對長江沿海岸線北延伸進(jìn)行南水北調(diào)的工程可行性研究

周希圣

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海市 201103）

1　概述

隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北方缺水的情況日益嚴(yán)重。中國社科院關(guān)于我國北方缺水形勢的估計(jì)中，到2050年，北方每年缺水總量達(dá)2 028～3 000億m3。為解決缺水問題，許多地區(qū)通過開采地下水補(bǔ)缺，北方地區(qū)每年開采總量約在850億m3以上。同時(shí)，根據(jù)近期近海海洋環(huán)境資源調(diào)查，我國沿海地區(qū)水資源短缺亦日益嚴(yán)重，近90%的城市存在不同程度缺水問題，尤以北方城市嚴(yán)重。

為解決北方缺水問題，我國已實(shí)施的東線和中線調(diào)水工程，其調(diào)水能力分別僅有100億m3、130億m3，僅能解決沿線40多座城市的生活及工業(yè)用水問題，而農(nóng)業(yè)、環(huán)境等占水用量的80%以上淡水需求問題，借助現(xiàn)階段方案很難解決，與北方巨大的用水需求仍存在巨大的差距。正在論證的西線調(diào)水工程從長江上游干支流引水到黃河上游，調(diào)水都在高山峽谷地區(qū)進(jìn)行，海拔高，施工材料缺乏，難度極大，交通不便，投資巨大，并有可能給上游帶來不可估量的環(huán)境影響而存在非常大的爭議[1-16]。

2　工程建設(shè)方案設(shè)計(jì)

本文提出將長江沿海岸線圍堰北延伸的設(shè)想，利用現(xiàn)有的黃海、渤海海防大堤，在外側(cè)增設(shè)另一壩體，這樣，新老壩體間形成一條強(qiáng)大的水力通路并進(jìn)行調(diào)水。長江年均入海水量約1萬億m3，可將其5%的淡水引至北方，解決我國北方中東部地區(qū)缺水問題。

2.1　線路選擇

（1）全海域方案

由崇明入?？谥螄?，經(jīng)南通、鹽城、連云港、日照、青島、威海、煙臺(tái)等，進(jìn)入渤海，最終在渤海灣區(qū)域圍堰，形成全部海上線路的方案。該方案線路總長約1 300 km，實(shí)施過程中，全部利用現(xiàn)狀海岸線，全海岸線方案見圖1。

（2）海陸結(jié)合方案

由崇明入?？谥螄撸?jīng)南通、鹽城、連云港、日照、諸城、濰坊、東營后，由萊州灣進(jìn)入渤海，向西北方向延伸，到達(dá)渤海灣。在陸基段，對現(xiàn)狀濰河向南延伸約60 km，由諸城到達(dá)日照，并對現(xiàn)有河段進(jìn)行加深和拓寬改造，滿足設(shè)計(jì)通水能力。該線位總長約900 km。

2.2　工程地質(zhì)條件

黃海平均深度44 m，最大深度位于濟(jì)州島北側(cè)，為140 m。山東半島為港灣式沙質(zhì)海岸，江蘇東、北部沿岸則為粉砂淤泥質(zhì)海岸。沿岸區(qū)以細(xì)砂為主，間有礫石等粗碎屑物質(zhì)，近岸多灘涂、沙地，水深非常淺。

渤海為東北-西南向的淺海，海底地形從三個(gè)海灣向渤海中央及渤海海峽方向傾斜，坡度平緩，平均坡度為0°0′28′′，平均水深18m，最大80 m。在海河和遼河河口附近，由于河口水下三角洲的堆積作用，5 m等深線分別為30 km和45 km。

總體上，在黃海和渤海近岸區(qū)域，海底地形平緩，10 m等深線距現(xiàn)狀岸基在數(shù)千至數(shù)十km以外，該深度范圍進(jìn)行筑壩等施工技術(shù)成熟。

圖1　北延伸工程總體線位布置示意圖

2.3　潮汐能利用

受月球、太陽的引力作用，全球海洋潮汐呈規(guī)律性變化，每天有約兩個(gè)漲落潮的周期性變化，完成一次漲落平均約需12 h 25 min，每日向后延遲50 min。圖2是上海崇明南堡鎮(zhèn)2017年8月27日潮汐變化情況，全天最高潮400 cm，最低103 cm，超過300 cm的潮高總時(shí)長約為8 h 45 min。經(jīng)對南堡鎮(zhèn)8月份潮汐變化統(tǒng)計(jì)，全月有27 d的每日8 h以上潮位超過3.00 m。如果在該位置構(gòu)建取水口，其頂標(biāo)高為+3.00 m，則每天有1/3的時(shí)間，潮水淹沒過取水口。若在高潮位取水，低潮位關(guān)閘，并與下游河床形成一定落差，則可實(shí)現(xiàn)自流狀態(tài)下的淡水資源的北調(diào)。

圖2　長江口潮汐變化情況

類似工程案例為上海青草沙水庫。其取水口日常標(biāo)高控制在2.00 m以上，水庫平常借助自流運(yùn)行，水位在2.00～4.00 m間變化，咸潮來臨前，關(guān)閉進(jìn)水閘，借助200 m3/s的水泵機(jī)組提升庫內(nèi)水位至+6.00 m，以保證全年有約68 d咸潮期的穩(wěn)定供水。

從上海長江入?？诘讲澈硟?chǔ)水區(qū)的總長度約1 000 km，理論上，只要存在水頭壓差，就會(huì)發(fā)生水力流動(dòng)，而且壓差越大，其流動(dòng)速度越快。根據(jù)長江海事局水位公告，2017年8月30日11點(diǎn)，長江沙市的水位為5.10 m，鎮(zhèn)江的水位為3.32 m，其距離接近1 000 km，水位差約1.8 m。為此，如果渤海灣儲(chǔ)水庫與長江入海口的水位落差接近2 m，可通過人工開挖方式實(shí)現(xiàn)，則淡水資源可在重力流狀態(tài)下北調(diào)。

2.4　長江入?？谌∷O(shè)計(jì)

在長江入海口上游適當(dāng)位置建設(shè)取水口，再通過隧道將淡水輸送到新建設(shè)的輸水圍堰內(nèi)，取水系統(tǒng)包括取水泵閘井、隧道、排水井等三部分，見圖3。取水泵閘井布置在青草沙水庫區(qū)域外上游適當(dāng)位置，以減少咸潮的影響，其底標(biāo)高為+3.00 m，頂標(biāo)高參考青草沙水庫壩體高度，為+9.20 m。正常情況下，泵閘井位置的閘門處于開啟狀態(tài)，水位超過3 m后自流入取水井，經(jīng)隧道，由排水井流入沿海新造人工運(yùn)河（江）內(nèi)進(jìn)行調(diào)水。在枯水期間，為避免咸潮入庫，根據(jù)監(jiān)測及預(yù)報(bào)，提前關(guān)閉閘門，開啟水泵，按需向庫內(nèi)提升補(bǔ)水。

圖3　取水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

取水隧道采用大直徑盾構(gòu)施工，以提高調(diào)水能力。對于內(nèi)徑為15 m的盾構(gòu)隧道，其工作井（取水泵閘井）平面凈尺寸約20 m×20 m左右。

假設(shè)輸水主通路正常運(yùn)行水位為+2.00 m，取水口潮位高為+3.00～4.00 m，則隧道內(nèi)的水流速度：

式中：P1、P2分別為進(jìn)出水口壓力；z1、z2分別為進(jìn)出水口液位高度；v1、v2分別為初始及最終速度。

經(jīng)計(jì)算，按照落差為1～2 m計(jì)算，隧道內(nèi)的水流速度約在4.47～6.26 m/s。則直徑為15 m的隧道依靠自流，每小時(shí)的調(diào)水能力約為284～398萬m3。每天按8 h計(jì)，則每條隧道的年自流輸水能力約為100 億 m3。

在北端調(diào)水的主通道內(nèi)施工接收井，接收井的頂標(biāo)高控制在+1.00以下，以使取排水井間形成一定的壓差，三單體一起形成一組取水系統(tǒng)。

2.5　沿海輸水堤壩設(shè)計(jì)

壩體設(shè)計(jì)須考慮輸水能力、高度、寬度、防滲及須實(shí)現(xiàn)的功能等，并且壩體兩側(cè)都須進(jìn)行防沖刷設(shè)計(jì)。

（1）輸水能力設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)條件及黃海渤海的海底地形條件，其近海岸段地勢非常平緩，因此，筑壩距現(xiàn)狀海防大堤的距離直接控制了輸水能力，而且該距離的大小對工程造價(jià)的影響相對較小。不同區(qū)域長江江面的寬度變化不等，最窄處1.5 km，最寬處5 km，水深在3～10 m，假如沿海輸水通道按最大水深按4 m控制，考慮遠(yuǎn)期北方的用水需求，且借助通道進(jìn)一步將水向西、向北輸送，將5%的長江水，即500億m3的水北調(diào)，則壩體距現(xiàn)狀海防大堤約400 m，具體依據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘查參數(shù)確定，實(shí)際上，如果壩體距現(xiàn)狀海防大堤足夠大，比如2～3.0 km，可將長江水全部北調(diào)，過水?dāng)嗝嬖黾雍芏?，而工程造價(jià)變化卻不大。

（2）防滲控制設(shè)計(jì)

永久運(yùn)營階段，新建壩體兩側(cè)可能存在一定的壓差，其原因可能有兩方面。一是潮汐變化引起兩側(cè)水位存在高差；二是在相同水位條件下，海水和淡水的密度存在差異而引起壓差。根據(jù)渤海、黃海地質(zhì)條件，近岸段多為砂性地層，因此需對壩體下方的一定深度的土層進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆罎B加固，堤壩的滲流控制以設(shè)置水泥土防滲墻為主，其施工工藝、設(shè)計(jì)參數(shù)以及質(zhì)量監(jiān)測和評定標(biāo)準(zhǔn)通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究確定。本處暫考慮設(shè)置兩排直徑為850 mm的三軸攪拌樁,見圖4。

圖4　大堤結(jié)構(gòu)示意圖

（3）壩體結(jié)構(gòu)

不同深度、不同地層條件壩體結(jié)構(gòu)及施工工藝各不相同。鑒于近岸300～400 m范圍的水深較小，可采用水力充填筑堤的方式，先拋填袋裝砂，再通過水力吹填至+8.00 m，做好護(hù)坡，堤頂設(shè)置排水溝、防浪墻，墻頂+9.20 m，以抵御臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下海浪沖刷。整個(gè)大堤如果結(jié)合高速公路建造，則僅需增加回填的寬度即可。

2.6　渤海儲(chǔ)水湖設(shè)計(jì)

渤海面積約為7.7萬km2，平均水深18 m，是中國的內(nèi)海，整個(gè)海域的海水儲(chǔ)量約為13 860億m3，如果將長江水全部引入渤海，16～17個(gè)月可將其注滿。工程可采取分區(qū)筑壩圍堰的方式形成儲(chǔ)水湖，在萊州灣、渤海灣、遼東灣等建立分區(qū)儲(chǔ)水庫，假設(shè)水深按8m控制，則每100 km2的水面可蓄淡水8億m3，水庫間借助海底隧道與沿海新造人工運(yùn)河（江）聯(lián)系。

3　工程環(huán)境影響與控制對策

3.1　工程本體環(huán)境影響分析

傳統(tǒng)工程筑壩蓄水往往需要移民、可能誘發(fā)地震等。移民不僅須配套制定落實(shí)好補(bǔ)償補(bǔ)助政策、后期扶持政策，尚須克服社會(huì)矛盾，成本極高；其次，水庫蓄水后，庫區(qū)及其臨近地區(qū)地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)；此外，蓄水后的庫岸在浸水作用下，穩(wěn)定性降低，易坍塌，危及岸邊建筑物安全，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的水庫淤積現(xiàn)象。本項(xiàng)目主要在現(xiàn)狀沿海實(shí)施，沒有移民問題，工程開挖亦很少，同時(shí)，蓄水高度非常有限，對地基的附加荷載非常小，因而不會(huì)誘發(fā)地震問題，其淤積的土挖除后，在壩體外側(cè)直接填海造地，因而，次生環(huán)境影響極小。

3.2　沿線現(xiàn)狀水網(wǎng)、管網(wǎng)影響及控制對策

新壩體建成后，要嚴(yán)格控制排污設(shè)施及其他污染源進(jìn)入河道，同時(shí)，保證區(qū)域泄洪能力，宜分為兩類情況進(jìn)行處理：

（1）現(xiàn)狀河道。一般地，現(xiàn)狀河道與黃?；虿澈５娜牒？诰O(shè)有水閘，以調(diào)節(jié)閘內(nèi)外水位標(biāo)高。沿海輸水通道建成后，原有的入?？谧兂闪巳虢?，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制其水質(zhì)，防止污染下游河道。將沿線現(xiàn)狀河道通過深埋管涵的形式，延伸至新建壩體位置，通過水閘與海水相通，以便汛期的排洪。

（2）現(xiàn)狀管網(wǎng)。包括海底通信、電力、供水及排水等，其中排水管多為污水管，可通過直接延伸的方式予以解決，其他管線可通過在新建壩體時(shí)加以保護(hù)或翻排的方式完成，但要保證壩體與管線間不發(fā)生滲漏。

3.3　其他環(huán)境影響

本工程對長江不截流，僅在青草沙水庫取水口位置附近構(gòu)建少量的取水口，因而對長江的航運(yùn)、淤積、水生動(dòng)物洄游等均無影響。

3.4　供水安全與穩(wěn)定問題

非正常條件下，比如戰(zhàn)爭或地震發(fā)生時(shí)，大壩若潰毀，北延伸江水直接入海，沒有淹沒村莊的危險(xiǎn)；其次，在運(yùn)營階段，在渤海灣地區(qū)有足夠大的儲(chǔ)水區(qū)域，冬季即使發(fā)生冰凍，由于有數(shù)百億到數(shù)千億m3的淡水儲(chǔ)存，可保證冰凍期間區(qū)域供水不受影響。

4　工程造價(jià)與建設(shè)周期

按照前述壩體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建900 km的這樣的壩體約為1 800億元人民幣,若全部沿海岸線布設(shè)，約需2 600億人民幣。因動(dòng)遷工程量幾乎沒有，整個(gè)輸水通道的一半工程利用了現(xiàn)狀海防大堤，而輸水通路利用現(xiàn)狀海床，無須河道開挖，僅修建一條新的海防大堤，并對現(xiàn)狀水、管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，因而造價(jià)極低，其投資大約是中線工程的20%，輸水能力增大5倍，同時(shí)，與東線相比，其依靠重力流調(diào)水，省去電力消耗，僅此一項(xiàng)，每年節(jié)約資金數(shù)百至數(shù)千億元人民幣。

工程主要是近海作業(yè)，除風(fēng)暴潮期間不能施工外，其他時(shí)間可多區(qū)段平行作業(yè)，整個(gè)工程3～4 a可以建成。

5　結(jié)語

沿海人工造江（河）所使用的筑壩技術(shù)非常成熟，工程實(shí)施過程中的自然環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境及社會(huì)環(huán)境影響較小，建成后可將大量的淡水資源北調(diào)，徹底解決中國北方中東部缺水的水源問題。工程如果結(jié)合高速公路、景觀工程等的同步建設(shè)，不僅形成江海一線天的壯美景象，同時(shí)將黃金水道向北延伸1 000 km，使得整個(gè)項(xiàng)目具有調(diào)水、水陸交通、旅游景觀、生態(tài)修復(fù)等多重功能。整個(gè)工程建設(shè)周期短，造價(jià)低，因而具有極其重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益，極其重要的國家發(fā)展戰(zhàn)略意義，并造福子孫后代。