青藏高原隆升对中国疆域自然环境的影响:破解“胡焕庸线”的思考

滕吉文, 董庆, 孟德利, 马浩, 刘少华

(1.中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 180026; 4.可持续发展大数据国际研究中心, 北京 100094; 5. 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094; 6. 浙江省微波目标特性测量与遥感重点实验室,中科卫星应用德清研究院, 湖州 313200; 7.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081; 8.中国21世纪议程管理中心, 北京 100036; 9.中国技术经济学会, 北京 100081))

我国位居东亚,地域广大,人口众多,自古至今中华民族创造了世界文明,促进了世界进步,为人类的生活与生存作出了重大贡献。然而在发展的进程中,必须思考的一个极为重要的问题,即为何我国东部与西部在整个发展进程中差异如此悬殊?这种悬殊的差异是怎样造成的?这些差异导致了什么样的后果?又怎样才能改变这种现状,以加速西部的发展呢?

追溯到远古时期,东、西部的差异并非如此巨大,西域乃是西亚、东欧各国通商、贸易与文化交汇之地。“丝绸之路”雄辩地说明了这一点,那时西北部的人口、经济、生态均优于现在,只是由于印度次大陆与欧亚大陆两陆-陆板块碰撞、挤压造成了青藏高原的整体块体隆升和喜马拉雅造山带的突起。亦即宋、元时期一次全球性的气候变迁完全改变了这一格局,自然环境、大气环境和西风带的影响,整个生态环境受到破坏,开始少雨、干旱,良田被沙漠吞没,故大量人口涌向东南。

在这样的背景下,1935年,地理学家胡焕庸教授基于当时全国人口的调查,即人口的密度分布,从统计(大数据)的角度划出了一条东、西分隔的界线;该条线北起黑龙江省瑷珲(即现今黑龙江边境处的黑河)向西南方向延伸,经过我国中原与西南广大疆域,向西南直抵云南省的腾冲一线,故后称其为“胡焕庸线”[1]。这条线的划出,在我国社会进步、人文科学、经济发展,乃至地球物理场特征中均具有极为重要的价值。它标志着我国东、西部发展的差异,同时当必启迪人们去思考,即如何改变这种状态与格局,以促使我国西部在东部现代化发展的驱动下,得以共同发展,迈向繁荣、昌盛。

为此,现分析以下内容:这条“胡焕庸线”的东、西两部近地表的地势、生态、人口与民族,无水补给与气候、地震与自然灾害、地球物理场的变异与分布等形成的动力过程,如何理解它们之间的耦合关系,探究能对其改变的可能途径,以促进东部和西部在共同发展与前行中得以共赢,创造可持续发展的必由之路。

1 “胡焕庸线”东、西两部的自然条件与生态环境

“胡焕庸线”的提出以当时的人口密度与人数为背景,而这一系列的多元大数据却给出了东、西两部与分界的新内涵[1],它不仅具有历史意义,且确具现实意义,并启迪着人们去思考,如何促进西部的快速发展。

1.1 “胡焕庸线”的提出,内涵是什么?又意味着什么?

1935年,胡焕庸教授在当时调查与统计的基础上,依据大量的人口密度、人口分布与人口数量提出了北自黑龙江瑷珲(现东北黑河)向西南延伸抵云南腾冲的NE-SW向的界线——“胡焕庸线”[1],如图1所示。

瑷珲(黑河)—腾冲走向NE-SW的黑色虚线为“胡焕庸线”;香港特别行政区、澳门特别行政区、台湾省资料暂缺

1.1.1 内涵何在

在该线以东以43.71%的国土面积养育了94.39%的人口,西部地区占国土面积的56.29%,而人口仅占5.61%。尽管这种占比在逐步改变,差异在缩小,但是发展的速度仍然很慢,且幅度十分有限(表1)。

表1 “胡焕庸线”两侧人口比例变化情况Table 1 Changes in population proportions on both sides of the Hu Line

据不完全统计[3],东部这片土地产出的国内生产总值(gross domestic product,GDP)为90%,居住着全国90%以上的人口,而西部广阔的土地上所生产的GDP不足10%,文化、科技、工农业与经济发展的差异更为悬殊,显见西部发展的进度确实太慢,且改变的程度亦不理想(图2)。

历史时期人口密度分界线位置根据文献[4]数据与图件综合绘制;1935—2010年人口密度突变线分别基于文献[1]以及全国人口普查数据并顾及行政边界绘制;降水线根据全国753个气象站点数据插值后分析提取;农牧交错带根据文献[5]

显见,人口聚集的密度的确与可耕种良田、牧场密切相关,因为人的生活与生存离不开粮食,而粮食离不开农耕。图3中分别给出公元前11世纪、公元前1世纪、公元6—8世纪和公元14—19世纪4个时段农垦地的分布。可以看出,在这4个时期,我国的农垦土地基本上均集中在东部,即“胡焕庸线”以东地域,而人口亦当必集中在我国东部地域繁衍生息和发展。通过模拟分析可以了解人口的地理演变趋势[6-7]。

资料来源:中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室

1.1.2 “胡焕庸线”东、西两部极不均衡的发展格局意味着什么?

我国东部与西部发展的巨大差异受到多元要素的制约。

第一,文化、科技、经济发展上的这种差异与发展当必面临着生产力发展的不均衡和社会现代化发展的进程难于同步。

第二,亦必会造成创造力的差异和东、西部人民生活水平和生活与生存质量上的差异及教育水平和广度的差异。

第三,这种差异的存在,若不快速改变当必会影响我国步入世界科技强国的整体步伐。

1.2 “胡焕庸线”东、西两部发展程度差异显著,这种发展极不均衡的状态是多方面的,且有着漫长的历史渊源

1.2.1 东、西行政区分布

“胡焕庸线”以东这不足2/5的土地上,分布有27.5个省级行政区,而西部这3/5以上的土地上仅有6.5个省级行政区(图4)。东部地域经济发达、科技发展迅猛、现代化程度很高,且还在不断增长中。

红色虚线代表“胡焕庸线”

1.2.2 地势分布差异悬殊

我国西部主体为高原,海拔高度平均在3 000 m以上,最高可达8 000 m,在我国四大盆地中占有塔里木盆地、准噶尔盆地和柴达木盆地。高原地域空气稀薄、含氧量低、紫外线照射强、蒸发量大,而东部则以平原为主体,四大平原全在东部,包括东北平原、华北平原、长江中下游平原和珠江三角洲(图5),平均海拔高原为500 m以下,气候温和,生态环境占有绝对优势,适宜生物生长、人们居住与生活。可是西部诸多城市不仅多位于雪线之上,如敦煌、喀什、格尔木、拉萨,而伴随着纬度的升高,雪线亦趋向于升高,上述几个城市的雪线均高于我国其他同纬度地区(图6)。

红色虚线代表“胡焕庸线”

图6 我国东、西部部分城市的海拔高程与雪线高程分布Fig.6 Distribution of altitude and snow line elevation in some cities in eastern and western of China

众所周知,在最热的赤道地区,雪线高度在海拔5 000～5 600 m。海拔5 895 m的乞力马扎罗山在非洲的赤道附近,纬度南纬3°,这座海拔不到6 000 m的山峰,山顶已经越过雪线,白雪覆顶了。隆升的青藏高原,却改变了雪线沿纬度和湿度渐变的分布规律。由于地形复杂,我国的雪线变化规律很难用温度和降水量的变化简单解释清楚。不如换个问法,假如每个城市或地区,都拥有一座高度超过雪线的高山,那么这座山至少要有多高呢?依照从北向南的顺序,在图6中列举出一些地名,并逐一标注出各地理论上的雪线高度,不难看出,随着纬度降低,雪线趋向于升高,但是敦煌、喀什、格尔木、拉萨等几个城市雪线明显高于同纬度地区,原因是这几个城市所在的地区极为干旱。

1.2.3 土地资源与植被分布特点

在“胡焕庸线”以东地域主要为灌溉水田、旱作农田、乔木林地、疏林地、灌丛、草原、草地、水面、沼泽、湿地,而西部则主要为沙漠、戈壁、盐壳、寒漠、裸露地、冰川及永久雪地(图7)。在这样的地表覆盖条件下,东部以寒温带针叶林区、温带针阔叶混交林区、暖温带针阔叶交混林区、暖温带落叶阔叶林区、亚热带长绿阔叶林区、热带季雨林、雨林区,温带草原区等覆盖了整个东部地域。西部则以温带荒漠区、青藏高原高寒植被区为主体,其北缘和东南角域略有温带草原和热带季雨林、雨林分布。这便表明,陆地水域、耕地、森林和草地主要在东部,而西部极少。

黑色虚线代表“胡焕庸线”;资料由中国科学院生态环境研究中心提供

2 两陆-陆板块的碰撞、挤压与高原整体抬升和喜马拉雅造山带的突起

我国大陆内部和周边在全球太平洋板块、印度次大陆板块和欧亚大陆板块近程和远程俯冲、消减、碰撞、挤压复合力系作用下不仅形成了一套破碎镶嵌的块体组合,而更为重要的则为西部高原的抬升和南海的下沉。这是地史上自中、新生代以来,全球最为壮观的地球科学事件。

2.1 在NE-NNE向力系作用下青藏高原与其北部地域的整体抬升

由于印度洋中脊的扩张,驱使印度洋岩石圈板块向北运动(图8),故使印度次大陆向北与欧亚大陆板块碰撞、强烈挤压,导致了我国西部构造强烈活动,壳、幔介质深部物质重新分异、调整,且物质与能量进行着强烈交换和运动[8-14]。

(a)为印度大陆板块漂移历史示意图;(b)中图表的数据根据古地磁测量得到的印度大陆板块随时间纬度变化[15];(c)为大西洋裂解前的状态

2.1.1 地壳短增厚

全球地壳的平均厚度为33 km,海域最浅为8 km左右(陆架、浅海与深海地域差异很大),我国西部青藏高原地壳厚度达平均值为(70±5)km,而西北地区平均值为50 km左右[17-21]。这样巨厚地壳曾引发了高原地区为两个地壳在此叠加的错误认识[22]。经过多年实地人工源地震深部探测、天然地震观测与反演、大地电磁测深、重力场、磁力场诸多地球物理分学科的研究证实,这里是一个正常速度展布的成层地壳结构[13,17,23-28]。这种世上独一无二的巨厚地壳是由于两陆-陆板块碰撞、挤压导致了地壳的NS向缩短(约2 000 km)与垂向增厚(图9、图10)。又由于地球内部物质与能量的交换,故导致了在高原腹地地幔物质向上发散,而在高原四周向下收敛的格局(图11),且高原周边在重力场上尚未达均衡,即深部物质与能量尚在进行着交换(图12)。为此,我国西部整个地形远高于东部,相差近达4 000 m左右,地壳厚度差15～36 km,且异常走向各异,形成了完全不同的两大块体的壳、幔结构与深层动力过程。

h为地层厚度;Vp为地层速度

图10 我国西部地震反射/折射探测求得的壳-幔边界(Moho)深度分布[29-30]Fig.10 Spatial distribution of Moho depth beneath the Tibetan Plateau from the deep seismic soundings[29-30]

图11 我国西部地幔流应力场与壳-幔边界地震P波速度分布图Fig.11 Stress field of mantle flow and distribution of seismic P-wave velocity at the crust-mantle boundary in western China

1为大于60×10-5 m/s2; 2为(20～60)×10-5 m/s2; 3为(0～20)×10-5 m/s2; 4为(-30～0)×10-5 m/s2;5为(-60～-30)×10-5 m/s2; 6为小于-60×10-5 m/s2

2.1.2 高原抬升和喜马拉雅造山带的崛起

基于两陆-陆板块的强烈碰撞和持续相向挤压,且由于地壳在NS方向缩短近达2 000 km,从而导致了地壳垂向增厚30 km以上,故驱使高原整体抬升高达(4 800±500) m。最为严重与突显的则在于在两板块-块碰撞挤压过渡带中[18-19],喜马拉雅造山带在东西方向上整体快速抬升,在这条山脉的延长方向上:中部有世界第一高峰,高达8 848.86 m(含雪层厚度)[32],沿山系有5座高8 000 m以上的高峰,它们是世界第4高峰洛子峰(海拔8 516 m)、第5高峰马卡鲁峰(海拔8 163 m)、第6高峰卓奥友峰(8 201 m)、第14高峰希夏邦玛峰(海拔8 012 m),另外还有一座高度为7 094 m的拉布吉康峰。在全球范围内海拔高度大于8 000 m的高峰仅有14座,而喜马拉雅造山带有5座(图13)。

图13 世界最高峰——珠穆朗玛峰高8 844.43 m (2005年)(胡爱军摄影)Fig.13 The world’s highest peak of the Himalayas stands at an elevation of 8 844.43 m(2005)(photo by Hu Aijun)

2.2 高原的抬升,喜马拉雅造山带的突起完全改变了山体南北两麓与周边地带的自然环境

青藏高原的整体隆升,喜马拉雅造山带的突起是东亚乃至全球地球动力学响应最为独特的地球科学事件[23,28]。青藏高原的抬升是地球深部物质运动与动力作用所致,不仅改变了原有的“行星风系主控型”的环境格局,且导致了“季风主控的环境”的形成和内陆型干旱环境的呈现[33]。这种过程同时也改变了新生代早期我国东高西低的地貌和气候格局,仑不拉盆地在上新世才达到现在的高度4 000 m,故造成了水系展布的重大重组[34]。高原的抬升和季风的加强,加速了地表剥蚀与化学风化过程,而风化的剥蚀物进入周边,并对全球生态环境产生了影响,在始新世-渐新世高原地域的动物、植物、气候同步转型[35]。

2.2.1 造成了山体南北气候的巨大差异

喜马拉雅造山带的突起高达8 848.86 m(含雪层厚度)[32,36-38],不仅改变了东亚、东南亚乃至整个亚洲气候,最为直观的是近地表,即亚洲现代地貌的形成与大江、大河的发育与重组。由于喜马拉雅造山带的阻隔,南部印度洋湿润空气难以北进,故导致山体南麓湿润、多雨、植被繁茂,且暴雨频发成灾,而恒河平原与相邻地域却造就了一片良田,且改变了高原地域的主要生态系统和物种的组合,同时造成了山体北麓与其以北广大地域的少雨、快速蒸发、干旱和荒漠(图13)。

2.2.2 改变了山体南北的生态环境

一系列变化特别是西风带的劲吹[图14(a)]也改变了我国西部广大人民的生活与生存环境。

图14 喜马拉雅造山带的突起与高原的整体抬升Fig.14 The uplift of the Himalayan orogenic belt and the overall elevation of Tibetan Plateau impact (privide by Institute of Tibetan Plateau Research)

来自地中海方向、大西洋方向、北极方向的风在中亚汇聚形成了西风带且分为南北两支[图14(b)]:南支沿伊朗高原北缘向东穿越喜马拉雅山系北麓(青藏高原南麓),北支向北东延伸转而向东南。在西风带与季风两大环流的耦合下影响着高原地表水热活动、水汽传输及其热动力效应,并制约着地表水系的分布[图14(b)],故完全改变了我国西部土地、人口、良田与植被的分区(带)等,即在整体生态环境、季风,降水减少的影响下,雅鲁藏布江流域的湖泊水量急剧减少。

2.2.3 青藏高原深部与浅部物质在近程和远程作用下的深部动力耦合响应

高原内部与周边各块体在错综作用影响下,不仅造成了高原古高度的变化、新生代的陆内变形和大型山系的演化与重组、风化剥蚀及气候的变迁,而更为严重的是亚洲腹地干旱化和季风效应及全球变化。也就是说,在对地表或近地表地形、水系、植被、气候变化的过程中,必须十分重视壳、幔深部物质在力系作用下重新分析、调整和物质与能量的交换与其深层动力响应,因为这才是地表与近地表诸多现象呈现与差异的本质所在,即形成的动力机制。

2.3 高原抬升的多元响应与“中华水塔”

喜马拉雅造山带的突起、青藏高原的整体隆升与所产生的多元响应对“亚洲水塔”的影响应得到极大的关注[39-40]。

2.3.1 “胡焕庸线”所辖的东、西两部降雨量大不相同

在“胡焕庸线”以东地域湿润、多雨,又受到海域的调剂,一年四季降雨量适宜(图15)。在我国东部地域,如秦岭—大别造山带以南多雨、潮湿,适于农耕种植,其降水量在1 000～4 000 mm,秦岭—大别造山带与阴山—燕山地带之间的华北平原亦雨量适中,年降水量为400～1 200 mm,不仅适于种植,且为高产良田。显然,整个东部地域,除少量山区外,均适宜作物生长,为我国的米粮仓和经济作物的盛产地带。

红色虚线代表“胡焕庸线”

“胡焕庸线”以西广大地域的年降水量在总体上远小于东部地域,除西部地域东南部和天山山脉地带年降水量达300～1 000 mm外,西北广大地域年降水量仅为150～200 mm,即十分干旱。在这里除少量干旱作物可种植外,粮食生产受到极大影响。

2.3.2 “胡焕庸线”东西两部年气温差异甚大

由图16可知,该线以东的北、华南广大地域平均气温为16～26 ℃,东北地区为-8～-2 ℃,除其最北部大兴安岭地带外,东部广大地域气温适宜人民居住、生物繁衍生息、农作物生长与高产;该线以西气温普遍偏低,除塔里木盆地和哈密盆地及“东构造结”区以北少量地带年平均气温为10～14 ℃外,其他广阔地域年平均气温均在-6～6 ℃,再加上供水不足,几乎没有高质量的粮食品种种植。

2.3.3 “胡焕庸线”东、西两部地震活动频繁、强烈与差异

在两陆-陆板块强力碰撞-挤压作用下,该线西部又为诸多块体的拼合,在南、北向强碰撞-挤压力作用下,整个高原深部壳、幔深部物质重新分异、调整,且物质与能量进行着强烈交换、各块体之间相互运动。受力系作用最强的边界,如喜马拉雅碰撞-挤压过渡带[18-19];东、西块体构造运动最强的川、滇与其向北延伸地带;帕米尔-兴都库什沿北东方向经巴尔哈什湖、伊宁、阿勒泰直抵贝加尔湖地带等。显见高原腹地各块体边界处地震活动的强度、频度远高于东部(图17),而东部陆缘和近海地带的地震活动则与太平洋板块、菲律宾板块与欧亚大陆即海-陆板块俯冲、消减地带密切相关,而中、强地震和大地震主要集中在我国台湾岛及其南、北相邻地带发生与发展,除华北克拉通外,东北克拉通及广阔的东南陆域地震较少,特别是强烈地震与大地震几乎很少[25]。

2.3.4 “胡焕庸线”东、西两部重力布格异常分布特征

重力场的异常变异,反映着壳、幔深处介质物理属性的差异与物质运移过程(图18)。可以看出,东部整体处于高重力布格异常区,表征着物质密度高,而西部为低与甚低布格异常区,表征着深部物质密度偏低,其平均差值可达300 mGal以上。而区域布格重力异常走向各异,东部为NE-NNE向,西部为近EW向,故亦反映出其东、西两部深部壳、幔物质分异、调整中的差异及物质运动的不一致性。同时亦表明,东部是在太平洋板块作用下向西俯冲,而西部则为印度次大陆与欧亚大陆两陆-陆板块强烈碰撞、挤压响应各异的深层动力过程。

黑色实线代表“胡焕庸线”

2.3.5 环境变化严重威胁着“中华水塔”的生态环境

我国西部地域位于青藏高原的“亚洲水塔”与源自水塔的三江,养育着中华民族世代耕耘、繁衍生息、发展和自强。她是中华大地上中华民族存亡的命脉,也是东南亚各国人民存亡的命脉。“中华水塔”发源了长江、黄河、雅鲁藏布江等亚洲10条大河(图19、图20),养育着水域两岸东亚、东南亚、中亚地域广大人民的生活与生存,为20多亿人口提供着必需的水资源,故有“中华水塔”或“亚洲水塔”之称。

图19 源自“亚洲水塔”的主要河流及其覆盖的流域[45]Fig.19 Major rivers originating from the “Asian Water Tower” and their basins[45]

图20 夏季的西藏雅隆冰川,季节性融化(董庆摄影)Fig.20 Summer melting of the Yalong Glacier in Tibetan Plateau(Photo by Dong Qing)

图21 青藏高原在全球变化中的升温响应[37]Fig.21 Warming response of the Tibetan Plateau to global change[37]

2016年8月习近平总书记考察青海时指出,“中华水塔”是国家的生命之源,保护好三江源,对中华民族发展至关重要。这是因为在全球气候变暖的背景下,“中华水塔”地域气温在升温,不仅导致了冰川的加速退缩、湖泊显著扩张与冰川径流失衡,而且引发了冰崩、冰湖溃决等重大灾害,未来水资源短缺的潜在风险将会逐渐加剧[43-46]。这样的状况对西部及其相邻地域的生态环境、经济发展、人民生活均会造成极大的影响。

1)超常的气候变化导致冰川消融加剧

气候变化主要指气温变化和季风效应,其影响是严重和不可忽视的。

(1)超常的气温变化[47-51]。1960—2012年,青藏高原升温率为0.3～0.4 ℃/a,超过了全球平均升温率的两倍。巴黎气候大会曾设定全球升温为2 ℃,而我国西部地区的升温率达4 ℃,如此剧烈的气候变化对我国西部,即“胡焕庸线”以西广大地域的生态环境和人类活动将会产生令人担忧的后果。如图20所示,“亚洲水塔”冰川储量、湖泊水量和主要出山口处的径流量超过9万亿m3,至少相当于230个三峡水库的储量,蓄水量也对我国气候有着重大影响[52]。

(2)季风与西风的协同作用导致降水和水汽输送量出现明显空间差异[53],进而驱使藏东南地带冰川消融加剧。由于高原腹地与周缘地带冰川作用区气温普遍升高、导致水汽和降水(特别是降雪)的异常增幅可调节冰川变化的速率,故可造成高原腹地与周缘地带冰川空间展布和失调[40]。

2)环境变化与冰崩灾害和对“中华水塔”的影响

(1)冰川加速退缩与消融使得冰川融水在短期内增加[54],但在长期趋势上冰川融水会减少甚至枯竭,导致区域水资源短缺和生态环境风险增加。同时,冰川失常变化导致冰川不稳定性增强,灾害风险加剧。冰川加速退缩与消融引起的青藏高原及周边地区冰川融水径流增加,在达到拐点变化以后将出现长期缺水的生态风险。新疆部分河流、冰川融水径流可能已出现拐点,未来融水径流将持续下降[55-58]。

(2)冰崩发生与诱发的次生灾害发生和发展。冰崩的发生会诱发一连串的次生灾害,形成灾害链,从而延长和放大灾害后果。典型的灾害链表现为:冰崩导致滑坡、冰碛物碎屑流、冰湖溃决、洪水、泥石流、生态系统破坏、下游道路与桥梁及村庄的毁坏、人员伤亡和财产损失(图22)。这是一个从冰冻圈开始,影响到岩石圈、水圈、生物圈、人类圈的灾害链,也是一种新型巨灾。

(a)为冰川灾害案例;(b)为雅鲁藏布江“堵江”事件;(c)为尼泊尔冰崩溃决事件后的鸟瞰图

(3)环境变化与对“中华水塔”的威胁。“中华水塔”地处高原,尽管这一地域平均温度尚低,周边自然环境欠佳,干旱、少雨、蒸发量大,太阳辐射与紫外线照射强,再加上西风带的劲吹、荒漠化加剧等因素的耦合造成了自然环境的变迁强烈。例如,阿扎冰川退缩、迪格错冰湖溃决、阿里地区的阿汝错区冰崩(2016年7月和9月曾发生两次冰崩,形成浪高达20 m的巨大“湖啸”)。究其原因则为不断加剧的冰川退缩。这是“中华水塔”的重大威胁,因为频发的冰湖溃决影响着“中华水塔”的稳定性,而广泛的湖泊扩张则会导致“中华水塔”的本体储量减少、环境变迁和冰崩等新型灾害事件的出现(图22),这些是对“中华水塔”命运的新挑战。显然,超常的气候变化、环境变化以及人类的活动导致了我国西部脆弱自然与生态环境的变迁,对“中华水塔”造成了严重的威胁。

图22(a)是由第二次青藏高原综合科学考察研究队绘制的青藏高原及周边地区冰川灾害案例。图22(b)所示为2018年10月16日藏东南米林县色东普流域色东9～15号冰川(29°44′51.53″N,94°56′14.31″E)发生冰崩,冰崩发生后导致雅鲁藏布江“堵江”事件发生[43],图22(c)所示为1985年尼泊尔Dig Tsho(27°52′25″N,86°33′37″E)发生冰崩溃决事件后的鸟瞰图,该事件造成超过2 000万元(人民币)的损失,并影响下游地区数月之久(ICIMOD,2011)[国际山地综合发展中心(International Centre for Integrated Mountain Development)摄于2009年4月24日[59]]。

3 改善我国东部和开辟西部耕地、人口与良田以利共同发展

在多元要素制约下,自古至今东、西两部在社会经济、人文、科学与技术,乃至人民生活与生存的条件和水平均差之甚大,且呈扩大的趋势,而其根本所在乃“水”资源的供给与丰度。

3.1 我国东部应大力开发地下空间,构筑现代化三维智慧城市,以缓解人与地争

我国东部在后工业强劲发展时期,即大量农田被城市发展“吞没”的来势迅猛,随着人口数量的继续增加,其对城市地面土地的需求当必剧增,为此向地下空间发展,向地下要空间、要土地,以解放城、镇及其周边及相邻地带的农田、湿地和生态布局势在必行[60]。

3.1.1 我国东部城市发展

我国东部地域近10年来城市数量、体量发展极为迅速,大批农业人口拥入城市,特别是大城市,这一庞大的人群来到城市需要生活、居住、工作场所、发展空间,以适应在城市定居和生活与生存及繁衍的需求。城市中尚在发展的企、事业部门及公司应向地下要部分土地、要工作场所、要发展空间(至少应为所需地面土地的1/3～2/5)。因此,应建立向地下发展的意识和指导思想。政府土地管理和城市建设、规划部门须思考我国城市、土地、农田与发展这一有机“链条”之间的科学匹配,建立起地下空间发展的指导思想。

国外在地下空间开辟和利用中已有相当程度的发展。当前,如美国、加拿大、日本和东南亚的一些国家在地下空间利用方面已有较快、较多的发展和举措,而且是多方位的。可是从人口平均占有土地面积来说,欧美诸国远比我国大得多[59],那么他们为什么仍要向地下空间发展呢?这是我国这一人口大国必须思考的一个发展中的现实问题。

在全球范围,地下交通已广为发展,在这个环节上我国的地下交通构建,如地铁的发展是快速的、是大体量的,多个大城市已建成、起用和尚在准备建设之中。当前的问题是如何向更深处发展,如何深层次、多元化地利用地下空间。

3.1.2 我国东部城市地下空间开发的主要内容与措施

(1)地下城市:包括商业、医院、娱乐、粮库、油库、水库,各种档案与数据库,垃圾处理以及其他各类公共设施等。

(2)地下科学城:包括各类科学实验室、精密科学仪器与设备研发、超静空间地下设施、高新材料研发、零磁与高防辐射实验等。

(3)城市中和周边山体的开发和综合利用潜力巨大,这对工、农、兵、学、商各界均具有重要意义。

地下空间的开发和利用当必会大为减少地面耕地的再度使用,腾出部分已占用的或计划将占用的土地为发展农业特别是粮食作物和改善生态环境所用,同时可以使得东部耕地沃土得到休整和必要的轮换,将为我国东部迈向世界科技强国、创新未来保驾护航。

3.2 西部多样化的丰富潜在矿产资源有待开发

3.2.1 东部矿产资源过量开采与近于枯竭

东部为经济发展提供了且还在持续地提供所需要的金属矿产资源和油、气、煤能源,但当前诸多矿产资源处于或近于枯竭(图23),亟待在第二深度空间(500～2 000 m)勘查、开发和利用,而这需要时间、技术和理念的升华[61-63]。开发西部多样化的丰富矿产资源和能源是国家战略需求。

3.2.2 西部能源资源多样、潜力巨大,是缓解东部前期过量开发的后备基地

西部矿产资源潜力巨大,有待加速勘探与开发。两大陆-陆板块的强力碰撞挤压不仅造成喜马拉雅的突起,而且导致地壳短缩增厚,深部物质与能量的强烈交换,故在陆域各大块体相互作用下,在其边界形成了众多的金属与非金属矿床。

由图23可知,我国西部的能源矿产如油、气、煤炭能源潜力巨大,但勘察、开发程度尚低,同时隐藏着多样化的各类矿产资源,特别是稀有金属矿产,如铜、铅、锌、锂、钾盐等金属产资源,而且可以有效替代和减轻东部诸多矿产资源的承载量,同时也是开发西部、促进西部快速工业化和实现西部经济腾飞的重要途径。

3.3 粮食是中华民族生、死、存、亡的命脉

2019年10月14日,中华人民共和国国务院新闻办公室发布的《中国的粮食安全》白皮书指出,维护我国的粮食安全实际上是靠两个资源在支撑,一个是我国的耕地红线,另一个是从国外进口农产品来弥补不足。

3.3.1 何谓耕地红线?

我国耕地红线中的红线是18亿亩(1亩≈666.67 m2),而红线中永久性的基本农田约为15.46亿亩[65],其中,永久基本农田中的一个主要部分是高标准农田,我国需要建成10亿亩,而这10亿亩和15.46亿亩则是我国耕地红线中的特区,是必须确保的“门坎”耕地,因为我国粮食年产量需保持在1.3万亿斤(1斤=0.5 kg)左右,人均粮食约为920斤/年。

3.3.2 用世界上9%的土地养育着占全球19%的人口

当前我国耕地面积占全球总体耕地的9%,而我国人口占全球的19%～20%,这9%的耕地养育着19%人口,因此我国耕地面积的压力甚大。可是尽管耕地面积如此之缺乏,但还面临着城市建设等非农耕用地的不断减少,亦即非农耕粮食作物占地不断增多,生产粮食的沃土层逐年减薄,东北粮食的黑土地已减薄到40～60 cm,内蒙古只剩下30～40 cm。再加上过量使用化肥,多元途径的污染和土地透支严重与退化等[44],粮食的生产形势日益恶化。为保障东北黑土地的粮食稳产、高产,防范土地过量透支和退化(包括贫溃化)迫在眉睫。我国粮食关系到国家安危和人民的生活与生存[66-73]。2021年,中国科学院已分别于3月31日、4月21日和7月9日与辽宁省、吉林省和黑龙江省签署了《共同实施“黑土粮仓”科技会战框架协议》,并发布国内首部东北黑土地白皮书,深化利用当代高新科技、修复、保护这片粮食供给的沃土,维护国家粮食安全刻不容缓。

3.3.3 清晰认识全国60个主要城市耕地面积锐减与退化严重

1)耕地面积在锐减

全国60个主要城市的遥感监测[74](图24)表明,1973—2013年60个主要城市实际扩展面积15 755 km2,其中56.51%源自对耕地的占用[1],而每个城市中心建成区面积增加了5.23倍。城市化迅猛发展使我国东部一些重要的大、中型城市人口以及城市群人口过密,并导致农村人口锐减,乃至土地荒芜等,且造成东部的水体、土壤、大气环境的污染。东中人口-资源-环境系统承压过大,可持续发展受到严重挑战。

红色虚线代表“胡焕庸线”

中国中东部地区城市平均人均建设用地面积仅有67.28 m2,土地资源严重不足。根据2010年遥感数据监测统计,“胡焕庸线”以西地区未利用土地面积占全国未利用土地总面积的96.66%,其中裸岩石砾地、戈壁、沙地等占85%。

2)西部生态系统逐日恶化

当前甘肃和新疆等地自然植被退化、生物多样性降低、土壤普遍盐渍化、良田防护林退化、土地沙化等,再加上近年来西部地区旅游业的无序发展等生态问题,亟待治理、修复与保护,遏制荒漠化生态系统的进一步恶化已时不我待。

3.3.4 强化限定和停止耕地占用迫在眉睫

我国东部人口密集,城市众多,土地肥沃是供给我国各民族粮食和一切重要经济作物的源地,是经济科技发展的强劲基地,而东部耕地却受到大量占用,特别是城市周边地带,已存留无几,且还在不断加剧。

健康土地-良田的生态状况和功能是保障粮食生产与安全、助力全球气候变化、维系生物多样性等人类可持续发展的成效核心所在。无序地占用农田,不科学地维护农田必对粮食作物的生产、安全和生态环境造成重大损害。当前我国良田的重金属污染、土壤退化,导致不能轮种和严重透支、有机碳的不断减少、工业排放的水污染等均在加剧。

当今世界上最肥沃的土地在我国主要分布在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古东四盟地区[67],总面积为124.4 万km2[75]。黑土地的透支、退化与倒卖,且潜在的污染尚存。因此,必须充分理解、认识和厘定“藏粮于地、藏粮于技”的粮食战略方针。

与此同时,不少城市,特别是大城市为取得大都市的称号,千方百计地在谋划三个“三千万”。三个“三千万”指该城市人口要达到一千万,城市面积要达到一千万平方千米,经济指标为一千亿人民币。为此各城市的楼房越盖越高、楼距越来越窄、安全设施越来越少;而人口越来越多,合并周边城镇以扩展面积越来越盛;城市污染度越来越大,温度越来越高,交通拥挤与堵塞越来越大,宜居环境越来越差,安全系数越来越低等。

世界上已有不少国家很重视地下空间的开发和利用,如地下城市、地下商业、地下仓储、地下工厂、地下实验室、地下公共设计等,地质矿产部(现自然资源部)已向全国发出了地下空间利用的有关通知和有关的科学报告[60],保障我国农业耕地不被无序“吞没”,保证人民粮食的生产与供需,这是一件综合性颇强,且需统筹考虑中华民族要崛起,国家要振兴,社会要可持续发展,且又十分复杂的系统工程。

(1)土地使用与审批立法,农业粮食耕地红线不能超越,城市与周边良田不得占用,坚决杜绝任何侵占人类赖以生活与生存的生态环境,以保障“饭碗端在自己手中”和中华民族永续发展。

(2)建立农耕良田受到外来污染的破坏监测和防范污染的各级奖惩制度和规范。

(3)制定对农田耕地的维系、修复、保护的措施和条例,以保障农业耕地红线不被突破和粮食的安全与长期稳定供给。

(4)在我国西部制定利用高新科技引进新的水源,发展节水设施农业,营造现代化良田,为我国人口继续增长所需的粮食供给作战略后备基地。

3.4 西部改善与可持续发展的关键在于水

粮食与经济作物是世界上任何一个国家在建设与发展进程中不可或缺的物质资源。利用全球其他地域农耕与产品以补充我国之所需,在理论上是可行的,但这仅为一种可能或局域行为,而从根本上讲,对于粮食这种极为特殊的产物则必须立足于本土才能居于永续发展与不败之地。在这一发展进程中,水则是制约我国西部广大地域发展与现代化的根本所在。

3.4.1 我国东部、中部与西部水的消耗状况

我国东部、中部和西部尽管水资源丰度各异,人均水消耗量分别为393、468和545 m3。显见,西部水的人均消耗量最大。若以万元GDP水耗量来衡量,则分别为63、129和158 m3,即西部每万元GDP的水耗量效益最低。

耕地实际灌溉每亩田地耗水平均为379、378和512 m3,可见西部耗水每亩平均用水量则最大[3]。

上述现象是因为高原之地阳光辐射强,广阔的沙漠和干旱之地蒸发量大,生态环境脆弱,又很少有水补给,故人均水耗量、耕地用水量要高于我国中部和东部。显然,若不改变我国西部水资源的大环境,则此形势必愈演愈烈。

3.4.2 只要有水,西部也能成为“米粮仓”

以青藏高原的亚东沟为例(图25)。西南边陲的亚东县是茶马古道的终点站之一,印度洋的暖湿气流可通过亚东沟进入西藏南部,并一直延伸到江孜县境,暖湿气流加上年楚河一带高山上的冰川融水灌溉,将这一带的河谷变成了丰饶的“米粮仓”。从亚东到江孜,还形成了一条生态地理带,就是古代所称的“红河谷”。

图25 亚东沟:气蒸“米粮仓”,血浴“红河谷”(胡爱军摄影)Fig.25 Yadong Valley, also known as the Rice Granary and Red River Valley(photo by Hu Aijun)

3.4.3 我国西部广大沙漠地区土地治理迫在眉睫

罗布泊的干涸与消失和楼兰国的毁灭这一著名的历史变迁说明,我国西部原来并非如此干旱。

岩芯炭酸盐碳氧同位素和粒度记录研究揭示了塔克拉玛干沙漠700万年以来的沙漠化历史[76]。这为黄土高原粉尘来源、构造和气候双重制约的亚洲内陆干旱等提供了新证据:约在4.9 Ma前塔里木盆地还存在间歇性的湖泊群,气候远比现在湿润,由于周边山体的隆升和扩张阻隔了南来的水汽,故湖泊消失,此后塔里木盆地仍然交替形成风成沙丘,而塔克拉玛干沙漠最后形成于0.5～0.7 Ma,响应全球中更新世气候转型时期的气候变化。

我国是世界上荒漠化面积最大的国家之一,荒漠类型多样,危害亦大(图26)。新中国成立以来,我国已将沙漠化防治作为一项战略任务,经过多年来的努力,实现了由“沙进人退”到“绿进沙退”的历史性转变,创建了新疆、西藏与甘肃等省区沙海中铁路、公路畅通的当代格局(图27)。

图26 “胡焕庸线”西部地区的大片各类沙化荒地地貌[76]Fig.26 The primary features of desert landscapes in the western regions of the Hu Line[76]

图27 在沙海中畅通的公路和铁路干线[77]Fig.27 Main roads and railways crossing the desert in the western China[77]

4 超前思维谋篇布局西部调水,科学周密的“红旗河”顶层设计[78-79]

中华民族要振兴,国家要强盛,当前正处在由一个科技大国向世界科技强国建设的前夜。土地、人口、良田与可持续发展,乃我国东部和西部均存在变革与创建的蓝图。随着我国农业现代化和城市化进程的持续推进,对水资源、土地资源及优质发展空间的需求不断增加,农业用地、建设用地、水资源供给均面临日益严重的压力。国家发展的需求是刚性的,仅以当前可利用的水资源和土地资源的存量来寻求解决方法,供需矛盾几乎无法平衡,必须重视解决增量的问题,也就是增加可利用的水资源和土地资源[80]。

从我国的基本地理格局来看:其一,“胡焕庸线”以东的中东部地区和东北地区自然条件较好,加之大量水利工程的建设,这些地区的发展空间已基本达到了“能用则用”的紧平衡状态,我国绝大部分的经济社会发展也都位于这个区域;其二,青藏高原地区因高寒缺氧、地势险峻而长期不具备开发条件,在可以预见的将来也难以承担经济社会大规模发展的重任;其三,西北地区是我国目前最大的一个发展空白区,具有地势平坦、空间广阔、阳光充足、资源丰富、地理区位条件较好等众多优点[81]。因此,从未来进一步寻求发展空间的角度来看,最具潜力的就是西北地区。该区域地势平坦、光照充足、战略位置重要,但极其缺水,因而长期处于“未激活”状态。

长期可持续的西部生态文明建设,抓手就是:水。

4.1 西部调水的必要性和紧迫性:“红旗河”的诞生

我国西部气候、生态、土地、农田的改善、发展和实施必须是大环境的治理,而非局域可达。制约西北地区发展的种种因素的核心就是缺水。因为只有水进、文化进、科技进,西部人民的生活、生存条件和生活质量才会得到改善,才会在东部的引领与助力下加速发展,且在各自的基础上同步提升。

着眼未来,“胡焕庸线”以西,在我国现有经济发展格局中仍然处于薄弱区域,广大西北地区的调水问题必将历史性地提上日程,成为我国今后大规模水资源配置的重要议题。我国水资源总体呈南丰北缺的基本格局,从南水北调的角度来看,南水北调东、中线工程的建成又将我国传统经济核心区的水资源配置提升了一个高度,在未来继续提高工程效益、充分发挥调水能力且注重水资源集约节约利用的总体要求下,基本可以解决华北平原的水资源短缺问题。因此,从战略全局和顶层设计来看,应在深入研究西部调水的新形势、新任务、新特点的基础上审慎谋划[82-83]。

在华北平原诸多调水工程已经建成、大规模水资源配置强度已经较高的条件下,相关后续调水规划必须在水土资源综合承载力的约束下来考虑,未来华北平原的综合发展压力将更为凸显,寻求新的发展空间应该成为西部地区调水更大的历史使命。因此,西线调水应该向西部调水的高度转变,即着眼于对整个西北地区的开拓发展。

从西部地区内部来看,以青藏高原为主体的西南地区因高寒缺氧、地形复杂而不具备发展条件,以荒漠戈壁为主的西北地区则因干旱缺水、生态承载力过低而被长期限制在较低发展水平。西北地区土地资源丰富,西南地区水资源丰富,二者天然具备取长补短的互补性,西北地区一旦有水,就是我国未来最具发展潜力的地区。紧挨西北地区的青藏高原又被誉为“亚洲水塔”,有大量质量好、利用率低、海拔高的潜在水资源,堪称激活西北地区发展潜力的应许之水。

但是在青藏高原建造规模庞大的人工调水工程,是一项复杂的系统工程。考虑到工程的设计、建设和运营维护,利用高程,部分使用自然河道,自流调水是必须的。所谓大道至简,一条环绕着青藏高原周边、顺势而为、逐级降低、全程自流、连接着道道江河的西部调水线路应运而生,可世世代代、源源不断地将高原之水牵出莽莽群山,送到茫茫西北,这就是“红旗河”西部调水方案[84-85]。

4.2 “红旗河”西部调水工程

“红旗河”西部调水工程包括1条干线和3条主要支线,总取水量仅600亿m3,所有线路全程自流,如图28所示,水源全部取自雅鲁藏布江、怒江和澜沧江三条利用程度很低的河流[86-87]。

红色虚线代表“胡焕庸线”

4.2.1 红旗河干线

红旗河干线从雅鲁藏布江“大拐弯”以上开始取水(水位2 668 m),沿途取易贡藏布和帕隆藏布之水,绕行岗日嘎布山、穿过伯舒拉岭进入怒江(水位2 355 m);然后,于三江并流处穿越横断山脉,出怒江后经70 km隧洞进入澜沧江(水位2 311 m),出澜沧江后经43 km隧洞进入金沙江(水位2 278 m);出金沙江后,以隧洞和水库相结合的方式绕过沙鲁里山到达雅砻江(水位2 159 m),绕过大雪山到达大渡河(水位2 046 m),绕过邛崃山到达岷江(水位1 940 m),绕过岷山到达白龙江(水位1 854 m),绕行青藏高原东麓与秦岭接壤区的高山到达渭河(水位1 788 m),然后经洮河进入黄河刘家峡水库(水位1 735 m);过黄河以后,再经217 km的隧洞绕乌鞘岭进入河西走廊,从景泰(水位1 668 m)以后,全程明渠,沿祁连山东北侧平原经武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关到达玉门(水位1 520 m),接着沿阿尔金山、昆仑山的山前平原,穿过库姆塔格沙漠和塔克拉玛干沙漠南缘到达和田、喀什(水位1 270 m)[88-91]。

如图29所示,红旗河干线全长5 686 km,落差1 398 m,平均坡降0.025%,年平均调水量600亿m3。其中隧洞长2 587 km,初步设计分308段平行施工、平均每段长8.4 km;明渠3 099 km。需新建水库21座,其中坝高200～280 m的6座、100～200 m的2座、100 m以下的13座。

图29 红旗河水面线海拔高程变化剖面示意图Fig.29 Profile of elevation changes of the surface water along the Hongqi River

红旗河线路方案不强行穿越或翻越青藏高原,而是绕山而行、化整为零、顺势而为、全程自流,保证了工程的可行性。

4.2.2 主要支线

红旗河的3条主要支线分别为红延河、漠北河和春风河。这3条支线均是基于相关区域地理特点的最优选择——能够在保证坡降的前提下全程高水位自流、保持高水位优势,有能力将水源送往更多的干旱区域[88-91]。

(1)红延河支线。于红旗河干线过渭河处分出,然后向东北方向穿过六盘山到达黄河以南的宁夏、内蒙古和陕北地区,最终进入延安。由于全程保持高水位运行,可自流惠及六盘山、白于山以北、黄河以南的绝大部分区域,弥补了由于黄河水位过低导致的宁夏南部、鄂尔多斯高原和陕西北部的干旱问题。

(2)漠北河支线。于龙首山下、阿拉善右旗境内开始,经狼山、阴山北坡,向内蒙古、北京方向延伸,可供水至北京密云水库和西辽河流域。从起点至浑善达克沙地的漠北河全线地势平缓,均为明渠,总长1 660 km。全程高水位运行,可以自流惠及沿线北侧的所有地区。

(3)春风河支线。从河西走廊西部的玉门市附近开始,沿北山西侧绕行至新疆的吐鲁番、哈密盆地,并可根据需要延伸至达坂城以南,与乌鲁木齐隔山相望。全程保持高水位运行,可以自流惠及沿线大部分区域,也可以根据需求继续向周边延伸。

4.3 红旗河特点和优势[88-91]

(1)线路的布设沿青藏高原边缘绕行,为避开生态脆弱区、避免扬水、避免超长隧洞提供了条件,极大提高了工程可行性。

(2)全程自流,为保障调水低成本运行和持续稳定发挥作用提供了基础。

(3)线路海拔较低,大部分低于2 500 m,可降低高海拔施工难度,并保障大量、稳定的水源。

(4)工程建设的可行性高,建设和运行的风险低。方案无超大单体工程、无超大水库、无超长单体隧洞、无渡槽。隧洞单体长度基本不超过30 km,个别达40 km;除个别地段地震动峰值加速度达0.3g外(g为重力加速度),全程绝大部分地震动峰值加速度均不大于0.2g,大约与北京地区相当,且隧洞是较为抗震的建筑。从整个系统来看,红旗河前所未有的巨大,但从局部来看,又是由隧洞、水库、明渠等一个个基本工程“积木”组合而成的,且每一个“积木”都是现有工程技术能力可以实现的。

(5)移民规模小。一般水利项目的移民搬迁费用很高,如南水北调中线65%～70%的投资都在移民,而红旗河沿线人烟稀少,可以极大节约投资成本。

(6)环境影响低。避开了三江源等生态脆弱区,进入黄河之前的输水方式以隧洞为主,对地表影响小。

(7)控制集水区面积大、“兜住”的水更多,水源充足、水质良好。

(8)红旗河连接我国西南诸河,组成了“有机的”水网系统,备用水源和水库很多,可保障稳定供水。红旗河线路全盘考虑了雅鲁藏布江、怒江、澜沧江以及金沙江、雅砻江、大渡河调水的可能性,线路高程足够低,且穿过各大江河时均以水库方式通过,因此,可以充分利用各江河调水线路经过点上游的水库,极大提高调水系统的科学性和稳定性(表2)。对西南诸河可以做到丰调缺补,改善长江、黄河流域用水条件。

表2 “红旗河”西部调水工程沿线通道与海拔高度分布(S4679课题组,2019年)Table 2 Distribution of pathways and altitudes along the Hongqi River Project Western Water Diversion Project (S4679 Research Group, 2019)

4.4 “红旗河”西部调水的科学性和可行性

“红旗河”西部调水工程以雅鲁藏布江、怒江、澜沧江等水量丰沛、利用率低、高程较高的水系为水源,以绕行青藏高原、高程逐渐降低的全程自流方式调水,以红延河、漠北河、春风河为主要支线向广大西北地区提供供水能力。设计年总调水量600亿m3,方案提出以来,经过广泛地征求意见、研讨和大量的修改、优化,已具备充分的科学性和可行性。无论是从顶层设计、战略规划还是从工程方案的现实可行性来看,红旗河都是西部地区调水最佳的方案。下面从方案选线、水资源配置、工程技术等方面详述“红旗河”的科学性和可行性[88-91]。

4.4.1 方案选线和设计的基本原则

(1)全程自流,尽量保证较大的坡降。

(2)可调水量充足,水源选择合理,以雅鲁藏布江、怒江、澜沧江为主要水源。

(3)没有过长的隧洞,即在参考现有工程案例的情况下,尽可能缩短隧洞基本单元的长度,确保当代技术水平下的切实可行,并尽量降低后期运行风险和维护难度。

(4)大江大河、高山峡谷的穿越采用水库的方式,且大坝规模不高于现有工程案例。

(5)受水区线路尽量保证较高水位,使工程尽可能发挥最大效益,有能力满足更大范围内的可能受水需求。

(6)尽量降低隧洞的埋深。

(7)沿线地质条件择优。

“红旗河”西部调水工程的设计统筹考虑了系统与局部规划、短期与长期建设的关系。其建设遵循“分期分段、由近及远、先易后难、先通后畅”的原则。例如,先打通雅砻江至黄河段,同时先打通1条供水隧洞,后续再根据需求负载的逐渐增加而增加平行隧洞的条数、并逐步打通全线[92]。

4.4.2 水资源配置可行性

(1)我国西部青藏高原拥有一支丰富的清洁水源——雅鲁藏布江,该江水质好、储量丰,且有融化的雪水连续补给,加上西南三江流域每年流向东南亚各国与各地的水量高达3 000～5 000亿m3,而从中取水600亿m3的水向北输入新疆境内是完全可行的。

(2)调水600亿m3的水源保障能力。“红旗河”的水源来自以“五江一河”(雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河)为主的青藏高原南部的中华水系。这些河流水量充沛、水质优良却利用率极低。例如,雅鲁藏布江年流出境的水量超过1 600亿m3,目前开发利用率不足1%;怒江出境水量超过700亿m3,开发利用率不足1%;澜沧江出境水量超过740亿m3,开发利用率仅3%。对于这三条外流水系,“红旗河”总取水量仅600亿m3,不超过总量的21%[86-87]。

(3)“红旗河”西部调水工程系统可抵御风险、稳定供水的能力。红旗河将借助所流经的大江大河上的一系列梯级水库,进行借水补水的综合调控,在汛期可多调、旱期可减量少调。这样,当某一点发生故障中断时,这点以后的保障水源均能够发挥作用。此外,在受水区也设计大量的调蓄空间,以保障稳定供水。

(4)由于红旗河线路高程足够低,故兜住的水量足够大,而且这些水均是上游各梯级水电站发电以后的水,短期内可作为调水水源,未来可转为应急备份水源,可以与上、下游有更大的共赢空间。

4.4.3 工程技术可行性

基于对地形特点的分析,红旗河线路不“强行翻越”或“强行穿越”青藏高原,而是绕山而行、顺势而为、化整为零,保证了工程的可行性。

红旗河线路的设计始终将工程难度和可行性置于首位,坚持“长隧短打”的基本思路,最长洞段35 km,次长洞段25 km,其他长度均小于20 km,且设计较为保守。如果施工阶段根据实际情况修改局部线路,则还可缩短隧洞总长度,进而降低工程投资。

“红旗河”线路规划坚持测绘先行、地质紧随的基本思路,在对地形进行充分的研究以后,又进行了详细的地质分析。青藏高原东南边缘地质条件复杂,地震、地热、煤系、断裂、破碎、崩塌、滑坡等均有可能发生,其中有些会影响施工,有些则会影响稳定运行。基于对每一段具体情况的分析,对各种威胁进行分类分级,然后利用地形方面留有的弹性空间,对线路进行了具体调整。同时,也对线路沿线的已建隧洞和水库应对地质灾害的能力进行了广泛的调研和分析。总体而言,不可能完全避开地质问题,可以从工程设计和运行管理两方面进行应对[78-79]。

当然,在调研和未来实施中确实应十分重视其中的几个难点[78-79]。雅鲁藏布江流域构造复杂,其走向基本上呈南北展布,而青藏高原的东部构造结处,即喜马拉雅弧形造山带东侧,两大陆板块对撞、挤压,故导致了川滇地区整个山系和河流都是向东然后转而向东南流展,十分重要的是在其边缘地带产生了剧烈的变形、断裂,岩浆岩广布,造成了大陆内部构造和地震活动最频繁、最强烈的地带之一,即青藏高原与周边地带。这个地方刚好是构造非常活跃的地区,也是四川盆地和青藏高原耦合比较密切的地方。因为印度洋板块向北东方向运移,而这个东构造结向东北方向的欧亚板块顶进,故促使高原深部壳、幔物质一部分向边缘流动。将来在“红旗河”这一水道的实施和运行过程中,必须设置严密的监测系统。因为这条南北向的构造带,受两大陆-陆板块碰撞与挤压作用下青藏高原整体隆升的影响很大,不但地震活动、构造活动频繁,其他的一些自然灾害也很多,故应该特别关注。横断山脉处在三江并流的地方,尽管已经尽量缩短隧洞,但这个地方的设计可能要比一般隧洞的设计要复杂得多。因为这个地方的断裂错综,且活动性强,壳、幔结构又复杂,故其岩石不像其他地方那样完整,在构造作用下必定破碎、松散。对于局域构造活动与错动,横穿三江地带时隧洞加设阻尼的缓冲设施是十分必要的。所以这一地带的水道串通要给予特别的重视。再向北沿着四川盆地边缘一直走到六盘山以西地带,也就是青藏高原的东北缘,这也是一个构造复杂、灾害比较多的地方,1920年甘肃海原里氏8.5级大地震就发生在这里。

以上说明,在红旗河水道沿线,特别是川滇地域和青藏高原东北缘,构造异常活动、强烈地震频频发生,灾害多发。要提前做好这些区带的预防和论证工作,以在防范措施指导下做好顶层设计和实施。

“红旗河”西部调水工程沿线确实存在不少难点,如如何选点以达自流,沿途穿越多条河流(西南三江),穿越地震、构造、地热、变形强烈地带等。基于当今高新科技的发展,研发的高强度、高韧性、抗高温、高压材料的不断涌现,新工艺的不断呈现,以及各种防范及应措施及综合实施现有的施工技术、工艺都可以满足。

4.5 “红旗河”西部调水工程的战略意义

红旗河贯通西南、辐射西北、紧扣边疆、规模宏大,是切实建设在半壁国土上的宏大工程,是兼具生态意义、经济意义、发展意义、文化意义、民族意义、安全意义、稳定意义、全局意义和长远意义的历史性事业[88-91]。

4.5.1 扩展发展空间

我国平原面积约占国土总面积的12%(115万km2),远低于美国、欧洲、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、巴西、印度等,发展空间受到了极大限制。同时,随着我国经济、社会的迅速发展,现有的土地、水、生态环境等,已越来越无法满足发展需求,供需矛盾日益严重。因此,未来必须重视解决增量的问题,也就是增加可利用的水资源和土地资源。红旗河正是这样一项“开疆拓土”的伟业,是打开我国未来发展空间的“钥匙”,是极大扩展我国战略纵深的重要举措。红旗河建成后将通过调整水土资源的时空匹配性,增加我国可用水资源的增量和优质土地资源的增量,满足我国未来发展对资源和空间的巨大需求。

4.5.2 改善生存发展环境、促进生态文明建设

生态文明是人类文明发展的一个新的阶段。“绿水青山就是金山银山”,生态文明建设是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。红旗河的建设对我国西北地区乃至全国的生态文明建设都具有重要意义。

西北地区的生态环境问题十分突出,主要表现为干旱缺水、河湖干涸、水土流失、植被退化等,综合表现为土地荒漠化。脆弱的生态环境,不仅无法支撑西北地区的经济发展,而且会导致现有的发展成果难以保持,甚至会影响中东部地区的生态安全和经济发展。

西部的生态文明,其实就是水的文明。红旗河丰沛的水资源,将极大增强西北地区的生态承载力,极大缓解荒漠化威胁、构筑起稳固的国家生态安全屏障。

4.5.3 科学管控中华水系

红旗河环绕着“中华水塔”(青藏高原),串联起西南诸河、长江流域、黄河流域和西北诸河,辐射影响淮河流域、海河流域和辽河流域,共涉及我国10大一级流域中的7个,是综合利用、调节、管理各大水系的重要基础设施,是奠定完整中华水系的重要举措。该调水系统辐射影响全国一半以上的国土面积,可利用各相关流域的水文不同步性,按2 000 m3/s流量进行补偿调节,不仅可以服务中华民族的生态建设、生产生活和粮食安全,还能够减缓相关河流下游两岸的旱涝灾害。

4.5.4 发展农业、保障粮食安全

工程建成后,可在我国西北地区新增约20万km2绿洲平原,约为我国现有平原面积的17.4%。这些地区地势平缓、光照充足,有很好的地势条件,同时由于红旗河全线保持高水位运行,可以自流覆盖绝大部分地区,又为按需要设置支线和布局绿洲提供了条件。因此,西北地区新生的20万km2绿洲将是本底条件优异、区位条件灵活的更适合社会发展的绿洲。红旗河的到来可从新增高质量大型灌区和改善现有灌区水资源严重紧缺的现状两方面作出贡献:依托红旗河干流河西走廊段和“红延河”段可建设两个超级灌区,由于当地已有一定的人口基础、农业基础和自然条件,可以形成上亿亩高质量的超级灌区;“漠北河”主要经过半干旱的内蒙古高原,结合当地的自然条件,可以建设大型生态牧区;漠北河的终点是北京密云水库,向北京补水可缓解华北地区水资源压力,提高华北抵御干旱的能力;通过岷江、渭河、黄河等相关河流的辐射作用,可为成都平原、关中平原、华北平原等提供水资源补充。充沛的水资源到来,将极大促进我国耕地数量、耕地质量、农业水利、农业科技的发展,促进化肥农药减量化和土壤污染治理,大量落实耕地休耕轮作,进一步改善我国农业基础还不稳固的问题,实现藏粮于地,提升粮食安全水平。

4.5.5 促进西北地区发展和国家发展格局的优化:破解“胡焕庸线”

从地理区位来看,广大西部地区的地广人稀、经济相对落后等,都给区域稳定造成了一定的影响。推动西北地区跨越式高质量发展,有助于解决我国发展不均衡问题,推动我国西北各民族的文化融合,促进民族团结。红旗河可以作为一个现实的抓手,在其建设和后期的发展过程中,起到在物质上和文化上促进民族团结、共同发展的纽带作用。

红旗河带来的水资源,以绿洲建设、生态改善为基础,依托西部大开发、一带一路等国家政策,促进西北地区经济发展和城市化发展,促进国土空间布局优化,破解以“胡焕庸线”为标志的、长期以来的区域发展严重不平衡问题。水的到来,可以开拓出更大的可用于辗转腾挪的适宜国土空间,为中东部开发强度过高的地区分担压力,促进城乡人居环境改善,为西北自然条件恶劣地区的社会经济发展提供新的发展空间,从而为破解“胡焕庸线”打下坚实的经济基础。

红旗河建成以后,以西北地区大发展作为驱动,以红旗河沿线经济带为联系,将带动西南地区和黄河流域更进一步的发展,对成渝城市群、关中平原城市群、兰西城市群、呼包鄂榆城市群、天山北坡城市群等的发展都大有裨益,对继续推动西部大开发、形成新格局意义重大。

5 对我国“胡焕庸线”西部地区加速发展的几点认识

印度次大陆板块与欧亚大陆板块的陆-陆碰撞与强力挤压造成了喜马拉雅造山带的突起,高原地壳短缩增厚,并在壳、幔物质运动与动力作用驱动下整体抬升(图30),从而导致了我国大陆内部,乃至东亚多圈层的相互作用与当今生态环境的重大变迁,并形成了“胡焕庸线”。因为喜马拉雅造山带的突起和高原整体隆升严重影响,并改变了大气圈、水圈、冰冻圈、智慧圈,生物圈和岩石圈的以往格局,乃至全球变化[35](图30)。

图30 高原的抬升、喜马拉雅造山带的突起影响大气圈、水圈、冰冻圈、智慧圈、生物圈和岩石圈,乃至全球变化示意图(中国科学院青藏高原研究所提供,2017年)Fig.30 Conceptual diagram of Tibetan Plateau uplift and Himalayan orogenic belt impacting the earth’s spheres including the atmosphere, hydrosphere, cryosphere, lithosphere, biosphere, and even global changes(Provided by the Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, 2017)

5.1 喜马拉雅造山带的突起与高原的整体抬升完全改变了喜马拉雅造山带南、北两地地势、气候、降水、冰川、湖泊和生态环境

(1)导致了喜马拉雅造山带南部在季风作用下,暴雨频发,植被丰茂与温和湿润的自然环境,而北部则在西风带作用下,少雨、干旱、强烈沙化,生态环境十分脆弱的自然环境。

(2)在两陆-陆板块强烈碰撞、挤压作用下,深部物质重新分异、调整,深部物质与能量进行着强烈交换。在物质运动与动力驱动下高原整体抬升,故导致了壳、幔深部各异与“胡焕庸线”东、西两部地球物理场的异常变化和地震灾害频发与强烈活动。

(3)“胡焕庸线”的分割表征着我国东、西疆域在发展上的巨大差异。西部由于干旱、沙漠化导致了东部要养育全国14亿人口中的95%左右,要用世界上9%的耕地养育占全球19%的人口生活与生存,东部压力甚重,亟待减荷,创建西部现代化农田与绿洲。

5.2 东部承载过荷,须奋力开发地下空间

由于东、西两部发展上的不平衡与极大差距,而在快速工业化与经济腾飞的进程中,东部大量土地被城市化所侵占,又受到不同程度的灾害和污染,土地透支越发严重。

(1)强化开辟地下空间为实施现代化城市,构筑地上、地下与空间一体化的三维智慧城市,以达退地还田,减少与杜绝再度征用农田,以使城市发展立体化,而不是在平面上的无限扩张[60]。

(2)全面调查,统一设计,规划如何发展西部的方略;颇希发展与建设现代化设施农业,改善生态环境,以达逐步缓解东部耕地与短缺发展的矛盾。

5.3 西部发展的核心是“水”。能否将水调入西部干旱、沙化地带改变生态环境,奋力建造2亿亩现代化的绿色耕地与牧场,是西部发展与崛起的核心所在,且可成为永继“粮仓”

(1)水进,文化进,文化进则科技进,科技进则社会发展快与现代化建设逐步实现。这将大幅度缓解我国人多地少的矛盾,特别是东部人与地争的紧张格局,在开发西部粮食安全的同时,东部可以实施基本农田置换,让东部已透支的良田得以休整和恢复。

(2)只有一定量额度水进入西部与北部的干旱、半干旱和沙化区,生态环境改善了,现代化农耕大地建设起来了,西部才能发展,人民生活与生存水平才能提高,并大大减少东部在发展进程中荷载过重的压力,以达东部与西部相继发展。

5.4 改变我国西部、北部干旱、沙漠化的根本是“水”,亟须谋篇布局“红旗河”西部调水工程

“红旗河”西部调水工程实施后,将会改善我国西北广大地域的生态环境和局域水汽循环,保护三江源头的生态环境,为“中华水塔”撑起保护伞。“红旗河”工程可以担当起西部大开发整体环境改善的重任,是打开我国未来经济、文化、科技全面、整体发展空间的“钥匙”。“红旗河”西部调水工程是改变我国西部现代的千秋万业之举!是一场开疆拓土的伟大工程。