桂 耀，肖昌虎，侯麗娜

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010)

我國人均水資源量相對貧乏，且水資源時空分布不均，與人口和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)布局不相匹配。隨著經(jīng)濟社會高速發(fā)展，部分地區(qū)存在水資源過度開發(fā)，擠占河道、湖泊生態(tài)環(huán)境用水，超采地下水等問題，河流湖泊水質(zhì)惡化，生態(tài)環(huán)境形勢嚴(yán)峻。國內(nèi)外許多工程實踐證明，跨流域引調(diào)水工程是緩解缺水地區(qū)水資源供需矛盾、支撐缺水地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1,2]。

21世紀(jì)以來，我國水資源供需矛盾日益突出，各地建設(shè)大型引調(diào)水工程明顯加速。已建、在建及規(guī)劃的工程有：引黃入晉、黑河引水、引乾濟石、引漢濟渭、南水北調(diào)、引洮供水、引江濟淮、滇中引水等。這些引調(diào)水工程具有規(guī)模大、距離長、布置復(fù)雜的特點，會對社會生活和生態(tài)環(huán)境造成影響[3,4]。因此，在進行跨流域引調(diào)水工程規(guī)劃方案設(shè)計時，必須全面論證工程建設(shè)的必要性，客觀分析受水區(qū)范圍，在經(jīng)濟社會和資源環(huán)境總代價最小的前提下確定工程規(guī)模，并通過綜合比選確定工程方案。

滇中引水工程項目建議書[5]按照總報告、7個附件和3個專題3個層次展開，在當(dāng)代開展的引調(diào)水工程規(guī)劃中較為全面并具有代表性。本文將以滇中引水工程為例，介紹引調(diào)水工程規(guī)劃方案的優(yōu)選過程。

1 工程建設(shè)的必要性

工程規(guī)劃首先要論證的就是工程建設(shè)的必要性。應(yīng)分析調(diào)入?yún)^(qū)在區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展中的戰(zhàn)略地位、發(fā)展目標(biāo)及布局；分析調(diào)入?yún)^(qū)的氣候條件、水資源時空分布、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及難度、現(xiàn)狀及規(guī)劃水平年缺水量；剖析水資源短缺對調(diào)入?yún)^(qū)經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展的影響以及水資源過度開發(fā)導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題；根據(jù)調(diào)入?yún)^(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護對水資源的需求，從社會、經(jīng)濟、生態(tài)與環(huán)境等方面論證工程建設(shè)的必要性[6]。

1.1 滇中區(qū)是云南省經(jīng)濟社會發(fā)展的核心區(qū)

滇中區(qū)包括昆明市、玉溪市、楚雄州、曲靖市、大理州、紅河州以及麗江市的49個縣(市、區(qū))，國土面積僅占云南省面積的24%，但人口數(shù)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值和農(nóng)田有效灌溉面積分別達到云南省的40%、61%和41%，是云南省人口最集中、生產(chǎn)生活最活躍的地區(qū)。同時，滇中區(qū)形成了以昆明、玉溪、楚雄、大理、蒙開個為中心的城市群體，是國家面向東南亞開放的橋頭堡和新一輪西部大開發(fā)的重點建設(shè)區(qū)。因此，滇中地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展直接關(guān)系到云南全省和我國西南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。

1.2 水資源時空分布不均，旱災(zāi)頻繁

滇中區(qū)水資源分布不均，降水量空間規(guī)律為山區(qū)大，河谷壩子小，垂直變化明顯，人、水、地資源組合不匹配；時間分布規(guī)律為夏秋降水集中多洪澇，冬春干旱少雨，缺水嚴(yán)重。受降水季節(jié)變化影響，滇中大部分地區(qū)70%～80%的降水集中在雨季6-9月，冬春降雨不到年降水量的10%，是該時期全國旱情最嚴(yán)重的地區(qū)之一。從天然徑流的情況看，汛期和枯期的徑流量差別很大，汛期徑流量占年徑流量的78.3%～92.9%，并且大部分區(qū)域的年徑流量Cv值高于0.5。徑流量的年內(nèi)、年際變化大，造成可供利用的水資源量十分有限。

滇中區(qū)是云南省降雨低值區(qū)，大部分地區(qū)年降水量為600～900 mm，而水面蒸發(fā)量為1 400～2 000 mm，干旱指數(shù)大于2.0。近年來旱災(zāi)頻次及危害程度呈上升趨勢，1950-2005年的56 a中，出現(xiàn)嚴(yán)重干旱災(zāi)害12次，時間間隔越來越短，且連續(xù)干旱的年份較多。

1.3 水資源開發(fā)程度高，進一步開發(fā)難

為解決工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)的用水需要，云南省進行了大量的水利工程建設(shè)，也積極采取節(jié)水、治污和鼓勵污水回用，昆明市已成為全國推行節(jié)約用水的先進城市。目前滇中區(qū)水資源開發(fā)程度已經(jīng)很高，主要河流的水資源開發(fā)利用程度已超過國際公認(rèn)的40%的上限。

滇中區(qū)海拔高程相差懸殊，河谷深切，而少有的盆地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達，城鎮(zhèn)集中，缺乏修建蓄水工程的條件。到2008年為止，滇中區(qū)僅建成5座大型水庫，其余均為中小型水庫。昆明市本區(qū)水資源已高度開發(fā)，雖然建成了掌鳩河、清水海引水工程和牛欄江-滇池補水工程，但工程水源均為中小支流，供水量遠(yuǎn)不能滿足昆明市發(fā)展需求[7]。

1.4 缺水給經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程加速，城市用水需求不斷增長，滇中區(qū)80%的城鎮(zhèn)存在缺水問題。水資源供需平衡計算表明，滇中區(qū)現(xiàn)狀水平年2008年缺水量25.9 億m3，缺水率為30%，說明滇中區(qū)已經(jīng)處在嚴(yán)重的缺水狀況。2040年采取強化節(jié)水、充分挖潛措施后，缺水量達37.7 億m3，缺水率為34%。即到2040年，僅靠區(qū)內(nèi)水資源，不足以支撐滇中區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展。

由于工農(nóng)業(yè)大量擠占河湖生態(tài)用水，加上工農(nóng)業(yè)及生活污水持續(xù)排放，導(dǎo)致滇中湖泊群水質(zhì)不斷惡化。水環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表明，星云湖、異龍湖水質(zhì)為Ⅳ類，杞麓湖為Ⅴ類，滇池為劣Ⅴ類水體。而水資源的過度開發(fā)還造成了河道斷流、湖面萎縮等生態(tài)問題。

滇中引水工程規(guī)劃從經(jīng)濟社會發(fā)展需求、地形地貌及氣候條件、水資源時空分布、水資源開發(fā)程度及開發(fā)的難度、供需分析現(xiàn)狀及規(guī)劃水平年缺水量、缺水對環(huán)境造成的嚴(yán)重影響等方面，綜合說明滇中水資源十分短缺，制約了國民經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境維護，實施跨流域引調(diào)水工程十分必要。

2 受水區(qū)范圍確定

跨流域引調(diào)水工程的調(diào)入?yún)^(qū)范圍廣大，缺水問題難以全部依靠區(qū)外引水的方式解決，通常需要優(yōu)選出引水工程的受水區(qū)，從而合理確定工程規(guī)模。受水區(qū)范圍應(yīng)根據(jù)供需平衡分析確定出缺水片區(qū)，然后結(jié)合各片區(qū)水資源狀況、重要性和經(jīng)濟技術(shù)合理性綜合選定。其中技術(shù)合理性比選包括缺水規(guī)模、自流條件、運行費用、工程投資和配套工程的技術(shù)條件等。

2.1 缺水區(qū)組成

根據(jù)獨立水系和行政區(qū)劃，滇中區(qū)共分為112個水資源小區(qū)。將城鎮(zhèn)生活、工業(yè)歷時保證率達不到95%、農(nóng)業(yè)年保證率達不到75%的小區(qū)劃分為缺水區(qū)。根據(jù)2040水平年供需平衡分析結(jié)果，城鎮(zhèn)生活、工業(yè)缺水區(qū)共92個，農(nóng)業(yè)缺水區(qū)共85個。

2.2 受水區(qū)選擇

對于城鎮(zhèn)生活、工業(yè)缺水區(qū)，排除缺水量小于100 萬m3，分干線長度大于30 km且提水揚程大于100 m，以及缺水地點特別分散、配套工程艱巨的小區(qū)，將剩余經(jīng)濟技術(shù)合理的31個小區(qū)納入受水區(qū)。

對于農(nóng)業(yè)缺水區(qū)，考慮到工程供水任務(wù)以城鎮(zhèn)生活與工業(yè)供水為主，同時農(nóng)業(yè)對水費的承受能力有限，僅將區(qū)地位重要，緊鄰總干線，分干線建設(shè)難度小并能自流輸水的3個小區(qū)納入受水區(qū)。

此外，滇池、杞麓湖和異龍湖水資源極度短缺，水質(zhì)較差，依靠截污治污等仍難以達到水質(zhì)目標(biāo)，并且分布于總干渠沿線，可以利用總干渠富余輸水能力進行補水。

因此確定滇中引水工程受水區(qū)為34個水資源小區(qū)，補水湖泊3個。

3 工程規(guī)模

工程規(guī)模是跨流域引調(diào)水工程規(guī)劃方案的核心內(nèi)容，包括水源工程建筑物規(guī)模、輸水總干渠及各級渠系的規(guī)模。確定工程規(guī)模需選擇合適的水源，在優(yōu)先滿足生態(tài)與環(huán)境用水基礎(chǔ)上，分析水源區(qū)的可調(diào)水量；對受水區(qū)進行供水和需水預(yù)測，建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖進行水資源供需平衡分析；將外調(diào)水與本地水聯(lián)合配置，對受水區(qū)進行長系列配置計算，在滿足供水目標(biāo)前提下確定工程規(guī)模。

水源區(qū)可調(diào)水量分析應(yīng)優(yōu)先滿足水源區(qū)社會經(jīng)濟長遠(yuǎn)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境維護對水資源的需求，通過節(jié)水、治污工程和補償配套工程建設(shè)來協(xié)調(diào)水源區(qū)水資源利用量與可調(diào)水量的相互關(guān)系[8]。受水區(qū)水資源供需分析的重點在于供水量預(yù)測應(yīng)充分挖掘規(guī)劃水平年經(jīng)濟可開發(fā)水利工程的供水能力，并詳細(xì)說明供水量來源組成；需水量預(yù)測應(yīng)考慮節(jié)水措施，遵循從緊原則進行需水量預(yù)測，并對預(yù)測進行合理性分析[9]。水資源配置的重點在于建立受水區(qū)與引調(diào)水工程的統(tǒng)一配置模型，通過優(yōu)化當(dāng)?shù)厮屯庹{(diào)水聯(lián)合調(diào)度方案，確定最經(jīng)濟的工程規(guī)模。

3.1 可調(diào)水量預(yù)測

根據(jù)引水?dāng)嗝嬉陨纤磪^(qū)經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，預(yù)計未來上游新增耗水較少，規(guī)劃年上游來水按天然實測徑流考慮。由于取水點下游基本是高山峽谷，從金沙江干流取水量很小，因此可調(diào)水量主要由斷面月來水過程和河道生態(tài)基流控制。計算結(jié)果表明，渠首引水規(guī)模Q為135～155 m3/s時，石鼓斷面多年平均年可調(diào)水量為40～45.2 億m3，奔子欄斷面多年平均年可調(diào)水量為38.7～43.6 億m3。2個水源斷面可調(diào)水量均小于斷面天然徑流量的13%，工程取水對斷面下游的水資源利用基本無影響。

3.2 水資源供需分析

需水量預(yù)測時，考慮了節(jié)水措施以降低需水定額：城鎮(zhèn)生活與工業(yè)需水定額預(yù)測中，考慮了城市基礎(chǔ)設(shè)施改造等節(jié)水措施，將規(guī)劃水平年的管網(wǎng)漏失率從現(xiàn)狀的15%降低為10%；灌溉定額預(yù)測中，根據(jù)各小區(qū)的水資源狀況減少水稻的種植面積，加大旱作物和經(jīng)濟種植比例，將農(nóng)業(yè)灌溉渠系水利用系數(shù)從0.543提高到0.652。

供水量預(yù)測時，在現(xiàn)有水利工程基礎(chǔ)上，增加了規(guī)劃水平年新建的水庫和區(qū)內(nèi)調(diào)水工程，包括西南5省重點水源規(guī)劃工程5.04 億m3的年供水量、牛欄江-滇池補水工程向滇池補充5.72 億m3生態(tài)水量等，同時考慮了昆明市的再生水利用量。

根據(jù)1960-2008年長系列供需平衡計算結(jié)果，2040年受水區(qū)總?cè)彼?8.91 億m3，其中城鎮(zhèn)生活缺水量5.5 億m3，工業(yè)缺水量12.14 億m3，農(nóng)業(yè)缺水量11.24 億m3，受水區(qū)總的缺水率為44%。

3.3 水資源配置

水資源配置原則為：滇中引水工程與當(dāng)?shù)厮绰?lián)合供水，滇中引水工程優(yōu)先向城鎮(zhèn)供水，當(dāng)?shù)厮畠?yōu)先供給農(nóng)業(yè)灌溉用水，同時利用干渠的富余輸水能力補充湖泊環(huán)境用水。

逐步調(diào)整渠首設(shè)計流量，分別進行長系列水資源配置調(diào)算。結(jié)果表明，渠首流量145 m3/s時剛好滿足受水區(qū)供水保證率。此規(guī)模渠首設(shè)計流量條件下，滇中引水工程多年平均引水量34.2 億m3，其中供給城鎮(zhèn)生活、工業(yè)23.59 億m3，供給農(nóng)業(yè)灌溉5.76 億m3，向湖泊環(huán)境補水4.84 億m3，各部門分水比重依次為69%、17%和14%。

4 工程總布局

工程總體布局方案的擬定應(yīng)綜合考慮結(jié)合水源區(qū)取水條件、供水目標(biāo)的滿足程度、水資源配置成果等因素，并從技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)境移民等方面進行多方案比選。從技術(shù)層面，工程總布局主要包括水源方案比選，輸水線路控制點確定，調(diào)蓄水庫布置和分期建設(shè)方案比選等。

從調(diào)度運行考慮，水源方案具有自流引水條件時宜優(yōu)先選用。對于需提水引水的水源方案，應(yīng)綜合考慮運行管理費用、工程投資、社會環(huán)境影響等因素進行全面比較。輸水線路控制點的地理位置應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、線路布局、配水需求和行政區(qū)劃等因素來確定，控制點的設(shè)計水位應(yīng)通過水頭分配優(yōu)化來確定。調(diào)蓄水庫不僅可以降低工程規(guī)模，還可以提高供水保障率，宜設(shè)在輸水線路附近區(qū)域有成庫條件的位置。當(dāng)缺乏修建水庫條件時，可以考慮利用線路附近已有水庫或湖泊。對于工程規(guī)模和投資較大的工程，應(yīng)根據(jù)受水區(qū)各片區(qū)對外調(diào)水的緊迫程度，并結(jié)合資金籌措和工程實施條件，提出分期建設(shè)方案并進行綜合比選[10]。

4.1 水源方案比選

滇中區(qū)位于4大水系分水嶺，周邊水系發(fā)育。水源比選按照“從內(nèi)到外、由近及遠(yuǎn)”的順序，先分析滇中區(qū)內(nèi)及周邊分散水源方案，然后逐步外延，分析金沙江奔子欄至石鼓河段兩岸支流分散水源方案；最后對周邊5大水系進行篩選，明確重點研究的集中水源點，并進行深入比選。

分散水源方案將受水區(qū)劃歸為大理、楚雄、昆明玉溪、紅河4大片，由6項引提水工程組成分散水源。研究表明，分散水源方案存在水源點多，水質(zhì)Ⅲ～Ⅴ類，水源水質(zhì)保護難度大；輸水線路超過900 km、最大提水揚程1 015 m、建設(shè)難度大、運行費用高等問題，較集中水源方案存在明顯劣勢。

金沙江石鼓至奔子欄支流分散水源方案規(guī)劃在定曲河、崗曲河、臘普河和支巴洛河等支流上建壩，并將各取水口連入滇中引水的總干線。該方案投資高，還存在跨省移民安置、資源協(xié)調(diào)等問題，與干流集中水源方案比，沒有優(yōu)勢。

紅河水資源短缺，河谷深切，遠(yuǎn)低于受水區(qū)，與滇中地勢相反；南盤江水量少，高程低，水質(zhì)Ⅳ～Ⅴ類；怒江干流高程低，向滇中引水提水揚程達900～1 100 m，并需跨越瀾滄江，均不宜選為集中水源地。而瀾滄江相較于金沙江在提水揚程、輸水距離、地質(zhì)及施工條件以及經(jīng)濟指標(biāo)等方面存在劣勢。

從金沙江虎跳峽及以上河段引水，距離相對較近、覆蓋范圍大，是滇中引水較理想的水源地。因此重點研究了金沙江干流奔子欄自流引水和石鼓提水2個方案。

石鼓提水方案引水調(diào)度靈活性較差，泥沙處理難度較大，運行費用較高，但輸水線路較奔子欄引水方案短184 km，工程總投資節(jié)省275億；奔子欄引水方案可全自流引水，運行調(diào)度靈活且運行費用低，但輸水線路較長，一次性投資較大。綜合比較，石鼓方案還具有與金沙江相關(guān)規(guī)劃可較好銜接、環(huán)境影響及協(xié)調(diào)難度相對小，在采用優(yōu)惠電價情況下經(jīng)濟性略好的優(yōu)勢，故推薦石鼓提水方案為滇中引水工程的水源方案。

4.2 輸水線路控制點確定

輸水工程以石鼓為起點，以紅河蒙自為終點，線路全長663.89 km。按線路格局、配水要求及行政區(qū)劃，將石鼓、洱海長育村、楚雄萬家、羅茨、昆明新莊及紅河蒙自新坡背確定為沿線分段控制點。按照上述控制節(jié)點，將輸水線路劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段和玉溪紅河段等5段。新莊為滇池南端，按照枯季具備向滇池生態(tài)補水，不應(yīng)低于滇池正常水位1 887.50 m，考慮一定的水頭取為1 888.00 m；蒙自高程較低，新莊到新坡背之間水頭富裕，初步擬定新坡背水庫正常蓄水位1 400.00 m，作為總干渠末端水位；渠首石鼓至新莊段的輸水線路長，水頭小，其水頭分配方案需要進行優(yōu)化比選。

根據(jù)石鼓、長育村和萬家3個控制點的初擬水位范圍，組合出31個水頭分配方案。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，在滿足與虎跳峽河段開發(fā)方案適應(yīng)性要求的方案中，石鼓(2 020.00 m)+長育村(1 986.50 m)+萬家(1 954.00 m)+新莊(1 888.00 m)方案的工程投資最低，因此選為推薦方案。

4.3 調(diào)蓄水庫設(shè)置

滇中區(qū)海拔高程相差懸殊，地面起伏不平，盆地區(qū)較少并且城鎮(zhèn)集中；同時滇中引水工程輸水總干渠基本沿4大水系分水嶺布設(shè)，設(shè)計水位與輸水線路附近的河谷具有顯著的高程差。因此本工程缺乏修建在線調(diào)蓄水庫的條件，項目建設(shè)階段主要論證利用洱海和利用滇池輸水的在線調(diào)蓄方案。

利用洱海和利用滇池輸水可調(diào)蓄水量，減少線路長度，節(jié)省工程投資。但是從金沙江引水進入洱海，會帶來跨流域生物交互影響和生物入侵問題，還將惡化洱海水質(zhì)，導(dǎo)致洱海水質(zhì)從Ⅱ類下降到Ⅲ類[11]，而且工程方案實施涉及大理蒼山洱海國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)、緩沖區(qū)，存在法律制約因素。目前滇池外海、草海水質(zhì)均為劣Ⅴ類，在全面實施滇池綜合治理各項規(guī)劃的條件下，規(guī)劃水平年9月或10月滇池水質(zhì)仍存在超標(biāo)現(xiàn)象，且滇池仍具有藍(lán)藻爆發(fā)的環(huán)境條件，供水安全難以保障，而且利用滇池輸水后，滇池周邊將劃為飲用水源保護區(qū)，與環(huán)滇區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)系難以協(xié)調(diào)。

考慮滇中引水工程是保障城鄉(xiāng)居民用水的民生工程，以環(huán)境影響和社會風(fēng)險小，供水水質(zhì)安全保障程度高為主要指標(biāo)，推薦不利用洱海輸水方案和不利用滇池輸水方案。

4.4 分期建設(shè)方案比選

根據(jù)滇中特殊地形地質(zhì)條件及輸水工程以隧洞、渡槽為主的特點，擬定了輸水工程分2期建設(shè)的方案。近期工程包括水源工程和輸水總干渠渠首至昆明段，輸水長度476.52 km，后期工程為總干渠玉溪紅河段，長度187.38 km。輸水工程分期建設(shè)可減少工程投資72.42億元，減少投資比例10.37%，但相應(yīng)引水量減少25.68%。此外，玉溪和紅河既是資源性缺水較嚴(yán)重的區(qū)域，也是滇中重要經(jīng)濟區(qū)，同時也是云南面向東南亞開放的重要門戶。分期建設(shè)方案將對玉溪、紅河2個市、州及滇南的城市經(jīng)濟區(qū)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響。

綜上所述，推薦滇中引水工程采用一次建成方案。

5 結(jié) 語

跨流域引調(diào)水工程是優(yōu)化配資區(qū)域間水資源配置，支撐缺水地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。滇中引水工程輸水線路較長，工程規(guī)模和投資較大，在受水區(qū)范圍、工程規(guī)模和總體布局等方面進行了大量規(guī)劃方案優(yōu)選工作，對同類工程具有較大的參考價值。

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