跨流域引调水工程规划方案优选研究<br/>——以滇中引水工程为例

跨流域引调水工程规划方案优选研究
——以滇中引水工程为例

2017-02-03肖昌虎侯丽娜

中国农村水利水电 2017年9期

桂耀，肖昌虎，侯丽娜

(长江勘测规划设计研究院，武汉 430010)

我国人均水资源量相对贫乏，且水资源时空分布不均，与人口和经济产业布局不相匹配。随着经济社会高速发展，部分地区存在水资源过度开发，挤占河道、湖泊生态环境用水，超采地下水等问题，河流湖泊水质恶化，生态环境形势严峻。国内外许多工程实践证明，跨流域引调水工程是缓解缺水地区水资源供需矛盾、支撑缺水地区可持续发展的有效途径[1,2]。

21世纪以来，我国水资源供需矛盾日益突出，各地建设大型引调水工程明显加速。已建、在建及规划的工程有：引黄入晋、黑河引水、引乾济石、引汉济渭、南水北调、引洮供水、引江济淮、滇中引水等。这些引调水工程具有规模大、距离长、布置复杂的特点，会对社会生活和生态环境造成影响[3,4]。因此，在进行跨流域引调水工程规划方案设计时，必须全面论证工程建设的必要性，客观分析受水区范围，在经济社会和资源环境总代价最小的前提下确定工程规模，并通过综合比选确定工程方案。

滇中引水工程项目建议书[5]按照总报告、7个附件和3个专题3个层次展开，在当代开展的引调水工程规划中较为全面并具有代表性。本文将以滇中引水工程为例，介绍引调水工程规划方案的优选过程。

1 工程建设的必要性

工程规划首先要论证的就是工程建设的必要性。应分析调入区在区域经济社会发展中的战略地位、发展目标及布局；分析调入区的气候条件、水资源时空分布、水资源开发利用现状及难度、现状及规划水平年缺水量；剖析水资源短缺对调入区经济可持续性发展的影响以及水资源过度开发导致的生态环境问题；根据调入区国民经济发展和生态环境保护对水资源的需求，从社会、经济、生态与环境等方面论证工程建设的必要性[6]。

1.1 滇中区是云南省经济社会发展的核心区

滇中区包括昆明市、玉溪市、楚雄州、曲靖市、大理州、红河州以及丽江市的49个县(市、区)，国土面积仅占云南省面积的24%，但人口数量、国内生产总值和农田有效灌溉面积分别达到云南省的40%、61%和41%，是云南省人口最集中、生产生活最活跃的地区。同时，滇中区形成了以昆明、玉溪、楚雄、大理、蒙开个为中心的城市群体，是国家面向东南亚开放的桥头堡和新一轮西部大开发的重点建设区。因此，滇中地区经济发展直接关系到云南全省和我国西南地区经济发展，具有十分重要的战略地位。

1.2 水资源时空分布不均，旱灾频繁

滇中区水资源分布不均，降水量空间规律为山区大，河谷坝子小，垂直变化明显，人、水、地资源组合不匹配；时间分布规律为夏秋降水集中多洪涝，冬春干旱少雨，缺水严重。受降水季节变化影响，滇中大部分地区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%，是该时期全国旱情最严重的地区之一。从天然径流的情况看，汛期和枯期的径流量差别很大，汛期径流量占年径流量的78.3%～92.9%，并且大部分区域的年径流量Cv值高于0.5。径流量的年内、年际变化大，造成可供利用的水资源量十分有限。

滇中区是云南省降雨低值区，大部分地区年降水量为600～900 mm，而水面蒸发量为1 400～2 000 mm，干旱指数大于2.0。近年来旱灾频次及危害程度呈上升趋势，1950-2005年的56 a中，出现严重干旱灾害12次，时间间隔越来越短，且连续干旱的年份较多。

1.3 水资源开发程度高，进一步开发难

为解决工农业和城镇的用水需要，云南省进行了大量的水利工程建设，也积极采取节水、治污和鼓励污水回用，昆明市已成为全国推行节约用水的先进城市。目前滇中区水资源开发程度已经很高，主要河流的水资源开发利用程度已超过国际公认的40%的上限。

滇中区海拔高程相差悬殊，河谷深切，而少有的盆地区工农业生产发达，城镇集中，缺乏修建蓄水工程的条件。到2008年为止，滇中区仅建成5座大型水库，其余均为中小型水库。昆明市本区水资源已高度开发，虽然建成了掌鸠河、清水海引水工程和牛栏江-滇池补水工程，但工程水源均为中小支流，供水量远不能满足昆明市发展需求[7]。

1.4 缺水给经济社会及生态环境造成严重影响

随着工业化和城镇化进程加速，城市用水需求不断增长，滇中区80%的城镇存在缺水问题。水资源供需平衡计算表明，滇中区现状水平年2008年缺水量25.9 亿m3，缺水率为30%，说明滇中区已经处在严重的缺水状况。2040年采取强化节水、充分挖潜措施后，缺水量达37.7 亿m3，缺水率为34%。即到2040年，仅靠区内水资源，不足以支撑滇中区的经济社会发展。

由于工农业大量挤占河湖生态用水，加上工农业及生活污水持续排放，导致滇中湖泊群水质不断恶化。水环境监测结果表明，星云湖、异龙湖水质为Ⅳ类，杞麓湖为Ⅴ类，滇池为劣Ⅴ类水体。而水资源的过度开发还造成了河道断流、湖面萎缩等生态问题。

滇中引水工程规划从经济社会发展需求、地形地貌及气候条件、水资源时空分布、水资源开发程度及开发的难度、供需分析现状及规划水平年缺水量、缺水对环境造成的严重影响等方面，综合说明滇中水资源十分短缺，制约了国民经济发展和生态环境维护，实施跨流域引调水工程十分必要。

2 受水区范围确定

跨流域引调水工程的调入区范围广大，缺水问题难以全部依靠区外引水的方式解决，通常需要优选出引水工程的受水区，从而合理确定工程规模。受水区范围应根据供需平衡分析确定出缺水片区，然后结合各片区水资源状况、重要性和经济技术合理性综合选定。其中技术合理性比选包括缺水规模、自流条件、运行费用、工程投资和配套工程的技术条件等。

2.1 缺水区组成

根据独立水系和行政区划，滇中区共分为112个水资源小区。将城镇生活、工业历时保证率达不到95%、农业年保证率达不到75%的小区划分为缺水区。根据2040水平年供需平衡分析结果，城镇生活、工业缺水区共92个，农业缺水区共85个。

2.2 受水区选择

对于城镇生活、工业缺水区，排除缺水量小于100 万m3，分干线长度大于30 km且提水扬程大于100 m，以及缺水地点特别分散、配套工程艰巨的小区，将剩余经济技术合理的31个小区纳入受水区。

对于农业缺水区，考虑到工程供水任务以城镇生活与工业供水为主，同时农业对水费的承受能力有限，仅将区地位重要，紧邻总干线，分干线建设难度小并能自流输水的3个小区纳入受水区。

此外，滇池、杞麓湖和异龙湖水资源极度短缺，水质较差，依靠截污治污等仍难以达到水质目标，并且分布于总干渠沿线，可以利用总干渠富余输水能力进行补水。

因此确定滇中引水工程受水区为34个水资源小区，补水湖泊3个。

3 工程规模

工程规模是跨流域引调水工程规划方案的核心内容，包括水源工程建筑物规模、输水总干渠及各级渠系的规模。确定工程规模需选择合适的水源，在优先满足生态与环境用水基础上，分析水源区的可调水量；对受水区进行供水和需水预测，建立系统网络节点图进行水资源供需平衡分析；将外调水与本地水联合配置，对受水区进行长系列配置计算，在满足供水目标前提下确定工程规模。

水源区可调水量分析应优先满足水源区社会经济长远发展和生态环境维护对水资源的需求，通过节水、治污工程和补偿配套工程建设来协调水源区水资源利用量与可调水量的相互关系[8]。受水区水资源供需分析的重点在于供水量预测应充分挖掘规划水平年经济可开发水利工程的供水能力，并详细说明供水量来源组成；需水量预测应考虑节水措施，遵循从紧原则进行需水量预测，并对预测进行合理性分析[9]。水资源配置的重点在于建立受水区与引调水工程的统一配置模型，通过优化当地水和外调水联合调度方案，确定最经济的工程规模。

3.1 可调水量预测

根据引水断面以上水源区经济发展状况，预计未来上游新增耗水较少，规划年上游来水按天然实测径流考虑。由于取水点下游基本是高山峡谷，从金沙江干流取水量很小，因此可调水量主要由断面月来水过程和河道生态基流控制。计算结果表明，渠首引水规模Q为135～155 m3/s时，石鼓断面多年平均年可调水量为40～45.2 亿m3，奔子栏断面多年平均年可调水量为38.7～43.6 亿m3。2个水源断面可调水量均小于断面天然径流量的13%，工程取水对断面下游的水资源利用基本无影响。

3.2 水资源供需分析

需水量预测时，考虑了节水措施以降低需水定额：城镇生活与工业需水定额预测中，考虑了城市基础设施改造等节水措施，将规划水平年的管网漏失率从现状的15%降低为10%；灌溉定额预测中，根据各小区的水资源状况减少水稻的种植面积，加大旱作物和经济种植比例，将农业灌溉渠系水利用系数从0.543提高到0.652。

供水量预测时，在现有水利工程基础上，增加了规划水平年新建的水库和区内调水工程，包括西南5省重点水源规划工程5.04 亿m3的年供水量、牛栏江-滇池补水工程向滇池补充5.72 亿m3生态水量等，同时考虑了昆明市的再生水利用量。

根据1960-2008年长系列供需平衡计算结果，2040年受水区总缺水量28.91 亿m3，其中城镇生活缺水量5.5 亿m3，工业缺水量12.14 亿m3，农业缺水量11.24 亿m3，受水区总的缺水率为44%。

3.3 水资源配置

水资源配置原则为：滇中引水工程与当地水源联合供水，滇中引水工程优先向城镇供水，当地水优先供给农业灌溉用水，同时利用干渠的富余输水能力补充湖泊环境用水。

逐步调整渠首设计流量，分别进行长系列水资源配置调算。结果表明，渠首流量145 m3/s时刚好满足受水区供水保证率。此规模渠首设计流量条件下，滇中引水工程多年平均引水量34.2 亿m3，其中供给城镇生活、工业23.59 亿m3，供给农业灌溉5.76 亿m3，向湖泊环境补水4.84 亿m3，各部门分水比重依次为69%、17%和14%。

4 工程总布局

工程总体布局方案的拟定应综合考虑结合水源区取水条件、供水目标的满足程度、水资源配置成果等因素，并从技术经济、环境移民等方面进行多方案比选。从技术层面，工程总布局主要包括水源方案比选，输水线路控制点确定，调蓄水库布置和分期建设方案比选等。

从调度运行考虑，水源方案具有自流引水条件时宜优先选用。对于需提水引水的水源方案，应综合考虑运行管理费用、工程投资、社会环境影响等因素进行全面比较。输水线路控制点的地理位置应根据地形地质条件、线路布局、配水需求和行政区划等因素来确定，控制点的设计水位应通过水头分配优化来确定。调蓄水库不仅可以降低工程规模，还可以提高供水保障率，宜设在输水线路附近区域有成库条件的位置。当缺乏修建水库条件时，可以考虑利用线路附近已有水库或湖泊。对于工程规模和投资较大的工程，应根据受水区各片区对外调水的紧迫程度，并结合资金筹措和工程实施条件，提出分期建设方案并进行综合比选[10]。

4.1 水源方案比选

滇中区位于4大水系分水岭，周边水系发育。水源比选按照“从内到外、由近及远”的顺序，先分析滇中区内及周边分散水源方案，然后逐步外延，分析金沙江奔子栏至石鼓河段两岸支流分散水源方案；最后对周边5大水系进行筛选，明确重点研究的集中水源点，并进行深入比选。

分散水源方案将受水区划归为大理、楚雄、昆明玉溪、红河4大片，由6项引提水工程组成分散水源。研究表明，分散水源方案存在水源点多，水质Ⅲ～Ⅴ类，水源水质保护难度大；输水线路超过900 km、最大提水扬程1 015 m、建设难度大、运行费用高等问题，较集中水源方案存在明显劣势。

金沙江石鼓至奔子栏支流分散水源方案规划在定曲河、岗曲河、腊普河和支巴洛河等支流上建坝，并将各取水口连入滇中引水的总干线。该方案投资高，还存在跨省移民安置、资源协调等问题，与干流集中水源方案比，没有优势。

红河水资源短缺，河谷深切，远低于受水区，与滇中地势相反；南盘江水量少，高程低，水质Ⅳ～Ⅴ类；怒江干流高程低，向滇中引水提水扬程达900～1 100 m，并需跨越澜沧江，均不宜选为集中水源地。而澜沧江相较于金沙江在提水扬程、输水距离、地质及施工条件以及经济指标等方面存在劣势。

从金沙江虎跳峡及以上河段引水，距离相对较近、覆盖范围大，是滇中引水较理想的水源地。因此重点研究了金沙江干流奔子栏自流引水和石鼓提水2个方案。

石鼓提水方案引水调度灵活性较差，泥沙处理难度较大，运行费用较高，但输水线路较奔子栏引水方案短184 km，工程总投资节省275亿；奔子栏引水方案可全自流引水，运行调度灵活且运行费用低，但输水线路较长，一次性投资较大。综合比较，石鼓方案还具有与金沙江相关规划可较好衔接、环境影响及协调难度相对小，在采用优惠电价情况下经济性略好的优势，故推荐石鼓提水方案为滇中引水工程的水源方案。

4.2 输水线路控制点确定

输水工程以石鼓为起点，以红河蒙自为终点，线路全长663.89 km。按线路格局、配水要求及行政区划，将石鼓、洱海长育村、楚雄万家、罗茨、昆明新庄及红河蒙自新坡背确定为沿线分段控制点。按照上述控制节点，将输水线路划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段和玉溪红河段等5段。新庄为滇池南端，按照枯季具备向滇池生态补水，不应低于滇池正常水位1 887.50 m，考虑一定的水头取为1 888.00 m；蒙自高程较低，新庄到新坡背之间水头富裕，初步拟定新坡背水库正常蓄水位1 400.00 m，作为总干渠末端水位；渠首石鼓至新庄段的输水线路长，水头小，其水头分配方案需要进行优化比选。

根据石鼓、长育村和万家3个控制点的初拟水位范围，组合出31个水头分配方案。经过技术经济比较，在满足与虎跳峡河段开发方案适应性要求的方案中，石鼓(2 020.00 m)+长育村(1 986.50 m)+万家(1 954.00 m)+新庄(1 888.00 m)方案的工程投资最低，因此选为推荐方案。

4.3 调蓄水库设置

滇中区海拔高程相差悬殊，地面起伏不平，盆地区较少并且城镇集中；同时滇中引水工程输水总干渠基本沿4大水系分水岭布设，设计水位与输水线路附近的河谷具有显著的高程差。因此本工程缺乏修建在线调蓄水库的条件，项目建设阶段主要论证利用洱海和利用滇池输水的在线调蓄方案。

利用洱海和利用滇池输水可调蓄水量，减少线路长度，节省工程投资。但是从金沙江引水进入洱海，会带来跨流域生物交互影响和生物入侵问题，还将恶化洱海水质，导致洱海水质从Ⅱ类下降到Ⅲ类[11]，而且工程方案实施涉及大理苍山洱海国家级自然保护区的核心区、缓冲区，存在法律制约因素。目前滇池外海、草海水质均为劣Ⅴ类，在全面实施滇池综合治理各项规划的条件下，规划水平年9月或10月滇池水质仍存在超标现象，且滇池仍具有蓝藻爆发的环境条件，供水安全难以保障，而且利用滇池输水后，滇池周边将划为饮用水源保护区，与环滇区域经济社会发展的关系难以协调。

考虑滇中引水工程是保障城乡居民用水的民生工程，以环境影响和社会风险小，供水水质安全保障程度高为主要指标，推荐不利用洱海输水方案和不利用滇池输水方案。

4.4 分期建设方案比选

根据滇中特殊地形地质条件及输水工程以隧洞、渡槽为主的特点，拟定了输水工程分2期建设的方案。近期工程包括水源工程和输水总干渠渠首至昆明段，输水长度476.52 km，后期工程为总干渠玉溪红河段，长度187.38 km。输水工程分期建设可减少工程投资72.42亿元，减少投资比例10.37%，但相应引水量减少25.68%。此外，玉溪和红河既是资源性缺水较严重的区域，也是滇中重要经济区，同时也是云南面向东南亚开放的重要门户。分期建设方案将对玉溪、红河2个市、州及滇南的城市经济区发展产生严重不利影响。

综上所述，推荐滇中引水工程采用一次建成方案。