南水北调西线工程关键技术问题的分析

南水北调西线工程关键技术问题的分析 摘要：南水北调西线工程的可调水量、工程方案和受水区供水，是三个主要工作内容，也是三个关键技术问题。确定可调水量的一个基本点，就是坚持水资源可持续利用的原则，优先考虑调水区远景年的实际需水量，剩余的水量再考虑外调#第一期工程方案的关键技术就是如何开凿深埋长隧洞，掘进机的采用使得这一问题得到解决。供水对象优先考虑生态用水，然后是城镇用水和工业用水，最后是农业用水。可调水量分析和供水对象、供水范围分析，都融入了保护和改善生态环境的内容，这说明生态环境建设在西线调水中占据着重要地位，也表明研究调水工程在观念和思路上的转变。 关键词：可调水量 工程方案 受水区供水 南水北调西线工程 2001年5月2729日，水利部组织专家审查通过了南水北调西线工程纲要及第一期工程规划，同意报告提出的西线工程分三期实施的方案，即先实施第一期工程，再逐步实施第二、三期工程。根据水利部的安排，按基本建设程序，第一期工程于(2001年7月转入编写项目建议书阶段，在2005年提交项目建议书报告。现就西线工程的三个关键技术问题进行简要分析。1 可接受调水量分析我国水资源在地区上分布不均衡，南方水多，北方水少。从水量丰沛的长江调水到缺水的黄河，这个总体思路是正确的，然而对调水河流而言，也不能把水调干调尽，要考虑到调水河流的生态平衡、水资源承载能力和水环境承载能力。据此，确定调水河流可调水量的一个基本点就是坚持水资源可持续利用的原则，优先考虑调水区远景年的实际需水量，包括工农业需水、人畜用水、生态用水等，剩余的水量再考虑外调。规划南水北调西线工程从长江上游通天河末端，即金沙江起始段调水80亿m3，从雅砻江干流及两条支流调水65亿m3，从大渡河的3条支流调水25亿m3。调水量与调水河流多年平均径流量的比例：占金沙江渡口570亿m3的14.0%，占雅砻江河口604亿m3的10.7%，占大渡河河口495亿m3的5.0%。从三条河调水170亿m3，占所在河流河川径流量的5%14%。对一条河而言，调多少水才算适度呢？当前，还没有明确的标准，不过国际通常认为一条河的用水率以不超过40%为宜。三条调水河流域的用水情况：调水区处于特殊的地理位置，人烟稀少，社会经济不发达，现状工农业用水及生活用水等用量不大，用水主要在河流下游，特别是河口地区。预测2030年，三条调水河流域工农业及生活等需水量占全河河川径流量的5%7%，因此，从调水河流上游调取5%14%的水量，三条河仍有足够的河川径流量，可以满足下游社会经济发展对水的需求，故此调水量称作可接受调水量。然而，就引水点而言，调水占引水坝址处河川径流量的比例却较大，达65%70%。也就是说，调水后引水坝址下游河道的水量，只有原水量的30%35%。这个下泄量是否能维持该河段生态系统的平衡，就需要研究并估算坝址下游河段的生态环境用水量。生态环境用水是指用于保护和改善环境质量所需要的水量。目前，河道生态环境用水量的确定"还没有统一的计算方法，不同国家、不同地区、不同河流的自然条件和生态环境状况都有所不同。北京师范大学环境科学研究所与水科学研究所推荐了两种计算方法：第一种是用河道枯水流量的百分比确定；第二种是用Tennant法确定#后者是目前美国使用的一种方法。鉴于西线调水河流的特殊性，这里仅简述河道枯水流量法。依据调水河段特殊的高山峡谷地形和年降雨量700mm左右的相对较多的雨量以及流量的年际变化较小，枯水期流量相对比较稳定等较好的条件，选用坝址多年系列的最小月均流量作为基准，年内各月生态需水取该流量的60%。计算表明，生态环境需水占多年平均最小月流量的42%左右。通过水库数、入库水量、水库蒸发、渗漏水量、水库上游需水量、下泄水量、河道生态用水量等参数公式的运用和库容、输水工程输水能力、最小下泄流量!供水保证率等约束条件的换算，得出三条河引水坝址处可接受的调水量为171亿m3，与规划调水量170亿m3基本相符。2 第一期工程方案的可行性分析第一期工程地处青藏高原东南部，海拔3500m左右，位于四川省甘孜县到阿坝县一带。工程方案由“五坝七洞一渠”组成。“五坝”坝高63123m，初步推荐坝型为适合当地材料的混凝土面板堆石坝；穿越巴颜喀拉山的输水入黄河隧洞长244km，分为7段，开凿人工支洞后，最长施工洞段长37km，洞线上覆盖山体厚度（即埋深）300600m，最厚达1150m；“一渠”为一段明渠，长16km。2.1 筑坝技术从筑坝技术看，我国对各种坝型的建筑技术已趋成熟。20世纪80年代以来，开始重视和推广混凝土面板堆石坝坝型。这种采用当地石料，分层振动碾压堆石的施工方法，使坝体密实，面板较少出现裂缝，防渗效果也好，具有断面小，安全性好，施工简便!造价低的特点。当前，大型、多功能、高效施工机械的应用大大提高了施工质量，加快了施工进度，降低了工程造价。我国在广西与广州交界处的南盘江上于1999年建成混凝土面板堆石坝的坝高为179m，在海拔2900m处于1999年建成的青海黑泉面板堆石坝坝高为123.5m，最近才开工建设的湖北清江水布垭混凝土面板堆石坝坝高233m。这说明!在筑坝技术方面，西线工程虽有海拔3500m地区的气候寒冷问题，但从当今的施工技术看!完全有措施解决。2.2 开凿长隧洞技术开凿长隧洞技术，在20世纪80年代以后发展迅速。开凿短隧洞，一般采用打眼、装炸药爆破，即常规的钻爆法。随着开凿长隧洞技术的发展，已采用适用于硬岩的开敞式掘进机施工法，以及适用于软岩、土砂层隧洞施工的盾构掘进机施工法。掘进机技术的特点是：高度机械化、专业化施工，掘进、出渣、衬砌、灌浆等工序一次完成，进度快、质量好。近年来掘进机广泛采用电子、信息技术，对全部作业进行指导和监控。欧洲隧道，即英吉利海峡隧道，在掘进过程中，安装约200部仪表，工程技术人员每天读取数据120个，运用计算机分析掘进机的运转效果，指出机械和电器存在的问题，从而明确机械维修保养的目标!使掘进机的时间利用率提高到90%，整个系统的时间利用率达60%。若使掘进机在掘进过程中始终处于最佳状态，其掘进速度一般为钻爆法的810倍，甚至更高!最佳日进尺可达150m以上。从隧洞施工段的长度看，我国已建成的甘肃引大入秦30A输水隧洞长11.6km，成洞洞径5.5m；西康铁路秦岭隧道长18.4km，成洞洞径7.6m。国外已建成的英吉利海峡海底高速铁路两条平行隧道，即欧洲隧道，每条长38km，成洞洞径7.6m；正在施工的瑞士圣哥达高速铁路两条平行隧道每条长57km，成洞洞径9.6m。这些长隧洞的特点：1 采用掘进机开凿。秦岭隧道采用开敞式掘进机，欧洲隧道和引大入秦30A隧洞采用盾构式掘进机。2 埋深大。欧洲隧道在海水面以下平均40m，最深达130m；圣哥达隧道上覆盖山体最厚近3000m。3 没有条件开凿人工支洞。仅圣哥达隧道在山体上人工开凿了一个直径12m、深800m的竖井。上述特点说明，无论是通过山体或水下的长隧洞，也无论硬岩或软岩，运用掘进机开凿，技术上都可行。第一期工程输水隧洞通过的围岩主要为砂岩、板岩或砂板岩互层，岩石抗压强度30100Mpa，属中等硬度，有利于掘进机的开凿。虽然，当地气候寒冷缺氧，地质条件复杂，需要认真研究开凿隧洞可能出现的问题和需要采取的措施，但是类比国内外已建工程，开凿最长37km隧洞段以及其他各施工洞段，技术上是可行的。 3 供水对象和供水范围分析第一期工程调水40亿m3入黄河，现就规划的供水对象和供水范围进行分析。供水对象：生态环境用水，城镇生活和工业用水，兼顾农业用水。供水对象把生态环境用水放到了第一位，这不是说其他供水不重要，而是考虑了地处黄河上中游地区的自然地理特点不同于其他地区。该地区年降雨量一般200300mm，干旱少雨，水资源严重缺乏，已成为社会发展的重要制约因素。随着人口的增加和大规模的生产建设活动，使本来就十分脆弱的生态环境恶化加剧。当前，西部大开发建设加快，人类对自然的索取还要不断增加，生态环境的压力会越来越大，因此，西线调水首先要考虑为保护和改善生态环境供水。供水范围：规划了向大柳树供水区、渭河地区和黄河干流补水。大柳树供水区地处陕、甘、宁、蒙四省（区）的干旱地带，该区有3万多hm2的辽阔土地，而且地形平坦，是我国开发条件较好的后备土地资源之一。该地区毗邻腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙漠，风沙的蔓延和人为不合理的活动致使该地区部分土地沙化，生态失调，急需采取治理措施来有效地控制沙漠的侵蚀。规划向大柳树供水区供水20亿m3，使这片有水则绿洲、无水则荒漠的广袤干旱土地得到水源，植树种草，同时发展生态农业，扩大环境容量，扩展人的生存空间。使居住在山区的人们迁居到这片得到供水的平原区，建设新的定居点或村镇，不断改善这片适宜于人类生存的绿色土地，遏制沙漠的蔓延。规划供水10亿m3给渭河地区，使渭河增添良好水质的新水源，改善渭河地区的缺水和水污染状况，使已有雄厚经济基础的陕西关中地区更快地向前发展。规划供水10亿m3补给黄河干流!这样做考虑了两点：一是黄河上游地区支流用水较多，减少了入黄水量；二是黄河上中游地区广泛开展的水土保持治理工作，增加拦蓄降水资源的能力，提高降水资源的利用率，减少了入黄水量。向黄河干流补水，既可满足支流用水和水土保持用水，又能维持河道的生态基流。4 结语可调水量：工程方案和调水入黄河后受水区的水资源优化配置，是南水北调西线工程的三大主要工作内容，也是三个关键技术问题。可接受调水量和供水对象、供水范围的分析，都融入了保护和改善生态环境的内容，这说明生态环境建设在西线调水中，占据着重要地位。另外!这一点也说明研究调水工程在观念和思路上的转变。开凿长隧洞，对使用掘进机进行了阐述和类比，掘进机就像一座具有当前最新科学技术的地下工程现代化工厂，流水作业、自动化程度高，而且还能根据不同的地质条件，设计不同功能的掘进机，从而使西线工程开凿长隧洞这一关键技术问题得到解决。转贴于 9