关于“南水北调西线工程”的方案设想
关于“南水北调西线工程”的方案设想
我国西北部地区干旱缺水、生态环境恶化、荒漠化等问题已经成为制约中华民族生存发展的严峻挑战。南水北调西线工程，因其实施后将大幅改善我国西北部地区的生态、生活环境而广受关注和欢迎。
一、现有主要西线工程方案和优缺点
目前各西线工程方案中影响程度较大的主要有两个：
一为2001年通过了工程规划审查的西线调水方案二（以下简称：“西规方案”）。由大渡河、雅砻江支流达曲——贾曲联合自流线路调水40亿立方米，雅砻江阿达——贾曲自流线路并在雅砻江干流建阿达引水枢纽调水50亿立方米，通天河侧仿——雅砻江——贾曲自流线路并在通天河干河建侧仿引水枢纽调水80亿立方米，组成了三条线路加二枢纽共计调水170亿立方米的“西规方案”。
二为2018年1月由S4679课题组提出的“红旗河”方案。该方案以雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河大江大河为水源，以绕行青藏高原、高程逐渐降低（即以一定的引水坡降基本沿等高线绕行）的全程自流方式调水。年调水量600亿立方米。
“西规方案”的优缺点：优点为调水线路短、工程位置均在一级阶地内（地质条件优）、工程抗震能力强、投资小见效快。缺点为引水地处生态环境脆弱的青藏高原的高海拔地区，不仅施工条件差，而且调水后可能会对青藏高原高海拔地区产生重大环境影响。即有可能的后果是：改善了黄河流域的生态，却牺牲了青藏高原的生态。
“红旗河”方案的优缺点：优点为①引水点均位于青藏高原的下沿、水量丰沛的大江大河的干流上，引水后不会对青藏高原生态产生影响；②引水量大，对改善我国西北部受水区域的生态环境效果较大。缺点为①引雅鲁藏布江的水，危及林芝-雅尼国家生态湿地公园，宜引发国际纠纷；②引水线路沿一二级阶地过渡带绕行青藏高原，地质条件复杂、大烈度地震频发的过渡带（即汶川大地震的发生带）对引水工程的稳定运行将带来极大的危害；③需在上千公里长、山体坡度平均为30°～40°且许多地段甚至达60°～70°的崇山峻岭的山坡上开凿平均引水流量约2800立方米/秒的人工大河，从工程的角度看，应该是天方夜谭（注：“红旗河”年引水600亿立方米，按大渡河无霜期180天～320天的平均无霜期250天计算引水，则需开凿平均流量大于2778立方米/秒的大河才行）。
二、西线工程方案应遵循的原则
在科学、合理、环保、可行、经济的条件下，南水北调西线方案应遵循的原则有：
1、必须确保水源引出区青藏高原的生态环境不受影响，引水地点必须在青藏高原的下沿、在水量丰沛的各大江大河的干流上。从这点讲，“红旗河”方案的引水点选择较为合理。
2、为保护林芝-雅尼国家生态湿地，避免产生国际纠纷，不考虑从雅鲁藏布江引水。
3、为避免地质条件复杂、大烈度地震频发的一二级阶地过渡带对引水工程的稳定运行带来的极大危害，引水线路应避开一二级阶地的过渡带。
从这点讲，“西规方案”的引水工程线路较为合理，而“红旗河”方案走过渡带的引水线路是该方案的致命弱点。
4、为提高引水工程的抗震能力，宜采用深埋山体的有压引水洞引水。
5、引水工程的可引水天数应考虑引出、引入区的封冻期影响。借鉴大渡河的无霜期为180天～320天（平均为250天）之情况，计算年引水量的引水天数取250天为宜。
6、从各大江大河引水，必须采取有坝引水的方式。引水水库除了能均化引水流量的功效外，还可调蓄上游洪水来减轻下游的防洪压力，并能在旱季增加向下游供水的能力。
7、按照国际惯例，为不影响水源引出区的生态环境，总引出水量不宜超过各引水断面总径流量的40%。
三、南水北调西线工程设想方案
遵循以上七大原则，本文提出了由5座引水水库+5处引水洞群组成的南水北调西线工程设想方案（以下简称：“设想方案”），在怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江和大渡河上共建5座水库，各江之间用洞群相连，再用洞群将水引入黄河的刘家峡水库。方案布局和工程特性见南水北调西线工程设想方案工程布置图和工程特性表。
从“设想方案”的工程布置图和特性表可见，“设想方案”具有以下特点：
1、沿青藏高原下沿在各大江干流上引水不会对青藏高原生态产生不利影响；
2、不在雅鲁藏布江上引水，保护了林芝-雅尼国家生态湿地，避免了国际纠纷；
3、引水线路成功避开一二级阶地过渡带，为今后引水工程的稳定运行打下了良好的基础；
4、各引水点的引水量均小于引水断面径流量的40%；
5、采用建库加有压引水洞群的引水方式，具有很强的抗震能力，不仅能保证稳定地向黄河流域自流引水，而且可改善引水点下游的防洪、供水生态；
6、年引水总量为380亿立方米，能大幅改善黄河流域受水区的生态环境。
但“设想方案”仍存在三个不确定因素：
1、长隧洞开挖不宜采用常规的钻爆法，若采用TBM（全断面硬岩隧洞掘进机），对于长隧洞TBM能适用吗？
2、对于高地热、高地应力、高地震烈度、活跃的地热水环境、上千米埋深的隧洞开挖，TBM能适应吗？
3、目前国产大直径TBM成洞直径约10米（应用于云南滇中引水工程的国产TBM云岭号刀盘直径9.83米），年掘进速度为10～14公里（吉林省“引松入长”首段隧洞，国产TBM最高月掘进速度达1209.8米）。对于单洞长度约540公里的大渡河至黄河隧洞群，单向掘进所需的时间是不能忍受的，即TBM能否双向对进？隧洞能否分段开挖？
目前已完工的大（理）瑞（丽）铁路高黎贡山隧道，全长34.5公里，合同总造价36.28亿元，具有高地热、高地应力、高地震烈度、活跃的新构造运动、活跃的高地热水环境、19条断裂带、最大埋深1155米等恶劣的施工地质条件，隧洞采用TBM硬岩掘进机掘进，刀盘直径6.39米。全隧洞采用“贯通平导+1座斜井+2座竖井”的辅助坑道设置方案，其中斜井长3850米，1号竖井深762.9米。该实例说明面对复杂的地质条件，国产的TBM能够适应并能将长隧洞分段开挖。
云南滇中引水工程总长62.596公里的香炉山隧洞（年引水量34亿立方米），采用目前国产直径最大的敞开式硬岩掘进机云岭号掘进。云岭号直径9.83米，整机重2050吨，总长235米，最大推力31526千牛，总功率5600千瓦，转弯半径500米，适应-8%～+8%的坡度掘进，具有直径方向最大30厘米的扩挖能力。
辽宁省大伙房水库输水工程中的两台TBM均采用在隧洞中组装的施工方法，说明在隧洞内拆装TBM是可行的。这也就解决了在长距离掘进中万一TBM坏了也可进行维修和更换（刀盘除外，因整体的刀盘一般不会坏，也很难换）之问题，说明TBM适用于长隧洞的开挖。
四、“设想方案”所需工期
大渡河引水水库至刘家峡水库的长约540公里的隧洞群的施工方法是控制“设想方案”的施工期长短的关键点。采用大（理）瑞（丽）铁路高黎贡山隧道设置斜洞、竖井等支洞的施工方法，将长隧洞分割成几段施工，可有效地缩短工期。考虑将540公里的长洞分成三段（大渡河巴底镇至大渡河集沐乡段、集沐乡至甘肃洮河阿拉乡段、阿拉乡至刘家峡水库段），长度约320公里的中间段采用两台TBM对进的方法进行施工，按目前国内的施工工艺和进度（保守采用年掘进速度为10公里），隧洞贯通需16年，考虑前期准备和不可预见等因素，则“设想方案”所需的施工工期可控制在20年之内。（注：TBM对进施工方法，是指在对进的两台TBM即将碰头处，两台机拐弯错开，然后接头处用人工钻爆法修补完整，对开的两台机能拆就拆，不能拆的就埋在山里。）
五、“设想方案”投资估算
高黎贡山隧道全长34.5公里，总造价36.28亿元，每公里综合造价1.05亿元。考虑到“设想方案”的隧洞长且施工难度大，取每公里综合造价2.0亿元，则单洞长度合计为6550公里的5座隧洞群造价约13100亿元。目前国产TBM每台单价约1.5亿元～2.0亿元（国产首台硬岩TBM“长春号”价格为1.8亿元），考虑到“设想方案”均为超长洞之因素，取每台TBM综合单价为4.0亿元，考虑TBM更换、备用等因素，“设想方案”按60台TBM计价，再包括其它所需设备的购置，取综合设备费用为350亿元。5座引水水库坝高170米，按每座投资300亿元，则5座水库合计造价1500亿元。按30%计提不可预见费，则“设想方案”的估算投资为：（13100+350+1500）×1.3=19435亿元，即“设想方案”的投资保守估算不会超过2万亿元，平均每年投资不会超过1000亿元。
综上所述，“设想方案”是一个能在科学、合理、环保、经济、现有国产装备和施工工艺的条件下，具有很强的抗震能力，能每年安全稳定地自流引入黄河380亿立方米优质水，能产生巨大生态、社会、政治、经济效益的南水北调西线调水入黄河的可行方案。
注：“设想方案”的大渡河引水水库和雅砻江引水水库，利用目前正在建设的大渡河双江口水库和雅砻江两河口水库即可，但“设想方案”的投资估算中仍应计入双江口水库、两河口水库的投资，因引水工程需买断两水库的产权并还需补偿两水库及下游各梯级电站的发电损失。
作者介绍：
黄昉 教授级高级工程师 原浙江省水利水电勘测设计院副总工程师
康瑛 教授级高级工程师 原浙江省水利水电勘测设计院规划院副院长