃河干流長(zhǎng)約 325km,輸水干線(xiàn)長(zhǎng)度共計(jì)為 8033km。

3 主要工程技術(shù)指標(biāo)

3.1 西線(xiàn)引水線(xiàn)路東壩—洮河線(xiàn)

東壩—洮河線(xiàn)具體線(xiàn)路起始于西藏左覺(jué)縣東壩鄉(xiāng)的怒江東壩水庫(kù),穿經(jīng)四川省巴塘縣、新龍縣、丹巴縣、金川縣、黑水縣、茂縣、九寨溝縣和甘肅迭部縣,在臘子口附近穿迭山入洮河,最后自洮河流入劉家峽水庫(kù)。沿途有大壩 25處,其中主壩 10處,輔壩 15處;有 38條隧洞,多段單洞總長(zhǎng)821km,多段復(fù)合洞總長(zhǎng) 4719km。全線(xiàn)有 4座高于 260m的大壩,最高為 295m的岷江大壩。隧洞半徑在 5.76～6.57m之間;全線(xiàn)有 6處長(zhǎng)于 60km的隧洞,最長(zhǎng)單洞為沙魯里山隧洞,長(zhǎng) 106311m。

利用全國(guó)徑流深度圖通過(guò) ARCGIS計(jì)算的全線(xiàn)最大調(diào)水量為 1198.2億 m3,按流域分布狀況為嘉陵江 (白龍江和涪江)流域 30.4億 m3,岷江流域64.6億 m3,大渡河 (大金川)流域 153.6億 m3,雅礱江 200.0億 m3,金沙江 269.1億 m3,瀾滄江201.4億 m3,怒江 279.2億 m3?？煞譃榱谥鸩浇ㄔO(shè),嘉陵江流域和岷江流域調(diào)水為第一期,大渡河流域、雅礱江、金沙江、瀾滄江和怒江依次為第二至第六期。

在大壩和隧洞設(shè)計(jì)中依據(jù)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)采集的SRTM—V3數(shù)據(jù),地面分辨率為 100m,相當(dāng)于 1/150000的地形圖。隧洞的調(diào)水量是根據(jù)謝才公式 (Chézy formula)和曼寧公式 (Manning formula)計(jì)算得出的,洞壁的粗糙系數(shù)取 0.012(水泥砂漿襯里)。

圖 2 東壩—洮河線(xiàn)地形剖面與設(shè)計(jì)水位線(xiàn)

3.2 中線(xiàn)引水線(xiàn)路與水庫(kù)水位調(diào)節(jié)方案

中線(xiàn)引水線(xiàn)路起始于湖北省興山縣香溪河畔的水田壩村,經(jīng)興山縣平水村,神農(nóng)架林區(qū)新華鄉(xiāng)郭家埡村,保康縣多橋鎮(zhèn)和寺坪鎮(zhèn),房縣沙河鄉(xiāng)畈上村,至丹江口市浪河鎮(zhèn)注入丹江口水庫(kù),全長(zhǎng)133403m。隧洞半徑 6.5m,5洞復(fù)合總長(zhǎng)為667015m。在海拔較低的平水村、多橋鎮(zhèn)、寺坪鎮(zhèn)和畈上村可以開(kāi)支洞輔助挖掘,在郭家埡村等 8處可開(kāi)鑿?fù)L(fēng)豎井 (圖 3)。

為便于從三峽水庫(kù)調(diào)水,中線(xiàn)調(diào)水線(xiàn)路延伸需要聯(lián)合調(diào)度三峽水庫(kù)和丹江口水庫(kù)的水位。三峽水庫(kù)水位調(diào)節(jié)應(yīng)由原計(jì)劃改為在 11月至次年 4月維持正常水位 175m半年,丹江口水庫(kù)水位調(diào)節(jié)應(yīng)由原計(jì)劃改為在 11月至次年 4月期間將水位降為155m,與三峽水庫(kù)形成 20m的水位差,從而使三峽水庫(kù)向中線(xiàn)順暢自流輸水。

圖 3 香溪—浪河隧洞地形剖面與支洞豎井分布

3.3 大西線(xiàn)引水干渠

在西北總干渠工程建設(shè)順序安排上,考慮了當(dāng)前經(jīng)濟(jì)帶優(yōu)先,土地資源豐富區(qū)優(yōu)先,水資源缺乏區(qū)優(yōu)先,重點(diǎn)風(fēng)沙源治理優(yōu)先的原則。設(shè)計(jì)按五期進(jìn)行建設(shè),依次為:第一期黃河流域,東河西走廊;第二期中—西河西走廊和騰格里沙漠東南緣,西河西走廊;第三期北山南—西麓,北天山東麓,博格達(dá)山北麓;第四期瀚海盆地南緣西段和哈—吐盆地北緣;第五期阿爾金山北麓,西昆侖山北麓,瀚海盆地南緣東段。

設(shè)計(jì)的西北總干渠工程以明渠為主,輔助以少量隧洞和虹吸與倒虹吸管道,用于翻山過(guò)河和取直線(xiàn)路;利用海拔 1735～900m的水位落差,可維持較高比降,以保證流速;設(shè)計(jì)時(shí)可盡量增加干渠深度,縮短干渠寬度,或可將干渠封頂,以減少水面蒸發(fā)。

按照分期建設(shè)的原則,水源區(qū)與受水區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系大致為從嘉陵江、岷江向洮渭線(xiàn)和洮祖線(xiàn)西安和定西方向供水,以及用于寧夏增加引黃灌溉;從大渡河通過(guò)萬(wàn)家寨工程擴(kuò)容向山西供水,并開(kāi)始向西北干渠黃河流域段和東河西走廊輸水;從雅礱江向中—西河西走廊和騰格里沙漠東南緣供水;從金沙江向北山南—西麓,北天山東麓和博格達(dá)山北麓段烏魯木齊方向供水;從瀾滄江向瀚海盆地南緣西段和哈—吐盆地北緣供水;從怒江向阿爾金山北麓,西昆侖山北麓和瀚海盆地南緣東段供水。

4 造價(jià)估計(jì)與成本效益對(duì)比

設(shè)計(jì)的大西線(xiàn)南水北調(diào)東壩—洮河線(xiàn)是多條線(xiàn)路比選的最終結(jié)果,為類(lèi)似線(xiàn)路中單位線(xiàn)路長(zhǎng)度引水量最大的,全長(zhǎng) 1107km,引水 1198億 m3,平均 1.08億 m3/km線(xiàn)路;高于海拔較低的東壩—定西線(xiàn) 0.96億 m3/km,和海拔較高的薩達(dá)—洮河線(xiàn)0.98億 m3/km,白達(dá)—洮河 0.87億 m3/km;遠(yuǎn)高于當(dāng)前南水北調(diào)規(guī)劃西線(xiàn)延伸線(xiàn)的單位線(xiàn)路長(zhǎng)度引水量 (0.47億 m3/km)。在地質(zhì)和環(huán)境方面,將低海拔方案線(xiàn)路適度上移,基本避開(kāi)了地震多發(fā)區(qū);線(xiàn)路的大水庫(kù)多在植被較差的西南干熱河谷地,比低海拔方案淹沒(méi)的耕地和森林少。

只有進(jìn)行南水北調(diào)中線(xiàn)延伸和大西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程詳細(xì)規(guī)劃才能精確計(jì)算總造價(jià),在此僅參照現(xiàn)有水利工程的工程量和造價(jià)的關(guān)系對(duì)整個(gè)工程總造價(jià)進(jìn)行估計(jì)。東壩—洮河線(xiàn)主體工程大壩造價(jià)主要參照了西南地區(qū)在建和已建的大壩造價(jià),經(jīng)估算東壩—洮河線(xiàn)主體工程和輔助工程 (引玉曲入怒江,引洮河入渭河和引洮河入祖厲河工程)30座大壩總投資約為 5992億元。隧道造價(jià)估計(jì)參照 2006年完工的秦嶺終南山公路隧道,估計(jì)西線(xiàn)主體工程和輔助工程隧洞與中線(xiàn)隧洞總投資為 10238億元。西北干渠造價(jià)參照在建的南水北調(diào)中線(xiàn)陶岔渠首至平頂山市沙河南段工程,根據(jù)調(diào)水量和地形變化適當(dāng)調(diào)整單位造價(jià),使每 km造價(jià)維持在 5000萬(wàn) ～8000萬(wàn)元之間,估計(jì)聯(lián)合調(diào)水工程 6794km的西北干渠總造價(jià)為 3985億元。

估計(jì)中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程總投資為 20216億元,可聯(lián)合調(diào)水 1668億 m3,折合單位調(diào)水量投資為 12.1元/m3;分階段建設(shè)的中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程金沙江及以北工程總投資為 13108億元,可聯(lián)合調(diào)水 1188億 m3,單位調(diào)水量投資為 11.0元/m3,均比當(dāng)前規(guī)劃的南水北調(diào)西線(xiàn)單位調(diào)水量投資17.9元/m3低,中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程優(yōu)于當(dāng)前規(guī)劃的中西線(xiàn)調(diào)水工程。中線(xiàn)延伸工程的性?xún)r(jià)比更高,單位調(diào)水量造價(jià)僅為 3.8元/m3,遠(yuǎn)低于當(dāng)前中線(xiàn)的單位調(diào)水量造價(jià) (7.1元/m3)。

從發(fā)展農(nóng)業(yè)保障糧食安全角度分析,西北干渠的效益在于可以開(kāi)墾沿線(xiàn)的宜農(nóng)荒地資源。聯(lián)合調(diào)水工程可以在滿(mǎn)足當(dāng)前用水規(guī)劃的基礎(chǔ)上每年可給黃河中上游和西北內(nèi)流區(qū)增加供水 1253億 m3,若其中 648億 m3用于農(nóng)業(yè),按每畝灌溉需水 500 m3計(jì)算可開(kāi)荒和增加水澆地 12960萬(wàn)畝,價(jià)值 17125億元;按每人 10畝水澆地進(jìn)行生態(tài)移民計(jì)算,可移民 1296萬(wàn)人,相當(dāng)于目前的貧困人口總數(shù)。大西線(xiàn)調(diào)水的生態(tài)用水可用于固定流動(dòng)沙丘,改善生態(tài)環(huán)境,211億 m3生態(tài)用水可綠化沙漠 10.55萬(wàn)km2,約占全國(guó)流動(dòng)沙丘面積的 1/5,可以徹底解決威脅中國(guó)北方的風(fēng)沙源問(wèn)題。聯(lián)合調(diào)水工程的效益巨大,這里僅核算了灌溉效益、生態(tài)移民效益和治理沙漠化的生態(tài)效益;其他效益如工業(yè)用水效益、防洪效益、發(fā)電效益、售水收入、增加勞動(dòng)力就業(yè)、促進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展和拉動(dòng)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值增長(zhǎng)等,可由專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)一步核算估計(jì),鑒于篇幅限制不再詳細(xì)描述。

5 結(jié)論與對(duì)策建議

綜合上述各節(jié)的設(shè)計(jì)和論證可以得出如下結(jié)論:中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水方案工程設(shè)計(jì)是基于當(dāng)前的建壩和鑿洞技術(shù),技術(shù)上是可行的;具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益,可以徹底解決中國(guó)的城鎮(zhèn)化占地、旱澇災(zāi)害、貧困人口、糧食安全和生態(tài)惡化等諸多重大問(wèn)題。中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程并未超出中國(guó)國(guó)力的承受能力,建議國(guó)家對(duì)本方案進(jìn)行詳細(xì)論證,規(guī)劃實(shí)施,作者也將做進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。

對(duì)中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水方案工程的規(guī)劃和實(shí)施的具體建議是:聯(lián)合調(diào)水工程建設(shè)應(yīng)當(dāng)遵從總體規(guī)劃,分期分批建設(shè),逐步延伸原則。中線(xiàn)延伸的單位投資調(diào)水效益最佳,應(yīng)當(dāng)作為第一階段最先進(jìn)行建設(shè)的工程,引洮入渭和引洮入祖工程有利于黃河流域內(nèi)部水資源的合理調(diào)配,工程量較小,可以與中線(xiàn)延伸工程同時(shí)進(jìn)行,從而爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)中線(xiàn)向黃河下游替代供水和黃河流域上中下游水資源的聯(lián)合調(diào)配。

目前西歐、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在隧道方面的技術(shù)比較先進(jìn)[12～14]。中西線(xiàn)聯(lián)合調(diào)水工程中隧洞總投資約為全工程的一半,長(zhǎng)隧洞挖掘技術(shù)是全工程的關(guān)鍵,建議通過(guò)引進(jìn)世界先進(jìn)技術(shù)大力發(fā)展國(guó)產(chǎn)隧洞掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè),以提高中國(guó)的隧洞掘進(jìn)能力。

在加強(qiáng)聯(lián)合調(diào)水工程硬件建設(shè)的同時(shí),也應(yīng)加強(qiáng)水資源配置規(guī)劃和管理研究等軟件建設(shè)。開(kāi)發(fā)多流域水資源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng),使跨流域、流域和次流域多級(jí)規(guī)劃有機(jī)結(jié)合,相互銜接,長(zhǎng)江流域防洪、發(fā)電與調(diào)水相互協(xié)調(diào),黃河上游、中游、下游水資源利用與調(diào)沙相互協(xié)調(diào),最終實(shí)現(xiàn)多流域農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)、工業(yè)和生態(tài)用水的聯(lián)合調(diào)度。

利用耕地占補(bǔ)平衡政策向全國(guó)各城市和城鎮(zhèn)建設(shè)用地占用耕地征收聯(lián)合調(diào)水開(kāi)荒基金,可以為聯(lián)合調(diào)水工程籌集大量資金,同時(shí)國(guó)家應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)中東部城市對(duì)口支援西北干渠的建設(shè)和土地資源開(kāi)發(fā),從而可以實(shí)現(xiàn)建設(shè)占用耕地的異地補(bǔ)償,徹底解決城市擴(kuò)張占地問(wèn)題。

目前對(duì)中國(guó)食物數(shù)量安全最大的威脅來(lái)自自給率極低的油料作物 (含大豆)和食用植物油產(chǎn)業(yè)。充分利用建設(shè)聯(lián)合調(diào)水工程的契機(jī),在沿線(xiàn)開(kāi)墾荒地,廣泛采用節(jié)水灌溉技術(shù),因地制宜地大力發(fā)展大豆、花生、向日葵等油料作物,可以徹底解決中國(guó)的食用植物油危機(jī)。

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