第1章　绪论

1.1　调水工程的发展

1.1.1　概述

地球上水资源分布的空间悬殊。仅从我国来看，降水量分布就极其不均。我国东南沿海和西藏东部湿润，平均年降水量多在1000～2000mm，其中墨脱地区平均年降水量多达3000～4000mm；西北地区干旱，平均年降水量只有164mm，全年降水量仅占全国的9.5%，其中新疆塔晨木盆地中心部分仅为10mm。由此，大规模、长距离、跨流域的调水就成为了人类重新分配水资源、缓解缺水地区水资源供需矛盾的主要途径（陈玉恒，2002）。

跨流域调水工程一般包括调水区、受水区和水量通过区三部分。调水区是指水量丰富、可供外部其他流域调用的富水流域和地区；受水区是指水量严重短缺、急需从外部其他流域调水补给的干旱流域和地区；沟通上述两者之间的地区即为水量通过区。水量通过区根据不同调水工程，常常又是调水区或受水区。所以，人们有时将跨流域调水工程直接分为工程调水区和受水区两部分（姜国辉，2008）。

跨流域调水工程系统主要包括工程设施子系统以及维持调水系统正常运行的运行管理子系统。工程设施子系统和运行管理子系统共同作用，将水资源从水源区输送到受水区。

（1）工程设施子系统。跨流域调水工程设施子系统一般包括水源工程，如水源涵养工程、蓄水工程、引水工程、提水工程等；输配水设施，如渠道或管道、隧洞或河道等；渠系建筑物，如交叉、节制、分水及退水等建筑物；还有各个受水区内的蓄水、引水、提水以及配水等设施。

（2）运行管理子系统。跨流域调水工程的运行管理涉及众多且复杂的技术、经济、管理等问题，是一项复杂的系统工程，其中跨流域调水供水水价的管理是运行管理子系统的核心。工程设施子系统与运行管理子系统相互作用，实现了跨流域调水系统与受水区经济社会系统的耦合，发挥跨流域调水系统的功能。

跨流域调水系统具有高度复杂性，其主要特点可归纳为：

（1）跨流域调水系统具有多流域和多地区性。跨流域调水系统涉及两个或两个以上流域和地区的水资源科学再分配问题，因而，如何正确评估各流域、各地区的水资源供需状况及其社会经济的发展趋势，如何正确处理流域之间、地区之间水权转移和调水利益上的冲突与矛盾，对工程所涉及的各个流域和地区实行有效的科学规划与管理，是跨流域调水系统规划管理决策研究中所面临的一个重要问题。

（2）跨流域调水系统具有多用途和多目标特性。大型跨流域调水系统往往是一项涉及供水、航运、灌溉、防洪、发电、旅游、养殖以及改善生态环境等多目标和多用途的集合体，因此，如何处理各个目标之间的水量分配冲突与矛盾，使工程具有最大的社会经济和生态环境效益，是跨流域调水系统决策中的又一重要课题。

（3）跨流域调水系统具有水资源时空分布上的不均匀性和水资源量在时间和空间分布上的差异，是导致水资源供需矛盾的一个重要因素，也是在地区之间实行跨流域调水的一个重要前提条件。因而，如何把握水资源时空分布上的这种特性，对多流域、多地区的多种水资源（如当地地表水和地下水、外调水等）进行合理调配，则是提高跨流域调水系统水资源利用率的重要途径之一。

（4）跨流域调水系统中某些流域和地区具有严重缺水性。在跨流域调水系统内，某些流域和地区在实施当地水资源尽量挖潜与节水的前提下，本地水资源量仍十分短缺，难以满足这些地区社会经济发展水平下日益增长的用水需求，由此表现出严重缺水性。如何对缺水流域和地区进行科学合理的节水与水资源供需预测，正确评价其缺水程度，则是控制工程规模、提高系统效益、促进节水与水资源合理配置和整个社会经济发展的重要途径之一。

（5）跨流域调水系统具有工程结构的复杂多样性。跨流域调水系统中工程结构的复杂多样性主要表现在以下方面：

1）蓄水水库或湖泊之间存在多种串联、并联以及串、并混联的复杂关系，与一般水库系统相比，不仅要考虑各水库的水量调节和上、下游水库之间的水量补偿关系，还要考虑调水量在各水库之间（不只局限于上、下游水库之间）的相互调节与转移。因此，跨流域调水系统内水库间的水量补偿调节与反调节作用更加复杂多变。

2）系统的骨干输配水设施（如渠道、管道、隧洞等）一般规模较大，输水距离较长，常遇到高填深挖、长隧洞与大渡槽、坚硬岩石和不良土质（如膨胀土、流沙等）地带等，所有这些都将给规划设计和施工管理增添较大的难度。

3）系统内往往会涉及众多较大规模的河道、公路、铁路等交叉建筑物，这不仅增加了规划设计和施工管理的难度，还会给防洪、交通运输等带来影响，需进行合理布局和统筹安排，将其影响程度降到最低点。

4）有些采用提水方式进行的调水工程，常常会面临高难度的高扬程、大流量等提水泵站规划设计与运行管理问题，如何对这些提水泵站（群）规模与布局进行合理规划，则是待研究的另一重要问题。

（6）跨流域调水工程的投资和运行费用大。因跨流域调水工程结构复杂多变，且涉及范围大，影响因素多，工程规模相对较大，因而投资相对就会大幅度增长。远距离调水系统管理难度大，运行费用会相对较高。科学确定满足社会经济发展要求的合理工程供水范围与调水规模，则是减少工程投资和运行管理费用的重要途径之一。

（7）跨流域调水系统具有更广泛的不确定性。跨流域调水系统的不确定性，和其他水资源循环过程一样，主要集中在降水、来水、用水、地区社会经济发展速度与水平、地质等自然环境条件以及决策思维和决策方式等方面，并具有不确定性程度更大、范围更广、影响更深的特点，从而使跨流域调水系统比一般水资源循环系统在运行过程中更具风险性。

（8）跨流域调水系统具有生态环境的后效性。任何人工干涉自然生态环境的行为（如各种水利工程等），都将导致自然生态环境的改变。跨流域调水系统由于涉及范围、影响环境程度较一般水利工程大得多，势必导致自然生态环境更多因素的变化，有些生态环境构成要素的变化甚至是不可逆转的，这就表现为生态环境的后效性。如何预见和防治生态环境方面的后效性，则是需要研究的又一重要问题。因此，有必要始终坚持“先节水后调水，先治污后通水，先环保后用水”和“调水有利于保护改善生态环境”的原则，进行跨流域调水的规划和管理。

总之，跨流域调水系统是一项涉及面广、影响因素多、工程结构复杂、规模庞大的系统工程，跨流域调水工程的决策，本质上是一类不完全信息下的非结构化冲突性大系统多目标群决策问题。因而，需要从战略高度出发，对工程涉及的社会、政治、经济、文化、科技、民生和生态环境等多个方面进行统一规划、综合协调、合理评价和科学管理，才能获得工程本身所应产生的巨大的经济、社会和生态环境效益（王宏江，2003）。

1.1.2　国内外著名的调水工程

跨流域调水工程的发展历史悠久，早在公元前2400年前，古埃及为了满足今埃塞俄比亚境内南部的灌溉和航运要求，兴建了世界上第一条跨流域调水工程，引尼罗河水灌溉沿线土地，促进了埃及文明的发展和繁荣。然而，大规模的跨流域调水工程是在20世纪50年代开始发展起来的。据不完全统计，国外已有39个国家建设了345项大大小小的调水工程，已有24个国家和地区兴建了160多项跨流域调水工程（方妍，2005）。

（1）巴基斯坦的西水东调工程。它从印度河自流引水向巴基斯坦东部地区供水，共建8条输水渠，渠线总长622km，输水流量116～614m3/s，年调水量148亿m3，灌溉农田153.3万m2，是目前世界上调水量最大的工程，堪称平原地区明渠自流引水的典范。调水工程使东三河流域广大平原地区的农、牧、工业等获得持续不断的发展，并使巴基斯坦由原来的粮食进口国变成不仅粮食能自给，而且每年还可以出口小麦150万t、大米120万t的国家（陈玉恒，2002）。

（2）澳大利亚的雪山调水工程。该工程位于澳大利亚东南部，通过大坝水库和山涧隧道网，从雪山山脉的东坡建库蓄水，将东坡斯诺伊河的一部分多余水量引向西坡的需水地区，沿途利用落差（总落差760m）发电，供首都堪培拉及墨尔本、悉尼等城市民用和工业用电。该工程总投资9亿美元，主要工程包括16座大坝，7座电站，2座抽水站，80km的输水管道，144km隧道。总装机容量375.6万kW，年发电量50亿kWh，是目前世界上装机容量最大的跨流域调水工程。

（3）德国的巴伐利亚调水工程。该工程从阿尔特米尔河和多瑙河调水至雷格尼兹河和美因河，年平均调水1.5亿m3，在干旱年份，调水量增加到3.0亿m3。德国巴伐利亚州调水工程以生态环保为主要目的，这在世界上已建和在建的调水工程中是不常见的。

（4）秘鲁的马赫斯调水工程。该工程是将两个水库的水汇入科尔卡河，通过89km隧洞和12km明渠，将水调入西瓜斯河。输水工程设计流量34m3/s（加大流量39m3/s），输水隧洞起始水位3740.00m，终端水位3369.00m。而后利用约2000m落差建两座水电站，装机容量65kW（38万kW＋27万kW），年发电量22.6亿kWh，为阿雷帕省等地供电，发电尾水进入西瓜斯河，用于发展灌溉。工程输水干线有27段隧洞，穿越分水岭的隧洞长达15km，埋深在地面以下1000m，是目前世界上已完成的最艰巨的跨流域调水工程。

（5）哈萨克斯坦的额尔齐斯调水工程。工程年调水量25亿m3，输水沿线有22级提水泵站（共26座），总扬程418m，是目前世界上梯级泵站级数最多的大流量、低扬程跨流域调水工程。

（6）加拿大的丘吉尔调水工程。该工程是从丘吉尔河向冉特河和本特伍德河调水供发电用的跨流域调水工程，引水流量达850 m3/s，且基本上是利用天然河床，很少人工整治，是目前世界上利用自然河床实行跨流域调水工程建设的典范。

（7）中国的南水北调工程。南水北调工程的根本目标是改善和修复北方地区的生态环境。工程分为东线、中线和西线三条调水线路，与长江、黄河、淮河和海河四大江河构成以“四横三纵”为主体的总体布局，形成我国巨大的水网，基本可覆盖黄淮海流域、胶东地区和西北内陆河部分地区，有利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局，具有重大的战略意义。东线和中线工程涉及7省（直辖市）的44座地级以上城市，受水区为京、津、冀、鲁、豫、苏的39座地级及其以上城市、245座县级市（区、县城）和17个工业园区。

东线工程：利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输水线路。东线工程从长江下游扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出东平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河；另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。规划分三期实施。一期工程：主要向山东和江苏两省供水。工程规模：多年平均抽江水量89亿m3（规模500m3/s）。工程的重点是加强污水处理，完成江苏、山东两省治污及截污导流项目，同时实施河北省工业治理项目，已于2013年12月通水。

中线工程：从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿规划线路开挖渠道输水，沿唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。规划分两期实施。第一期工程：丹江口水库大坝按正常蓄水位170.00m依次加高，随着水库蓄水位逐渐抬高，分期分批安置移民；兴建从陶岔渠首闸至北京团城湖全长1267km总干渠和154km天津干渠；该工程主要是向河南、河北、北京、天津供水，多年平均年调水量为95亿m3，规划2014年年底通水。

西线工程：在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。西线工程的供水目标主要是解决涉及青、甘、宁、内蒙古、陕、晋等6省（自治区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。结合兴建黄河干流上的大柳树水利枢纽等工程，还可以向邻近黄河流域的甘肃河西走廊地区供水，必要时也可向黄河下游补水。工程规划分三期实施。

1.1.3　我国实施跨流域调水工程的意义

（1）有效解决水土资源分布不均和水资源供需矛盾。我国水土资源分布不均，水资源供需矛盾突出。水资源总量相对较多，但人均和亩均水量较少，水资源时空分布极不均衡，水土资源不相匹配；降水及径流的年内分配集中，年际变化较大；工程项目不配套，节水措施少，用水浪费现象严重；水资源开发不合理，工程效益差；水污染现象日趋严重。实施跨流域调水可有效调整水土资源配置与社会经济发展的关系，缓和水资源的供需矛盾。

（2）有力缓解缺水地区水资源严重供需矛盾。跨流域调水不仅有利于促进节水、水污染治理、水资源量质的一体化管理和区域水资源的合理配置，而且是解决我国缺水地区水资源严重不足的重要途径；同时，节约用水、保护水源、防治水污染、进一步挖掘当地水资源潜力等措施，也是实施跨流域调水的前提和基础；加强水资源规划与管理是实现跨流域调水效益的重要保证。

（3）跨流域调水是实施区域发展战略、实现国民经济可持续发展的重要保证，主要表现在以下方面：

1）跨流域调水是促进我国城市、工业发展和改善人民生活水平的重要措施。

2）跨流域调水是促进我国农业灌溉发展和提高我国粮食生产能力的重要手段。

3）跨流域调水有利于促进我国洪、涝、旱、碱灾害的综合治理。因为任何一项规划合理的跨流域调水工程，不仅可对缺水地区进行水源补给以实现其抗旱效益，而且可通过对洪涝水在时间和空间上的不同遭遇进行适时调配来实现跨流域调水工程的防洪、除涝效益，并且通过对灌排系统进行合理规划并控制地下水位的控制，可有效防治土壤次生盐碱化，从而促进洪、涝、早、碱灾害的综合治理（蒋旭光，2008）。

1.1.4　南水北调工程实施的必要性

1.1.4.1　水资源统一调配、合理配置的需要

黄淮海地区作为21世纪我国新的经济增长地区，具有联东促西、优势互补、功能协调、协同发展的有利条件，是我国重要的工业基地、能源基地和粮食基地，在全国经济社会发展中具有十分重要的地位。黄淮海流域经济总量较大，人口众多，城镇密集，工业较为发达，但水资源十分短缺，严重制约了经济社会的发展，同时生态与环境问题十分突出。

从水量利用和配置看，主要是工业挤占农业、农业挤占生态；城镇挤占农村，河道外挤占河道内。从水资源利用阶段看，为维护经济社会的持续快速发展，为保障该区人民生活水平的持续提高，城市挤占农村、工业和生活挤占农业和生态，也是形势所迫。但按照科学发展观的要求，这种挤占农业用水和生态环境的现象，已对粮食安全、生态环境安全构成一定威胁，是不可持续的。

南水北调东中线工程是优化我国水资源配置的战略性基础设施，对缓解黄淮海地区、特别是华北地区水资源紧缺，改善生态环境，促进经济社会可持续发展具有重大的社会、经济、环境效益。为解决该区域水资源短缺的严峻状况，国家先后启动实施了南水北调东、中线调水工程建设，规划到2030年时，南水北调东线和中线分别实现年调水量148亿m3和130亿m3，基本解决受水区的水资源短缺和生态环境建设的用水问题。南水北调工程实施后受水区将形成外调水、当地地表水和地下水、再生水等多水源联合运用的供水系统，最大限度地提高水资源利用率。

东、中线工程供水后，为受水区补充了大量的水资源供给量，在与当地地表水、地下水联合调度下，具备了满足城市生活、工业用水可以返还挤占农业和生态用水的水源条件。为保证实现调水工程的供水目标和效益，达到水资源的合理利用和优化配置，促进城乡经济和生态环境协调发展，返还城市挤占水量是非常必要的。

1.1.4.2　保障粮食安全、巩固农业基础的需要

农业是国民经济的基础产业，粮食是关系国计民生、维护国家稳定的重要战略物资，粮食安全与社会的和谐、政治的稳定、经济的持续发展息息相关。水资源管理和水资源配置不仅要考虑经济效益，而且要从全局的高度出发考虑水资源配置的社会效益和生态效益。近年来，受农业种植结构调整、耕地和水资源减少、城市化进程加快等因素影响，粮食安全问题日益突出。城市化进程的加快突出表现在需水量的日益增加，由此引起不合理占用农业用水，导致灌溉面积减少，这种现象对粮食安全造成的不利影响不容忽视。因此，开展受水区城市挤占农业和生态用水的返还方案，把城市与工业不合理占用农业的水量返还给农业，是保障粮食安全、巩固农业基础的需要。

河北、河南和山东都是粮食产出大省，是我国重要的粮食主产区，近年来城镇化速度较快，工业迅猛发展，生活用水及工业用水需求量增长，在不同程度上挤占了农业灌溉水量。为了稳定粮食产量，保障粮食安全，城市挤占农业的水量应适当返还。

1.1.4.3　保障生态安全，修复水生态系统的需要

近年来，由于水资源短缺形势越来越严峻，南水北调受水区部分地区过度开发利用地表水、大量超采地下水，导致河湖干涸萎缩、水质恶化、水体污染严重，地下水水位持续下降、地下漏斗不断加深，进而引发地面沉陷、海水入侵、泉水干枯、土地沙化等一系列生态环境问题，且日趋恶化，对社会经济的可持续发展构成了严重的威胁。

以河北省受水区为例，受水区主要河流自20世纪80年代以来，除个别丰水年汛期外，几乎常年无水，平原区17条主要河流1980年以来平均河干天数高达336天，“有河皆干”是受水区平原大范围河道断流的真实描述。以“华北明珠”白洋淀为代表的湖泊洼淀萎缩严重，湿地面积较20世纪50年代减少了90%以上，部分湿地已干涸或辟为农田，只有在大水年份调蓄洪水。白洋淀自70年代以来，已有15年干淀，特别是1983—1988年连续6年干涸，出现了“航道行车，淀底打井”的怪现状。海河南系除1996年大水年有26亿m3的入海水量外，其余年份几乎无水入海，其洪水有“五年不出山，十年不入海”的譬喻，已远远不能满足河口冲淤和沿海滩涂生态环境的需要。地下水超采也是全国最严重的地区，平原地下水漏斗连片发展成为“地下水盆地”，是“全球最大的地下水漏斗”。

所以，针对南水北调受水区环境不断恶化的局面，在东线和中线一期工程即将建成通水的情况下，适时开展受水区城市返还挤占生态用水是改善生态环境、修复治理生态环境建设和生态文明、促进社会经济可持续发展、实现社会、经济、环境综合效益的迫切需要。

1.1.4.4　发挥南水北调供水效益、实现规划目标的需要

根据国务院批复的《南水北调工程总体规划》（以下简称《总体规划》），南水北调工程的近期供水目标主要是城市生活和工业用水，同时兼顾农业和生态用水，在南水北调工程通水后通过置换方式逐步返还城市生活和工业（以下简称“城市”）挤占的农业和生态用水。

国务院批复的《总体规划》明确南水北调工程是跨流域、跨省市的特大型水利基础设施，具有公益性和经营性双重功能。南水北调东中线一期工程的建成将直接增加受水区城市和工业的供水量，提高城市的供水保证率，为受水区返还农业用水提供条件。南水北调工程建成通水后，可利用南水北调的供水置换城市和工业挤占的农业用水和生态水量，把挤占水量返还给农业和生态。因此实施农业与生态水量的返还，也是发挥南水北调工程综合效益，实现《总体规划》目标的需要。

1.1.5　跨流域调水工程涉及的主要技术经济问题

1.1.5.1　技术方面

跨流域调水是一个跨学科的重大工程项目，涉及技术、经济、管理等众多复杂的问题。主要包括：

（1）“可调水量”问题，它是跨流域调水最核心的问题。受水区往往过分强调供水补给而忽视了对用水实际需求的研究，调水区则容易过多地强调本地区社会经济发展的相对重要性，而增大本地区未来的用水需要量。严格地说，要确定跨流域调水的“可调水量”，应当在可持续发展的思想指导下，把调水区与受水区祸合成一个统一的跨流域水资源大系统，建立系统的社会－经济－环境－资源综合发展模型，并根据系统最佳综合效益原则予以确定。由此可见，“可调水量”应是反映系统内水资源最佳配置的综合指标，既要考虑调水区的可供水能力，也要考虑受水区的利用效率，因而是一个十分复杂的技术问题。

（2）经济合理的输水工程规模问题（如各渠段的设计流量、加大流量以及纵横断面等）。

（3）工程范围内调蓄设施的工程布局及其相应的蓄水容积大小问题。

（4）输水沿线所涉及的渠系建筑物和交叉建筑物的形式、结构、规模大小等问题。

（5）提水泵站的合理规模和级配，以及提水泵站群联合运行的优化调度和实时调度的方法及规则等问题。

（6）水质环境的监控、测试、防治技术和设施，以及建立有效的水质环境监测和管理系统问题。

（7）工程建设和运行管理的管理信息系统及其决策支持系统等问题。

1.1.5.2　社会经济方面

跨流域调水会涉及许多社会经济方面的问题，也会对社会经济产生诸多方面的影响。进行跨流域调水规划管理决策，需具体研究如下问题：

（1）研究社会主义市场经济体制下跨流域调水的有偿供水原则和价格管理体系。

（2）研究建立与社会主义市场经济体制相适应的跨流域调水工程运行管理机制。

（3）研究工程运行管理过程中出现争水矛盾与利益冲突问题的处理方法。

（4）研究水质保护的政策、法规及监督机制。

（5）研究水权转移的法制法规建设和对调水区水量的经济补偿政策。

（6）研究兴建跨流域调水工程的集资政策与投资分摊政策等。

（7）研究工程建设的管理模式，包括明确建设管理的层次结构及其相应的职能，拟定分期建设计划等。

（8）研究跨流域调水与节水、节能、能源开发、水资源保护和管理等方面的战略关系等。

（9）研究决策者的权力结构及其偏好习惯的变化动态。

（10）研究工程决策的时机问题，包括研究工程迫切需要建设的程度，国家社会经济的发展形势，各方面（如中央、地方和个人）的经济承受能力，有关流域和地区认识上的一致性程度，工程本身研究深度和广度是否符合建设发展的要求，施工和管理等方面的技术条件是否可行等等（姜国辉，2008）。