全球大型跨流域調水工程及水資源農業開發潛力

梁書民， Richard Greene, 朱立志， 孫煒琳， 崔奇峰

(1.中國農業科學院 農業經濟與發展研究所， 北京 100081； 2.首都師范大學 地球空間信息科學與技術國際化示范學院， 北京 100048)

1 研究背景

“地球能養活多少人”是一個跨多學科的問題，涉及人口學、生態學、經濟學、社會學、自然地理學、農學等。1998年美國人口學家科恩(Joel E. Cohen)的研究發現眾多估計的世界人口峰值中位數在77×108～120×108之間，同當時聯合國預測的2050年人口數在78×108～125×108之間相近[1]，前者中位數為98.5×108，后者中位數為101.5×108。2017年全球總人口為75.50×108，預計2030年人口為85.51×108，2050年人口為97.72×108，2100年人口為112.0×108，分別比2017年增加13.3%、29.4%和48.3%[2]。

世界農業發展經驗表明，土壤肥料、灌溉和優良品種是推動農作物單位面積產量增加的主要因素。由于農業受氣候波動影響較大，肥效的發揮和良種的推廣都需要以灌溉為前提條件，在干旱半干旱環境下發展灌溉是推動農作物增產的最主要因素，目前基于水肥一體化的滴灌和微灌技術是最先進的大田農作物生產技術，節水增產效果最佳，推廣潛力最大。世界耕地灌溉面積由1949年的0.92×108hm2增加到2016年的3.00×108hm2，同期的耕地灌溉率由6.9%提高到18.8%。2017年全球生產主要食物包括谷物、薯類折糧、豆類和油料籽(統稱糧食油料)共計40.59×108t，4類農作物產量比重分別為70.2%，23.6%，4.2%，2.0%。1960-2015年世界谷物總產量由6.73×108t增加到28.49×108t，平均每年增加0.3956×108t，按4類農作物產量同步增加估計全球每年增加糧食油料產量0.4886×108t。按照線性趨勢預測，世界糧油總產量2050年可達56.72×108t，2100年可達81.15×108t，將分別比2017年增加40%和100%；同FAO預測的世界糧食和油料產值2050年比2012年增加47%的結果相近。其中人口增長對糧食油料需求量增長的貢獻率為56.9%；世界人均糧食油料占有量將由2017年的538 kg增加為2050年的580 kg和2100年的725 kg，由于收入增加造成的人均糧食消費量增加對糧食油料需求量增長的貢獻率為43.1%。

當前學術界對全球農業生產潛力、水資源、灌溉農業的研究主要有：Hopper[3]研究了全球各大洲宜農荒地開發潛力；De Souza等[4]評價了不同氣候帶的開發潛力和綠色革命對世界農業發展的貢獻；Mekonnen等[5]揭示了全球水資源短缺的地域分布；Gleeson等[6]考察了全球現代地下水分布；D?ll等[7]探索了全球地下水補給；梁書民等[8-9]推算了高分辨率全球徑流場，并研究了中國水資源的農業開發潛力；Richts等[10]貢獻了世界地下水資源空間數據(WHYMAP GWR)；Gleeson等[11]揭示了全球地下水滲透率和孔隙度；Fan等[12]研究了全球地下水位深度分布。另外還有歐亞草原跨流域調水農業生產潛力研究[13]、主要糧食出口國糧食生產潛力分析[14]、對全球農業生態區的適宜耕種程度評價[15]以及FAO農業和糧食未來系列報告[16-17]。王光謙等[18]系統地總結了世界現有的跨流域調水工程，突出了跨流域調水對灌溉的重要性；Deniston[19]和席勒基礎設施工程研究所[20]列舉了幾項超大型水資源開發工程，包括北美水電聯盟工程，非洲剛果河-撒哈拉沙漠調水工程，南美洲亞馬遜流域-潘帕斯草原調水工程，以及澳大利亞的園藝業開發工程。

本文的核心研究目標是計算全球節水灌溉和跨流域調水灌溉的增產潛力。所使用的基礎地理信息主要有基于經驗徑流系數計算的全球徑流深度；基于邁阿密模型計算全球光溫生產潛力、全球氣候生產潛力、全球光溫潛力灌溉需水量。設計調水路線利用了全球數字高程模型[21]、全球河流和流域分布[22]以及全球土地利用類型[23]、全球土壤類型[24]等。聯合國糧農組織(FAO)數據庫可提供全球各國的耕地面積、播種面積、谷物面積、谷物產量以及全球10 km地面分辨率的灌溉率分布圖[25]等，結合光溫潛力和耕地分布情況可計算各國農作物的經濟系數。國際灌區協會(ICID)提供的各國灌溉面積、噴灌面積和滴微灌面積[26]可用于評價各國灌溉發展的現代化水平。

2 調水線路設計

跨流域調水工程的規劃設計應遵循經濟效益最大化原則，需要實現建設成本和運營成本最小化，產出最大化，和項目內部收益率最大化。對水源地的具體條件要求有：(1)河流徑流豐富，集水面積較大，可調水量充足；(2)所在地區地勢較高，調水起點海拔高于受水區，空間分布上接近受水區，能夠向受水區自流調水。對受水區具體條件要求有：(1)地勢平坦，地面坡度小，集中連片，面積廣大；(2)干旱缺水，或季節性缺水，光溫潛力高，高效灌溉農業發展潛力大；(3)接近水源地，海拔低，便于引水自流灌溉；(4)保護地球森林生態系統，盡量選擇非林地，最好在具有旱作農業基礎的地區調水灌溉開荒。對輸水線路規劃設計的具體條件要求有：(1)優化輸水線路長度和縱向坡度，實現工程成本和調水量的性價比最大化，單位調水成本最低化；(2)受水區輸水線路沿山麓延伸，通過蓄水池調節自流分配水資源；(3)受水區的蓄水池和過境干旱區的渠段應采取工程技術措施防治蒸發損失，最好同光伏發電相結合；(4)調水干渠工程的規劃設計應兼顧內河航運功能，以降低糧食運費，便利糧食運輸。

按照上述原則規劃設計跨流域調水工程，全球跨流域調水工程按受水區所處地理位置可分為9個大區，分別命名為：1中北美洲，2 南美洲，3 非洲南部，4 非洲中西部，5 非洲東北部，6 歐亞草原西部，7 歐亞草原東部，8 歐亞大陸南部，9 澳大利亞大陸。

(1)中北美洲大區7亞區。主體工程是北美洲水電聯盟工程(NAWAPA)，位于中北美洲大陸西部，以3路揚水北水南調為主，主要水源地是北美洲西北部諸河流上游，主要調水目的地是干旱缺水的北美洲大平原西部和美國西部高原，輔助工程為墨西哥東西兩海岸平原調水工程；美國加州中央谷地和墨西哥尤卡坦半島調水工程利用本地山區水源調水，則可以自成系統。

(2)南美洲大區7亞區。主體工程是中路北水南調工程，主要水源地是亞馬遜河南岸支流上游，主要調水目的地是拉普拉塔平原。其它調水工程主要有秘魯東水西調，巴西東部圣弗朗西斯科河南水北調到巴西東北部沿海平原，以及阿根廷南部沿海平原利用本地水源灌溉工程。

(3)非洲南部大區4亞區。主體工程是卡拉哈迪盆地向心調水灌溉工程，主要水源地為贊比西河和奧蘭治河上游；次要工程有莫桑比克沿海平原和馬達加斯加西部沿海平原灌溉工程。

(4)非洲中西部大區5亞區。主體工程是剛果河南水北調撒哈拉沙漠西部超大型調水工程，水源地為剛果河上游諸支流，調水目的地為乍得湖盆地和撒哈拉西部平原，遠抵西非沿海平原和北非中部地中海沿岸城市；輔助工程有尼日爾河中游和西非沿海平原灌溉工程。

(5)非洲東北部大區8亞區。主要工程有尼羅河水灌溉工程，目的地有南蘇丹、撒哈拉沙漠東北部平原；索馬里-肯尼亞-坦桑尼亞印度洋沿海平原灌溉工程，水源地主要為魯菲吉河、朱巴河和謝貝利河以及東北非亞丁灣-紅海沿岸平原灌溉工程，但是由于平原狹窄，該工程調水規模較小。

(6)歐亞草原西部大區3亞區。該大區是歐亞草原向心調水超大型工程的西北半部，以里海北部沿岸平原和中亞圖蘭低地為調水目的地，按目的地位置和調水線海拔高度分為3個大型亞區，即西線里海平原、上東線圖蘭低地東和下東線圖蘭低地西，調水水源地為西伯利亞流入北冰洋諸河的上游和里海北岸諸河的上游，如勒拿河、葉尼塞河、鄂畢河、烏拉爾河、伏爾加河。

(7)歐亞草原東部大區8亞區。該大區是歐亞草原向心調水超大型工程的東南半部，以中國南水北調東、中、西3線為主體，調水目的地為華北平原、中國內蒙古和大西北以及柴達木盆地，水源地主要是青藏高原東部和東南部諸河，如雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、長江、黃河。其他調水工程有中國東北平原、呼倫湖平原、蒙古戈壁沙漠北水南調3工程，以及蒙古西部山區2處內陸盆地灌溉工程。

(8)歐亞大陸南部大區23亞區。以季節性局部調水灌溉為主，大型工程較少。主要有南亞次大陸東部沿海平原調水灌溉工程6亞區；印度沙漠調水灌溉工程3亞區，含瓜達爾調水工程；中南半島山間盆地季節性調水7亞區；西亞伊朗-土耳其高原內流河調水灌溉工程5亞區；南歐地中海氣候區調水灌溉工程2亞區，包括西班牙中部北水南調和意大利波河平原調水灌溉。

(9)澳洲大陸大區7亞區。澳洲大陸水資源短缺，東部水資源較西部豐富。可進行調水灌溉的亞區主要有卡奔塔利亞灣沿海平原、墨累河-達令河盆地、大自流盆地東北部平原以及澳洲大陸西南部和西北部的沿海平原(圖1)。

關于與調水工程相關的內河航道和水路糧食運輸問題，糧食運輸方式有5種：內河航運、海運、鐵路、公路、空運；內河航運同海運運費率相當，鐵路運費率是水運的2倍，公路運費率是水運的5倍，空運運費率是水運的9倍。長距離糧食運輸必須采用水運或鐵路運輸，短距離糧食運輸可采用公路，空運糧食除用于戰爭外一般不用于民用糧食運輸。

歐亞草原東部受水區可開辟7條水路運糧通道[13]，北方冬季冰期停運，每年三季可用駁船運輸糧食油料，三級航道的年運糧能力約為1.0×108t，四級航道的約為0.5×108t。若在歐亞運河東段將涇河和灤河2條干線建成三級航道，在黃河上中游、無定河、西拉木倫河、松遼運河、佳木斯-海參崴運河5條線路建四級航道，總計7條內河航運通道每年的運糧能力為4.5×108t，基本可以滿足從歐亞草原東部受水墾殖區每年向東部沿海港口運輸約5×108t糧食油料的需求，鐵路可以完成剩余的糧食運輸。歐亞草原西部受水區的中亞-大西洋和印度洋水路運糧通道有6條，其中主干糧食運輸通道2條，分別連接黑海與地中海和黑海與北海，位于歐亞運河西段，自歐亞運河巴爾喀什湖段向西，經里海北部和連通里海-黑海的伏爾加河-運河-頓河通道, 到亞速海和黑海，然后分南北兩路西進，南路經博斯普魯斯海峽、愛琴海入地中海，可抵達南歐北非的地中海各港口；北路經第聶伯河、維斯瓦河、奧得河、易北河航道入北海。另有4條水運通道分別為：(1)里海-波羅的海通道伏爾加河-奧涅加湖-拉多加湖-圣彼得堡；(2)里海-波斯灣第一通道庫拉河-烏魯米耶湖-底格里斯河運河；(3)里海-阿富汗-巴基斯坦-阿拉伯灣通道；(4)黑海-北海通道多瑙河-萊茵河內河航道。

在非洲地區，當前通航河流有尼羅河及其支流青尼羅河、尼日爾河及其支流貝努埃河、注入乍得湖的沙里河、塞內加爾河和扎伊爾河及其支流開賽河、烏班吉河、桑加河。另有莫桑比克贊比西河下游、朱巴河下游、安哥拉寬扎河下游、坦桑尼亞魯菲吉河下游[27]。調水后可發展內河航運的有奧蘭治河、林波波河以及剛果河-撒哈拉沙漠-地中海大運河，即沿剛果河-撒哈拉沙漠西部調水的班吉-恩賈梅納-尼亞美-加奧-因薩拉赫-的黎波里運河。非洲多為高原地形，河流中下游瀑布多，落差大，內河航運需解決貨船翻越瀑布的問題。

在北美洲地區，目前內河航運發達，通航線路主要有五大湖-圣勞倫斯河、五大湖-伊利運河-哈德遜河-紐約和密西西比河及其西岸支流阿肯色河、密蘇里河、明尼蘇達河，還有加拿大的納爾遜河-薩斯喀徹溫河-哈德遜灣、北美洲西海岸的哥倫比亞河。北美洲北水南調后可發展內河航運的線路有美國西部的科羅拉多河、美墨界河格蘭德河、密西西比河下游支流雷德河以及流經休斯頓的布拉索斯河。

在南美洲地區，通航河流有亞馬遜河及其支流馬代拉河、塔帕諾斯河和托坎廷斯河、巴拉那河及其支流巴拉圭河和阿根廷南部的科羅拉多河。南美洲北水南調后主要調水運河即可成為運糧運河，與巴拉那河、拉普拉塔河相連通，進入南大西洋。

在南亞和東南亞地區，印度和巴基斯坦調水工程主要用于滿足國內糧食油料需求，印度河、恒河、布拉馬普特拉河可以用于運輸糧食，長距離調水運河也可用于運輸糧食。緬甸、泰國、柬埔寨和越南南部則可以利用伊洛瓦底江、昭披耶河和湄公河向沿海港口城市運輸糧食和油料。

在澳大利亞，通航河流有墨累河及其支流達令河和馬蘭比吉河。澳洲水資源缺乏，進一步發展運河運輸困難較大。

3 調水與節水灌溉開發潛力

3.1 相關指標及其計算方法

受水區調水開發潛力有關指標的分步驟計算方法如下：

(1)受水區面積Ad：在地理信息系統格柵數據模塊中，采用摩爾魏德地圖投影，取東經10°為中央緯線，利用地圖投影等積的特點，通過計算單元格柵點面積和受水區格柵總數可計算受水區面積。

(2)受水區光溫生產潛力Yt和氣候生產潛力Ymin：利用格柵數據模塊和各格柵點的光溫生產潛力和氣候生產潛力，可以計算各國各個受水區的總光溫與氣候生產潛力和平均光溫與氣候生產潛力。

(3)光溫生產潛力需水量Pyt：利用邁阿密模型計算受水區各個格柵的光溫生產潛力需水量和受水區總光溫生產潛力需水量。

(4)降水總量Pre：利用各個格柵的多年平均降水量計算和受水區總降水量。

(5)灌溉需水量Pd：實現光溫生產潛力的灌溉需水量可利用公式Pd=Pyt-Pre計算。實際為類似天然降水的噴灌需水量。

(6)滴灌灌溉需水量Pddr：實際考察中滴灌需水量為噴灌需水量的62.5%。

(7)受水區徑流量ROd：利用全球徑流深度格柵計算獲得，參考GRDC數據進行校正。

(8)水源區徑流量ROs：利用全球徑流深度格柵計算獲得，參考GRDC數據進行校正。

(9)總計可利用徑流量ROt：ROt=ROs+ROd

3.2 受水區水資源豐缺評價

根據可利用徑流量ROt，受水區灌溉需水量Pd和滴灌灌溉需水量Pddr等確定調水量和灌溉方式，可將在外來調水情況下受水區水資源豐缺程度由豐到缺劃分為7個等級：

(1)本地水噴灌。本地水資源噴灌需水滿足率Rod/Pd≥0.8，受水區水資源最豐富，無需調水，利用當地徑流即可滿足受水區噴灌農業用水需求；

(2)調水噴灌。調水噴灌需水滿足率ROt/Pd≥0.8，水源地和受水區水資源中等豐富，可以通過調水滿足受水區噴灌農業用水需求；

(3)調水滴灌。調水滴灌需水滿足率ROt/Pddr≥0.8，水源地和受水區水資源弱豐富，可以通過調水滿足受水區滴灌農業用水需求；

(4)調水一熟滴灌。調水滴灌一熟需水滿足率ROt/Pddr1≥1，水源地和受水區水資源弱缺乏，可以通過采用滴灌滿足受水區農作物一熟制農業用水需求。其中Pddr1為農作物一熟滴灌需水量，農作物熟制按光溫生產潛力每8 000 kg/hm2可保證一熟計算。

(5)調水一熟覆膜滴灌。調水覆膜滴灌一熟需水滿足率1>Rfdr1≥0.8，水源地和受水區水資源中等缺乏，可以通過采用覆膜滴灌滿足受水區農作物一熟制農業用水需求,其中農作物覆膜滴灌一熟需水量滿足率定義為Rfdr1=(Pre+ROt)/(Pre+Pddr1)。

(6)調水一熟覆膜滴灌中墾殖率。調水覆膜滴灌一熟需水滿足率0.8>Rfdr1≥0.6，水源地和受水區水資源嚴重缺乏，可以通過采用覆膜滴灌滿足大部分受水區農作物一熟制農業用水需求，但是受水區墾殖率需降低，達不到最大值0.8。

(7)調水一熟覆膜滴灌低墾殖率。調水覆膜滴灌一熟需水滿足率Rfdr1<0.6，水源地和受水區水資源最嚴重缺乏，可以通過采用覆膜滴灌滿足受水區農作物一熟制農業用水需求，受水區墾殖率達不到0.6。

3.3 跨流域調水受水區調水灌溉增產潛力

根據不同的灌溉方式計算熟制與一熟墾殖率，然后計算播種面積與光溫生產潛力，進而計算經濟系數(經濟產量同生物產量的比值)與糧食油料生產潛力。根據全球灌溉統計數據、FAO食物統計數據、耕地和灌溉分布圖以及全球氣候潛力、光溫潛力、徑流和覆膜滴灌墾殖率分布格柵數據，計算得出全球旱作與灌溉耕地總經濟系數為0.2622；根據經濟系數估算受水區的糧油的光溫生產潛力、當前糧油產量和調水灌溉增產潛力，其中受水區當前耕地糧食油料產量按當地耕地面積、灌溉面積、光溫潛力、氣候潛力計算得出的光溫生產潛力和經濟系數折算。

計算結果為9大區72亞區跨流域調水工程總計受水區面積為1 712.2×104km2，稍高于俄羅斯的國土面積。滴灌需水量為15.0433×1012m3，自流域外調入徑流量5.759 5×1012m3，滴灌墾殖率約為48%，可增產糧油36.177×108t，為2017年全球糧油產量的89.13%，跨流域調水9大區糧食油料增產潛力見表1，全球調水工程72亞區糧食油料增產潛力與缺水評價見表2。

由表1、2分析可知：

(1)中北美大區7亞區受水區面積最大，為393.7 km2，可調入徑流量為6 711×108m3，可增產糧油4.563×108t。其中大平原西亞區可增產量最大，為2.049×108t，缺水評價等級為4；美西高原和科羅拉多2亞區缺水評價等級為6。

(2)南美洲大區7亞區受水區面積居中等，水資源豐富，可調入徑流量最大，為10 720×108m3，可增產糧油達5.602×108t。其中中南部亞區可增產量最大，為2.699×108t，其次為巴拉圭亞區為可增產1.511×108t，2亞區缺水評價等級為3；本區只有智利亞區缺水評價等級為6。

(3)非洲南大區4亞區受水區面積較小，可調入徑流量為4 077×108m3，可增產糧油2.258×108t。其中卡拉哈迪亞區可增產量最大，為0.931×108t，缺水評價等級為5；本區奧蘭治河亞區缺水評價等級為6。

(4)中西非大區5亞區受水區面積較大，可調入徑流量為9 319×108m3，可增產糧油3.930×108t。其中中北部亞區可增產量最大，為3.306×108t，缺水評價等級為6；本區德拉河亞區缺水評價等級為6。

(5)東北非大區8亞區受水區面積較小，可調入徑流量為5 429×108m3，可增產糧油2.334×108t。其中南蘇丹亞區可增產量最大，為1.129×108t，缺水評價等級為4；本區索馬里和埃及2亞區缺水評價等級為6。

(6)歐亞西大區3亞區受水區面積較大，可調入徑流量為8 132×108m3，背景氣候潛力大，宜農荒地資源豐富，可增產糧油最多，為8.837×108t。其中圖蘭東、圖蘭西、里海咸海3亞區水資源可供給量均較豐富，可分別增加糧油產量2.793×108、3.260×108和2.784×108t。

(7)歐亞東大區8亞區受水區面積較大，可調入徑流量為5 267×108m3，可增產糧油5.689×108t。其中西北內蒙亞區是中國西線南水北調主體工程受水區，可增產量為3.757×108t，缺水評價等級為5。

(8)歐亞南大區23亞區受水區面積較小，分布較為分散，可調入徑流量為6 843×108m3，可增產糧油2.097×108t。其中印度西北亞區可增產量為0.227×108t，為本區最大值，缺水評價等級為4；其次是水資源豐富的加爾各答和印度東南2亞區，可增糧油產量稍高于0.15×108t，其余各亞區增產潛力均不足0.15×108t。本區里海東南、卡維爾、赫爾曼德、舒爾河4亞區水資源缺乏，而且增產潛力不足0.1×108t。

(9)澳洲大區7亞區受水區面積最小，僅為60.2×104km2，可調入徑流量為1 097×108m3，可增產糧油0.869×108t。其中卡奔塔里亞區可增產量為0.345×108t，為本區最大，缺水評價等級為4，其次為墨累河亞區可增產量為0.204×108t，缺水評價等級為6。本區墨累河、菲茨羅伊、沙克灣、自流盆地、納拉伯5亞區水資源缺乏，使本區成為水資源最缺乏的大區。

3.4 非受水區耕地節水灌溉增產潛力

根據世界灌溉學會的統計，2016年全球擁有耕地面積15.93×108hm2，灌溉面積3×108hm2，以噴灌、微滴灌為代表的高效節水灌溉面積僅占灌溉面積的17.5%。這表明全球通過推廣高效節水灌溉技術增加糧油產量的潛力很大。根據經濟系數和非受水區耕地氣候潛力、光溫潛力、當前灌溉率、覆膜滴灌墾殖率分布情況計算，當前世界耕地糧油總產量為40.59×108t，其中受水區生產5.97×108t，非受水區生產34.62×108t；非受水區當前耕地糧油產量34.62×108t中，有30.23×108t為氣候潛力產生的，有4.39×108t為灌溉增加的產量；在不進行跨流域調水，而利用本地水資源全面推廣覆膜滴灌情況下，非受水區現有耕地可增加的糧油總產量為11.722×108t，其中巴西和印度可增產量最大，分別為2.559和2.349×108t；其次是中國和美國，分別可增產0.687×108t和0.574×108t；可增產0.2×108t以上的國家有阿根廷、澳大利亞、泰國、緬甸、墨西哥、西班牙、法國和土耳其8國；可增產0.1×108t以上的國家有印度尼西亞、俄羅斯、意大利、越南、菲律賓、古巴、尼日利亞、坦桑尼亞、馬拉維和烏克蘭10國。22國合計可增產9.622×108t，占全球總增產潛力的82.1%(圖2)。

表1 跨流域調水9大區糧食油料增產潛力

全球跨流域調水受水區調水灌溉增產潛力和非受水區耕地節水灌溉增產潛力分別為36.179×108t和11.722×108t，合計為47.899×108t，預測的2050年的世界食物增產量16.125×108t是該增產潛力的33.7%，2100年的世界食物增產量40.557×108t是該增產潛力的84.7%。至此本文得出的結論是對地球人口承載力應持謹慎樂觀態度，對全球未來食物生產應采取積極進取的策略，以保障世界食物供給。樂觀是由于食物需求未能超出當前農業生產技術水平下的食物生產能力；謹慎是由于有的農業生產能力經濟效益差，挖掘潛力難度大，有的調水工程為超大型工程，實施難度大；積極進取的食物生產策略是指從易到難，穩步推進，逐步保障食物供給，如先推廣高效節水灌溉技術，后發展跨流域調水灌溉，先建設規模小、效益大的調水工程，后建設規模大、效益小的調水工程，對超大型調水工程采取由易到難、由近到遠逐步建設的策略。

4 投入產出估算

本節以歐亞草原2大區9亞區為案例估算調水工程的投入產出情況，進一步對全球9大調水區進行經濟效益初步評價，并且按照先易后難的原則確定建設先后順序。歐亞草原調水工程共計11個，本節對其中的以外流河為水源地的9項工程進行投入產出估算和經濟效益分析。根據筆者的估算，歐亞草原9受水區跨流域調水工程總計需投資8.932×1012元，折合單線建設成本為1.8503×108元/km。歐亞草原跨流域調水滴灌墾荒工程總投資為23.892×1012元，子項目投資額由大到小依次為調水工程投資、蓄水池成本、購買宜農荒地支出、滴灌設備投資和支渠投資。按30 a建設期計算，每年靜態投資為7 963×108元。歐亞草原跨流域調水滴灌墾荒工程效益巨大，可分為直接效益和間接效益，其中直接效益可用于計算內部收益率，包括墾荒、發電、航運和售水4大效益。按30 a計算，歐亞草原跨流域調水滴灌墾荒工程的墾荒總價值為44.155×1012元，4項收入總計為71.676×1012元，總收入與總投資的比值恰好為3.00[13]。

表2 全球調水工程72亞區糧食油料增產潛力與缺水等級評價

圖1 全球跨流域調水灌溉工程的水源區與受水區及徑流深分布

注：圖中數字為72亞區編號

按照估算的總投資和總收入計算調水工程的靜態投資回收期，結果為回收期短于10 a的亞區工程有東北平原調水工程、華北平原調水工程、里海咸海低地調水工程，其經濟效益最佳，建設優先度較高；回收期介于10～12 a之間的工程有圖爾蓋圖蘭東調水工程、中國大西北內蒙古調水工程、庫侖達圖蘭西調水工程，其總投資額度大，工程復雜，具有多重功能，工程收益也較大，經濟效益居中，優先度較低；回收期長于12 a的有柴達木盆地調水工程、呼倫湖調水工程、戈壁沙漠調水工程，由于工程規模較小，建設周期短，內部收益率較高，按照工程容易者優先的原則，其優先度不低于超大型調水工程。

GIS計算結果表明，全球跨流域調水工程9大區72項調水工程水源區面積總計為3 563.42×104km2，是俄羅斯面積的2倍多；建設調水線路總長20.471×104km，是赤道周長的5倍多。根據歐亞草原9項調水工程線路單線建設長度的單位長度建設成本，按照全球9大區跨流域調水線路的單線建設長度估算調水工程成本，并按照歐亞草原9項調水工程的輔助工程成本與線路建設成本的比率估算9大區的調水灌溉總成本，得出9大區72項調水線路工程成本大約為38.215×1012元人民幣，加上支渠、蓄水池、噴灌滴灌設備、宜農荒地價值成本，5項成本總計大約為102.220×1012元人民幣，約為調水工程成本的2.675倍。全球調水灌溉總成本稍多于中國2018年的GDP總量90.03×1012元人民幣；按匯率1美元兌7.0382元人民幣，折合12.792×1012美元，是2018年世界GDP總量84.84×1012美元的15.08%。

歐亞草原9亞區的總收益包括墾荒總價值、售水收入、售電收入、航運價值，約為墾荒總價值的1.623倍。按此推算，全球9大區調水墾荒總價值按照增產糧食估算為每年3.618×1012元，每年總收益為5.872×1012元，按總成本102.220×1012元人民幣計算，靜態投資回收期為17.41 a。

從粗略計算的靜態投資回收期來看，9大區中南美洲大區調水項目建設成本低，收益高，經濟效益最佳，投資回收期最短,僅為7.77 a；歐亞南大區跨越山脈的運河水運通道建設成本所占比重較大，拉高了單位調水量建設成本，經濟效益最差，投資回收期最長，達57.38 a，若取消4個水運通道中的2個，可以明顯減少工程成本，如取消地中海-幼發拉底河-波斯灣運河通道和伊朗的里海-波斯灣第二通道(未被選作運糧通道)。澳洲大區總投資回收期長達37.37 a，澳大利亞缺水評價等級為7的3個亞區調水工程經濟效益較差，拉低了整體經濟效益，也應考慮取消。中北美大區的總投資回收期為29.08 a，其中美國西部山間盆地和科羅拉多河流域調水項目由于地形崎嶇，需長距離揚水發展灌溉，地面坡度較大，無法集中連片開發，經濟效益和開發條件遠不如大平原西受水區，拉低了本大區調水項目的經濟效益，可以通過調整規劃和改變優先建設次序提高調水工程經濟效益，縮短投資回收期。其他大區總投資靜態回收期在9.7～18.7 a之間，接近或低于平均值，項目可行性均較強，但是大區內部亞區子項目之間的經濟效益也有較大差異，一般缺水評價等級為7的項目可行性最差(表3)。限于篇幅，本文對亞區之間的經濟效益比較研究只涉及了上述歐亞草原9亞區，沒有估算其他63個調水亞區的投資回收期。

5 結論與展望

調水灌溉工程對保障世界糧食供給意義重大。糧食增產途徑有兩類，一為內涵擴大再生產，主要指通過推廣優良農作物品種和水肥一體化灌溉技術等增加單位面積產量，需要以開發利用水資源發展灌溉為前提；二為外延擴大再生產，主要指通過旱作墾荒、灌溉墾荒或毀林開荒增加耕地面積。由于濕潤半濕潤地區的旱作墾荒潛力已經挖掘殆盡；干旱半干旱地區的旱作墾荒容易造成土地沙漠化；并且世界各國制定了保護森林的環境保護政策，禁止毀林開荒；灌溉墾荒將是未來耕地面積增加的重要方式。合理開發水資源，因地制宜發展高效節水灌溉是未來世界各國增加耕地面積，提高糧食油料產量，保障食物供給的有效手段。

本文涉及調水灌溉墾荒和利用現有耕地發展高效節水灌溉兩種主要提高食物產量的手段，得出的主要結論有：

(1)調水墾荒工程是世界未來食物增產的重要工程。全球72項調水工程增產潛力巨大，經濟效益明顯，能夠基本滿足日益增長的人類對糧食油料的需求。調水灌溉工程能夠實現受水區增產糧食油料接近世界對糧食油料需求的增長。

(2)高效節水灌溉投資少、見效快，應當優先發展。按照先節水后調水的水資源利用原則，在現有耕地上發展高效節水灌溉的增產潛力約為調水灌溉增產潛力的1/3，是近期世界食物生產增長的主要來源，其投資成本較低，經濟效益較高，建設優先度一般較高。

(3)全球調水工程綜合考慮各種環境因素，設計合理，工程技術可行。各類調水工程涉及的大壩、隧洞、運河、渡槽、內河航道、陡坡降航道和隧洞航道等工程技術均為成熟技術，中國在許多工程技術領域居世界領先水平。

(4)多數調水工程經濟效益明顯，技術經濟可行性強。建設周期短、經濟效益較好的調水項目可以優先發展，超大型調水項目可以分期建設，經濟效益較差的項目則可以通過調整建設方案、優化設計增強其技術經濟可行性。

(5)超大型調水工程遵循內河航運同步建設原則，利用調水運河發展內河航運，便于未來受水區的農產品廉價運輸，提高農產品競爭力，對促進全球內陸地區的經濟發展意義重大，如歐亞草原、非洲中部、南美洲中南部和北美洲大平原西部地區。

展望世界調水工程發展的未來，有待進一步研究的問題主要有：

(1)水資源開發資金籌措問題。水資源開發需要大量投資，非一國之力能及，需全球主要經濟體和當事國共同投資。全球調水72項工程涉及的經濟強國又是調水當事國有美國、中國、印度、巴西、意大利、加拿大、俄羅斯、澳大利亞、西班牙、墨西哥10國；主要當事國有阿根廷、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦以及南部非洲和中西部非洲國家；其他GDP居世界前15名的經濟強國有日本、德國、英國、法國、韓國。

(2)水資源開發資金國際合作問題。對于僅涉及一個國家的項目，其水資源開發資金籌措較容易，工程實施只決定于項目的投入產出比的高低和規模大小，如澳大利亞、馬達加斯加、斯里蘭卡、緬甸、西班牙、意大利、土耳其等國的工程，以及大國內部的中小型跨流域調水工程，如中國、印度、巴西東部、阿根廷南部、泰國西部。超大型跨流域調水項目由于其性價比高，可以建立國際合作開發機制，通過多邊談判達成共同開發協議，實施可能性較大。如北美洲水電聯盟(NAWAPA)、歐亞草原向心調水、非洲南水北調、南美洲北水南調。敵對國家水資源聯合開發較難實施，開展跨流域調水需嚴格遵守流域水資源利用協議，如印度-巴基斯坦，伊朗-阿富汗，埃塞俄比亞-索馬里，蘇丹-南蘇丹，或需要等待國際關系緩和之后工程才能實施。

(3)大國在全球調水工程中的角色問題。世界政治經濟大國中國、美國、俄羅斯3國應在調水工程建設中起引領作用，3國均有超大型調水工程，且優勢互補，應當密切協作，協調各利益相關國共同參與，明確產權，利益共享，鼓勵全球各國積極參與，各盡所長。中國是人口大國和食物進口大國，更應當對全球調水工程起主導作用，以便能夠發揮發達國家的資本和技術優勢，發展中國家的勞動力、水資源、土地資源優勢，共同建設人類命運共同體。

(4)調水工程與經濟發展關系問題。調水工程將大大促進工程技術與裝備制造業的發展，刺激制造業強國的經濟發展，工程建設將有利于促進調水當事國的工程技術和農業技術進步、增加勞動力就業、加快城鎮化發展和提高經濟增長速度。中國向全世界發出了建設“一帶一路”的合作倡議，并成立了亞洲開發銀行，全球調水工程可以依托中國的融資平臺開展建設，促進發展中國家經濟快速發展。

(5)全球調水工程與中國經濟發展。中國經濟正經歷由高速發展向中高速發展的轉型期，國內主要交通基礎設施建設已進入尾聲，房地產建設也接近飽和，急需新的大型基礎設施建設項目維持經濟的快速穩定發展，全球跨流域調水工程為中國經濟發展帶來了前所未有的機遇，在建設期可以促進中國的勞動力非農就業和城鎮化發展，加快經濟發展速度，建成后可保障國內食物自給，大大增強綜合國力，使中國進入發達國家行列。