基于DEM的南水北调大西线藏木至洮河调水工程研究

2011-09-05梁书民

水利规划与设计 2011年6期

梁书民

（中国农业科学院农业经济与发展研究所北京 100081）

1 食物危机呼唤大西线南水北调

虽然中国的食物（谷物、豆类、薯类和油料）总产量2004－2010年连续7年增加，但由于经济的高速发展和城镇化的快速推进，食物消费的增长被过低估计，使中国食物危机到来的时间大大提前。2010年中国大豆对外依存率已经高达78.2%，2025年食物自给率将下降为84.9%。随着居民收入的增加，中国对畜产品、油料、蔬菜和水果的需求将持续增加。由于农作物单产潜力提高的空间越来越小，通过提高复种指数扩大农作物播种面积的潜力也越来越小，而上等耕地却由于城镇扩张而正在快速减少，随着食物需求的快速增加，中国的食物自给率将会越来越降低。近年来国际农产品价格快速上涨，短期世界食物危机频频出现，而中国大量进口的大豆的国际价格上涨远高于谷物价格的上涨，成为推动中国食物价格上涨的主要因素。通过大西线调水开发中国西北地区丰富的耕地资源，大规模扩大耕地面积，大量增加农产品供给，进而稳定食物价格，已成为中国当前迫在眉睫的重大决策。

大西线南水北调的设计方案很多，笔者将目前具有影响力且较为可行的方案归纳为2类10种。第一类为高海拔调水方案，主要特点是从贾曲入黄河，主要有：①水利部规划的西线自流调水方案［1］。②黄河水利委员会南水北调西线工程后续水源［2］。③长江水利委员会林一山方案［3］。④中国科学院陈传友方案［4］。⑤原电力部贵阳勘探设计院方案。⑥郭开方案修正案［5］。第二类为中低海拔调水方案，主要特点是从洮河或更低海拔流入黄河，主要有：⑦黄河水利委员会的旧调水方案［6］，以低海拔线路为主，典型线路有翁水河－定西线，沙布－洮河线，金沙江的恶巴－洮河线，石鼓－渭河线等。⑧陈昌杰的羌纳－俄巴－洮河－龙羊峡方案［7］，在雅鲁藏布江同尼洋曲汇流处筑坝凿洞向北调水，经怒江俄巴、雅砻江两河口自流入洮河，再通过隧洞流入龙羊峡，最大可调水量为1757亿m3。⑨陈清波的河水上游西流与江水中游北调方案［8，9］，将黄河上游河口以上大部分径流量通过开挖自流河渠或安装输水管道分输给西北部干旱缺水地区，同时，开凿自湖北宜昌至河北定兴的 “宜定大运河”从三峡水库引水，每年向华北平原补偿调水400亿m3。⑩作者本人设计的怒江东坝－洮河中海拔自流方案，每年可在大西线向大西北调水1198亿m3［10］。高海拔调水线路短，但调水量少；低海拔调水线路长，但调水量大。由于我国耕地流失严重，食物危机日益加剧，需要大流量调水来大规模开发西北地区的土地资源，所以作者舍弃了高海拔调水方案。又由于低海拔不利于向西北地区输水，且线路坡降小，隧洞工程量大，所以作者舍弃了低海拔调水方案。利用中海拔方案要调更多的水只有从怒江向雅鲁藏布江流域延伸调水，作者在本文研究了中海拔自怒江延伸到西藏加查县藏木的雅鲁藏布江自流调水方案。本方案在线路设计上同陈昌杰方案相近，并沿用了陈清波的中线补偿调水和本人的中西线联合调水的基本方针。

2 藏木至洮河调水工程总体设计

本研究设计的大西线南水北调藏木至洮河自流调水工程方案是：采用中海拔调水线路；将原东坝至洮河调水线路向西延伸到雅鲁藏布江加查藏木以增加调水量；将怒江大坝由东坝上移到果巴，将金沙江大坝由拉哇上移到甲英，适当调整了他念他翁山、芒康山、沙鲁里山和红岗山隧洞的进出水口位置与走向，以便适当降低大坝高度，并使输水线路平直，水流顺畅（图1）。本文设计的大西线调水方案核心工程包括：西藏加查县藏木至洮河岷县十里镇调水工程；以及5处辅助调水工程，帕隆藏布至怒江调水、玉曲至澜沧江调水、白龙江甘肃迭部县白古－阿夏调水、引洮河水入渭河和引洮河水入祖厉河。

图1 南水北调大西线藏木至洮河调水工程

本方案设计的大西线调水线路海拔适中，输水线路水位海拔从西藏雅鲁藏布江加查县藏木的3500m降为甘肃洮河岷县十里镇的2320m，全程长1693km，其中隧洞总长1299km，利用自然河流和水库394km；落差1180m，具有可观的发电潜力；全程自流，可以利用刘家峡水库通过西北干渠向河西走廊、内蒙古和新疆调水，是难得的优良调水线路。设计的藏木至洮河大西线北调进入黄河流域的年径流总量为1687亿m3，加上规划的东线规划调水148亿m3，中线规划调水130亿m3，中线延伸调水340亿m3，总计可向北方调水2305亿m3，约为黄河径流量580亿m3的4.0倍。大西线调水加上中线联合调水可替代增加的黄河中上游地区规划外配额54亿m3，可使黄河中上游和西北内流区新增计划外用水量1741亿m3。

大西线引水线路藏木至洮河线遇山脉凿隧洞，遇河流建水库，通过控制水库水位保持固定的隧洞纵坡度。全线控制性水库有10座，自西南向东北依次为西藏雅鲁藏布江加查县藏木水库，尼洋河工布江达县巴河镇娘当水库，易贡藏布嘉黎县忠玉水库，怒江八宿县林卡乡果巴水库，澜沧江芒康县如美水库，金沙江巴塘县甲英水库，雅砻江两河口水库，大渡河双江口水库，岷江叠溪水库，和白龙江尼傲水库。控制性隧洞主要有：自忠玉水库沿念青唐古拉山南麓向东至波密县倾多镇亚龙藏布，再向东穿过念青唐古拉山入怒江德曲的多段隧洞；自甲英水库向东穿越沙鲁里山至四川省新龙县绒坝乡入雅砻江的多段长隧洞；自叠溪水库向北穿越岷山东山麓至尼傲水库的多段隧洞群。

表1 藏木－洮河线大坝工程与技术参数

藏木至洮河线总计需建设大坝41座，其中主坝10座，主线辅坝25座，辅线大坝6座，最高主坝是白龙江大坝坝高为327m（表1，图2）。共需建隧洞46段1534公里，其中主线隧道37段1299km，辅线隧道9段235km。主辅线隧洞中有12段隧洞长度超过50km，16段隧洞长度在20～50km之间，其余18段长度在20km以下（表2，图3，图4）。最长单洞为芒康山隧洞，长90.28km。

图2 藏木－洮河线10座主坝地形剖面

表2 藏木－洮河线隧洞工程与技术参数

图3 藏木－洮河线地形剖面与设计水位线

图4 沙鲁里山隧洞地形剖面

图5 藏木至洮河调水工程水源区径流深度

利用全国径流深度图通过ARCGIS计算的藏洮线最大调水量为1687.1亿m3，按流域分布状况为自东北向西南依次为：①嘉陵江（白龙江和涪江）流域40.0亿m3；②岷江流域56.5亿m3；③大渡河（大金川）流域153.5亿 m3；④雅砻江流域203.8亿 m3；⑤金沙江流域265.1亿 m3；⑥澜沧江（湄公河）流域201.2亿m3；⑦怒江（萨尔温江）流域281.7亿m3；⑧易贡藏布流域140.2亿 m3；⑨尼洋河流域102.4亿 m3；⑩雅鲁藏布江流域242.8亿m3。其中易贡藏布、尼洋河和岷江流域水源区径流深度最大，分别为837mm、778mm和571mm（图5）。

本文在大坝和隧洞设计与水库库容计算中依据的数字高程模型数据来自日本经济产业省（METI）和美国航空航天局（NASA）于2009年公布的Terra卫星采集的 ASTER GDEM（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model，先进星载热反射辐射仪全球数字高程模型）数据，地面分辨率为31m，数字高程精度（标准差）为7～14m，相当于5万分之一的地形图。库容计算应用了ARCGIS三维分析（3DAnalysis）程序中的GRID和TIN模块。隧洞的调水量是根据谢才公式（Chézy formula）和曼宁公式（Manning formula）计算得出的，洞壁的粗糙系数取0.012（水泥砂浆衬里），各隧洞均按照非满管无压流计算，当洞内水位是隧洞直径的95%时流量最大，为满管流量的108.7%。

3 工程成本效益核算

由于利用黄河上游的径流向西北调水可以增加调水量，而黄河上下游用水配额可以通过中线南水北调重新分配，所以作者主张中西线联合调水。为便于对比调水工程的成本效益，作者将联合调水工程按时间顺序分为4阶段：①三－丹（三峡－丹江口）阶段调水：为现规划中线延伸，包括133km长的三峡水库－丹江口水库隧洞（湖北兴山县香溪河水田坝村至丹江口市浪河镇）和1427km长的引水干渠扩容（河南省淅川县九重镇陶岔村丹江口水库至北京及天津）。②金－洮（金沙江－洮河）阶段调水：金沙江四川巴塘县甲英水库至洮河甘肃岷县十里镇。③怒－金（怒江－金沙江）阶段调水：怒江西藏八宿县果巴水库至金沙江甲英水库，为金－洮线的延伸。④藏－怒（雅鲁藏布江－怒江）阶段调水：雅鲁藏布江西藏加查县藏木水库至怒江果巴水库，为怒－洮线的延伸。

只有进行南水北调中线延伸和大西线联合调水工程详细规划才能精确计算总造价，本文仅参照现有水利工程的工程量和造价的关系对整个工程总造价进行估计。藏木－洮河线主体工程大坝造价主要参照了近年来西南地区在建和已建的大坝造价，通过回归建立坝高同总投资的关系函数，进而根据大坝的高度估计大坝投资，经估算藏木－洮河线41座大坝总造价为6688亿元，其中10座主坝总造价为2944亿元，31座主线辅坝和辅助工程大坝造价为3745亿元。中西线联合调水共计需建隧洞9386公里，其中多为复洞，单洞总长度仅为1667公里。按土石方量估计，联合调水工程的隧洞总投资为16232亿元，其中西线为14942亿元；中线为1290亿元。向雅鲁藏布江延伸调水所需增加的西北干渠投资按照增加的调水量（由1256亿m3增加为1741亿m3）等比例扩大，在3985亿元的基础上增加1537亿元。中线延伸引水干渠投资根据中线延伸调水量等比例扩大，估计需投资2343亿元。

估计全工程按2010年价格计算的静态总投资为30785亿元，其中隧洞建设投资16232亿元，约占总投资的52.7%；西北干渠建设投资7865亿元，约占总投资的25.5%；大坝建设投资6688亿元，约占总投资的21.7%。

表3 中西线联合调水成本与调水量

从中西线联合调水成本来看，中线延伸阶段北调每m3水需10.68元为最低（由于未计入干渠扩容成本，原估计值3.79元／m3偏低），稍高于规划中线调水的单位成本7.1元／m3；金－洮线边际成本较高，为15.64元／m3，但由于采取了中西线联合调水，使黄河水可以进行有效的上下游调配，使平均成本仅为14.05元／m3；大西线由金沙江延伸到怒江的边际成本为14.36元／m3，同金洮阶段中西线联合调水成本相当，从而使联合调水成本变化很小；大西线由怒江延伸到雅鲁藏布江的边际成本较高，为18.48元／m3，稍高于规划西线的单位成本17.9元／m3，但从联合调水总体来看单位成本只有15.19元／m3（表3，表4）。所以作者建议先开工建设西线金沙江及以北与中线延伸联合调水工程，然后延伸到怒江全面实施怒洮线与中线延伸联合调水工程，最后实现向雅鲁藏布江的延伸调水。

藏洮线中西线联合调水完成后，以洮河至刘家峡水库为节点，可对大西线来水和黄河刘家峡以上来水进行统一调配。藏洮线上游来水每年有1687亿m3由岷县十里镇入洮河，加上黄河上游经龙羊峡水库调节的刘家峡水库入库径流每年273亿m3，总计每年1960亿m3。按照黄河流域水资源规划，需通过黄河主河道向万家寨－小浪底区间的黄河中游供水219亿m3，以工业和城镇生活用水为主，剩余的1741亿m3可在黄土高原和西北内陆缺水地区统一分配。行业间用水量分配按照2008年中国水资源公报公布的西北诸河的用水量分配比例，农业用水占 89.7%，生活用水占 2.7%，工业用水占3.2%，生态用水占4.4%；若按照输水线路长度决定供水配额，分配结果为在新增计划外用水量1741亿m3中各省区可获得的配额分别为新疆631亿m3，内蒙古463亿m3，甘肃378亿m3，陕西100亿m3，山西98亿m3，宁夏70亿m3。中线延伸增加调水340亿m3，以工业和城镇生活用水为主，供给中线干渠以下的河南、河北、山东、北京和天津。

按照上述分配方案，藏洮线中西线联合调水的主要用水效益为：①售水收入1203亿元；②新增耕地4.46亿亩，价值58945亿元；③农业效益为可生产大豆13828万t；④工业效益为可增加32923亿元工业GDP；⑤城镇生活用水效益为可增加39571万城镇人口；⑥发电效益为可发电3629亿度，价值1814亿元；⑦控制长江宜昌总径流量的21.3%，有利于长江中下游地区的防洪和抗旱；⑧扶贫效益为可容纳生态移民4461万人，从而使8922万人脱贫；⑨生态效益为可增加绿洲32.3万km2。

按照上述估计的成本和效益，作者计算了三个阶段联合调水的静态成本回收期和财务内部收益率。计算结果为金洮、怒洮、藏洮3种联合调水方案的投资回收期分别为17.9、19.7和22.0年；按运营100年计算的财务内部收益分别为8.02%、8.16%和8.57%。财务内部收益率呈随调水量增加而递增的趋势，这种变化支持大水量调水的藏洮线中西线联合调水方案。藏洮线中西线联合调水工程的静态总投资为30781亿元，建成后年总收益为3017亿元，扣除总投资1%的运营成本后每年仍有净收益2710亿元，为静态总投资的8.8%。

4 大西线调水存在的问题解析

调水比例、国内国际水资源分配问题。藏洮线中西线联合调水北调长江水量1337亿m3，为长江入海径流量的13.7%；北调澜沧江水量201亿m3，为湄公河入海径流量的4.2%；北调怒江水量282亿m3，为萨尔温江入海径流量的11.2%；北调雅鲁藏布江水量485亿m3，为布拉马普特拉河径流量的7.9%。长江上游及支流水源区人口稀少，受调水直接影响的地区主要为土地资源极为贫乏的贫困山区，正是需要生态移民的地区。国际河流澜沧江、怒江、雅鲁藏布江下游均为水资源丰富地区，调水量小，对下游影响不大，且有助于下游的防洪。袁嘉祖［11］为了解决大西线南水北调有关国际问题，查阅了有关法规和文献，认为实施大西线南水北调不存在国际惯例的障碍。

生态问题。水源区河谷植被以生态价值较低的灌丛为主［12］，水库淹没的森林面积较小，对自然生态环境的破坏也较小。纳水区主要是黄土高原旱作农业区，河西走廊山前洪冲积扇，内蒙古西部沙漠、毛乌素沙地，内蒙古中部干草原，新疆山前洪冲积扇，塔里木盆地南缘，土哈盆地北缘，准噶尔盆地南缘东段。纳水区气候干旱，环境恶劣，所以调水的生态效益十分显著。

沿线的交通条件。由于在大西线选取了中海拔线路，沿线的交通条件有很好的基础，并在迅速改进。藏木－洮河沿线有317、318和214国道路为大西线建设提供了便利的交通条件；拉萨－林芝铁路、成都－兰州铁路、成都－雅安铁路和重庆－兰州铁路正建设中；已经建成的机场有6座，西藏的林芝和昌都，四川的康定、成都、马尔康和九寨沟，甘肃陇南机场也将在10年内修建，不久的将来将在大西线形成发达的立体交通网络。沿线地质灾害问题。藏木－洮河线避开了五都－马边地震带（汶川地震带），和喜马拉雅地震带，但是需要横穿康定－甘孜地震带［13］，工程设计中应考虑大坝和长大隧洞的抗震与抗活动断层问题。汶川地震强震区的4个不同类型百米以上高坝保持了结构整体稳定和挡水功能；目前西南地区正在建设和准备建设的一批200m甚至300m高的超高大坝都处在地震烈度较高的地区，可见中国的大坝抗震技术已经十分成熟，居世界前列。根据中国地壳垂直运动图［14］，怒江－洮河线处于地壳下降4mm／a和上升4mm／a的区域内；延伸线雅鲁藏布江藏木－怒江段，地壳活动强烈，大部分在每年上升8mm以上的地域，最高可达20mm／a以上。但是地壳上升速度变化剧烈的区域恰好是怒江德曲果巴之间利用自然河流输水的地段以及念青唐古拉山南麓多段短隧洞地段，地壳变化对引水工程的影响不会太大，且较容易修复。

基岩岩性与TBM（隧洞掘进机）掘进。基于1∶250万地质图［15］，利用GIS计算各类岩性的图斑面积发现大西线沿线以砂岩和板岩为主，砂岩硬度居中，板岩硬度较差，二者均属于TBM掘进的较佳岩层。目前国际上深埋长大隧洞掘进技术已经成熟，如台湾省在同类岩层上利用TBM隧洞掘进机挖掘隧洞，平均月进度为319m［16］，90km的隧洞双向掘进12年可以完成，若利用有利地形多开辅助掘进口多头并进，还可以大大缩短施工期。

5 讨论与对策建议

关于数据的可靠性，作者认为本文的径流量和工程技术数据可信度较强，依据的中国多年平均径流深度图是根据2200多个水文站1956～1979年之间的资料绘制的［17］，通过GIS计算的径流量同统计的径流量误差很小。ASTER GDEM的31m分辨率DEM数据可信度最大，该数据采集所使用的热辐射波可以穿透水体，反映的是河底的海拔高度，同实际建坝设计所依据的海拔高度相同，有效校正了低分辨率和水面反射对河床海拔的高估与对大坝高度的低估。对效益的估算参照的是现实的数据，可信度也较好。对建设成本的估计，虽然作者倾尽所能，仍感觉较为粗略，特别是坝高与造价关系回归的可信度较差，需做进一步研究。但作者认为本研究的系统误差不很大，总体上不会影响对大西线是否实施的决策。

联合调水工程建设应当遵从总体规划，分期建设，逐步延伸原则，可分四阶段进行。中线延伸和干渠扩容的调水效益最佳，工程量小，见效快，应当作为第一阶段最先进行建设；第二阶段开始建设金沙江－洮河线和到新疆的西北干渠，完成从金沙江向乌鲁木齐调水，使南水北调能惠及新疆；第三阶段建设怒江－金沙江线和完成西北干渠，实现从怒江向大西北调水，使大西北的生态环境能有根本改善；第四阶段建设藏木－怒江线，最终实现从雅鲁藏布江向大西北的调水，用于增加向大西北的调水量，或可考虑向蒙古的国际调水。一旦决定实施联合调水工程，应尽早开始长隧道掘进，以保障全部工程顺利完工，否则将无法有效保障2025年以后的中国食物数量安全。

1 水利部黄河水利委员会.南水北调西线工程规划简介.2003年8月25日，中国南水北调网，http：／／www.nsbd.gov.cn／zx／gcgh／20091021／

2 牛景宾，曹廷立，李庆中，刘生云 .南水北调西线工程后续水源初步研究，人民黄河，2001，23（10），19－20

3 林一山 .南水北调大西线工程简介 .水利水电快报，1998，19（9），14－16

4 陈传友，马明.21世纪中国缺水形势分析及其根本对策－－藏水北调 .科技导报，1999（2），7－11

5 崔荃，刘刚 .朔天运河技术可能性分析 .人民黄河，1999，21（6），39－42

6 水利部黄河水利委员会 .南水北调西线 .黄河网－史志资料－流域规划－专项规划，http：／／www.yellowriver.gov.cn／ziliao／lygh／

7 陈昌杰 .西南调水大西北的初步设想，人民黄河，2003 25（1），11－12

8 陈清波.加强环境建设六大构想.人民网，2007年07月30日

9 陈清波 .南水北调新构想 .http：／／www.chinapower.com.cn，2007年2月28日

10 梁书民.基于GIS的南水北调中西线联合调水工程研究 .水利发展研究，2010年第3期，17－24

11 袁嘉祖.实施大西线调水解决有关国际问题的思考.河北林果研究，第17卷第3期，191－195

12 中国科学院 .1：1，000，000中国植被图集 .科学出版社，2001年5月第1版