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水资源管理

引江补汉工程的初步设想

2018年08月14日  来源: 徐少军 李瑞清 常景坤

1  前言

至2017年12月12日,我国南水北调中线一期工程已运行3年,累计向北方供水108.6亿m3,对缓解北方用水紧张局面、支撑经济社会发展发挥了巨大作用。然而,随着我国经济快速发展,城镇化进程加快,京津冀协同发展战略的实施、雄安新区的设立以及引汉济渭工程的建设等,使得南水北调中线一期工程的外部条件发生了变化,给中线一期工程供水提出了更高的要求。同时,作为中线工程水源地的汉江近些年连续遭遇枯水年,在中线一期工程达产后,其水资源开发利用率将超过阈值,汉江流域水资源面临严峻形势。南水北调中线工程作为我国一项战略性工程,还担负着远期向北方供水的任务。为最大限度地发挥南水北调中线工程的作用,实现中线工程和引汉济渭工程的近期、远期的调水目标,服务京津冀协同发展战略、长江经济带发展战略,保障雄安新区用水需求,改善汉江中下游供水条件,实施引江补汉工程从长江引水补充汉江是十分必要且紧迫的。

2  工程建设的必要性

2.1  保障南水北调中线一期工程供水安全

南水北调中线一期工程通水以来,工程已惠及北京、天津、石家庄、郑州等沿线19座大中城市,5310多万居民喝上了南水北调水。北调水已成为北京、天津、石家庄、郑州等沿线城市的日常生活主要水源,北京市用水量已接近或达到中线一期工程分配的设计规模。2017年,中央决定设立雄安新区,目前考虑主要利用北调水。2017年11月2日,在国务院南水北调工程建设委员会第八次全体会议上,张高丽强调,南水北调工程要服务京津冀协同发展、长江经济带发展等重大战略,保障好雄安新区建设发展用水需求,要深入研究论证,有序推进后续工程建设准备工作。因此,在中线一期工程供水范围不断扩大,供水对象的重要程度越来越高,且日益成为沿线一些大、中城市的主要水源时,对供水的水量和供水保证程度都提出了很高的要求。

因丹江口水库年际年内来水不均导致北调水供水不均匀,原《南水北调中线工程规划》(2002年)规划受水区北调水主要作为补充水源进行配置,多年平均调水量95亿m3,是丰水多调、少水少调的均值,原规划枯水年份仅60亿m3左右,95亿m3调水量无保证率的要求。因此,现状沿线大中城市将北调水作为日常生活的主要水源已超出原设计北调水主要作为北方补充水源的范畴,现状中线一期工程供水保证程度尚不能满足大中城市供水的要求。

随着经济社会发展,京津冀等北方用水需求还将不断增加,迫切需要提高供水稳定性和保障程度。在目前丹江口水库来水减少、上游水资源利用开发加大、下游生态环境用水要求增加的背景下,预计今后可调水量将呈下降趋势。实施引江补汉工程,长江和汉江连通后,水资源配置、供水调度将更加灵活,可以提高中线一期工程的供水稳定性和保证程度,特别是汉江遇到枯水年或连续枯水年时,其作用更加明显,对保障中线一期工程的供水安全、支撑京津冀协同发展和雄安新区建设具有十分重要的战略作用。

2.2  汉江流域水资源开发利用率临近阈值 

水资源开发利用率是指流域或区域用水量占水资源总量的比率,体现的是水资源开发利用的程度。按照国际经验,当利用率超过40%时,即表明严重缺水,水可能制约经济发展,并导致社会稳定和环境安全问题。

目前,汉江丹江口水库坝址以上已规划实施的工程有南水北调中线一期工程、引汉济渭工程、鄂北水资源配置工程。据统计,丹江口坝址多年平均(1956—1998年系列)来水387.8亿m3,预测至2020年,该断面以上河段水资源开发利用率达40%;2030年将超过40%的阈值,达到42%,汉江黄家港以上水资源开发利用已无压缩空间。考虑整个汉江流域,至2020年,汉江流域水资源开发利用率将达到47%左右,已超出通常40%的水资源开发利用率上限,届时汉江中下游现已存在的水资源、水环境问题将会更加突出。因此,为保障黄家港以下河道功能,为大多数水生生物在主要生长期提供优良的栖息条件,需解决水资源短缺的问题。

受全球气候变暖影响,汉江近年出现枯水。丹江口水库上游降水,从20世纪80年代多雨期进入90年代少雨期,1991年—2003年为枯水期,径流量比1953—2003年多年平均少81.30亿m3,减小幅度达21%,以1999年最枯,径流量仅165亿m3。因此,汉江流域水文情势变化,势必影响中线工程的调水量和丹江口水库的补偿下泄水量。

2.3  实现南水北调中线工程和引汉济渭工程调水目标的需要

2002年12月,国务院批复的《南水北调工程总体规划》明确南水北调中线工程分两期建设:一期从加高的丹江口水库向北方调水95亿m3,二期规划2030年向北方调水130亿m3,提出了“先引汉、后引江”的水源工程建设方案。2012年12月,国务院批复的《长江流域综合规划(2012—2030年)》明确提出:“至2030年,根据经济社会发展需求,适时开展东线、中线后期工程和南水北调西线工程建设;结合中线后期工程建设,考虑从长江干流引水补充汉江”。对陕西省引汉济渭工程,其后期是在实施引江补汉工程的前提下,增加调水量5亿m3至15亿m3

2013年以来,水利部组织开展了南水北调中线工程补充规划。根据《南水北调中线工程补充规划》研究成果,2030水平年在中线一期陶岔渠首加大流量420m3/s的约束下,仅依靠从汉江丹江口水库调水难以满足中线工程受水区2030水平年的需水要求,且有的用户保证率非常低,也将对汉江中下游产生较大的影响,需同步实施引江补汉工程。

因此,有限的汉江水资源无法满足日益增长的用水需求,为实现南水北调中线工程和引汉济渭工程调水目标,实施引江补汉工程,从长江调水补充汉江是十分紧迫的。

2.4  优化我国水资源布局的战略选择 

三峡水利枢纽坝址集水面积100万km2,多年平均地表水资源量4510亿m3。三峡水库、丹江口水库作为我国两个重要的战略水源地,在我国经济可持续发展中具有重要战略作用。通过实施引江补汉工程,尽最大可能提高从长江向汉江的补水量,将进一步拓展与延伸三峡工程的综合效益,增加我国南北水资源配置的又一条大通道,使长江与汉江以及我国广阔的北方受水区有机地联系起来,大大提高区域的水资源承载能力,是优化我国水资源布局的战略选择。

2.5  实现湖北“千湖之省,碧水长流”目标的需要

2.5.1  保障汉江中下游地区用水需要

汉江中下游地区为湖北省经济、社会和文化核心区,随着用水需求不断提高,区域水资源供需矛盾日益突出。丹江口下泄水量减少不可避免影响汉江中下游经济社会发展和生态文明建设。自2014年一期工程未达产调水以来,就遭遇连续枯水年,为保证向北方供水,丹江口水库调度向汉江中下游多数时段难以达到最小下泄流量490m3/s的要求,2014、2015、2016年未达到490 m3/s的时段分别高达60%、30%和60%以上,最小下泄流量不足300 m3/s,给汉江中下游经济发展、生态环境和人民生活带来诸多不利影响。近年来,汉江中下游由于来水减少及水污染等原因,在冬春季节频繁发生“水华”现象,且有向兴隆河段以上蔓延的趋势。即在中线一期调水未达产情况下,汉江中下游水资源供需矛盾已较为突出。

在中线一期工程达产后,将减少丹江口至兴隆河段来水量约18%~25%,多年平均下泄流量减少约300 m3/s,使得兴隆以上河段的来水量大幅减少。且随着干流的梯级开发,建库后库内流速减小,将大大降低丹江口至兴隆河段的水环境容量。引汉济渭调水工程的实施,将对汉江中下游将产生叠加影响,进一步降低汉江中下游的水资源承载能力,使得湖北省汉江中下游原已存在的水资源供需矛盾将更加突出。

2.5.2  保障江汉平原周边丘陵地区用水需要

湖北省鄂北、鄂中丘陵区为降水、径流低值区,水资源短缺,给区域经济发展形成较大制约。虽然建设了鄂北地区水资源配置工程,但尚不能解决鄂中丘陵区和江汉平原周边丘陵地区的水资源短缺问题。湖北省汉江以西的宜昌、荆门、襄阳丘陵区,涉及宜昌市城区、夷陵区、当阳市、枝江市、远安县,荆门市东宝区、掇刀区、钟祥市、沙洋县,襄阳市南漳县、谷城县、宜城市、襄城区等区域,面积约1.4万km2,总人口约490万人,耕地面积约33.33万hm2,是湖北省水资源较短缺的地区,随着城镇化进程和工业化的加快,用水需求不断增加,现有水源难以满足用水需求,水资源供需矛盾突出。由于水资源短缺,水资源承载能力较低,生活、生产挤占生态用水现象突出,区域水环境恶化。

引江补汉工程若采取太平溪自流引水方案,即从三峡水库左岸太平溪引水,修建绕宜昌、荆门、襄阳丘陵岗地的高引水渠自流至丹江口水库坝下,通过减少丹江口水库下泄水量来保障向中线供水,在满足南水北调中线工程和引汉济渭工程近、远期调水目标,解决湖北省汉江中下游干流用水需求的前提下,还能兼顾解决线路沿线湖北省鄂中丘陵地区宜昌、荆门、襄阳以及江汉平原周边地区的水资源战略需求。

2.5.3  为其它水资源配置工程提供水源

为实现湖北省“千湖之省,碧水长流”的目标,保障汉江流域可持续发展,湖北省确立了“三横两纵”的水资源配置总体格局,引江补汉工程作为“三横两纵”水资源配置总体格局中的关键“一纵”,可为“三横”中鄂北地区水资源配置工程、中国农谷水系连通工程和一江三河水系连通工程提供水源保障,增加鄂北地区水资源配置工程的引水量,最大限度发挥该工程的作用。因此,引江补汉工程是湖北省“三横两纵”的水资源配置的关键工程和骨干工程,关系到湖北省“千湖之省,碧水长流”目标的实现。

不管是从优化国家水资源配置格局,实现南水北调中线工程目标,还是从提高汉江流域水资源承载能力,实现湖北省“千湖之省,碧水长流”的目标角度,实施引江补汉工程都是十分必要且十分紧迫。

3  工程规划思路

引江补汉工程从三峡水库取水,引水量40亿~60亿m3,只有三峡水库来水量的1.0%左右,引水对三峡水利枢纽和长江中下游影响可以忽略不计,工程在当前的技术条件下是可行的。

工程规划要贯彻落实党的十八大、十九大精神,贯彻落实“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念和习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”重要治水思想,坚持调水工程的“三原则”和“南北两利、共同发展”原则等,将工程建设成为经济、生态和环境效益显著,经得起历史检验的生态、绿色工程,以水资源的可持续利用支撑经济社会的可持续发展。

统筹兼顾水源区和受水区用水需求,在不影响长江中下游生态、航运等用水,北方受水区充分挖掘节水潜力的前提下,适当引水以补充汉江,以提高汉江流域水资源承载能力和向北方供水的保障程度和供水量。

本着创新、协调、绿色、开放、共享的五大发展理念,工程规划应注重对生态环境的保护,结合地方需求,建设绿色低碳、功能完备、效益最大、能良性运行的绿色工程。首先服从和满足国家水资源配置战略,兼顾解决湖北省的用水需求。另外,原中线规划丹江口水库的供水顺序为优先满足汉江中下游的用水需求,确定丹江口水库的最小下泄流量一般为490 m3/s,为改善汉江中下游的水环境条件,引江补汉实施后,可适当提高丹江口水库的最小下泄流量至550m3/s。

按照五大发展理念的要求,湖北省经过认真研究和比选,初步确定引江补汉工程湖北省境内主要方案有太平溪自流引水方案和神农溪提水方案。太平溪自流方案自三峡库区左岸太平溪镇取水,沿宜昌、荆门、襄阳丘陵岗地修建引水隧洞,全线自流入丹江口水库坝下王甫洲水库,线路全长约265km。神农溪提水方案是从三峡库区神农溪罗平湖提水约400m,经过长约60km的隧洞引水至堵河上游龙背湾水库。

太平溪自流引水方案采用全程自流引水,取水口位于三峡水库左岸太平溪,进口设计水位145m,出口位于丹江口水库坝下的王甫洲库区右岸,出口设计水位88m。工程沿程绝大部分为隧洞,仅在少数河流、公路处兴建渡槽或倒虹吸,隧洞长度占95%以上,隧洞最长段约28km。工程设计引水流量200m3/s,拟采用2条10m洞径的隧洞进行输水,年最大补水能力约60亿m3。初步匡算工程投资约240亿元。

神农溪提水方案按布置方式又可分为“两库三站”方案和“一库一站”方案,本文暂比较两库三站方案。即在原神农溪干流梯级开发的基础上,结合引江补汉,规划在白磷岩下游新集茶园桥水库(400m)、杨家坝坝址下游新建盐池河水库(280m)。从三峡库区的神农溪镇下游约5km左岸罗平湖建一级提水泵站、以及杨家坝二级提水泵站、玉头沟建三级提水泵站,进行逐级提水,先后进入盐池河水库、茶园桥水库,最后经39.9km隧洞流至房县九道梁入官渡河龙背湾水库(520m)。设计提水流量200m3/s,年提水量31.53亿m3。工程采用隧洞输水,分3段,总长57.5km,最长段39.9km,泵站提水扬程388.76m,其中单级泵站最大提水扬程144.95m,泵站总装机1236MW,抽水耗电量42.88亿kW·h,工程总投资180.14亿元(2014年)。

比较两方案的技术经济性(见表1):神农溪方案将减少三峡发电量7.93亿kW·h,将减少的发电量视作耗电量,减去堵河梯级新增的电量后,该方案净增耗电量27.42 kW·h;而太平溪方案仅减少三峡、丹江口的发电量分别为7.93和3.0亿kW·h,较神农溪方案年节省电量为16.5亿kW·h。若计入泵站的维修等费用,则节省的运行费用更多。将两方案的总费用进行折现,则神农溪、太平溪两方案的总费用现值分别为255.5亿元和227.8亿元,以太平溪方案技术经济性较优。

表1  工程技术经济指标比较

项目

单位

神农溪方案(两库三站)

太平溪自流方案

设计流量

m3/s

200

200

泵站年抽水量

亿m3

31.53

31.53(自流)

平均扬程

m

388.76

 

输水隧洞长度

km

57.5

265

工程总投资

亿元

180.14

240.00

泵站抽水耗电量

亿Kw·h

42.88

 

新增堵河梯级电量

亿Kw·h

23.39

 

堵河梯级扩机投资

亿元

25.73

 

减少三峡、丹江口发电量

亿Kw·h

7.93

10.93

净增耗电量

亿Kw·h

27.42

10.93

总费用现值

亿元

255.5

227.8

从施工和工程技术难度来比,神农溪方案涉及大埋深、大流量、长隧洞施工,还涉及大流量、高扬程、大装机泵站制造,工程技术难度较大;而太平溪方案虽隧洞较长,但最长洞段仅28km左右,隧洞规模均为目前常见类型,易施工,工程技术难度小。

从环境和移民影响来比,神农溪方案涉及自然保护区,存在环境制约因素,且新建水库涉及较多移民安置;而太平溪方案不存在环境制约因素,方案多为隧洞,工程占地和移民很少。

与提水方案相比,太平溪自流方案在同等设计流量的前提下,引水量更大,受益范围更大,除能满足提水方案目标外,还能兼顾解决引水线路沿线湖北省鄂中丘陵地区宜昌、荆门、襄阳以及江汉平原周边地区的水资源战略需求。

总之,太平溪自流方案具有运行成本低、技术难度小、工程占地与移民少、受益范围大、无环境制约因素等优点,同时工程全部在湖北省境内,易协调,有利于工程顺利实施。因此,引江补汉工程建议重点研究该方案。

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