梁書民， RICHARD Greene

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所， 北京 100081；2.首都師范大學(xué) 地球空間信息科學(xué)與技術(shù)國際化示范學(xué)院， 北京 100048)

1 研究背景

1952年毛澤東主席首先提出了南水北調(diào)的偉大構(gòu)想，并于1953年提出西線調(diào)水1 000×108m3的建議。60多年來，以水利行業(yè)為主的各界學(xué)者研究了許多方案，2017年底由王浩院士提出的紅旗河工程是目前國內(nèi)影響較大的調(diào)水方案。按照起始海拔的高低和調(diào)水線路的特點(diǎn)可以將南水北調(diào)西線工程線路分為4大類：高海拔線、中高海拔線、中低海拔線和低海拔線。此外還有在青藏高原開鑿超長隧洞的調(diào)水方案，該類方案在工程技術(shù)上是不可行的，故不在本文研究范圍。

高海拔線3條：以向柴達(dá)木和青海湖調(diào)水為特征。典型的有(1)中國科學(xué)院陳傳友等[1]方案，從海拔3670m的雅魯藏布江永達(dá)(曲水縣涌德村)開始提水，注入黃河上游的鄂陵湖、扎陵湖，遠(yuǎn)景引水量為435×108m3，可調(diào)往柴達(dá)木和塔里木盆地；(2)楊力行等[2]方案分別從海拔4 260 m的楚瑪爾河與通天河匯流處的曲麻萊水庫引水至格爾木河，從海拔3 800 m的雅魯藏布江尼木水庫引水至那仁郭勒河，然后沿柴達(dá)木盆地南緣向西入新疆；(3)胡長順[3]方案，從青海稱多縣尕朵鄉(xiāng)通天河與細(xì)曲匯流處筑壩，沿細(xì)曲揚(yáng)水到海拔4 500 m向鄂陵湖引水，過青海湖東南緣和湟源縣，穿過烏鞘嶺抵達(dá)古浪縣，調(diào)水到河西走廊和新疆。

中高海拔線4條：多以黃河賈曲為調(diào)水目的地，主要由水利部門提出，有的已有工程規(guī)劃。(1)水利部規(guī)劃的西線自流調(diào)水方案[4]，自海拔3 770 m的金沙江側(cè)仿水庫水面至黃河賈曲，共調(diào)水170×108m3，該方案是基于1958-1961年黃河水利委員會(huì)的玉樹-積石山線調(diào)水方案進(jìn)行的規(guī)劃[5]。(2)黃河水利委員會(huì)南水北調(diào)西線工程后續(xù)水源方案[6]，延伸規(guī)劃南水北調(diào)西線工程到海拔3 932 m的西藏索縣色昌鄉(xiāng)亞沖村怒江東巴水庫水面，使西線總調(diào)水量達(dá)到370×108m3。(3)原電力部方案，由原電力部貴陽勘探設(shè)計(jì)院提出，設(shè)想以自流為主調(diào)水，在海拔3 500 m以上的雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江、雅碧江、大渡河上筑高壩，從阿壩以西過巴顏喀拉山分水嶺入黃河，最大可調(diào)水量920×108m3[7]。(4)郭開方案修正，郭開方案為自水位3 588 m的西藏桑日縣藏嘎村雅魯藏布江朔馬灘水庫至黃河賈曲，崔荃等[8]對該方案進(jìn)行了修正，通過實(shí)地勘測和技術(shù)可行性分析認(rèn)為最大可調(diào)水量為1 150×108m3。

中低海拔線6條：主要特征是以洮河為出水口。(1)黃河水利委員會(huì)的舊調(diào)水方案金沙江的惡巴-洮河線，起點(diǎn)為金沙江貢覺縣惡巴(俄巴)村[5]。(2)長江水利委員會(huì)林一山[9]方案，從西藏洛隆縣怒江嘉玉橋水庫引水，逆河揚(yáng)水與修建運(yùn)河和隧洞相結(jié)合，經(jīng)金沙江崗?fù)兴畮欤航谒畮?，抵達(dá)白龍江上游，最后開鑿隧道進(jìn)入洮河干流，自流入黃河劉家峽水庫，總引水量設(shè)計(jì)為1 000×108m3。(3)楊永年[10]的米林派鎮(zhèn)-洮河調(diào)水方案，起點(diǎn)為米林派鎮(zhèn)多雄水庫，水面海拔2 950 m，總調(diào)水量1 000×108m3，其中600×108m3調(diào)入洮河，400×108m3用于沿途河流下游梯級發(fā)電。(4)陳昌杰[11]的米林羌納-洮河調(diào)水方案，起始點(diǎn)羌納水庫水面海拔3 000 m，以隧洞調(diào)水為主，經(jīng)白龍江和洮河上游，終點(diǎn)為黃河龍羊峽水庫，總調(diào)水量1 200×108m3。(5)王建華[12]的米林比定-洮河卓尼調(diào)水方案，起點(diǎn)為米林比定水庫，水面海拔3 140 m，設(shè)計(jì)調(diào)水量為2 000×108m3，遠(yuǎn)高于本文計(jì)算值。(6)本文主張選用米林桑白-洮河岷縣鐵關(guān)門線，起點(diǎn)為米林桑白水庫，水面海拔3 180 m，以桑白-鐵關(guān)門為主線，沿途修建幾處輔線以增加調(diào)水量，同時(shí)進(jìn)行高海拔線楚瑪爾河-格爾木調(diào)水，以中高海拔線規(guī)劃西線及延伸調(diào)水[13]。

低海拔線5條：主要特征是起點(diǎn)和終點(diǎn)海拔低，調(diào)水線路縱向坡降最緩。(1)黃河水利委員會(huì)的舊調(diào)水方案石鼓-渭河線，起點(diǎn)為云南玉龍縣金沙江石鼓鎮(zhèn)，經(jīng)西漢江上游入渭河；(2)翁水河-定西線，起點(diǎn)為云南香格里拉縣金沙江翁水河，經(jīng)渭河河源地區(qū)至定西市；(3)怒江沙布-定西線，起點(diǎn)為西藏察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)怒江沙布村，經(jīng)渭河上游至定西市；(4)怒江-洮河線，起點(diǎn)仍為察隅縣沙布村，終點(diǎn)由岷縣入洮河[5]。(5)紅旗河(大拐彎-定西線)，起始于海拔2 558 m的西藏米林縣派鎮(zhèn)白馬葛瓊水庫水面，經(jīng)察隅縣入怒江，在德欽縣過瀾滄江入長江，經(jīng)金沙江石鼓大拐彎，在木里縣入雅礱江，在安順場沿大渡河西側(cè)山坡北上，經(jīng)寶興、汶川、九寨溝，在禮縣通過隧洞抵達(dá)渭河上游，在通渭到達(dá)祖厲河上游，最后折向西進(jìn)入黃河劉家峽水庫[14]。

從西線調(diào)水的目的可以確定對調(diào)水線路的要求。(1)西北地區(qū)干旱缺水，土地資源豐富，需要較大的調(diào)水量方能滿足土地資源開發(fā)需要，線路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)水量。(2)揚(yáng)水調(diào)水需要大量電力，運(yùn)營成本和管護(hù)費(fèi)用大大增加，調(diào)水線路應(yīng)采取自流調(diào)水為主的原則，盡量避免揚(yáng)水，以節(jié)省調(diào)水成本。(3)調(diào)水線路要有一定的海拔高度，以利于向土地資源豐富的黃土高原、河西走廊、內(nèi)蒙古和新疆自流調(diào)水。(4)調(diào)水線路海拔越高調(diào)水量越少，且存在調(diào)水線路施工困難，維護(hù)成本高的問題，以及冰凍期長供水期短的問題，所以線路不宜過高；線路越低調(diào)水量越大，但線路越低縱向坡降越小，隧洞工程量越大，向大西北調(diào)水越困難，于是存在引水線路的最優(yōu)海拔高度問題。(5)高水高走，調(diào)水距離較短，調(diào)水量少，工程量小，單位調(diào)水成本居中等，工程較為可行，如楚瑪爾河-柴達(dá)木調(diào)水，規(guī)劃西線及延伸。(6)低水低走，可調(diào)水量大，但是線路長度大，縱向坡降低，流速慢，工程量大，建設(shè)費(fèi)用高；低海拔調(diào)水經(jīng)過人口稠密地區(qū)，移民費(fèi)用也較大，單位調(diào)水成本最高。(7)高水低走，縱向坡降高，流速快，工程量小，建設(shè)費(fèi)用低，最大調(diào)水量中等偏上，單位調(diào)水成本最低。

通過上述標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)諸調(diào)水線路可見，高海拔和中高海拔方案，屬于高水高走，若選擇最便捷的路線進(jìn)行近距離調(diào)水，經(jīng)濟(jì)上是可行的，但是由于調(diào)水量有限，且存在海拔高施工難問題，不可成為西線調(diào)水的主要線路。低海拔線路屬于低水低走，工程量最大，單位調(diào)水成本最高，有的線路由于出水口太低，不能向遙遠(yuǎn)的新疆調(diào)水，受水區(qū)僅為渭河平原和華北平原，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如建設(shè)引漢濟(jì)渭工程、引白龍江嘉陵江入漢江工程和三峽水庫-丹江口水庫隧洞增加中線調(diào)水量便捷。

中低海拔線路屬于高水低走，工程費(fèi)用和移民費(fèi)用較低海拔線路大大降低，可調(diào)水量減少幅度不大，經(jīng)濟(jì)效益最佳；以洮河和黃河劉家峽水庫為水源區(qū)終點(diǎn)和受水區(qū)起點(diǎn)，海拔較高，自流調(diào)水區(qū)可以覆蓋黃土高原、內(nèi)蒙古高原、河西走廊、塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地；向受水區(qū)延伸自流調(diào)水可以遠(yuǎn)到中亞的巴爾喀什湖和錫爾河流域，便于通過調(diào)水干渠修建歐亞運(yùn)河，開辟絲綢之路廉價(jià)水路交通。中低海拔線路是最優(yōu)線路，本文對中低海拔線路進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過加高水源區(qū)首壩，調(diào)整沿途大壩高程，和增加洮河出水口河段深挖工程，實(shí)現(xiàn)了全程縱向坡降相等和隧洞工程量最小化。

2 研究方法與調(diào)水方案

2.1 研究方法

本文使用的西線南水北調(diào)的選線原則為：(1)自流調(diào)水節(jié)省揚(yáng)水費(fèi)用，降低運(yùn)營維護(hù)成本，還可以利用水力發(fā)電彌補(bǔ)調(diào)水造成的河流下游的水力損失。(2)高水低走，減少隧洞施工量。高水低走線路落差大，可以加大輸水線路縱向坡降，增加水流速度，減少隧洞橫截面，大大減少隧洞施工量。(3)設(shè)計(jì)建成最大均一縱向坡降，消除輸水瓶頸地段。實(shí)現(xiàn)縱向坡降最大化和各段縱向坡降等量化，使水流快速順暢無輸水瓶頸，可比非均一化縱向坡降調(diào)水方案明顯減少隧洞施工量和建設(shè)成本。(4)通過上游階梯水庫庫容調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)線路調(diào)水量最大化。我國西北嚴(yán)重缺水，調(diào)水量應(yīng)當(dāng)是多多益善；梯級開發(fā)水庫可以單獨(dú)進(jìn)行成本核算，不增加調(diào)水成本；調(diào)水線路上游階梯式水電開發(fā)可以增加調(diào)節(jié)庫容，建設(shè)多年調(diào)節(jié)水庫群，使水流均勻化，充分利用隧洞空間實(shí)現(xiàn)最大量調(diào)水[15]。(5)上游優(yōu)先，高水高走，縮短調(diào)水距離，減輕下游調(diào)水負(fù)荷。通過仔細(xì)觀察河流走向可以發(fā)現(xiàn)長江上游距離柴達(dá)木盆地和黃河上游河段距離很近，怒江、瀾滄江、金沙江距離黃河賈曲大拐彎也不太遠(yuǎn)，遵循上游調(diào)水優(yōu)先原則可以大大縮短調(diào)水距離，減輕桑白-鐵關(guān)門線的調(diào)水負(fù)荷和施工量，這正是高海拔線和中高海拔線調(diào)水所依托的最大優(yōu)勢因素。具體研究方法如下：

(1)利用高精度DEM數(shù)據(jù)和GIS確定線路走向。經(jīng)過利用GIS空間分析功能的多年研究，確定了中低海拔線路水源區(qū)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，以及調(diào)水線路的大致走向和各段隧洞的距離。在確定線路均一化最大縱向坡降后，可以精細(xì)化設(shè)計(jì)水面高程，最后通過微調(diào)隧洞出入口位置確定調(diào)水最終線路走向。聯(lián)合使用了ASTER-GDEM和STRM3 DEM空間數(shù)據(jù)，前者垂直精度為7～14 m，水平精度為30 m，相當(dāng)于1∶5萬地形圖；后者垂直精度為10 m，水平精度為20 m，相當(dāng)于1∶15萬地形圖[16]。

(2)利用水力公式計(jì)算理論技術(shù)參數(shù)。謝才公式用于計(jì)算明渠均勻流輸水量的梯形斷面水力半徑，巴普洛夫公式用于計(jì)算無壓隧洞均勻流輸水量的圓形斷面水力半徑[17]。

(3)利用微軟Excel軟件工具欄計(jì)算隧洞和輸水渠的技術(shù)參數(shù)。利用規(guī)劃求解功能計(jì)算隧洞的技術(shù)參數(shù)、輸水能力[18]。已知隧洞縱向坡降，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)可行性確定隧洞直徑和糙率，利用規(guī)劃求解可以計(jì)算出單洞每年最大輸水量，和最大輸水量的水面中心角(充滿角)。利用單變量求解計(jì)算輸水渠的技術(shù)參數(shù)和輸水能力。根據(jù)當(dāng)前自然河流水面寬度確定深挖或渠化河道的渠底寬度b值和邊坡傾斜系數(shù)m值，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)可行性確定渠化河道糙率，利用單變量求解可以計(jì)算出目標(biāo)輸水量所需要的水深h值。

2.2 最優(yōu)調(diào)水方案

依據(jù)上述調(diào)水原則和研究方法，設(shè)計(jì)出最優(yōu)調(diào)水方案如下。根據(jù)高精度徑流深度分布圖，利用GIS空間分析功能可以計(jì)算出水源區(qū)的可調(diào)水量自北向南依次為：白龍江和白水江共計(jì)25.8×108m3；岷江為60.3×108m3；大渡河為149.5×108m3；雅礱江為200.0×108m3；金沙江為268.9×108m3(含楚瑪爾河)；瀾滄江為201.4×108m3；怒江為279.2×108m3；雅魯藏布江及支流(包括尼洋河、易貢藏布、帕隆藏布)為565.9×108m3；西藏隆子縣洛曲、浪卡子縣羊卓雍錯(cuò)、定日縣朋曲共計(jì)26.4×108m3。西線總計(jì)調(diào)水1 777.4×108m3。

西線南水北調(diào)目的地分為高海拔線、中高海拔線和中低海拔線3股，以中低海拔線為主，具體為高海拔線楚瑪爾河調(diào)水入格爾木河為13.2×108m3，中高海拔線，即水利部和黃河水利委員會(huì)規(guī)劃西線及延伸調(diào)水，入黃河賈曲為422.8×108m3，中低海拔線米林桑白-岷縣鐵關(guān)門主線及輔線調(diào)水入洮河1341.4 ×108m3(表1)。

表1 桑白-鐵關(guān)門調(diào)水方案的水源地徑流量與目的地受水量

西藏米林桑白-甘肅岷縣鐵關(guān)門調(diào)水為主線。通過調(diào)整水庫水面高程以獲得最大均一縱向坡降。調(diào)水起點(diǎn)位于西藏米林桑白水庫，水面高程3 180 m，終點(diǎn)位于甘肅岷縣鐵關(guān)門洮河，河床海拔高程約為2 320 m，深挖20 m至輸水隧道上部海拔2 300 m水面，深挖32.8 m至輸水隧道底部海拔2 287.2 m，經(jīng)12 km過渡到洮河干流渠化河道。桑白-鐵關(guān)門主線的隧洞全長1 175.2 km，落差880 m，平均縱向坡降為0.7488‰，也就是設(shè)計(jì)的最大均一縱向坡降值。適當(dāng)增加首庫壩高，以實(shí)現(xiàn)最大縱向坡降。桑白水庫原設(shè)計(jì)水面高程為3 174 m，現(xiàn)提高為3 180 m。桑白大壩壩高增加6 m。易貢藏布郎玉水庫水面高程增加10.4 m。怒江果巴、瀾滄江如美、金沙江拉哇、雅礱江兩河口水庫水面高程下降，其中雅礱江兩河口水庫水面高程下降最多，達(dá)33 m。大渡河白灣、毛兒蓋河晴朗、白龍江卡壩水庫水面高程增加，分別替代大渡河雙江口、岷江疊溪、白龍江尼傲，其中毛兒蓋河晴朗水庫水面高程增加最多，達(dá)76.8 m(表2)。調(diào)水的尾部是洮河出水口，位于岷縣鐵關(guān)門，需深挖洮河河床以實(shí)現(xiàn)最大均一縱向坡降0.7488‰。

表2 桑白-鐵關(guān)門調(diào)水方案的主要水庫水面高程調(diào)整情況 m

主線沿途經(jīng)歷長大隧洞有巴曲莫多-鮮水河隧洞長120.4 km，為桑白-鐵關(guān)門方案的最長隧洞，在318國道和日阿烏曲地下穿過，便于每20 km開鑿一處施工輔助隧洞；岷江五里堡-白河喇麻崗隧洞長106.3 km，沿松潘古道南北向延伸，與213國道和四川301省道以及成蘭鐵路近距離平行，利于開鑿施工輔助隧洞；易貢藏布郎玉-波得藏布玉仁隧洞長99.0 km，由若干短洞相連，最長洞段僅為39 km；亞龍藏布波密縣康達(dá)村-怒江八宿縣瓦巴鄉(xiāng)隧洞長92.0 km，可借助波密縣曲宗藏布和康玉曲開鑿施工輔助隧洞；瀾滄江如美-金沙江拉哇隧洞長86.4 km，可借助芒康縣金沙江宗曲和瀾滄江比曲的上游支流開鑿施工輔助隧洞。主線沿途需建造大壩20座，其中9座為高壩或大型壩，按照慣例設(shè)計(jì)壩頂高程均在正常水位以上5 m，設(shè)計(jì)壩高在300m以上的有3座，最高為易貢藏布郎玉大壩306.4 m，其次為白龍江卡壩大壩303.2 m和岷江毛兒蓋河晴朗大壩303.0 m；壩高在270～300 m之間的大壩有3座，分別為怒江果巴293.6 m，大渡河白灣286.4 m，和瀾滄江如美274.5 m；其余3座大壩大渡河獨(dú)曲溫古和金沙江拉哇壩高在250～270 m之間，桑白大壩設(shè)計(jì)壩高218.0 m，但是壩頂長1 502 m，為最長主壩(表3)。另外需建設(shè)上游庫容調(diào)節(jié)梯級水庫60座，主要分布在岷江、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江上游干流上[19]。調(diào)水線路關(guān)鍵地段隧洞設(shè)計(jì)如下。

(1)中低海拔主線，雅魯藏布江-怒江隧洞群，即念青唐古拉山隧洞群。隧洞長為91 979 m，平行隧洞數(shù)為4條，輸水量為 592.5×108m3/a。設(shè)計(jì)單隧洞半徑為6.11 m，糙率為0.015，縱向坡降為0.7488‰，單洞最大輸水量為148.69×108m3，最大流量時(shí)隧洞水面中心角為303.729°。

(2)中低海拔主線，金沙江巴曲莫多-雅礱江隧洞群，即沙魯里山隧洞群。隧洞長為120 389 m，平行隧洞數(shù)為6條，輸水量為906.2×108m3/a。設(shè)計(jì)單隧洞半徑為6.15 m，糙率為0.015，縱向坡降為0.7488‰，單洞最大輸水量為151.26×108m3，最大流量時(shí)隧洞水面中心角為303.738°。

表3 縱向坡降均為0.7488‰時(shí)水庫水面高程和隧洞長度 m

(3)中低海拔主線，米林桑白-岷縣鐵關(guān)門調(diào)水方案尾洞，即迭山隧洞，單洞長度為57 627 m，縱向坡降為0.7488‰，迭山隧洞群有8條隧洞，總計(jì)年輸水量1 341.4×108m3。設(shè)計(jì)單隧洞半徑為6.4 m，糙率為0.015，利用Excel規(guī)劃求解得出，輸水隧道最大輸水量單洞每年167.92×108m3，最大流量時(shí)隧洞水面中心角303.792°。

(4)中低海拔主線，洮河岷縣鐵關(guān)門-龍?zhí)洞迳钔谶^渡段，總長12 km，縱向坡降為0.6000‰，糙率取為0.015[20]；洮河岷縣水文站多年平均年徑流量35.4×108m3，即占洮河總徑流量49.2×108m3的72%，總輸水能力增加為1376.8×108m3；利用Excel單變量求解得出，輸水渠設(shè)計(jì)底寬b為50 m，邊坡m為0.57735，水深h為12.02 m，接近6.4半徑隧洞最大流量充滿高度12.04 m(圖1)。

圖1 岷縣鐵關(guān)門-龍?zhí)洞邃由钔谶^渡段

(5)中低海拔主線，洮河岷縣龍?zhí)洞?九甸峽段洮河干流渠化，長度為93 km，平均縱向坡降為2.8000‰，糙率取為0.015，總輸水能力約為1382.9×108m3，其中洮河流域增加徑流量6.1×108m3/a。利用Excel單變量求解得出，干渠底寬b為80.0 m，邊坡m為0.57735，水深h為5.43 m。

(6)中低海拔主線，洮河九甸峽-劉家峽段干流渠化，長度為166 km，平均縱向坡降為2.8000‰[21]，糙率取為0.015。受水區(qū)黃土高原-毛烏素沙地需水量可以利用邁阿密生產(chǎn)力模型計(jì)算，總面積33.76×104km2，墾殖率0.4， 灌溉需水量360mm，本地徑流量60 mm，實(shí)際調(diào)水需求300mm，總計(jì)實(shí)際調(diào)水量需求405×108m3/a，由九甸峽水庫引向定西方向；洮河流域再增加徑流量7.7×108m3/a，總輸水能力約為985.6×108m3。利用Excel單變量求解得出，渠化河道底寬b為80.0 m，邊坡m為0.57735，水深h為4.39 m。

(7)中低海拔輔線6條，將中低海拔主線沿途徑流量較大的支流徑流通過隧洞引入主線。引水水庫正常水位海拔分別為：恒河朋曲4 280 m，內(nèi)流湖羊卓雍錯(cuò)4 441 m，布拉馬普特拉河洛曲3 550 m，雅魯藏布江帕隆藏布3 350 m，怒江玉曲3 835 m，和白龍江多兒河2 380 m。

(8)中高海拔線，南水北調(diào)規(guī)劃西線及延伸隧洞群，即巴彥喀拉山隧洞群。起點(diǎn)水庫為海拔3 932 m的怒江東巴水庫水面，隧洞出水口為海拔為3 442 m的黃河賈曲水面，線路隧洞長758 km。終端隧洞長為42 615 m，平行隧洞數(shù)為3條，輸水量為422.8×108m3/a。設(shè)計(jì)單隧洞半徑為6.16 m，糙率為0.015，縱向坡降取東巴-賈曲全段隧洞縱向坡降的平均值為0.6464‰，單洞最大輸水量為141.13×108m3，最大流量時(shí)隧洞水面中心角為303.740°。

(9)高海拔線，楚瑪爾河-格爾木河隧洞，即昆侖山隧洞。起點(diǎn)水庫為曲麻萊水庫水面海拔4 310 m，隧洞出水口為格爾木河水面海拔3 750 m。隧洞長76 902 m，縱向坡降為7.2820‰，設(shè)計(jì)輸水量13.2×108m3/a，隧洞半徑為1.60 m，糙率為0.015，最大流量時(shí)隧洞水面中心角302.599°。

3 同紅旗河方案的比較

3.1 紅旗河西線調(diào)水方案缺點(diǎn)分析

(1)調(diào)水線路縱向坡降太低，增加施工量。紅旗河主線全線長6 188 km，平均縱向坡降0.210‰，首段大拐彎～怒江段509 km，水位由2 558 m降為2 380 m，平均縱向坡降0.350‰；劉家峽以南渠隧總長2 303 km，水位下降823 m，平均縱向坡降為0.357‰；大渡河-岷江段417 km，落差77 m，縱向坡降僅為0.185‰。根據(jù)謝才公式和巴普洛夫公式，縱向坡降越低，輸送同樣流量所需的水力半徑越大，需要開鑿的輸水隧洞和輸水渠橫截面越大，較設(shè)計(jì)的縱向坡降較大的線路增加了施工量。

(2)調(diào)水線路靠近邊境線，存在敵對國安全威脅問題。紅旗河主線隧洞位于西藏自治區(qū)墨脫縣和察隅縣交界處的麥克馬洪線以南11 km處，在察隅縣中西部線路位于麥克馬洪線以北，但是距離該線僅有10～40 km。調(diào)水線路經(jīng)過實(shí)際控制區(qū)施工將受到影響，建成后也會(huì)存在安全問題。本文作者曾于1999年研究過該線路，與紅旗河走向高度吻合，但是2010年再次研究西線調(diào)水線路時(shí)決定放棄該線路，主要原因是距離藏南實(shí)際控制線和國境線太近。

(3)調(diào)水線路經(jīng)過強(qiáng)震地帶，山體破碎不利于施工。紅旗河主線從汶川地震震源以西10 km處經(jīng)過，需橫穿四川省龍門山斷裂帶，并在龍門山斷裂帶以北30 km與斷裂帶平行向東北延伸。線路途經(jīng)地區(qū)經(jīng)歷了2008年汶川大地震，山體破碎，容易發(fā)生滑坡和泥石流，不利于建設(shè)盤山渠和開鑿輸水隧洞。紅旗河共計(jì)穿越了5條地震帶：喜馬拉雅，金沙江元江，康定甘孜，武都馬邊，蘭州天水。

(4)計(jì)劃在水源區(qū)采取以明渠為主的方式輸水，對當(dāng)?shù)刂脖缓铜h(huán)境破壞程度較大。明渠輸水在縱向坡降小的情況下需要較大的橫斷面輸水，紅旗河在劉家峽以南多沿半山腰森林密布的地區(qū)，修建大截面明渠不但工程量浩大，而且破壞護(hù)坡植被，容易造成水土流失，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響較大。

(5)雅魯藏布江大拐彎處及調(diào)水線路水源區(qū)降水量大，采取明渠方式容易遭受洪災(zāi)，加大了護(hù)坡工程投入。雅魯藏布江大拐彎處，南部地段年平均降水量在2 000 mm以上，如墨脫降水量為2 358 mm。調(diào)水線路經(jīng)過泥石流帶：雅魯藏布大峽谷、大渡河、青衣江、岷江上游、涪江白龍江上游。雅江大峽谷多冰川型泥石流，金沙江以北多暴雨型泥石流，沿線山坡陡峭，谷地切割較深，水土流失嚴(yán)重。地質(zhì)災(zāi)害對工程施工和維護(hù)帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

(6)從大拐彎處調(diào)水，需要向北繞過易貢藏布江谷地，使調(diào)水線路加長，加大了水頭損失。由于取水點(diǎn)較低，位于雅魯藏布江米林縣派鎮(zhèn)下游55 km的白馬葛瓊附近[22]，為向北繞過大拐彎大峽谷、赤隆藏布大峽谷、拉月曲-魯朗河大峽谷、易貢藏布大峽谷、波都藏布大峽谷，從而使調(diào)水線路加長，水頭損失加大。根據(jù)巴普洛夫公式規(guī)劃求解計(jì)算得出，首段大拐彎-怒江段平均縱向坡降0.350‰，開鑿半徑為6.21 m的隧洞最大流量流速僅為2.84 m/s，最大流量充滿角303.75°，年最大輸水量106.1×108m3，若從雅魯藏布江流域調(diào)水200×108m3，需建造2條平行隧洞。

(7)大拐彎處為無人區(qū)，交通條件極差，增加了施工困難。調(diào)水線路西藏段經(jīng)過林芝縣排龍鄉(xiāng)、拉月鄉(xiāng)，波密縣易貢鄉(xiāng)，墨脫縣甘登鄉(xiāng)、加熱薩鄉(xiāng)、幫辛鄉(xiāng)、達(dá)木鄉(xiāng)、格當(dāng)鄉(xiāng)、察隅縣上察隅鎮(zhèn)，沿2 558～2 380 m等高線延伸，施工區(qū)地處無人區(qū)，臨近人口稀少的偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，交通條件極差，必然造成工程施工困難，加大工程維護(hù)費(fèi)用。

(8)調(diào)水線路南繞到麗江附近，大大增加了線路長度，降低了調(diào)水線路的縱向坡降。調(diào)水線路采取低海拔方案，從南部繞過橫斷山區(qū)，使線路向北繞到波密縣易貢鄉(xiāng)后向南繞到云南麗江石鼓鎮(zhèn)的金沙江大拐彎處再向北延伸，增加了調(diào)水線路長度，使線路縱向坡降降低，工程量加大。

(9)調(diào)水線路穿越國家級自然保護(hù)區(qū)，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和自然景觀造成較大破壞。調(diào)水線路在劉家峽水庫以南穿越8處國家級自然保護(hù)區(qū)，包括雅魯藏布大峽谷、察隅慈巴溝、白馬雪山、貢嘎山、蜂桶寨、臥龍、王朗、九寨溝。線路采取渠隧集合的方式，對山坡破壞強(qiáng)度大，對自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境和自然景觀造成不利影響。

3.2 桑白-鐵關(guān)門調(diào)水方案優(yōu)點(diǎn)分析

(1)調(diào)水線路縱向坡降大大提高。通過多次調(diào)整大壩高度和連接水庫的隧洞長度得出了等縱向坡降大壩-隧洞方案，縱向坡降最終調(diào)整為0.7488‰，是紅旗河劉家峽以南平均縱向坡降0.357‰的2.1倍。按照0.7488‰縱向坡降計(jì)算，半徑為6.21 m的隧洞最大流速可達(dá)4.16 m/s，年最大流量為155.2×108m3；按照0.357‰的縱向坡降計(jì)算，半徑為6.21 m的隧洞最大流速可達(dá)2.87 m/s，年最大流量為107.1×108m3，年最大流量相比，前者是后者的1.45倍。

(2)調(diào)水線路遠(yuǎn)離邊境線，規(guī)避了敵對國安全威脅。雅魯藏布江米林桑白大壩到麥克馬洪線直線距離約為53 km，到國境線的直線距離約為185 km，地處人口稠密的雅魯藏布江谷地，為我國西南邊疆的戰(zhàn)略腹地，軍事安全能夠得到保障。

(3)調(diào)水線路避開了強(qiáng)震地帶，沿途山體完整，利于施工。米林桑白-岷縣鐵關(guān)門隧洞調(diào)水方案避開了喜馬拉雅，金沙江元江，武都馬邊，蘭州天水4條地震帶，以最短距離垂直穿越康定甘孜地震帶，大大降低了地震可能造成的危害。調(diào)水線路遠(yuǎn)離龍門山斷裂帶，受地震造成的山體破碎、滑坡和泥石流影響較小，大大降低了地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)以隧洞輸水為主，大大減少了對地表植被和環(huán)境破壞。調(diào)水方案通過線路上移和建造長大隧洞，避開了自然保護(hù)區(qū)；調(diào)水方案以隧洞輸水為主，大大減少了對地表植被和自然景觀的破壞。

(5)隧洞調(diào)水可有效規(guī)避洪水對調(diào)水線路的沖擊，大大減少護(hù)坡工程投入。調(diào)水線路通過上移避開了暴雨多發(fā)的高降水量地帶，受洪水和泥石流影響較小，隧洞調(diào)水還大大降低了護(hù)坡費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。

(6)調(diào)水線路的西藏首段平直，避免了繞路。調(diào)水線路首段平直向東北方向，避免了北繞易貢藏布江谷地，保持了較大固定縱向坡降，降低了藏水北調(diào)的工程量。

(7)川藏鐵路和成蘭鐵路的建設(shè)為調(diào)水線路施工提供便利交通條件。在建的拉林鐵路路過桑白大壩，即將開工的川藏鐵路康定至林芝段同本文設(shè)計(jì)的調(diào)水線路兩次相交，并有局部地段近距離平行；預(yù)計(jì)2019年建成的成蘭鐵路在四川疊溪以北同調(diào)水線路近距離平行向北延伸，鐵路建設(shè)的加速將為未來調(diào)水施工帶來極大的交通便利。

(8)水源區(qū)調(diào)水線路呈西南-東北走向，線路平直便捷，大大降低了工程量。調(diào)水線路南部沿北緯30°向東，北部沿東經(jīng)104°向北，線路平直，避免了繞路，將大大降低工程量和施工難度。桑白-鐵關(guān)門線隧洞總長度為1 175.2 km，縱向坡降為0.7488‰；紅旗河劉家峽以南渠隧總長度為2 303.4 km，平均縱向坡降為0.3573‰。同樣輸水能力情況下，從線路長度造成施工量比較，紅旗河是桑白方案的1.96倍；從低縱向坡降造成施工量差異比較，紅旗河是桑白方案的1.45倍，二者疊加造成的施工量差異，紅旗河是桑白方案的2.84倍(圖2)。

圖2 西線南水北調(diào)各種線路比較

4 結(jié)論與討論

(1)中低海拔桑白-鐵關(guān)門線具有縱向坡降大、距離短、工程量小的優(yōu)點(diǎn)，在高海拔、中高海拔、中低海拔、低海拔4類線路中最為經(jīng)濟(jì)合理。

(2)桑白-鐵關(guān)門線避開了自然保護(hù)區(qū)，采用隧洞輸水大大減少了對沿途植被的破壞，經(jīng)過的地區(qū)人口稀少，工程移民少，是環(huán)境友好和人文和諧的雙優(yōu)工程。

(3)桑白-鐵關(guān)門線盡量少地穿越地層斷裂帶、地震帶和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地帶，從而使工程建設(shè)難度降低，海拔適中受凍土危害較輕，工程建成后的維護(hù)費(fèi)用減少，從工程地質(zhì)角度評價(jià)是優(yōu)化線路。

(4)桑白-鐵關(guān)門線調(diào)水方案以自流調(diào)水為最高原則，采用上游建設(shè)梯級水庫對徑流進(jìn)行多年調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)水量最大化和隧洞利用率最大化，以及運(yùn)營費(fèi)用最小化。

(5)本文設(shè)計(jì)的調(diào)水方案是高海拔、中高海拔，中低海拔聯(lián)合調(diào)水，受水區(qū)涵蓋了柴達(dá)木盆地和廣闊的西北內(nèi)陸中低海拔地區(qū)，為未來建設(shè)歐亞運(yùn)河打下基礎(chǔ)，有利于一帶一路沿線省區(qū)和國家的區(qū)域合作和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

中國最強(qiáng)盛的漢代、唐代和清代前期均基于對西北地區(qū)的經(jīng)營。新中國建立初期實(shí)施的對西北地區(qū)以建設(shè)兵團(tuán)為主的農(nóng)業(yè)開發(fā)，為當(dāng)代全面開發(fā)西部地區(qū)的水資源和土地資源打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來我國在建設(shè)大型水庫、長距離輸水隧洞、長距離大型引水渠、大型橋梁、大型引水渡槽等方面的工程技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備制造發(fā)展迅速，超高水壩、長距離隧洞、大跨度橋梁等技術(shù)瓶頸被不斷突破，2018年3月中鐵裝備集團(tuán)完成了直徑為15m的硬巖隧洞掘進(jìn)機(jī)(TBM)的研發(fā)，為大規(guī)模遠(yuǎn)距離調(diào)水工程提供了技術(shù)保障。向土地資源豐富的內(nèi)蒙古和西北地區(qū)調(diào)水是我國實(shí)現(xiàn)民族振興的關(guān)鍵工程，是各學(xué)科專家和各行業(yè)人士通過60多年來的探索取得的共識(shí)。期盼未來有更多的專家參與西線南水北調(diào)線路比選，選出科學(xué)合理的優(yōu)化方案，促進(jìn)西線調(diào)水全面詳細(xì)規(guī)劃盡早開展，西線工程早日開工。