南水北调海线方案与环境综合治理分析

孙克锟

（上海焦化有限公司，上海 200241）

1 现状

我国幅员辽阔，人口众多（占世界近1/5），仅以6%的世界淡水资源，9%的世界耕地面积，养活着21%的世界人口［1］，是世界上人均水资源贫乏的国家之一，人均水资源量仅有2250m3。

2010年后，我国进入严重的缺水时期，预测到2030年，人均水资源量将降到1760m3，接近国际公认的人均1700m3缺水警戒线。

我国淡水资源地区分布不均，长江以北地区人多地多，水资源量仅为全国的19%；南方水多地少，水资源量占全国的81%，人均水资源量是北方的4.4倍，单位耕地面积水量是北方的9.1倍。

我国西北内陆流域面积是全国总面积的36%，而年均流量仅4.55%。

我国是水土流失严重的国家之一，流失面积达3560 万 km2。

数十年来，政府大力展开防护林建设，局部地区的生态环境已有所改善，但总体环境形势仍然严峻。我国的森林复盖率20.36%，全球平均森林复盖率30%～35%。

2 严峻的生态形势

近年来，随着气候的变暖，沙尘暴的肆虐，土地沙漠化程度仍在扩大之中，草原衰退，人口增加，耕地面积减少，已接近最低的极限面积;黄河断流，城市缺水，生态环境恶化，大气污染，严重危害人民的身体健康，严重制约了国民经济的可持续发展。据卫星遥感图片显示，在我国的北方，西起塔里木盆地，东至松嫩平原西部，一条东西长4500km，南北宽600km的黄色带正呈扩展趋势［2］；每年冬春季节因燃煤和汽车尾气排放及季风和沙尘扩散的叠加影响，大部地区（特别北方地区）笼罩在雾霾天气之中。我国粮仓东北平原因干旱而欠收时常发生。

我国西北地区著名的内陆河塔里木河全长1321km，1972年由于建了水库，造成下游断流320km。近50年来我国天然湖泊减少了近千个，新疆罗布泊的消失向人们敲响了警钟。

根据2002年的首届中国气候大会获悉：“地球正在第3次变暖”，我国气候变暖最明显是在西北、华北和东北地区，特别是西北变暖的强度高于我国平均水平，由此据中国气象局专家丁一汇说：“据估算，到2030年，我国种植业产量在总体上因全球气候变暖可能会减少5%～10%左右，其中小麦、水稻和玉米三大作物均以减产为主”［3］。

2006年12月26日科技部、中国气象局、中国科学院等六部委发布的《气候变化国家评估报告》认为，气候变暖可能使北方江河径流量减少，其中黄河及内陆河地区的蒸发量将可能增大15%，旱涝等灾害的出现频率会增加。气候变化将对中国的农业生产产生重大影响，如果不采取任何措施，到21世纪后半期，中国主要农作物，如小麦、水稻、和玉米的产量最多可下降37%；将严重影响中国超长期的粮食安全［4］。

近十几年来，以调出水量为主的长江中下游地区的降雨量总体呈下降趋势，鄱阳湖上游5条大河的流量，自1998年之后也呈下降趋势，去年和今年的鄱阳湖，在裸露的湖底上，可以见到羊群在低头吃草［5］。

国家环保总局通报2005年我国二氧化硫排放量巳超过美国，列世界第1位［6］，我国的二氧化碳排放总量超过美国，居世界首位。

3 南水北调海线方案的理论依据

3.1 水资源分布

我国长江以南水资源丰富，东南沿海属多水区和丰水区，年降水量在1000～1600mm之间，长江和东南沿海江河的水资源均未充分利用，却源源不断地流入海洋。而长江以北缺少水资源，新疆、甘肃、宁夏、内蒙古及陕西北部等广大地区严重缺水；沙漠和长期干旱地区是沙尘暴的发生源。

3.2 地形的基本特征

我国大陆地形分3级阶梯，青藏高原为第1级，平均海拔在4000m以上，是世界屋脊；第2级阶梯属内蒙古平原，是我国常年干旱的大西北，包括新疆、甘肃、宁夏、内蒙古、青海省及陕西北部，除青海省外各地区的海拔高度均在海拔1000～2000m之间，河川年均流量少于50mm；第3级阶梯中的华北平原和东北平原，平均海拔在500m以下，年降水量400～800mm之间，是我国主要粮食基地，特别是海河地区人口密度大，工业集中，水资源供需矛盾十分突出。这些地区均临近渤海海域。

3.3 陆地和海域地质的基本特征

我国西部的青藏高原长期受印度板块的挤压而隆起，形成不少的地层断裂带，地质结构极不稳定，因此每年西部地震不断;而我国东部沿海的大陆架表层形成相当厚的泥沙层，地质条件稳定，在大陆架上铺设巨型输送管道，即使遇到地震，由于地震冲击波受到泥沙层的吸收，对输送管道影响较小。

3.4 山脉走向和河流流向

我国地形特征是西高东低，主要山脉是西高东低走向，因此决定了主要河流的流向也是自西向东流入海洋。长江、黄河及东南沿海的江河如珠江、闽江等也是自西向东流入南海、东海、黄海和渤海。

3.5 海洋输送淡水的原理

通过海底管道输送的淡水是根据“U”形管原理，当江河入海口的淡水流入“U”形管一端后，从“U”形管的另一端抽取淡水时，江河入海口的淡水自动流入海底“U”形管道进行补充，因此通过海洋内海底管道所输送的淡水无须能耗。

4 南水北调海线方案简介

我国北方干旱地区特别是大西北均有着充足的光照和热量，只要有了水，这些地区的生态环境将大大改观。通过借力森林大力种植阔叶林充分发挥林木天然降尘、吸附PM2.5的功能，为减少雾霾天气（特别北方地区）起到重要作用。

海线调水方案主要:通过引取长江入海口的淡水量的40%～50%，引取东南沿海各省(包括台湾和海南岛)的江河如珠江、闽江、瓯江等江河入海口淡水量的50%～60%，北方年均可调水量6000亿～8000亿m3；其中长江的年均调水量可达3500亿～5000亿m3，向北铺设海底管道长1350km。

大量淡水经南海、东海、黄海大陆架内所铺设的海底引水管道，再经渤海海域的海底管道，向京津在内的海河平原提供淡水。其主要淡水量在秦皇岛市与锦州市之间海岸登陆，通过梯级泵站压送翻越努鲁儿虎山，人工河道的海拔高度在100～1200m范围内，进入内蒙古高原后，主要干流自流状态向西输送淡水，途经浑善达克沙地、阴山北麓、巴丹吉林沙漠、甘肃省北部、哈顺戈壁、直至新疆的博斯腾湖；部分淡水沿库姆塔沙漠和塔克玛拉干沙漠南侧输送，以及部分淡水从阿尔金山山口压送进入柴达木盆地，在柴达木盆地再造一个人工青海湖；另一部分淡水向北途经乌鲁木齐，直至古尔班通古特沙漠等地。

向北向科儿沁沙地提供淡水，以及向包括辽河地区在内的东北平原提供淡水，一直可输送到松嫩平原；若引取部分淡水压送至650m的海拔高度向西穿越大兴安岭，可以自流的形式向内蒙古北部的呼伦贝尔沙地输送淡水。

在我国北方沙漠和干旱地区建造绿色生态屏障，防止沙尘暴的发生，建造内陆的黄金航行水道，向海河、辽河地区、山东半岛、东北平原、环渤海地区，向黄河河套的毛乌素沙地提供淡水；沿乌兰布和沙漠和贺兰山西侧腾格里沙漠的黄河补充淡水；利用渤海内沉积的泥沙建造秦皇岛至大连跨辽东湾的公路铁路两用大通道，加强东北地区与内地的经济联系，推动环渤海经济区和东北经济区的发展。渤海是我国北方能源出口和石油开采基地，将秦皇岛和大连建造拥有300万～500万t级特大型深水港码头，提高渤海内港口的整体运输能力；协调好调水与石油开采、航行之间的相互关系；为黄河小浪底调沙进入渤海海域腾出了堆积泥沙的空间；把辽东湾建造成为淡水贮存区，设想建造成抽水蓄能水库，这样可在季节性缺水时向海河平原、东北平原或向海底管道提供淡水，并向我国沿海的岛屿提供淡水，确保长年不间断的供应，改变以往在缺水季节通过船泊运送淡水，节约大量人力物力；并且可以向我国宝岛台湾、海南岛及澎湖列岛和东南沿海地区和城市群季节性缺水时提供淡水；把崇明岛北侧已堵塞的长江入海口建成主要取水口，使长江的黄金水道与调水水道分离，排除了北支海水倒灌南支的危害性，确保航行和调水的安全。

在上海市的长兴岛至崇明岛之间应考虑收窄长江河口截面的长堤，以阻挡海潮对上海的冲击力，提高长江北支取水口的调水量，同时又确保上海能从长江获得更多的优质水源，并可在长江及其他江河取水口建造低位能水电站，为上海等地提供大量的再生清洁能源。

通过对北方沙漠地区提供巨量淡水资源，改造上述地区的生态环境，把塔克玛拉干等沙漠改造成森林、草地和农田，再现罗布泊昔日的风光，大大增加我国的耕地面积；按年均调水量7000亿m3估算：在海线方案实施35年后，可增加森林1200万～1400万 km2，草地 1300 万 km2，耕地 266.7 亿 km2，基本完成对我国北方生态环境的改造，使森林面积占到沙漠和干旱地区面积的50%以上，森林面积占到西北地区总面积的30%～35%。

海线方案实施的数十年后，对我国北方提供的淡水量将大大减少，那时我们可有偿向蒙古国和哈萨克斯坦等国提供大量的水资源，防止这些国家因生态环境的恶化而造成对我国的危害，以加强我国与中亚地区的政治经济联系，加强我国与西部和北部邻国之间民族的团结，具有深远的政治意义。

5 海线方案与陆线方案优缺点对比

5.1 海线方案

（1）淡水输送可包括长江和所有东南沿海江河口的淡水。

（2）输送管道铺设在海洋内，封闭式输送，水质可得到保证，且基本不占用陆地资源，由于管道内外压力基本相等，不必考虑管道内淡水自重，铺设巨型管道时壁厚可设计得很薄，输送管道根据“U”型管原理设计，输送巨量淡水可不费电能。

（3）在我国沿海铺设长达3000km的海底管道，工程施工受外界因素影响小，实施方便，是一个利用率高的综合性系统工程。

5.2 陆线方案

（1）调节水量受抽取江河的下游供水量的制约，特别在江河枯水期，将严重影响调水量。

（2）开放式输送淡水，水质受到当地环境影响。工程量大，要铺设相当数量的人工河道和管道，施工时对当地环境影响大，实施时考虑因素多，受地理环境制约，设备投资大，能耗较高，管理费用增加，如山川、江河、城镇、交通、工业设施；人工河道和管道的壁厚必须考虑管道内淡水的自重和外部的压力，成本高；要占用大量农田资源、迁移大量人口；陆线方案调水工程是相对独立性的工程，每年调水时间短，工程利用率低。

（3）我国西部有较多地层断裂带，每年地震不断，陆线方案调水工程大多要在地层不稳的崇山峻岭中开凿隧洞，长度超过 10～700km，直径 10～40m，要通过地层断裂带，风险大，成本高；

（4）调水量仅考虑缺水地区人民的生活用水量和灌溉少量用水，极少考虑生态环境用水量，根据我国目前沙化防治速度，理论上至少需要300年才能完成治理全部沙化面积［7］，而实际上要完成治理全部沙漠面积是不可能的；

总之，海线方案输送淡水的成本较低，而陆线方案输送淡水的成本较高。

6 南水北调海线方案实施的若干重大问题

6.1 电耗问题

海线方案实施后要年均输送约6000亿～8000亿m3的巨量淡水，从海平面压送到100～1350m的高程需要巨量电能，要建设相当规模发电站的支持，大力开发水能资源，建造大型的水电站符合我国能源和环境政策。

6.2 泥沙清除问题

海线方案主要由取水口、海底管道和压送水泵系统组成。为保证海底管道内泥沙的沉积，首先要求整治这些河流的水环境，尽可能减少江河内泥沙的含量，也要保证水质的质量；其次要求取水口必须设置极高的清除泥沙系统，最大限度地控制泥沙等机械杂质流入海底管道内；再次要求海底管道内设置清扫泥沙的系统，这样充分保证了海线方案长期连续运行。

6.3 海底管道的铺设和常规系统性风险控制问题

海底管道采用钢筋混凝土框架结构是适当的，其目的是防止海水的腐蚀。

管道虽长而粗，但管道不受压，且沿程地质条件稳定，因此全面加强管道在制造和施工中的质量管理是防止常规系统性风险的关键。我国大陆架水深较浅，一般不超过100m，特别在渤海海域平均水深不超过18m，无法铺设当量直径巨大的海底管道，为了保证船舶的航行，必须在大陆架开挖一条海沟铺设海底管道，工程量大。但是在大陆架上施工对环境影响小，海底管道工厂化生产，建造大型综合工程船进行施工和检修，可以大大提高科技含量，成本降低。

6.4 海线方案分阶段实施问题

由于海线方案工程量大，全长3000km，东南沿海江河的水环境未得到有效的改善，因此工程应分阶段实施，第1阶段优先铺设长江以北的海底管道，年均调水量可达3500亿～5000亿m3，向北铺设海底管道长1350km。为保证黄金水道能通航万吨级船舶，应加深崇明岛南侧河口淡水分流后附近主航道的吃水深度。

实施的第1阶段建设用15年时间，若从2015年施工，则可满足我国北方2030年前的供水需求。

第2阶段全面完成包括铺设东南沿海江河的海底管道，实施的第2阶段再用15年时间，基本在2050年前把北方的生态环境全面改造完成，可完全满足我国本世纪和今后相当长的时期内供水需求。

7 海线调水方案和陆线调水方案相互关系

海线方案具有调水量大，能耗低，建设成本低，基本不占用陆地资源，水质得到保证的优点。

我国是多山地丘陵少平原的国家，地形复杂，西部多高山，东部多丘陵和平原，山脉和江河大多是西东走向，极大多数人口和主要工业集中在东部的平原和丘陵地区。

陆线方案是通过抽取江河上中下游河段的淡水进行调水，均要从南向北穿越众多的山脉、丘陵和江河以及相应设施。陆线属削峰型，在江河丰水期调出的水量最大，常年时调出水量不可能太多，枯水期则无法调出水量。调水利用率较低，因此陆线方案调水方案成本较高。

我国大西南占有70%的水能资源是我国得天独厚的可再生资源。当今油价的高企，传统的能源日趋紧张，目前巳处在严重的缺电时期，水能资源更显得珍贵。从大西南调水势必减少水能资源的开发量，减少的电量至少包含该河流下游支流和干流上 （包括规划建造的）梯级水电站发电损失的总和。其中包括长江三峡水力发电站和葛洲坝水力发电站，以及金沙江下游规划兴建的乌东德、白鹤滩、向家坝水力发电站在内的发电损失。

若通过陆线方案向我国北方年均输送7000亿m3的巨量淡水时，在理论上，需要建造超过15条以上的调水工程（按建造年均调水300亿m314条，2000亿m31条），这在我国国土和国力都是无法承载的。

综上所述，由于陆线跨流域调水方案无法解决我国北方水资源短缺的瓶颈，因此建立一个以海线跨流域调水方案为主体，以陆线调水方案为辅的总体格局符合我国的基本国情。

8 实施南水北调海线方案的重大现实意义

建设我国北方的绿色生态屏障，遏制沙尘暴的发生，还沙漠成桑田，减少雾霾天气，阻止全球气候的变暖，具有巨大的经济效益和社会效益。

可加快以北京、天津为中心的环渤海经济区的建设和发展，利用渤海内沉积的泥沙建造秦皇岛至大连跨辽东湾的公路铁路大通道，整治重点污染的海河、辽河和渤海海域的辽东湾的水环境，协调好调水与石油开采、航行之间的相互关系。

可确保上海能从长江获得更多的优质水源，并可在长江及其他江河取水口建造低位能水电站，为上海等地提供大量的再生清洁能源。

可在极短的时间内使我国的耕地面积得到快速增长，建造大型现代化农场，加快北方中低产田的改造，增加水浇地面积，确保在15亿～16亿人口的条件下，由粮食进口国转变成粮食出口国；可大面积种植生产乙醇、生物柴油等生产生物液体燃料的能源作物基地，以弥补油气资源的不足，减少石油的进口，两者均为国家节约大量外汇。

可推动农村结构改革，积极推进新型城镇化建设，加速农村人口从缺少耕地地区的迁移，减小农村人口向我国沿海地区和城市流动的压力。

可确保东北地区粮食生产，稳定粮食供给，加强和推动东北经济区的发展。

可确保黄河水量的供给，使黄河水永不断流，为整治黄河创造条件。

可有力地支持西部大开发战略，缩小东西部差距，加速推进西部经济的发展，积极推动西部地区对外改革开放政策，加强我国与中亚地区的政治经济联系，我国与西部、北部邻国之间民族的团结，全面推动欧亚大陆桥沿线的经济发展，巩固和推进上海合作组织各国的政治经济的联系。

可向沿海岛屿提供淡水，确保该地区经济的可持续发展。

可积极推动生物多样性的保护。

9 建议

在上海的长兴岛至崇明岛之间考虑收窄长江河口截面积和阻挡海潮的能力，建造设有闸门的长堤，使北支与南支最窄处的径流截面积之比为11∶9，北支年均调水量可达4500亿～5000亿m3，通过上海至崇明岛的隧堤和长江北支的低位能水电站，确保上海能从长江获得更多的优质水源，并加深河口淡水分流后主航道的吃水深度，确保航行的安全。

上海市与江苏北部地区之间建造电动轨道交通是城际交通的发展方向，轨道交通可直通崇明岛和坝顶公路与苏北地区的城市群相通，推进崇明生态岛和苏北地区经济的发展。

从我国大西南调电比调水合理。从大西南调水与调电二者之间是相互制约的关系，当今传统能源日趋紧张，我国正处在经济高速发展的时期，因此与调水相比，建造大型水电站，把巨量的电力输送到全国各地更为合理；从长远的观点看，保护大西南的水能资源，大力开发水能资源是我国经济可持续发展的有效保障。

有力地支持国家的土地流转政策，建议若按从干旱地区开发的优质农田按10∶1的比例获得建设用地，可获得26.67万km2的城市建设用地，通过各省市支付一定费用购得一定额度，这样既支持调水费用又解决各省城建设用地紧缺的局面，有力地支持当前国家的土地流转政策。

［1］赵永平.筑牢粮食安全的水利保障［N］.人民日报，2012-09-20.

［2］山川秀美会有时［N］.人民日报，2001-06-15.

［3］地球正在第三次变暖［N］.文汇报，2002-04-08.

［4］科技部等六部委.气候变化国家评估报告［R］.2006.

［5］“江湖”旱情亟须治水之道［N］.中国科学报，2013-11-05.

［6］去年我国二氧化硫排放量世界最大［N］.文汇报，2006-08-04.

［7］沙害不除 治沙不止［N］.人民日报， 2007-03-28.

［8］2013十大科学之辨:跨流域调水的科学论证［N］.中国科学报，2013-12-27.