南水北調東線工程黃河以北線路優化構想

趙勇，何凡，王慶明，何國華

（1.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038）

一、前言

調水工程是解決水資源空間分配不均、滿足居民用水需求的重要手段，目前世界上大規模、長距離的調水工程已有160多項。美國1959年建設的加州調水工程，旨在解決加利福尼亞中部、南部地區干旱缺水及城市發展需要，輸水干線長度為1086 km，年調水量為4×109m3。法國1983年建成的迪朗斯-凡爾頓調水工程，設計灌溉面積為6×104hm2，年發電量為5.75×108kW·h，滿足了灌溉、發電、供水的綜合需要。澳大利亞1949年建設的雪山工程，將斯諾伊河的多余水量引向西坡并在調水沿途利用落差發電，保證了城市和重要工業區的水源供應，促進了沿線盆地農牧業發展。

我國南水北調工程是世界上規模最大的調水工程，通過三條調水線路（東線、中線、西線）與長江、黃河、淮河、海河四大江河建立聯系，構成了“四橫三縱”的總體布局，以利于實現水資源南北調配、東西互濟的合理配置格局。自2013年11月南水北調東線一期工程建成通水后，截至2021年5月，累計向山東省調水超過5.29×109m3，有效緩解了魯南、山東半島、魯北地區的缺水問題，綜合效益顯著[1]。加快構建國家水網主骨架和大動脈，為全面建設社會主義現代化國家提供有力的水安全保障，成為南水北調后續工程高質量發展的客觀要求[2]；其中，南水北調東線后續工程的規劃建設，現實需求迫切。也要注意到，《南水北調工程總體規劃》批復近20年來，我國經濟總量、產業結構、城鎮化水平等顯著提升[3,4]，社會主要矛盾發生了轉化，一系列重大戰略相繼實施，北方主要江河情勢、地下水超采等水生態環境問題動態演變[5～7]，都對南水北調工程提出了新要求。有研究認為，應評估《南水北調工程總體規劃》實施情況，分析其依據基礎條件的變化，研判變化對加強和優化水資源供給提出的新要求[8]；南水北調后續工程開展總體規劃評估、重大問題研究、工程體制機制創新，完善東線二期、中線引江補漢工程前期工作，推動國家水網重大工程建設[9]；注重國家重大戰略、生態文明建設等對加強并優化水資源供給提出的新要求，科學確定工程規模與總體布局，處理好發展和保護、利用和修復的關系[10]；原有的南水北調東線工程規劃線路并未考慮雄安新區設立、華北地下水超采綜合治理等情況，在覆蓋規模、調用水量方面難以適應新的發展形勢[11,12]。

本研究團隊曾于2014年撰寫了“關于爭取南水北調東線等新水源進京的建議”，提出將北京市納入東線后續工程受水區以及經白洋淀進京的線路構想；2020年撰寫了“關于優化南水北調東線二期工程進京線路的建議”，提出東線經白洋淀進京的必要性和優勢。基于以上研究成果，結合南水北調東線后續工程規劃建設面臨的新形勢，針對工程功能定位、整體布局、線路走向等重大問題進行系統梳理，提出優化東線后續工程黃河以北線路的相關構想。

二、京津冀地區水資源供需格局分析

《南水北調工程總體規劃》提出的黃河以北受水區包括山東省魯北地區，河北省滄州市、衡水市部分地區，天津市區，線路主要布設在大清河淀東清南天津平原、河北省黑龍港東部平原、山東省徒駭馬頰河平原。在將北京市納入受水區后，京津冀地區將成為黃河以北部分的主要受水區。京津冀地區水資源供需格局呈現出三方面特征，需在東線后續工程規劃中重點考慮。

（一）京津冀地區水資源長遠供求趨勢

京津冀地區水資源缺口約為3.9×109～6×109m3，需要增加外調水量以保障水資源安全[13]。在京津冀所處的海河流域，水資源長期處于嚴重超載狀態[14]，開發利用程度一度達到106%，需從缺水的黃河流域調水才維持了經濟社會的正常發展。隨著南水北調東中線通水，海河流域的整體開發利用程度有所降低；2020年依靠從黃河流域調水5.614×109m3，從長江流域調水5.349×109m3，流域水資源開發利用率下降到了90%左右，仍遠超40%的合理閾值。從人均水資源量看，中線一期規劃年調水量為9.5×109m3，扣除沿途損失，凈輸入京津冀地區的水量為4.95×109m3；即使在該部分水量充分利用的情況下，三地人均水資源量也僅約為273 m3（為全國平均水平的1/7），水資源緊缺情勢沒有根本扭轉。

根據“十三五”國家重點研發計劃項目“京津冀水資源安全保障技術研發集成與示范應用”預測成果，在現狀評價的水資源量、中線一期工程和引黃水量按多年平均考慮、強化節水等條件下，為保障經濟社會合理用水需求，京津冀地區2035水平年正常年份缺水情景分別為：①實現最小生態用水和地下水采補平衡，缺水量為2.9×109m3；②實現適宜生態用水和地下水采補平衡，缺水量為3.6×109m3；③實現地下水位上升，按50年恢復期計算，每年需回補地下水1.4×109m3，缺口為5×109m3。如果考慮未來山丘區地表水資源量大概率繼續將衰減1×109m3以上，則上述水資源缺口至少增加1×109m3，分別為3.9×109m3、4.6×109m3、6×109m3[9]，需要進一步增加外調水量以保障區域水資源安全。

當然，在理論上東線后續工程、中線后續工程均可增加一定規模的外調水量，應在綜合考慮東、中線工程互濟互補的基礎上進行統籌安排。其中，中線工程如果充分利用現有工程設施，采取局部地區擴建完善，挖掘汛期和工程潛力等措施，預估中線總干渠輸水能力可由一期的9.5×109m3提升至1.15×1010m3，即具有超過2×109m3以上的增加供水能力。在中線工程挖潛方案下，仍需東線后續工程向黃河以北地區供水。

（二）京津冀地區水資源空間分布特征

京津冀國土資源開發重心在中西部山前平原和中部平原，水資源需求增長點也集中在該區域。根據城市分布的分析結果，京津冀平原區3個地貌分異交界附近集中了區域內的全部高等級城市[13]。其中，在山前平原邊緣的100 m等高線上分布有北京、石家莊、邢臺、邯鄲、安陽等城市；在中部平原邊緣的20 m等高線上分布有唐山、廊坊、保定、衡水、德州等城市；在濱海平原區分布有天津、滄州兩市。

2012年以來，京津冀國土空間開發利用和保護格局發生了進一步變化[15,16]。在宏觀層面，京津冀協同發展、建設河北雄安新區成為國家重大戰略，北京、天津、保定等市的平原地區（包括雄安新區）和廊坊市定位為京津冀協同發展的中部核心功能區。在區域層面，北京市正在建設大興國際機場臨空經濟區，全面實施永定河綜合治理與生態修復；河北省形成了以石家莊市為核心，邯鄲、邢臺、保定等市為重要節點的經濟聯系緊密城市群。可以預見，隨著京津冀協同發展戰略的深入推進，尤其是雄安新區的建設發展[17～19]，京津冀國土空間開發重心將更加向山前平原和中部平原集中。

然而，與國土空間開發格局相對應，京津冀地區因長期處于缺水狀態，水資源開發格局早已相對固化，基本沒有冗余的水資源可供調節，難以支撐新的增長點[20,21]。以雄安新區為例，建設發展不僅會帶來整個區域對優質水源需求的大幅增長，而且對白洋淀乃至整個白洋淀流域的生態用水提出了更高要求[22～24]。根據本研究團隊參與編制的《雄安新區水資源保障規劃》，白洋淀生態需水的剛性需求為2×108m3（用于彌補淀區蒸發消耗水量和下滲水量），彈性需求為2×108m3（用于改善淀區水動力和水生態條件），2030年新區經濟社會發展的需水量約為4×108m3，合計需水量為6×108～8×108m3。

南水北調中線將成為雄安新區經濟社會用水的主要水源：近期由現有的南水北調配套供水工程向新區建設提供用水，遠期建設南水北調中線雄安干渠來保障新區的生活生產用水。白洋淀水源保障主要有兩條途徑：引黃入冀補淀工程，向白洋淀補水規模由規劃的1.1×108m3提高到2×108m3；通過流域水量置換、用水結構調整，流域上游水庫和入淀河流多年平均可補水量約為9.2×107m3。從十年、百年等長時間尺度的角度看，即使按照既有規劃發展，未來雄安新區水資源安全程度依然十分脆弱：生活水源僅有南水北調中線單一優質水源，白洋淀需要從黃河進行應急補水才能維持生態用水的基本需求，入淀河流斷流問題難以解決。

現階段，南水北調中線是雄安新區經濟社會用水的主要水源，主要是利用河北省南水北調中線工程尚未達效的空檔期，暫時通過各地區南水北調中線用水指標調整來滿足新區用水需求，未來新區依然面臨強烈的用水競爭。這樣的水安全圖景，顯然不足以匹配雄安新區的建設發展定位。因此，將東線工程接入白洋淀，不僅可以形成東中互補的供水結構，極大增強雄安新區供水的穩定性，還可以根本性地解決河淀生態用水不足、區域生態退化等問題，為建設綠色、生態、宜居新城區創造保障條件。

（三）京津冀地區水資源結構特征

不同行業的水資源需求趨勢分異顯著，尤其是京津冀地區中西部的生態需水更為強烈。從經濟社會規模、產業結構、社會結構現狀看，京津冀地區需水增長的關鍵驅動力依然長期存在；但因各城市間的經濟、生態本底差距較大，區域間、行業間差異化特征明顯，用水增長將存在明顯的地域和行業差異。京津兩地的水資源需求增量集中在生態，而河北省的生活、工業、生態都面臨用水增長需求。這意味著東線工程的供水對象和功能定位需要根據需水結構的區域和行業差異進行相應優化。

與《南水北調工程總體規劃》預測情景相比，需求結構的最大變化體現在生態方面，原因在于：因有大量的生態歷史欠賬待彌補，河湖生態用水保障需求呈快速增長態勢。相關需求仍然集中在京津冀地區中西部的山前平原和中部平原。在生態環境歷史欠賬方面，華北平原地區的地下水累計虧空達1.8×1011m3，帶來了嚴重的生態退化問題。在南水北調中線工程通水的情況下，現階段能維持整體采補平衡、局部地區有所回升已顯艱難，要恢復到合理的地下水位仍需極大努力。關于地下水超采區，能通過河湖補水等措施進行恢復的淺層地下水超采區主要分布在石家莊、邢臺、保定、北京等市的山前平原區，而東部沿海地區的淺層地下水超采很少，天津、滄州等沿海城市基本未發生淺層超采。

在河湖生態水量保障方面，海河流域實現河湖生態復蘇的需求極為迫切。根據近10年的實測資料，海河流域與我國其他流域相比，現狀生態基流達標率、優良率均為最低水平，入海水量占比僅略高于黃河[16]。在海河流域的主要河流中，灤河、北運河的生態水量滿足狀況相對較好，永定河、大清河、南運河的滿足狀況較差。其中，永定河干支流4個河段（具體為桑干河的冊田水庫-官廳水庫段、洋河的懷安-官廳水庫段、永定河干流的盧溝橋-屈家店段、永定新河的屈家店-河口段），生態水量均得不到滿足。對于永定河、大清河水系，需要從更接近河流上游的山前平原補水才能取得良好效果。

三、南水北調東線后續工程黃河以北線路優化構想

（一）線路優化構想的主要內容

現規劃線路是以《南水北調工程總體規劃》東線規劃線路為基礎，利用小運河、位山引黃三干渠、漳衛河、南運河、子牙河、馬廠減河、青年渠工程等已有工程及河流北上，至天津市北大港水庫。

從前文分析可見，無論是城市需水還是生態需水，都集中在京津冀地區中西部的平原區。因此，線路優化構想的總體思路為：充分利用現有河道和渠道，單線變雙線，將供水重心西移；工程線路更側重于覆蓋地下水淺層超載區，更利于補給河湖生態用水。具體分為兩方面：現規劃線路保留，仍以天津市北大港水庫為終點，重點保障天津市、大運河等地的用水需求；修建西干線，將東線水利用衛千渠從衛運河引水，經千頃洼（衡水湖）進入引黃入冀補淀工程，再經引黃入冀補淀工程調入白洋淀。

需要說明的是，因利用引黃入冀補淀工程輸送東線二期工程所調水至白洋淀，東線二期與引黃入冀補淀工程受水區在此區間有所重疊；為便于工程運行管理，可將原配置給衡水湖以北地區的入冀補淀水量統一在衡水湖以南進行消納，而衡水湖以北地區由東線二期工程進行供水。

（二）東線水進白洋淀方案可行性分析

1.充分利用已建引水工程與河道，在經濟技術上可行性良好

經河北白洋淀向北京市調水，從西南方向進京，距北京市直線距離為60 km，高程差為35 m。可通過建成的引黃入冀補淀工程線路，將東線水調入白洋淀，再從白洋淀利用白溝河河道或建設管道輸水至北京永定河上游，直接覆蓋北京市大部分平原區的河湖水系。現規劃方案是經天津九宣閘向北京市調水，從東南方向以管道形式進入北京市通州區，距北京市直線距離約為100 km，高程差為38 m。兩類方案的經濟技術指標差別不大，可以判定經白洋淀向北京市調水在經濟技術上是可行的。

2.把握雄安新區建設的歷史機遇，供水水質可以得到保障

水質保障是東線發揮工程效益的重要基礎。2002年東線一期工程啟動時，調水沿線水質污染較為嚴重；作為重要調蓄水庫和調水通道的南四湖、東平湖均為劣V類水，經過10年治污才達到了東線Ⅲ類水質目標。2017年設立河北雄安新區后，白洋淀流域的生態環境保護和治理被提到前所未有的高度，白洋淀乃至整個大清河流域水質提升明顯并有望得到根本性改善。2017年前，白洋淀水質長期處于Ⅳ類～劣V類，富營養化問題突出，上游主要污染物化學需氧量（COD）、氨氮年入河量分別是現狀限排總量的4.3倍、14.1倍。近年來，大力推進城鎮污水治理、生態治理修復、河流綜合整治等工程，白洋淀水質實現了逐年改善，2021年白洋淀流域的斷面水質均達到Ⅲ類及以上。未來在東線治污專項、雄安新區建設的雙重推動下，東線供水的水質可以得到保障。

四、對南水北調東線后續工程進京方案的初步思考

（一）東線后續工程經白洋淀進京方案

將北京市納入受水區后，現規劃線路是從天津九宣閘建設輸水管線進入北京市通州區；在沒有東線后續工程進白洋淀方案的情況下，該方案是合理和可行的。如果東線后續工程進白洋淀方案被確定，則建議進一步考慮經白洋淀進京線路，即東線水進入白洋淀后，再利用白溝河已有河道或管道輸送至北京市永定河流域；沿途串起雄安新區、北京大興國際機場，供水覆蓋北京市平原區。東線后續工程黃河以北線路將形成完整的“雙線”格局（見圖1）。

圖1 現規劃線路以及經白洋淀進京線路

（二）東線后續工程經白洋淀進京方案的優勢分析

1.串聯白洋淀、永定河等重要河湖濕地，覆蓋大清河、永定河大部河網水系，生態效益發揮更充分

作為華北平原最大的淡水湖泊，白洋淀具有獨特的自然景觀，其生態修復水平事關雄安新區的發展質量；然而入淀河流斷流、生態需水難以保障一直是制約生態修復的瓶頸性因素。東線工程將白洋淀作為重要的調蓄水庫與調水通道，可直接推動淀泊的生態水量、水動力條件得到根本性改善。從白洋淀往南，可通過東線串聯千頃洼（衡水湖）等湖泊濕地；往北則進入永定河上游，直接支撐整個永定河流域的綜合治理與生態修復，有助于顯著改善北京市的生態環境質量；往東可覆蓋大清河水系中下游，串聯東淀、文安洼、團泊洼、北大港等湖泊濕地。

2.自流覆蓋范圍更廣，與南水北調中線等工程的聯動作用更強，有利于構建多元互補的京津冀水資源保障網

從近年來南水北調東、中線一期工程通水后的情況看，自流覆蓋范圍對發揮工程效益具有重要作用，甚至直接決定了工程的作用半徑；在華北地區地下水超采治理工作中，這一現象尤為明顯。自流覆蓋范圍的擴大意味著更強的經濟性，尤其是長期經濟效益更為顯著，將直接影響工程是否“可以持續”。與經天津九宣閘進京方案相比，“雙線”方案在京津冀地區的自流覆蓋范圍可擴大約78%，將新增覆蓋武強、河間、獻縣、河間、任丘等地下水超采區縣，對當地的供水保障、地下水壓采支撐作用更為顯著。此外，經白洋淀進京線路比原規劃線路更靠近中線，干線與引黃入冀補淀工程相結合，終點與永定河和萬家寨引水工程相銜接；未來可形成以南水北調東線、中線，萬家寨引水工程，引黃入冀補淀工程等調水工程為軸，串聯大清河水系和永定河水系，構建多源互濟的京津冀地區水資源保障網。

3.對北京市而言，經白洋淀進京線路方案的工程綜合效益以及供水可靠性、用水經濟性具有明顯優勢

現規劃進京路線為自天津市九宣閘北上，進入北京市境內最低洼的通州區。隨著北京市水污染治理力度的不斷加大，通州區的缺水問題并不嚴重，而且沒有調蓄水庫。與現規劃方案相比，經白洋淀進京線路方案具有三方面優勢。①調蓄能力極大增強。白洋淀7 m水位對應的庫容為3.6×108m3；未來采取清淤措施后，目標水位下的庫容可增加到4×108m3。這部分庫容為東線提供了華北地區極為難得的調蓄能力，且東線水調入永定河上游后即可進入三家店水庫和規劃建設的陳家莊水庫調蓄。②有利于構建北京市的雙環供水格局。東線水調入永定河上游后，可接入北京市供水二環；與配置南水北調中線水，利用密云、懷柔水庫進行調蓄的供水一環，共同形成平時雙環分質供水、應急時互通互補的城市供水格局。③生態環境效益極高。萬家寨引黃工程每年1×108m3左右的水量不足以保障當前永定河生態用水，也就制約了流域生態修復水平。東線水進入后，將直接支撐整個永定河流域的綜合治理與生態修復，還能自流到城區大部分主要景觀河道以提高城市宜居水平。

4.經白洋淀進京線路更深入華北平原腹地，有利于帶動整個區域的環境治理

雄安新區建設是“以點帶面”，為華北平原生態治理添加牽引力。南水北調東線一期工程的建設經驗表明，后續工程可以實現“以線帶面”，帶動整個華北平原的生態治理，尤其是水環境保護（見圖2）。東線治污，難的不僅僅是南四湖；因處于經濟較發達的東部地區，而又主要利用現有的京杭運河輸水和湖泊調蓄，沿途的治污任務都很艱巨且各具特點。例如，山東省制定了全國第一個流域性排污標準，其中的COD、氨氮排放標準都顯著嚴于同期的國家行業標準；嚴格的地方標準不僅逼停了許多污染嚴重的“小土”企業，也倒逼大企業積極升級生產工藝；經過改造，山東省造紙業產能重新恢復，變成低耗能、重環保的綠色產業，達到國內領先水平。因此，以南水北調水質達標來帶動水環境保護和水生態治理，倒逼產業結構調整和區域經濟布局優化，進而推動循環經濟、綠色經濟、低碳經濟發展，是完全可能的。

圖2 華北平原各區域劃分示意圖

5.在一定程度上避開地下咸水區，有利于充分利用滲漏水量，提高工程綜合效益

黃河以北地下咸水區的滲漏水量也是工程選線的重要因素。根據規劃估算，黃河以北輸水年損失高達1.01×109m3，約占過黃河水量的20%。現規劃輸水線路幾乎全部位于地下咸水區，咸水區的滲漏水量對地下水補給效應極為有限，在有些地區甚至起到負面作用（地下水位過淺引起土壤鹽漬化）。相比之下，西干線（含經白洋淀進京線路）淡水區面積將增加6847 km2，滲漏水量可成為最經濟有利的調蓄，從而為當地經濟社會或生態環境有效利用。

五、南水北調東線后續工程的幾點討論

（一）優化后續工程功能定位

南水北調工程的屬性定位是決定工程能否順利實施并保持良性運行的根本性問題。南水北調東、中線一期工程通水以來，水價承受能力較高的城鎮生活和工業供用水矛盾得到很大緩解；未來供用水矛盾將主要表現為農業和生態缺水，南水北調后續工程理應承擔更多的公益性任務，尤其是河湖生態和地下水超采置換等。顯然，后續工程的公益性特征將較一期工程更加突出。還需進一步完善南水供給城市、農業、生態等不同目標的水價形成機制，并與功能定位優化相匹配，這是關乎后續工程能否可持續運行的重要方面。

（二）加強技術和體制機制創新

在工程運行過程中，應充分采用智慧管理手段來提高自動化、智能化水平，探索采用風電、光伏發電等清潔能源，合理降低運行管理成本。南水北調東線工程各泵站多鄰近湖泊，周邊風能資源豐富，具備較好的風能開發價值；泵站運行時段集中在風能資源最為豐富的秋冬季，為能源保障提供了便利條件。沿線廣泛分布的大型調蓄湖泊，可作為天然的“能量調節器”來平抑風電、光伏發電等新能源出力的不穩定性，使新能源抽水蓄能成為可能。可推進跨地市、跨省份的水權轉讓，讓有需求、有能力多接受南水的城市和地區以城市供水及生態補水等形式最大限度地消納南水，進一步提高工程運行的綜合效益；也可使暫時難以消納的地區取得一定的經濟收入，用于配套工程建設投入。

（三）合理確定工程推進時序

與經濟社會的其他需求一樣，用水需求也是一個逐步釋放的過程；建議按照“先通后暢”思路推進南水北調東線二期工程建設。鑒于東線穿黃河工程已按照一、二期結合的100 m3/s規模進行建設，東線二期工程先期可按過黃河流量100 m3/s進行規劃建設；合理利用南水北調東線一期工程穿黃沒有達效的條件，率先實施東線二期黃河以北供水工程和“卡脖子”關鍵工程，然后再逐步推進黃河以南的工程建設。通過工程推進時序的優化，在充分發揮一期工程作用同時，控制近期投資強度。

（四）開展單線與雙線方案比選論證

南水北調東線二期工程需要站位于百年工程的角度，綜合各方因素，力求充分支撐京津冀地區的經濟社會發展和生態環境治理，使得綜合效益發揮得更為廣泛、更加持久。建議在相關工程規劃中，將雙線方案納入比選方案考慮，在工程成本、運行成本、供水范圍、調節能力、經濟效益、生態環境效益等方面進行全面比較和優選。