基于 GIS的南水北調中線延伸*與大西線聯合調水工程研究

梁書民

(中國農業科學院農業經濟與發展研究所 北京 100081)

1 大西線南水北調研究現狀

土地資源極為豐富而水資源極為匱乏是中國大西北的最大特點。目前中國正處于經濟快速發展時期,通過向大西北調水促進當地的資源開發,對全國經濟發展意義重大。在經濟方面,可以促進中國經濟的空間均衡發展;實現中國耕地的占補平衡,促進全國的城鎮化建設;有利于保障中國的食物安全。在社會方面,可增加農民收入,有利于維護邊疆的社會穩定;通過生態移民可以加快貧困山區的脫貧致富步伐。在生態方面,可改善西北干旱區的生態環境;實現防洪、排沙、發電、灌溉的協調發展,有效地維護河流的自然生態環境和保護河口生態系統。

大西線南水北調的設計方案很多,韓亦方、曾肇京于 2000年[1],楊洪潤、李明生于 2001年[2]對諸方案分別進行了總結。筆者將大西線南水北調方案歸納為 8種:水利部規劃的西線自流調水方案[3];黃河水利委員會南水北調西線工程后續水源[4];長江水利委員會林一山方案[5];中國科學院陳傳友方案[6];貴陽勘測設計院方案;郭開—袁嘉祖方案[7];郭開方案修正案 (郭開方案由于缺乏科學根據,遭到專家質疑[8,9],崔荃、劉剛對該方案進行了修正[10]);黃河水利委員會的舊調水方案[11],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,玉樹—積石山線等。

從大西線調水的目的可以確定對調水線路的要求。首先,需要依靠自流輸水以節省運營成本和電力損耗;調水線路海拔越高調水量越少,且存在調水線路施工和維護困難問題;線路越低調水量越大,但線路越低,坡降越小,隧洞工程量越大,向大西北調水越困難,于是存在引水線路的合理海拔高度問題;由于從雅魯藏布江調水工程浩大,且運營成本高,應當排除此選項。根據上述標準評價上述諸線路可見,水利部和黃河水利委員會的規劃偏于保守;林一山方案和貴陽院方案存在調水量估計偏大和提水問題;陳傳友方案和黃委會玉樹—積石山線的海拔過高;郭開及其修正案最大問題是工程不具有技術可行性;黃河水利委員會的舊調水方案中翁定線較為可行,缺點是線路偏低,工程量大;惡巴—洮河線較為適宜,可惜未設計向瀾滄江、怒江的延伸調水;石鼓—渭河線線路比翁定線的海拔還低,也存在工程量大的問題。

2 聯合調水方案總體設計

南水北調中線延伸與大西線聯合調水方案的總體設計是:廢止規劃的西線高海拔調水方案,而采用中海拔調水線路以增大調水量;在現有南水北調中線工程基礎上,通過延伸南水北調中線至長江三峽水庫,擴大中線的北調水量,保證黃河下游的用水需求;利用現有的黃河中上游水利工程和小浪底水利樞紐工程,使黃河水除調沙入海外,均留于中上游使用,同時通過增加中線調水量作為替代水源,用于滿足黃河下游的用水需求;建設大西北引水干渠,在滿足現有規劃供水量的基礎上,利用劉家峽水庫盡可能多地將水引向河西走廊、內蒙古高原西部和新疆東南部 (圖 1)。

圖 1 南水北調大西線與中線延伸聯合調水方案示意

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

其中的大西線調水線路海拔適中,輸水線路全程長 1107km,水位海拔從 2920m降為 2320m(圖2),具有可觀的發電潛力;從水源區到受水區全程自流,運營成本低;避免了從雅魯藏布江調水,工程量適中;涉及最大壩高為 295m,最長隧道106km,最大隧洞半徑 6.57m,工程技術上是可行的,是天賜中國的優良調水線路。設計延伸了南水北調中線,從長江三峽水庫向丹江口水庫調水,連同原規劃的漢江水北調量,使中線南水北調最大調水量增加到 470億 m3,從而使設計的中西線北調水量總計為 1668億 m3,加上規劃的東線調水 148億 m3,總計可向北方調水 1816億 m3,約為黃河年徑流量 580億 m3的 3.1倍。

中線延伸工程可置換黃河下游的當前用水配額 145.4億 m3,并置換黃河流域規劃新增的 150億 m3用水量中分配給下游的 58.95億 m3,總計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凈增規劃外配額 54億 m3,從而使黃河中上游和西北內流區可新增計劃外用水量1253億 m3。

設計的大西北供水總干渠總長 6794km,加上輔助工程陜西引洮河入渭河輸水線路長約 462km,山西萬家寨引黃入晉輸水線路長約 452km,寧夏黃河干流長約 325km,輸水干線長度共計為 8033km。

3 主要工程技術指標

3.1 西線引水線路東壩—洮河線

東壩—洮河線具體線路起始于西藏左覺縣東壩鄉的怒江東壩水庫,穿經四川省巴塘縣、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。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821km,多段復合洞總長 4719km。全線有 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;全線有 6處長于 60km的隧洞,最長單洞為沙魯里山隧洞,長 106311m。

利用全國徑流深度圖通過 ARCGIS計算的全線最大調水量為 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。可分為六期逐步建設,嘉陵江流域和岷江流域調水為第一期,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。

在大壩和隧洞設計中依據的數字高程模型(DEM)數據來自美國國家航空航天局奮進號航天飛機采集的SRTM—V3數據,地面分辨率為 100m,相當于 1/150000的地形圖。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)。

圖 2 東壩—洮河線地形剖面與設計水位線

3.2 中線引水線路與水庫水位調節方案

中線引水線路起始于湖北省興山縣香溪河畔的水田壩村,經興山縣平水村,神農架林區新華鄉郭家埡村,保康縣多橋鎮和寺坪鎮,房縣沙河鄉畈上村,至丹江口市浪河鎮注入丹江口水庫,全長133403m。隧洞半徑 6.5m,5洞復合總長為667015m。在海拔較低的平水村、多橋鎮、寺坪鎮和畈上村可以開支洞輔助挖掘,在郭家埡村等 8處可開鑿通風豎井 (圖 3)。

為便于從三峽水庫調水,中線調水線路延伸需要聯合調度三峽水庫和丹江口水庫的水位。三峽水庫水位調節應由原計劃改為在 11月至次年 4月維持正常水位 175m半年,丹江口水庫水位調節應由原計劃改為在 11月至次年 4月期間將水位降為155m,與三峽水庫形成 20m的水位差,從而使三峽水庫向中線順暢自流輸水。

圖 3 香溪—浪河隧洞地形剖面與支洞豎井分布

3.3 大西線引水干渠

在西北總干渠工程建設順序安排上,考慮了當前經濟帶優先,土地資源豐富區優先,水資源缺乏區優先,重點風沙源治理優先的原則。設計按五期進行建設,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。

設計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,用于翻山過河和取直線路;利用海拔 1735～900m的水位落差,可維持較高比降,以保證流速;設計時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。

按照分期建設的原則,水源區與受水區的對應關系大致為從嘉陵江、岷江向洮渭線和洮祖線西安和定西方向供水,以及用于寧夏增加引黃灌溉;從大渡河通過萬家寨工程擴容向山西供水,并開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 造價估計與成本效益對比

設計的大西線南水北調東壩—洮河線是多條線路比選的最終結果,為類似線路中單位線路長度引水量最大的,全長 1107km,引水 1198億 m3,平均 1.08億 m3/km線路;高于海拔較低的東壩—定西線 0.96億 m3/km,和海拔較高的薩達—洮河線0.98億 m3/km,白達—洮河 0.87億 m3/km;遠高于當前南水北調規劃西線延伸線的單位線路長度引水量 (0.47億 m3/km)。在地質和環境方面,將低海拔方案線路適度上移,基本避開了地震多發區;線路的大水庫多在植被較差的西南干熱河谷地,比低海拔方案淹沒的耕地和森林少。

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,在此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。東壩—洮河線主體工程大壩造價主要參照了西南地區在建和已建的大壩造價,經估算東壩—洮河線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。隧道造價估計參照 2006年完工的秦嶺終南山公路隧道,估計西線主體工程和輔助工程隧洞與中線隧洞總投資為 10238億元。西北干渠造價參照在建的南水北調中線陶岔渠首至平頂山市沙河南段工程,根據調水量和地形變化適當調整單位造價,使每 km造價維持在 5000萬 ～8000萬元之間,估計聯合調水工程 6794km的西北干渠總造價為 3985億元。

估計中西線聯合調水工程總投資為 20216億元,可聯合調水 1668億 m3,折合單位調水量投資為 12.1元/m3;分階段建設的中西線聯合調水工程金沙江及以北工程總投資為 13108億元,可聯合調水 1188億 m3,單位調水量投資為 11.0元/m3,均比當前規劃的南水北調西線單位調水量投資17.9元/m3低,中西線聯合調水工程優于當前規劃的中西線調水工程。中線延伸工程的性價比更高,單位調水量造價僅為 3.8元/m3,遠低于當前中線的單位調水量造價 (7.1元/m3)。

從發展農業保障糧食安全角度分析,西北干渠的效益在于可以開墾沿線的宜農荒地資源。聯合調水工程可以在滿足當前用水規劃的基礎上每年可給黃河中上游和西北內流區增加供水 1253億 m3,若其中 648億 m3用于農業,按每畝灌溉需水 500 m3計算可開荒和增加水澆地 12960萬畝,價值 17125億元;按每人 10畝水澆地進行生態移民計算,可移民 1296萬人,相當于目前的貧困人口總數。大西線調水的生態用水可用于固定流動沙丘,改善生態環境,211億 m3生態用水可綠化沙漠 10.55萬km2,約占全國流動沙丘面積的 1/5,可以徹底解決威脅中國北方的風沙源問題。聯合調水工程的效益巨大,這里僅核算了灌溉效益、生態移民效益和治理沙漠化的生態效益;其他效益如工業用水效益、防洪效益、發電效益、售水收入、增加勞動力就業、促進城鎮化發展和拉動國內生產總值增長等,可由專業人士進一步核算估計,鑒于篇幅限制不再詳細描述。

5 結論與對策建議

綜合上述各節的設計和論證可以得出如下結論:中西線聯合調水方案工程設計是基于當前的建壩和鑿洞技術,技術上是可行的;具有巨大的經濟、社會和生態效益,可以徹底解決中國的城鎮化占地、旱澇災害、貧困人口、糧食安全和生態惡化等諸多重大問題。中西線聯合調水工程并未超出中國國力的承受能力,建議國家對本方案進行詳細論證,規劃實施,作者也將做進一步深入細致的研究。

對中西線聯合調水方案工程的規劃和實施的具體建議是:聯合調水工程建設應當遵從總體規劃,分期分批建設,逐步延伸原則。中線延伸的單位投資調水效益最佳,應當作為第一階段最先進行建設的工程,引洮入渭和引洮入祖工程有利于黃河流域內部水資源的合理調配,工程量較小,可以與中線延伸工程同時進行,從而爭取盡早實現南水北調中線向黃河下游替代供水和黃河流域上中下游水資源的聯合調配。

目前西歐、美國、日本等發達國家在隧道方面的技術比較先進[12～14]。中西線聯合調水工程中隧洞總投資約為全工程的一半,長隧洞挖掘技術是全工程的關鍵,建議通過引進世界先進技術大力發展國產隧洞掘進機產業,以提高中國的隧洞掘進能力。

在加強聯合調水工程硬件建設的同時,也應加強水資源配置規劃和管理研究等軟件建設。開發多流域水資源協調管理系統,使跨流域、流域和次流域多級規劃有機結合,相互銜接,長江流域防洪、發電與調水相互協調,黃河上游、中游、下游水資源利用與調沙相互協調,最終實現多流域農業、城鎮、工業和生態用水的聯合調度。

利用耕地占補平衡政策向全國各城市和城鎮建設用地占用耕地征收聯合調水開荒基金,可以為聯合調水工程籌集大量資金,同時國家應當鼓勵中東部城市對口支援西北干渠的建設和土地資源開發,從而可以實現建設占用耕地的異地補償,徹底解決城市擴張占地問題。

目前對中國食物數量安全最大的威脅來自自給率極低的油料作物 (含大豆)和食用植物油產業。充分利用建設聯合調水工程的契機,在沿線開墾荒地,廣泛采用節水灌溉技術,因地制宜地大力發展大豆、花生、向日葵等油料作物,可以徹底解決中國的食用植物油危機。

1 韓亦方,曾肇京 .對 “大西線”調水的幾點看法[J].水利規劃與設計,2000,(2):22-25.

2 楊洪潤,李明生.大西線調水與西南三江水能利用探討 [J].三峽大學學報 (自然科學版),2001,23(2):112-115,119.

3 水利部黃河水利委員會.南水北調西線工程規劃簡介[EB/OL].http://www.nsbd.gov.cn/zx/gcgh/20091021/.

4 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 [J].人民黃河,2001,23(10):19-20.

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

6 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 [J].科技導報,1999,(2):7-11.

7 中國黃河文化經濟發展研究會,大西線南水北調工程論證委員會.大西線南水北調工程建議書 [J].當代思潮,1999,(2):2-18.

8 魯家果.“朔天運河——大西線南水北調構想”質疑[J].社會科學研究,2001,(2):49-52.

9 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 [M].北京:中國水利水電出版社,2001.

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

11 水利部黃河水利委員會 .南水北調西線 [EB/OL].http://www.yellowriver.gov.cn/ziliao/lygh/.

12 白洪海.TBM在長隧道施工中存在的問題及發展趨勢[J].科技資訊,2006,(2):32-33.

13 黃今,蘇華友.TBM在長大隧道開挖中應用前景初探[J].山西建筑,2007,33(2):276-277.

14 Stephen Murdoch.The Niagara Tunnel Project[J].Bulletin of Canadian Dam Association,2006,17(4).