基于DEM的南水北調大西線藏木至洮河調水工程研究

梁書民

（中國農業科學院農業經濟與發展研究所 北京 100081）

1 食物危機呼喚大西線南水北調

雖然中國的食物 （谷物、豆類、薯類和油料）總產量2004－2010年連續7年增加，但由于經濟的高速發展和城鎮化的快速推進，食物消費的增長被過低估計，使中國食物危機到來的時間大大提前。2010年中國大豆對外依存率已經高達78.2%，2025年食物自給率將下降為84.9%。隨著居民收入的增加，中國對畜產品、油料、蔬菜和水果的需求將持續增加。由于農作物單產潛力提高的空間越來越小，通過提高復種指數擴大農作物播種面積的潛力也越來越小，而上等耕地卻由于城鎮擴張而正在快速減少，隨著食物需求的快速增加，中國的食物自給率將會越來越降低。近年來國際農產品價格快速上漲，短期世界食物危機頻頻出現，而中國大量進口的大豆的國際價格上漲遠高于谷物價格的上漲，成為推動中國食物價格上漲的主要因素。通過大西線調水開發中國西北地區豐富的耕地資源，大規模擴大耕地面積，大量增加農產品供給，進而穩定食物價格，已成為中國當前迫在眉睫的重大決策。

大西線南水北調的設計方案很多，筆者將目前具有影響力且較為可行的方案歸納為2類10種。第一類為高海拔調水方案，主要特點是從賈曲入黃河，主要有：①水利部規劃的西線自流調水方案［1］。②黃河水利委員會南水北調西線工程后續水源［2］。③長江水利委員會林一山方案［3］。④中國科學院陳傳友方案［4］。⑤原電力部貴陽勘探設計院方案。⑥郭開方案修正案［5］。第二類為中低海拔調水方案，主要特點是從洮河或更低海拔流入黃河，主要有：⑦黃河水利委員會的舊調水方案［6］，以低海拔線路為主，典型線路有翁水河－定西線，沙布－洮河線，金沙江的惡巴－洮河線，石鼓－渭河線等。⑧陳昌杰的羌納－俄巴－洮河－龍羊峽方案［7］，在雅魯藏布江同尼洋曲匯流處筑壩鑿洞向北調水，經怒江俄巴、雅礱江兩河口自流入洮河，再通過隧洞流入龍羊峽，最大可調水量為1757億m3。⑨陳清波的河水上游西流與江水中游北調方案［8，9］，將黃河上游河口以上大部分徑流量通過開挖自流河渠或安裝輸水管道分輸給西北部干旱缺水地區，同時，開鑿自湖北宜昌至河北定興的 “宜定大運河”從三峽水庫引水，每年向華北平原補償調水400億m3。⑩作者本人設計的怒江東壩－洮河中海拔自流方案，每年可在大西線向大西北調水1198億m3［10］。高海拔調水線路短，但調水量少；低海拔調水線路長，但調水量大。由于我國耕地流失嚴重，食物危機日益加劇，需要大流量調水來大規模開發西北地區的土地資源，所以作者舍棄了高海拔調水方案。又由于低海拔不利于向西北地區輸水，且線路坡降小，隧洞工程量大，所以作者舍棄了低海拔調水方案。利用中海拔方案要調更多的水只有從怒江向雅魯藏布江流域延伸調水，作者在本文研究了中海拔自怒江延伸到西藏加查縣藏木的雅魯藏布江自流調水方案。本方案在線路設計上同陳昌杰方案相近，并沿用了陳清波的中線補償調水和本人的中西線聯合調水的基本方針。

2 藏木至洮河調水工程總體設計

本研究設計的大西線南水北調藏木至洮河自流調水工程方案是：采用中海拔調水線路；將原東壩至洮河調水線路向西延伸到雅魯藏布江加查藏木以增加調水量；將怒江大壩由東壩上移到果巴，將金沙江大壩由拉哇上移到甲英，適當調整了他念他翁山、芒康山、沙魯里山和紅崗山隧洞的進出水口位置與走向，以便適當降低大壩高度，并使輸水線路平直，水流順暢 （圖1）。本文設計的大西線調水方案核心工程包括：西藏加查縣藏木至洮河岷縣十里鎮調水工程；以及5處輔助調水工程，帕隆藏布至怒江調水、玉曲至瀾滄江調水、白龍江甘肅迭部縣白古－阿夏調水、引洮河水入渭河和引洮河水入祖厲河。

圖1 南水北調大西線藏木至洮河調水工程

本方案設計的大西線調水線路海拔適中，輸水線路水位海拔從西藏雅魯藏布江加查縣藏木的3500m降為甘肅洮河岷縣十里鎮的2320m，全程長1693km，其中隧洞總長1299km，利用自然河流和水庫394km；落差1180m，具有可觀的發電潛力；全程自流，可以利用劉家峽水庫通過西北干渠向河西走廊、內蒙古和新疆調水，是難得的優良調水線路。設計的藏木至洮河大西線北調進入黃河流域的年徑流總量為1687億m3，加上規劃的東線規劃調水148億m3，中線規劃調水130億m3，中線延伸調水340億m3，總計可向北方調水2305億m3，約為黃河徑流量580億m3的4.0倍。大西線調水加上中線聯合調水可替代增加的黃河中上游地區規劃外配額54億m3，可使黃河中上游和西北內流區新增計劃外用水量1741億m3。

大西線引水線路藏木至洮河線遇山脈鑿隧洞，遇河流建水庫，通過控制水庫水位保持固定的隧洞縱坡度。全線控制性水庫有10座，自西南向東北依次為西藏雅魯藏布江加查縣藏木水庫，尼洋河工布江達縣巴河鎮娘當水庫，易貢藏布嘉黎縣忠玉水庫，怒江八宿縣林卡鄉果巴水庫，瀾滄江芒康縣如美水庫，金沙江巴塘縣甲英水庫，雅礱江兩河口水庫，大渡河雙江口水庫，岷江疊溪水庫，和白龍江尼傲水庫。控制性隧洞主要有：自忠玉水庫沿念青唐古拉山南麓向東至波密縣傾多鎮亞龍藏布，再向東穿過念青唐古拉山入怒江德曲的多段隧洞；自甲英水庫向東穿越沙魯里山至四川省新龍縣絨壩鄉入雅礱江的多段長隧洞；自疊溪水庫向北穿越岷山東山麓至尼傲水庫的多段隧洞群。

表1 藏木－洮河線大壩工程與技術參數

藏木至洮河線總計需建設大壩41座，其中主壩10座，主線輔壩25座，輔線大壩6座，最高主壩是白龍江大壩壩高為327m（表1，圖2）。共需建隧洞46段1534公里，其中主線隧道37段1299km，輔線隧道9段235km。主輔線隧洞中有12段隧洞長度超過50km，16段隧洞長度在20～50km之間，其余18段長度在20km以下（表2，圖3，圖4）。最長單洞為芒康山隧洞，長90.28km。

圖2 藏木－洮河線10座主壩地形剖面

表2 藏木－洮河線隧洞工程與技術參數

圖3 藏木－洮河線地形剖面與設計水位線

圖4 沙魯里山隧洞地形剖面

圖5 藏木至洮河調水工程水源區徑流深度

利用全國徑流深度圖通過ARCGIS計算的藏洮線最大調水量為1687.1億m3，按流域分布狀況為自東北向西南依次為：①嘉陵江（白龍江和涪江）流域40.0億m3；②岷江流域56.5億m3；③大渡河（大金川）流域153.5億 m3；④雅礱江流域203.8億 m3；⑤金沙江流域265.1億 m3；⑥瀾滄江（湄公河）流域201.2億m3；⑦怒江（薩爾溫江）流域281.7億m3；⑧易貢藏布流域140.2億 m3；⑨尼洋河流域102.4億 m3；⑩雅魯藏布江流域242.8億m3。其中易貢藏布、尼洋河和岷江流域水源區徑流深度最大，分別為837mm、778mm和571mm（圖5）。

本文在大壩和隧洞設計與水庫庫容計算中依據的數字高程模型數據來自日本經濟產業省（METI）和美國航空航天局（NASA）于2009年公布的Terra衛星采集的 ASTER GDEM（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model，先進星載熱反射輻射儀全球數字高程模型）數據，地面分辨率為31m，數字高程精度（標準差）為7～14m，相當于5萬分之一的地形圖。庫容計算應用了ARCGIS三維分析（3DAnalysis）程序中的GRID和TIN模塊。隧洞的調水量是根據謝才公式（Chézy formula）和曼寧公式（Manning formula）計算得出的，洞壁的粗糙系數取0.012（水泥砂漿襯里），各隧洞均按照非滿管無壓流計算，當洞內水位是隧洞直徑的95%時流量最大，為滿管流量的108.7%。

3 工程成本效益核算

由于利用黃河上游的徑流向西北調水可以增加調水量，而黃河上下游用水配額可以通過中線南水北調重新分配，所以作者主張中西線聯合調水。為便于對比調水工程的成本效益，作者將聯合調水工程按時間順序分為4階段：①三－丹（三峽－丹江口）階段調水：為現規劃中線延伸，包括133km長的三峽水庫－丹江口水庫隧洞（湖北興山縣香溪河水田壩村至丹江口市浪河鎮）和1427km長的引水干渠擴容（河南省淅川縣九重鎮陶岔村丹江口水庫至北京及天津）。②金－洮（金沙江－洮河）階段調水：金沙江四川巴塘縣甲英水庫至洮河甘肅岷縣十里鎮。③怒－金（怒江－金沙江）階段調水：怒江西藏八宿縣果巴水庫至金沙江甲英水庫，為金－洮線的延伸。④藏－怒（雅魯藏布江－怒江）階段調水：雅魯藏布江西藏加查縣藏木水庫至怒江果巴水庫，為怒－洮線的延伸。

只有進行南水北調中線延伸和大西線聯合調水工程詳細規劃才能精確計算總造價，本文僅參照現有水利工程的工程量和造價的關系對整個工程總造價進行估計。藏木－洮河線主體工程大壩造價主要參照了近年來西南地區在建和已建的大壩造價，通過回歸建立壩高同總投資的關系函數，進而根據大壩的高度估計大壩投資，經估算藏木－洮河線41座大壩總造價為6688億元，其中10座主壩總造價為2944億元，31座主線輔壩和輔助工程大壩造價為3745億元。中西線聯合調水共計需建隧洞9386公里，其中多為復洞，單洞總長度僅為1667公里。按土石方量估計，聯合調水工程的隧洞總投資為16232億元，其中西線為14942億元；中線為1290億元。向雅魯藏布江延伸調水所需增加的西北干渠投資按照增加的調水量（由1256億m3增加為1741億m3）等比例擴大，在3985億元的基礎上增加1537億元。中線延伸引水干渠投資根據中線延伸調水量等比例擴大，估計需投資2343億元。

估計全工程按2010年價格計算的靜態總投資為30785億元，其中隧洞建設投資16232億元，約占總投資的52.7%；西北干渠建設投資7865億元，約占總投資的25.5%；大壩建設投資6688億元，約占總投資的21.7%。

表3 中西線聯合調水成本與調水量

從中西線聯合調水成本來看，中線延伸階段北調每m3水需10.68元為最低（由于未計入干渠擴容成本，原估計值3.79元／m3偏低），稍高于規劃中線調水的單位成本7.1元／m3；金－洮線邊際成本較高，為15.64元／m3，但由于采取了中西線聯合調水，使黃河水可以進行有效的上下游調配，使平均成本僅為14.05元／m3；大西線由金沙江延伸到怒江的邊際成本為14.36元／m3，同金洮階段中西線聯合調水成本相當，從而使聯合調水成本變化很小；大西線由怒江延伸到雅魯藏布江的邊際成本較高，為18.48元／m3，稍高于規劃西線的單位成本17.9元／m3，但從聯合調水總體來看單位成本只有15.19元／m3（表3，表4）。所以作者建議先開工建設西線金沙江及以北與中線延伸聯合調水工程，然后延伸到怒江全面實施怒洮線與中線延伸聯合調水工程，最后實現向雅魯藏布江的延伸調水。

藏洮線中西線聯合調水完成后，以洮河至劉家峽水庫為節點，可對大西線來水和黃河劉家峽以上來水進行統一調配。藏洮線上游來水每年有1687億m3由岷縣十里鎮入洮河，加上黃河上游經龍羊峽水庫調節的劉家峽水庫入庫徑流每年273億m3，總計每年1960億m3。按照黃河流域水資源規劃，需通過黃河主河道向萬家寨－小浪底區間的黃河中游供水219億m3，以工業和城鎮生活用水為主，剩余的1741億m3可在黃土高原和西北內陸缺水地區統一分配。行業間用水量分配按照2008年中國水資源公報公布的西北諸河的用水量分配比例，農業用水占 89.7%，生 活 用 水 占 2.7%，工 業 用 水 占3.2%，生態用水占4.4%；若按照輸水線路長度決定供水配額，分配結果為在新增計劃外用水量1741億m3中各省區可獲得的配額分別為新疆631億m3，內蒙古463億m3，甘肅378億m3，陜西100億m3，山西98億m3，寧夏70億m3。中線延伸增加調水340億m3，以工業和城鎮生活用水為主，供給中線干渠以下的河南、河北、山東、北京和天津。

按照上述分配方案，藏洮線中西線聯合調水的主要用水效益為：①售水收入1203億元；②新增耕地4.46億畝，價值58945億元；③農業效益為可生產大豆13828萬t；④工業效益為可增加32923億元工業GDP；⑤城鎮生活用水效益為可增加39571萬城鎮人口；⑥發電效益為可發電3629億度，價值1814億元；⑦控制長江宜昌總徑流量的21.3%，有利于長江中下游地區的防洪和抗旱；⑧扶貧效益為可容納生態移民4461萬人，從而使8922萬人脫貧；⑨生態效益為可增加綠洲32.3萬km2。

按照上述估計的成本和效益，作者計算了三個階段聯合調水的靜態成本回收期和財務內部收益率。計算結果為金洮、怒洮、藏洮3種聯合調水方案的投資回收期分別為17.9、19.7和22.0年；按運營100年計算的財務內部收益分別為8.02%、8.16%和8.57%。財務內部收益率呈隨調水量增加而遞增的趨勢，這種變化支持大水量調水的藏洮線中西線聯合調水方案。藏洮線中西線聯合調水工程的靜態總投資為30781億元，建成后年總收益為3017億元，扣除總投資1%的運營成本后每年仍有凈收益2710億元，為靜態總投資的8.8%。

4 大西線調水存在的問題解析

調水比例、國內國際水資源分配問題。藏洮線中西線聯合調水北調長江水量1337億m3，為長江入海徑流量的13.7%；北調瀾滄江水量201億m3，為湄公河入海徑流量的4.2%；北調怒江水量282億m3，為薩爾溫江入海徑流量的11.2%；北調雅魯藏布江水量485億m3，為布拉馬普特拉河徑流量的7.9%。長江上游及支流水源區人口稀少，受調水直接影響的地區主要為土地資源極為貧乏的貧困山區，正是需要生態移民的地區。國際河流瀾滄江、怒江、雅魯藏布江下游均為水資源豐富地區，調水量小，對下游影響不大，且有助于下游的防洪。袁嘉祖［11］為了解決大西線南水北調有關國際問題，查閱了有關法規和文獻，認為實施大西線南水北調不存在國際慣例的障礙。

生態問題。水源區河谷植被以生態價值較低的灌叢為主［12］，水庫淹沒的森林面積較小，對自然生態環境的破壞也較小。納水區主要是黃土高原旱作農業區，河西走廊山前洪沖積扇，內蒙古西部沙漠、毛烏素沙地，內蒙古中部干草原，新疆山前洪沖積扇，塔里木盆地南緣，土哈盆地北緣，準噶爾盆地南緣東段。納水區氣候干旱，環境惡劣，所以調水的生態效益十分顯著。

沿線的交通條件。由于在大西線選取了中海拔線路，沿線的交通條件有很好的基礎，并在迅速改進。藏木－洮河沿線有317、318和214國道路為大西線建設提供了便利的交通條件；拉薩－林芝鐵路、成都－蘭州鐵路、成都－雅安鐵路和重慶－蘭州鐵路正建設中；已經建成的機場有6座，西藏的林芝和昌都，四川的康定、成都、馬爾康和九寨溝，甘肅隴南機場也將在10年內修建，不久的將來將在大西線形成發達的立體交通網絡。沿線地質災害問題。藏木－洮河線避開了五都－馬邊地震帶（汶川地震帶），和喜馬拉雅地震帶，但是需要橫穿康定－甘孜地震帶［13］，工程設計中應考慮大壩和長大隧洞的抗震與抗活動斷層問題。汶川地震強震區的4個不同類型百米以上高壩保持了結構整體穩定和擋水功能；目前西南地區正在建設和準備建設的一批200m甚至300m高的超高大壩都處在地震烈度較高的地區，可見中國的大壩抗震技術已經十分成熟，居世界前列。根據中國地殼垂直運動圖［14］，怒江－洮河線處于地殼下降4mm／a和上升4mm／a的區域內；延伸線雅魯藏布江藏木－怒江段，地殼活動強烈，大部分在每年上升8mm以上的地域，最高可達20mm／a以上。但是地殼上升速度變化劇烈的區域恰好是怒江德曲果巴之間利用自然河流輸水的地段以及念青唐古拉山南麓多段短隧洞地段，地殼變化對引水工程的影響不會太大，且較容易修復。

基巖巖性與TBM（隧洞掘進機）掘進。基于1∶250萬地質圖［15］，利用GIS計算各類巖性的圖斑面積發現大西線沿線以砂巖和板巖為主，砂巖硬度居中，板巖硬度較差，二者均屬于TBM掘進的較佳巖層。目前國際上深埋長大隧洞掘進技術已經成熟，如臺灣省在同類巖層上利用TBM隧洞掘進機挖掘隧洞，平均月進度為319m［16］，90km的隧洞雙向掘進12年可以完成，若利用有利地形多開輔助掘進口多頭并進，還可以大大縮短施工期。

5 討論與對策建議

關于數據的可靠性，作者認為本文的徑流量和工程技術數據可信度較強，依據的中國多年平均徑流深度圖是根據2200多個水文站1956～1979年之間的資料繪制的［17］，通過GIS計算的徑流量同統計的徑流量誤差很小。ASTER GDEM的31m分辨率DEM數據可信度最大，該數據采集所使用的熱輻射波可以穿透水體，反映的是河底的海拔高度，同實際建壩設計所依據的海拔高度相同，有效校正了低分辨率和水面反射對河床海拔的高估與對大壩高度的低估。對效益的估算參照的是現實的數據，可信度也較好。對建設成本的估計，雖然作者傾盡所能，仍感覺較為粗略，特別是壩高與造價關系回歸的可信度較差，需做進一步研究。但作者認為本研究的系統誤差不很大，總體上不會影響對大西線是否實施的決策。

聯合調水工程建設應當遵從總體規劃，分期建設，逐步延伸原則，可分四階段進行。中線延伸和干渠擴容的調水效益最佳，工程量小，見效快，應當作為第一階段最先進行建設；第二階段開始建設金沙江－洮河線和到新疆的西北干渠，完成從金沙江向烏魯木齊調水，使南水北調能惠及新疆；第三階段建設怒江－金沙江線和完成西北干渠，實現從怒江向大西北調水，使大西北的生態環境能有根本改善；第四階段建設藏木－怒江線，最終實現從雅魯藏布江向大西北的調水，用于增加向大西北的調水量，或可考慮向蒙古的國際調水。一旦決定實施聯合調水工程，應盡早開始長隧道掘進，以保障全部工程順利完工，否則將無法有效保障2025年以后的中國食物數量安全。

1 水利部黃河水利委員會.南水北調西線工程規劃簡介.2003年8月25日，中國南水北調網，http：／／www.nsbd.gov.cn／zx／gcgh／20091021／

2 牛景賓，曹廷立，李慶中，劉生云 .南水北調西線工程后續水源初步研究，人民黃河，2001，23（10），19－20

3 林一山 .南水北調大西線工程簡介 .水利水電快報，1998，19（9），14－16

4 陳傳友，馬明.21世紀中國缺水形勢分析及其根本對策－－藏水北調 .科技導報，1999（2），7－11

5 崔荃，劉剛 .朔天運河技術可能性分析 .人民黃河，1999，21（6），39－42

6 水利部黃河水利委員會 .南水北調西線 .黃河網－史志資料－流域規劃－專項規劃，http：／／www.yellowriver.gov.cn／ziliao／lygh／

7 陳昌杰 .西南調水大西北的初步設想，人民黃河，2003 25（1），11－12

8 陳清波.加強環境建設六大構想.人民網，2007年07月30日

9 陳清波 .南水北調新構想 .http：／／www.chinapower.com.cn，2007年2月28日

10 梁書民.基于GIS的南水北調中西線聯合調水工程研究 .水利發展研究，2010年第3期，17－24

11 袁嘉祖.實施大西線調水解決有關國際問題的思考.河北林果研究，第17卷第3期，191－195

12 中國科學院 .1：1，000，000中國植被圖集 .科學出版社，2001年5月第1版

13 傅馬利，楊守一 .中國人民共和國地圖集 .中國地圖出版社，1994年6月第2版，8

14 潘家錚，張澤禎 .中國北方地區水資源的合理配置和南水北調問題 .中國水利水電出版社，2001年11月第1版，292－293

15 中國地質調查局.1：2，500，000中國人民共和國地地質圖 .中國地圖出版社，2004年

16 李明雄，李鴻洲，李慶龍，鄭建和，黃偉光 .臺灣水利隧道工程TBM開挖首次慣通案例 .巖石力學與工程學報，2001年第30卷第1期，2－9

17 中國科學院長春地理研究所 .中國自然保護地圖集.科學出版社，1989年8月第一版，88－89ZK）