對長江沿海岸線北延伸進行南水北調的工程可行性研究

周希圣

（上海申通地鐵集團有限公司，上海市 201103）

1　概述

隨著人口的增加和經濟的發(fā)展，北方缺水的情況日益嚴重。中國社科院關于我國北方缺水形勢的估計中，到2050年，北方每年缺水總量達2 028～3 000億m3。為解決缺水問題，許多地區(qū)通過開采地下水補缺，北方地區(qū)每年開采總量約在850億m3以上。同時，根據近期近海海洋環(huán)境資源調查，我國沿海地區(qū)水資源短缺亦日益嚴重，近90%的城市存在不同程度缺水問題，尤以北方城市嚴重。

為解決北方缺水問題，我國已實施的東線和中線調水工程，其調水能力分別僅有100億m3、130億m3，僅能解決沿線40多座城市的生活及工業(yè)用水問題，而農業(yè)、環(huán)境等占水用量的80%以上淡水需求問題，借助現(xiàn)階段方案很難解決，與北方巨大的用水需求仍存在巨大的差距。正在論證的西線調水工程從長江上游干支流引水到黃河上游，調水都在高山峽谷地區(qū)進行，海拔高，施工材料缺乏，難度極大，交通不便，投資巨大，并有可能給上游帶來不可估量的環(huán)境影響而存在非常大的爭議[1-16]。

2　工程建設方案設計

本文提出將長江沿海岸線圍堰北延伸的設想，利用現(xiàn)有的黃海、渤海海防大堤，在外側增設另一壩體，這樣，新老壩體間形成一條強大的水力通路并進行調水。長江年均入海水量約1萬億m3，可將其5%的淡水引至北方，解決我國北方中東部地區(qū)缺水問題。

2.1　線路選擇

（1）全海域方案

由崇明入海口筑壩圍堰，經南通、鹽城、連云港、日照、青島、威海、煙臺等，進入渤海，最終在渤海灣區(qū)域圍堰，形成全部海上線路的方案。該方案線路總長約1 300 km，實施過程中，全部利用現(xiàn)狀海岸線，全海岸線方案見圖1。

（2）海陸結合方案

由崇明入海口筑壩圍堰，經南通、鹽城、連云港、日照、諸城、濰坊、東營后，由萊州灣進入渤海，向西北方向延伸，到達渤海灣。在陸基段，對現(xiàn)狀濰河向南延伸約60 km，由諸城到達日照，并對現(xiàn)有河段進行加深和拓寬改造，滿足設計通水能力。該線位總長約900 km。

2.2　工程地質條件

黃海平均深度44 m，最大深度位于濟州島北側，為140 m。山東半島為港灣式沙質海岸，江蘇東、北部沿岸則為粉砂淤泥質海岸。沿岸區(qū)以細砂為主，間有礫石等粗碎屑物質，近岸多灘涂、沙地，水深非常淺。

渤海為東北-西南向的淺海，海底地形從三個海灣向渤海中央及渤海海峽方向傾斜，坡度平緩，平均坡度為0°0′28′′，平均水深18m，最大80 m。在海河和遼河河口附近，由于河口水下三角洲的堆積作用，5 m等深線分別為30 km和45 km。

總體上，在黃海和渤海近岸區(qū)域，海底地形平緩，10 m等深線距現(xiàn)狀岸基在數千至數十km以外，該深度范圍進行筑壩等施工技術成熟。

圖1　北延伸工程總體線位布置示意圖

2.3　潮汐能利用

受月球、太陽的引力作用，全球海洋潮汐呈規(guī)律性變化，每天有約兩個漲落潮的周期性變化，完成一次漲落平均約需12 h 25 min，每日向后延遲50 min。圖2是上海崇明南堡鎮(zhèn)2017年8月27日潮汐變化情況，全天最高潮400 cm，最低103 cm，超過300 cm的潮高總時長約為8 h 45 min。經對南堡鎮(zhèn)8月份潮汐變化統(tǒng)計，全月有27 d的每日8 h以上潮位超過3.00 m。如果在該位置構建取水口，其頂標高為+3.00 m，則每天有1/3的時間，潮水淹沒過取水口。若在高潮位取水，低潮位關閘，并與下游河床形成一定落差，則可實現(xiàn)自流狀態(tài)下的淡水資源的北調。

圖2　長江口潮汐變化情況

類似工程案例為上海青草沙水庫。其取水口日常標高控制在2.00 m以上，水庫平常借助自流運行，水位在2.00～4.00 m間變化，咸潮來臨前，關閉進水閘，借助200 m3/s的水泵機組提升庫內水位至+6.00 m，以保證全年有約68 d咸潮期的穩(wěn)定供水。

從上海長江入海口到渤海灣儲水區(qū)的總長度約1 000 km，理論上，只要存在水頭壓差，就會發(fā)生水力流動，而且壓差越大，其流動速度越快。根據長江海事局水位公告，2017年8月30日11點，長江沙市的水位為5.10 m，鎮(zhèn)江的水位為3.32 m，其距離接近1 000 km，水位差約1.8 m。為此，如果渤海灣儲水庫與長江入海口的水位落差接近2 m，可通過人工開挖方式實現(xiàn)，則淡水資源可在重力流狀態(tài)下北調。

2.4　長江入海口取水設計

在長江入海口上游適當位置建設取水口，再通過隧道將淡水輸送到新建設的輸水圍堰內，取水系統(tǒng)包括取水泵閘井、隧道、排水井等三部分，見圖3。取水泵閘井布置在青草沙水庫區(qū)域外上游適當位置，以減少咸潮的影響，其底標高為+3.00 m，頂標高參考青草沙水庫壩體高度，為+9.20 m。正常情況下，泵閘井位置的閘門處于開啟狀態(tài)，水位超過3 m后自流入取水井，經隧道，由排水井流入沿海新造人工運河（江）內進行調水。在枯水期間，為避免咸潮入庫，根據監(jiān)測及預報，提前關閉閘門，開啟水泵，按需向庫內提升補水。

圖3　取水系統(tǒng)結構示意圖

取水隧道采用大直徑盾構施工，以提高調水能力。對于內徑為15 m的盾構隧道，其工作井（取水泵閘井）平面凈尺寸約20 m×20 m左右。

假設輸水主通路正常運行水位為+2.00 m，取水口潮位高為+3.00～4.00 m，則隧道內的水流速度：

式中：P1、P2分別為進出水口壓力；z1、z2分別為進出水口液位高度；v1、v2分別為初始及最終速度。

經計算，按照落差為1～2 m計算，隧道內的水流速度約在4.47～6.26 m/s。則直徑為15 m的隧道依靠自流，每小時的調水能力約為284～398萬m3。每天按8 h計，則每條隧道的年自流輸水能力約為100 億 m3。

在北端調水的主通道內施工接收井，接收井的頂標高控制在+1.00以下，以使取排水井間形成一定的壓差，三單體一起形成一組取水系統(tǒng)。

2.5　沿海輸水堤壩設計

壩體設計須考慮輸水能力、高度、寬度、防滲及須實現(xiàn)的功能等，并且壩體兩側都須進行防沖刷設計。

（1）輸水能力設計

根據地質條件及黃海渤海的海底地形條件，其近海岸段地勢非常平緩，因此，筑壩距現(xiàn)狀海防大堤的距離直接控制了輸水能力，而且該距離的大小對工程造價的影響相對較小。不同區(qū)域長江江面的寬度變化不等，最窄處1.5 km，最寬處5 km，水深在3～10 m，假如沿海輸水通道按最大水深按4 m控制，考慮遠期北方的用水需求，且借助通道進一步將水向西、向北輸送，將5%的長江水，即500億m3的水北調，則壩體距現(xiàn)狀海防大堤約400 m，具體依據區(qū)域地質勘查參數確定，實際上，如果壩體距現(xiàn)狀海防大堤足夠大，比如2～3.0 km，可將長江水全部北調，過水斷面增加很多，而工程造價變化卻不大。

（2）防滲控制設計

永久運營階段，新建壩體兩側可能存在一定的壓差，其原因可能有兩方面。一是潮汐變化引起兩側水位存在高差；二是在相同水位條件下，海水和淡水的密度存在差異而引起壓差。根據渤海、黃海地質條件，近岸段多為砂性地層，因此需對壩體下方的一定深度的土層進行適當的防滲加固，堤壩的滲流控制以設置水泥土防滲墻為主，其施工工藝、設計參數以及質量監(jiān)測和評定標準通過現(xiàn)場試驗研究確定。本處暫考慮設置兩排直徑為850 mm的三軸攪拌樁,見圖4。

圖4　大堤結構示意圖

（3）壩體結構

不同深度、不同地層條件壩體結構及施工工藝各不相同。鑒于近岸300～400 m范圍的水深較小，可采用水力充填筑堤的方式，先拋填袋裝砂，再通過水力吹填至+8.00 m，做好護坡，堤頂設置排水溝、防浪墻，墻頂+9.20 m，以抵御臺風狀態(tài)下海浪沖刷。整個大堤如果結合高速公路建造，則僅需增加回填的寬度即可。

2.6　渤海儲水湖設計

渤海面積約為7.7萬km2，平均水深18 m，是中國的內海，整個海域的海水儲量約為13 860億m3，如果將長江水全部引入渤海，16～17個月可將其注滿。工程可采取分區(qū)筑壩圍堰的方式形成儲水湖，在萊州灣、渤海灣、遼東灣等建立分區(qū)儲水庫，假設水深按8m控制，則每100 km2的水面可蓄淡水8億m3，水庫間借助海底隧道與沿海新造人工運河（江）聯(lián)系。

3　工程環(huán)境影響與控制對策

3.1　工程本體環(huán)境影響分析

傳統(tǒng)工程筑壩蓄水往往需要移民、可能誘發(fā)地震等。移民不僅須配套制定落實好補償補助政策、后期扶持政策，尚須克服社會矛盾，成本極高；其次，水庫蓄水后，庫區(qū)及其臨近地區(qū)地震活動明顯增強；此外，蓄水后的庫岸在浸水作用下，穩(wěn)定性降低，易坍塌，危及岸邊建筑物安全，并可能導致嚴重的水庫淤積現(xiàn)象。本項目主要在現(xiàn)狀沿海實施，沒有移民問題，工程開挖亦很少，同時，蓄水高度非常有限，對地基的附加荷載非常小，因而不會誘發(fā)地震問題，其淤積的土挖除后，在壩體外側直接填海造地，因而，次生環(huán)境影響極小。

3.2　沿線現(xiàn)狀水網、管網影響及控制對策

新壩體建成后，要嚴格控制排污設施及其他污染源進入河道，同時，保證區(qū)域泄洪能力，宜分為兩類情況進行處理：

（1）現(xiàn)狀河道。一般地，現(xiàn)狀河道與黃海或渤海的入海口均設有水閘，以調節(jié)閘內外水位標高。沿海輸水通道建成后，原有的入海口變成了入江口，因此，應嚴格控制其水質，防止污染下游河道。將沿線現(xiàn)狀河道通過深埋管涵的形式，延伸至新建壩體位置，通過水閘與海水相通，以便汛期的排洪。

（2）現(xiàn)狀管網。包括海底通信、電力、供水及排水等，其中排水管多為污水管，可通過直接延伸的方式予以解決，其他管線可通過在新建壩體時加以保護或翻排的方式完成，但要保證壩體與管線間不發(fā)生滲漏。

3.3　其他環(huán)境影響

本工程對長江不截流，僅在青草沙水庫取水口位置附近構建少量的取水口，因而對長江的航運、淤積、水生動物洄游等均無影響。

3.4　供水安全與穩(wěn)定問題

非正常條件下，比如戰(zhàn)爭或地震發(fā)生時，大壩若潰毀，北延伸江水直接入海，沒有淹沒村莊的危險；其次，在運營階段，在渤海灣地區(qū)有足夠大的儲水區(qū)域，冬季即使發(fā)生冰凍，由于有數百億到數千億m3的淡水儲存，可保證冰凍期間區(qū)域供水不受影響。

4　工程造價與建設周期

按照前述壩體結構，構建900 km的這樣的壩體約為1 800億元人民幣,若全部沿海岸線布設，約需2 600億人民幣。因動遷工程量幾乎沒有，整個輸水通道的一半工程利用了現(xiàn)狀海防大堤，而輸水通路利用現(xiàn)狀海床，無須河道開挖，僅修建一條新的海防大堤，并對現(xiàn)狀水、管網進行適當的改造，因而造價極低，其投資大約是中線工程的20%，輸水能力增大5倍，同時，與東線相比，其依靠重力流調水，省去電力消耗，僅此一項，每年節(jié)約資金數百至數千億元人民幣。

工程主要是近海作業(yè)，除風暴潮期間不能施工外，其他時間可多區(qū)段平行作業(yè)，整個工程3～4 a可以建成。

5　結語

沿海人工造江（河）所使用的筑壩技術非常成熟，工程實施過程中的自然環(huán)境、地質環(huán)境及社會環(huán)境影響較小，建成后可將大量的淡水資源北調，徹底解決中國北方中東部缺水的水源問題。工程如果結合高速公路、景觀工程等的同步建設，不僅形成江海一線天的壯美景象，同時將黃金水道向北延伸1 000 km，使得整個項目具有調水、水陸交通、旅游景觀、生態(tài)修復等多重功能。整個工程建設周期短，造價低，因而具有極其重大的經濟、社會及環(huán)境效益，極其重要的國家發(fā)展戰(zhàn)略意義，并造福子孫后代。