参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2001-3
2001年2月19日
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中线南水北调战略分析
安徽师范大学科技处 彭泽云
陕西省测绘局 阎勇军 张民政
中线南水北调主要是为了解决黄淮海平原广泛缺水的问题。汉江水量有限，解决不了问题，只有从三峡水库调水。由水利部规划的中线调水运河（只能称之为汉水北调运河）如果从丹江口水库延伸到三峡水库，因受三峡水库汛期水面海拔高度所限，将无法自流取水。抬高三峡水库汛期水面的海拔高度是可以办到的，但牵涉面广，工程量大，代价高昂。要以较少的投资实现从三峡水库取水，只有另外设计一条海拔较低的调水路线（权且称之为江水北调路线）。由于江水北调路线的海拔较低，不能向北京自流供水。汉水北调运河可以向江水北调运河不能兼顾的海拔较高的地区供水，因而有开凿的意义。从汉江向北京调水，路途遥远，问题多多，造成水价高。如果从黄河向北京调水，水价低，优越性十分明显。汉水北调运河的终点将不必到达北京。由于汉水北调水量不必很大，丹江口水库的二期工程不必上马。中线南水北调是我国南水北调系统工程的重要一环，以系统工程的观点规划设计中线调水运河工程，经济效益好。
一、中线调水，需调水量分析
黄淮海平原指黄河、淮河和海河下游的冲积平原，总面积35万平方公里，其中有耕地2.7亿亩。[1] 在一般旱年，供水如按平均每亩400立方米计算，共需水1080亿立方米。例如地处黄淮海平原最南端的跨河南、安徽两省的淠史杭灌溉工程，水库可供水量30亿立方米，设计灌溉面积1096万亩，实际上保证灌溉面积只有500万亩，加上200万亩的不可靠灌溉面积，全部灌溉面积为700万亩，[2] 平均亩灌溉定额为500~600立方米。淠史杭灌区以北的黄淮海平原比淠史杭灌区更加干旱，每亩供水按400立方米计算还是比较保守的。再加上工业和城市及航运等方面的用水，中线调水量应有1000~1500亿立方米。
二、汉水北调运河无法延伸到三峡水库取水
由长江水利委员会编制的《南水北调中线工程可行性研究报告》（以下简称《研究报告》）设计中线调水运河在丹江口处的水面海拔为147.2米。而三峡水库汛期（6~9月）调度必须按145米水位运作，这就是说，从三峡水库到丹江口这一段河道是倒比降，无法自流取水。
《研究报告》规划构想的三峡水库至丹江口水库的引水路线长约300公里，其中约有110公里的隧洞，即使不计成本以增大工程量来降低隧洞和河道的比降，隧洞坡降按万分之一，河道的坡降按万分之零点三计算，三峡水库至丹江口水库这段引水路线的落差为16.7米。采用其它减少隧洞的绕行方案，这段引水路线的落差也在15米以上，并且工程上并不省。以现在的规划，在三峡水库的取水口的海拔当在162米以上，取水口海拔太高，在汛期无法自流取到水。如果提水，代价太高。由于水利部规划的中线调水运河不能延伸到三峡水库，因此只能称之为汉水北调运河。
三、汉水北调水量太少
《研究报告》对中线调水运河工程的设计是：中线调水运河工程拟先期从长江支流汉江上的丹江口水库引水，沿伏牛山和太行山山前平原开渠输水，终点北京。远景考虑从长江三峡水库引水增加北调水量。丹江口水库为增加可调出水量，需在水库初期工程的基础上将坝顶高程从现在的162米加高到176.6米。为此，将增加淹没处理面积370平方公里，淹没耕地23.5万亩，淹没区人口22.4万人（1992年调查）。增高大坝后的丹江口水库多年平均可调出水量141.4亿立方米，一般枯水年可调出水量约110亿立方米。设计为京、津及河南、河北沿线城市生活、工业增加供水64亿立方米，增供农业用水30亿立方米。[3] 汉江水量有限，解决不了黄淮海平原广泛缺水的问题，只有从长江三峡水库取水。
四、抬高三峡水库汛期水位代价高昂
由于川江（长江宜宾至宜昌段的称呼）河道狭窄，洪水季节往往因排水不畅造成四川盆地内涝。例如1981年的四川大洪水，由于川江排水不及，使重庆地区及川江的支流地区因涝灾损失惨重。长江三峡水库建成后，川江水面坡降变小，河水流速变慢，泄洪能力大为减弱。为防川江泄洪不及造成四川涝灾，迫不得已，三峡水库在川江洪水季节到来前就得把三峡水库的水位降低到海拔145米的低水头运行。在汛期的6~9月，水库一般维持此低水位运行。[4]
抬高三峡水库汛期的水位有两个办法：1、拓宽川江河道。2、调节川江支流的下泄水量，使川江支流的下泄水量不大于川江的泄洪能力。根据计算，单独用以上任一个办法，工程量都太大，不可行。同时用以上两个办法，工程量也相当大，代价高昂。假设将三峡水库坝前水面设计为海拔160米、长江重庆处的水面海拔为190米，假设长江重庆处的最大流量为5.19万立方米/秒。以哲才公式计算（以1981年的洪水通过情况验证，哲才公式适合对川江水量的粗略计算），河道的过水断面要有二万平方米。长江重庆以下大部分河道断面在洪水期能达到要求，而大部分峡区的河道达不到要求，需拓宽。
长江宜昌站实测夏季多年最大月平均流量为4.95万立方米/秒。[5] 如果能在川江水系规划建造一批月调节水库，使长江重庆处的最大流量不大于5万立方米/秒，那么，三峡水库的夏季水位可以定在海拔160米。
由于四川盆地周围山区已建的和已规划的水库大都在夏季主要的暴雨区上游，能起到降低暴雨区河道底水的作用，对于暴雨产生的洪水不能进行大量的截蓄。另外，在盆地中暴雨区下游的大部分水库大都为径流发电水库，有效库容十分有限，对于暴雨产生的洪水无法截蓄。为了实现对汛期暴雨进行有效的调节，必须在各江河暴雨区下游合适的地点建调节水库，平抑洪峰。例如在四川最强降雨的青衣江暴雨区的下游建夹江调洪水库，坝高70米，坝内最高水面470米，库容约25亿立方米。水库于每年的7~9月调蓄洪水，其它时间排干。在暴雨区下游已经作了规划的水库，应按调蓄洪水的需要，将水库的功能和坝高重新进行论证。例如，地处四川第三大暴雨区下游的嘉陵江上的亭子口水库，有效库容只有16.8亿立方米，如果将水库大坝由92米加高到112米，使库内最高水面达到480米，那么约可再增加库容20亿立方米。除了以上的两个调洪水库，还可以考虑在涪江的乐山市王爷庙、沱江的富顺县、梓江的盐亭县两河乡、弥江的盐亭县松柏村、嘉陵江支流东河的苍溪县长江村、仪陇河的营山县黄渡村、巴河的达县滴河村、州河的宣汉县等坝址规划建造调洪水库。计要再建和改建十多座大中型水库，库区移民要达几十万。
由于四川盆地周围山区已建的和已规划的水库多数为径流发电水库，有效库容有限，不能包蓄汛期的山区洪水。如果要保证盆周山区水库在汛期的暴雨时不向下游的调洪水库下泄水量，就必须在汛期之前大幅降低库内水位，以增加调节库容，这样发电量将损失很大。保证盆周山区水库在汛期不下泄水量的另一个方法是再开辟洪水的出川通道，将盆周山区水库用调节库容所蓄的水和发电尾水调出四川，腾空调节库容再用来截蓄洪水。我国西线南水北调的重要组成部分正是要将四川盆地西部山区水库所蓄的水大部分调走，这正好解决了川江水系调蓄洪水的问题。
根据以上分析可得出结论：将三峡水库汛期时的水位提高到海拔160米或更高，是有可能办到的，但是代价非常高昂。这包括：1、要拓宽川江的峡区河道。2、在盆地内暴雨区下游建造一批月调节水库。3、山区水库电站损失大量的发电量或依赖西线调水运河的开通。[6]
五、设计一条新路线，实现江水北调
汉江水量太少，无法满足黄淮海平原的用水之需。而汉水北调路线因海拔较高无法延伸到三峡水库取水。所以只有再设计一条较低海拔的路线，从长江三峡水库取水，以实现江水北调，向黄淮海平原充分供水。当江水北调运河夏季以每秒8000~10000立方米的水量从三峡水库取水时，对长江荆江段的防洪十分有利。
黄淮海平原的地形是西高东低，河道要降低海拔，就必然要向东摆。江水北调路线有部分现成河道可利用，并且地形好，可以大幅降低工程造价。江水北调路线可以兼顾汉水北调路线受水区的大部分地区。江水北调运河的终点永定河处的海拔比汉水北调运河的终点永定河处的海拔要低约30米。江水北调所调之水将不能自流到北京。参见后附的中线调水路线示意图。
六、舍远求近，引黄入京
江水北调的受水区兼顾了黄淮海平原的绝大部分地域，因而汉水北调不需调很多的水即可满足江水北调运河所不能兼顾的海拔较高的地域，这样丹江口水库的二期工程就没有必要上马，丹江口水库的二期工程不上马，可调水量将十分有限，不能确保向北京供水。从丹江口水库到北京调水，渠道长，调水渠道沿线地形不好，沿途附加工程多，全线没有调蓄工程，
运转操作困难多，造成调单位水量的工程量大，造价高，最终造成水价居高不下。从汉江向北京调水将意味着倒贴，调水越多倒贴越多，将会成为一个包袱工程。
向北京地区调水，不必逶迤一千多公里从汉江或长江调来，可以就近从黄河调取，相对工程量较小，投资较少，水价较低。同时可以进行自流引黄入晋工程和呼和浩特市的引水工程。拟向桑干河调水25亿立方米，到北京至少20亿立方米；向滹沱河调水五亿立方米；向汾河调水30亿立方米。以上调水共计60亿立方米，均为全线自流。向这三条河流域的大城市及工矿区供水，经济效益很好。
在包头市南面的黄河铁路桥以西建坝，设计成滚水坝，坝高25米，从黄河北边坝点处取水。
引水渠向东绕过土右旗和土左旗灌区到达偏关河，黄偏引水渠长245公里，其中黄河至浑河引水渠长195公里。在浑河处分水，其中向桑干河分水25亿立方米，向滹沱河和汾河分水35亿立方米。设计黄浑引水渠水深8.5米，渠深9.5米，水面宽度32米，渠底宽15米，开挖断面为223.25平方米，假设为全开挖，土石方计4353.375万立方米。设开挖每方土石需费用30元（如果河道不是石方，而是土或沙，则每方的开挖费用只需十元，但要有砌岸坡的费用，所以也按30元计算），共计需13.06亿元。平均每方过水量需投资0.2177元。
从浑河向桑干河打隧洞，浑桑隧洞长140公里，洞顶的海拔高度为1008.5~966.5米，在怀仁县的海北头村处入桑干河。年引水量25亿立方米，其中五亿立方米用于大同市及桑干河两岸地区，到北京的水量不少于20亿立方米。偏桑隧洞洞高7.5米、宽7.5米，侧壁护衬按0.5米计算，洞顶护衬按0.9米计算，隧洞开挖断面为58.75平方米，护衬断面为14.57平方米。隧洞土石方计822.50万立方米，护衬混凝土计203.98万立方米。设土石方每方需费用150元，混凝土每方需费用1000元，计共需费用32.74亿元。平均每方过水量需投资1.31元。
河套灌区用大灌大排的方式灌溉，排出的灌溉尾水含有较多的盐份，这些水最好不要混入所调之水。现在河套灌区排出的灌溉尾水均流入乌梁素海，再由乌梁素海排入黄河。拟将从乌梁素海排出的灌溉尾水不直接进黄河，而是经中滩农场的引黄灌溉渠到包头市，再从包头市向前延伸至黄河铁路桥以东入黄。从包头市至黄河铁路桥以东距离约22公里，工程量不大。
向桑干河调水25亿立方米需39.58亿元，合调每方水投资1.53元。投资费用是不必收回的，只需每年付出两笔费用：1.贷款利息或股份红利；2.运转管理及维护维修费用。如果两笔费用占投资费用的10％，则每方水的成本价格只有0.153元，将水调到北京成本价低于0.20元。每方水用于工业可产生净效益二元以上。显然，本调水方案可以产生很好的经济效益。
七、引黄入京与引汉入京方案比较
采用引黄入京而不采用引汉江水入京，相比较之下，引黄入京经济效益好，优越性明显：
1、将汉江水调到北京，运河长1241.2公里，距离遥远，运河沿线地形不好，并且附加工程多，[7] 工程投资大。引黄入京调水距离短，黄河至官厅水库调水距离约550公里，其中隧洞及新开挖河道只有335公里，运河沿线地形好，附加工程很少，工程投资少。
2、汉水北调运河全线没有调蓄水库，水从丹江口水库流到北京需要一个半月的时间，因天气变化快，从而导致调度操作困难，[8] 由此将会产生大量弃水，如果弃水造成水害，则损失更大。而引黄入京因调水距离短，只需三天半即可到达桑干河，进入桑干河的水量最后由官厅水库蓄调，调度操作简单容易，调水不会造成水害。
3、汉水北调《方案》计算中线调水工程需投资400亿元，但据有关专家估计，汉水北调工程需投资1000亿元。[9] 这样，调水到北京每方调水量需投资13元多，每方水的成本价将达1.3元，价格高。引黄入京水的价格低，把水调到北京每方调水量投资低于二元，每方水的成本价低于0.2元。
4、由于开凿江水北调运河，汉水北调运河的供水规模可以大幅减少，丹江口水库的二期工程就不必再建，由此将保存丹江口库区23.5万亩耕地，使仅次于三峡移民的30万人[10]可以安居乐业。由于丹江口水库的二期工程不建，年可调水量将十分有限，不能保证稳定的向北京供水。而引黄入京则水源充足，黄河包头以上有多座大型水库，可以实行多年调节。
5、由于江水北调所调水量大，并且是直接汇入黄河，水量足够黄淮海平原使用。所以黄河上中游的水可以不下泄，由此，黄河托克托以上可以留下200多亿立方米的水量。从这些水量中调60亿立方米到京晋，水量是有保证的。
黄河在兰州处有水量324亿立方米，[11] 如果将其中的100亿立方米水量通过青海柴达木盆地调往塔里木盆地，尚余224亿立方米水量。这些水大致可以这样分配：兰州、靖远地区用水20亿立方米；银川地区用水30亿立方米；河套地区用水60亿立方米；包头、呼和浩特、准噶尔、东胜地区用水20亿立方米；调水入北京和山西省用于城市和工业60亿立方米。土墨特旗灌区用水10亿立方米。余24亿立方米水量备用。届时，除河套灌区排出水量（大灌大排除盐）约20亿立方米外，黄河水将基本不下泄。偏关以下黄河两岸地区的年降雨量有500毫升，如能就地把水蓄住，发展集水农业，则不需抽黄河水灌溉。黄河禹门口以下用水，可以依靠金垣运河供应。[12] 黄河花园口以下用水，可以依靠中线调水运河（汉水北调运河及江水北调运河）供应。
6、山西省是我国的能源化工大省，由于工矿及城镇用水紧缺，致使一些好项目不能上马，缺水使山西省的能源、化工等优势不能充分发挥出来，向山西省的大城市及重要工矿区调水，经济效益好。调用大西北的水量，将影响大西北的开发规模，但由于所调水量不多，大西北的开发规模损失不大。权衡利弊，这个损失是值得的。
八、中线南水北调是我国水利大系统的重要一环
中线调水运河可以兼顾东线调水运河的调水功能，综合效益好。由于中线调水运河利用黄河自流输水可以覆盖东线调水运河的所有受水区，只要黄河的泥沙问题能解决，中线调水运河工程就可以兼顾东线调水运河工程的全部调水功能。将来黄土高原采用建坝蓄沙造平原的治理工程后，黄河将不再有泥沙下泄。黄河花园口以下基本上只用中线调水运河调来的水，水质将不成问题。用中线调水替代东线调水，有三个优越之处：1.由于不用抽提耗费电力，中线所调之水比东线所调之水便宜。2.中线调水从长江中游取水，水质较好，污染较少。3.中线调水没有血吸虫，由于气候关系，血吸虫的寄主钉螺不能在黄河流域生存。
中线调水与西线调水也有着密切的关联关系。解决黄淮海平原的缺水问题，从中线调水比从西线调水要便易的多。采用中线大调水后，不光不需从原本水量并不丰裕的西线调水，反而可以将黄河原本下泄的200亿立方米水量留在大西北，减轻大西北缺水的压力，这些水对发展大西北的生产有重要的意义。同样，西线调水对中线调水也有十分重要的作用。西线调水共计可调走川江水系的水量1700亿立方米，占川江水系总水量的37％。这对于稳定三峡水库汛期水位有着重要的作用。
中线、东线和西线是一个密切关联的调水系统。整个调水工程是一个统一的系统工程，中线调水是这一系统工程的重要一环。以系统工程的观点规划设计中线调水运河工程，才能产生最好的综合效益。整个调水工程又是一个更大的大系统的组成部分，调水工程与向长江补水工程及受水区用水工程等将共同构成一个庞大的水利大系统。中线调水工程及中线受水区的用水工程及运转管理在这个大系统中占有独特的非常重要的地位。
参考文献：
[1] 左大康、许越先："黄淮海平原的治理和开发"，《光明日报》1985年5月17日。
[2] 李昌芳、张翼昌："变水害为水利的宏伟工程"，《光明日报》1980年10月28日。
[3][7] 水利部南水北调规划办公室：《中国南水北调工程规划简介》1995。
[4][5] 王超俊、张鸣冬："三峡水库调度运行对长江口咸潮入侵的影响分析"，《人民长江》1994.4。
[6] 彭泽云等："我国南水北调应以系统工程的观点重新规划"，《科技导报》2000（5）。
[8] 刘颖秋："关于南水北调工程的论证意见和建议"，《科技导报》1996（5）。
[9] 张奔："高效益分期实现南水北调"，《数量经济技术经济研究》（京）1997（12）。
[10] 姚榜义："南水北调的设想和现实"，《地理知识》1995（5）。
[11] 左大康、许越先："南水北调及其有关的几个问题"，《地理知识》1982（8）。
[12] 彭泽云："根治黄河的战略设想 - 金垣运河工程"，《科技导报》1996（2）。
