珠江三角洲水資源配置工程思路研究

戴 韻，楊園晶，黃 鵠

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司深圳分院，廣東 深圳 518100)

1 研究背景

珠江三角洲位于廣東省中南部，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源配置不均衡，經(jīng)濟(jì)、人口重心在東部，而水資源重心在西部[1]。為解決水資源配置不均衡的問題，廣州市已于2010年實(shí)施了西江引水工程，將西江水引入石門、西村、江村三大水廠，供給廣州市中心城區(qū)使用[2]。而南沙區(qū)地處廣州市東南角，毗鄰東莞虎門，位于廣州市西江引水工程的供水范圍之外，其現(xiàn)狀取水點(diǎn)為沙灣水道，受咸潮影響，取水水源品質(zhì)難以保證。位于廣州以東的東莞市和深圳市，其主要供水水源為東江，但是東江的水資源開發(fā)利用率已達(dá)到極限，不宜再增加取水量。水的供需失衡成為困擾三地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。因此，廣東省決定實(shí)施珠江三角洲水資源配置工程，從西江引水，以解決或緩解廣州南沙區(qū)和深圳、東莞等城市發(fā)展所面臨的水資源缺失問題。

2 引水方案簡介

珠江三角洲水資源配置工程總引水規(guī)模為80m3/s，其中廣州南沙、東莞和深圳的供水規(guī)模分別為：20、20、40m3/s。工程遠(yuǎn)期2040年設(shè)計(jì)年供水量18.11億m3，廣州南沙、東莞和深圳的供水量分別為：5.54億、4.10億、8.47億m3。

珠江三角洲水資源配置工程項(xiàng)目建議書方案(以下簡稱“項(xiàng)建方案”)分為南線方案和北線方案，其中北線方案為推薦方案。北線方案為：從取水口(佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)鯉魚洲西江干流)至輸水終點(diǎn)深圳市公明水庫采用四級(jí)泵站提升，設(shè)計(jì)總揚(yáng)程為152m。輸水交水點(diǎn)分別為廣州市南沙區(qū)高新沙圍水庫(規(guī)劃新建)、東莞市松木山水庫和深圳市公明水庫。輸水干線總長度為92km，包括從取水口至高新沙圍水庫DN4800雙管41.6km(單管長度)，從高新沙圍水庫至深圳市羅田水庫DN6400單管50.4km。東莞支線，從羅田水庫至松木山水庫DN4800輸水隧洞4.1km。深圳支線，從羅田水庫至公明水庫DN5400輸水隧洞1.5km和DN4800輸水隧洞11.8km，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)建方案的平面圖

3 方案分析

3.1 輸水方式

長距離調(diào)水工程的輸水方式有多級(jí)壓力提升和自流末端提升。前者管道埋深較淺，施工工法受地面環(huán)境和地質(zhì)條件的影響較大，需要設(shè)置多級(jí)泵站，運(yùn)行和管理費(fèi)用高；后者系統(tǒng)簡單，但是管道埋設(shè)深度大，施工難度大，末端泵站揚(yáng)程高。珠江三角洲地區(qū)河網(wǎng)密布、河道錯(cuò)綜復(fù)雜，作為沖積海積平原，受咸潮影響較大，地質(zhì)條件相對(duì)較差。如采用多級(jí)泵站提升的輸水方式，管道埋深淺，開挖放坡大，施工占地多，受外界環(huán)境影響大，對(duì)沿線建筑設(shè)施的干擾也大，而且臨時(shí)支護(hù)、導(dǎo)流、遷改的費(fèi)用較高，相比之下，地下深埋隧洞的自流輸水方式更適合本地區(qū)。

項(xiàng)建方案采用四級(jí)提升壓力輸水，加壓泵站需設(shè)置大型壓力釋放井和調(diào)蓄池，使工程造價(jià)和能耗增加。在運(yùn)行過程中由于不能在管道上直接串聯(lián)加壓，前一級(jí)泵站的余壓會(huì)在后一級(jí)泵站中釋放，加之泵站的多次水頭損失，造成系統(tǒng)的能量浪費(fèi)。另外，壓力系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的運(yùn)行費(fèi)用較高。因此，不管是在能耗方面還是在造價(jià)和運(yùn)行管理方面，珠江三角洲水資源配置工程采用泵站多級(jí)提水的方式均不是最節(jié)約、最綠色的方案。

3.2 交水點(diǎn)

廣州市南沙區(qū)交水點(diǎn)高新沙圍水庫為規(guī)劃水庫，在平原河網(wǎng)地區(qū)修建水庫占地多、成本高，壩體、庫岸基礎(chǔ)處理以及防滲處理的工程量和投資較大。另外，高新沙圍水庫目前仍在規(guī)劃階段，需要與珠江三角洲水資源配置工程同步建設(shè)，水庫建成時(shí)間直接決定了引水工程的通水時(shí)間。

東莞市交水點(diǎn)為松木山水庫，水庫流域范圍涉及多個(gè)工業(yè)鎮(zhèn)，部分鎮(zhèn)區(qū)仍為合流制系統(tǒng)，點(diǎn)源污染和面源污染嚴(yán)重，導(dǎo)致水庫為Ⅴ類水質(zhì)，部分時(shí)個(gè)別指標(biāo)甚至達(dá)到劣Ⅴ類水質(zhì)[3]。而對(duì)水庫的治理涉及多條入庫河道的綜合整治、多個(gè)工業(yè)鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)等，涉及范圍廣，治理難度大，所需時(shí)間和治污效果都不明確。而工程所引的西江水水質(zhì)為Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，若原水輸送至松木山水庫調(diào)蓄，與水庫中較差水質(zhì)的存水混合后再凈化，雖有利于提高水庫水質(zhì)，但是喪失了調(diào)引優(yōu)質(zhì)原水的初衷和優(yōu)勢(shì)，增加了水廠水處理的難度和費(fèi)用。另外，東莞市中北部含松木山水庫在內(nèi)的水庫聯(lián)網(wǎng)工程已與東江聯(lián)通，而在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的南部地區(qū)淡水資源缺乏，因此宜將交水點(diǎn)設(shè)置于東莞南部，形成對(duì)峙供水格局，將更利于整個(gè)城市的供水網(wǎng)絡(luò)布局。

3.3 區(qū)域供水保障性

珠江三角洲水資源配置工程是統(tǒng)籌東、西、北三江水資源、實(shí)現(xiàn)珠三角東部地區(qū)城市群多水源戰(zhàn)略、提高區(qū)域應(yīng)急備用能力的重要工程。受水區(qū)未來對(duì)西江引水的依賴程度較高。由于受水區(qū)地處河網(wǎng)密集區(qū)，修建大型調(diào)蓄水庫的條件非常有限。一旦發(fā)生供水事故，東莞市、深圳市尚有東江供水補(bǔ)充，而廣州南沙、中山、順德位于珠江口西岸，難以利用東江水資源，本地水資源開發(fā)利用潛力有限，系統(tǒng)應(yīng)變能力較差?？梢钥紤]借工程的修建，從珠江三角洲區(qū)域水資源合理配置著眼，提出東、西江連通方案，兩江水源互為補(bǔ)充，提高系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域水系連通工程布局，全面提升珠江三角洲城市水網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

4 方案研究

4.1 輸水方式的選擇

研究方案的輸水方式采用深埋大口徑單隧洞自流輸水，用水端泵站提升。考慮到枯水期和檢修期的反向供水，輸水干線全線設(shè)計(jì)規(guī)模采用80m3/s，管徑為DN6500，管道坡度0.5‰，管內(nèi)流速2.5m/s。管道采取深埋的方式，取水口處埋深13m，廣州南沙區(qū)分水點(diǎn)處埋深36m，東莞分水點(diǎn)處埋深47.5m，深圳取水點(diǎn)處埋深57.5m。

長距離自流輸水在我國已有多項(xiàng)成功的工程案例。例如我國新疆地區(qū)古老的坎兒井工程，將天山雪水匯聚成地下河，通過地下暗渠順地勢(shì)自然流動(dòng)，為荒漠里的綠洲提供水源。20世紀(jì)50、60年代，新疆大約有坎兒井1700條，其中吐魯番就有1158條，總長約5000km，出水量在3億m3以上[4]。遼寧大伙房水庫輸水工程，采用盾構(gòu)法建設(shè)全長85.32km的自流輸水隧洞[5]，將東部流域的水源引至大伙房水庫，供遼寧省中部地區(qū)6城市用水。工程設(shè)計(jì)輸水流量為70m3/s，多年平均輸水量達(dá)17.88億m3[6]。還有南水北調(diào)西線工程的代表性方案也采用長距離自流引水[7]，從長江上游支流雅礱江、大渡河等長江水系調(diào)水，利用自流引水隧洞穿過長江與黃河的分水嶺巴顏喀拉山，調(diào)水入黃河。

采用自流引水，工程安全性提高，中途無須串聯(lián)加壓，集中在用水端進(jìn)行提升，大型泵站投資減少，也無泵站節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用低。沿途各城市、各水廠可在自流系統(tǒng)旁結(jié)合水廠設(shè)置提升泵站，分別提取各自規(guī)模的水量，取水量等于用水量，能源不浪費(fèi)，分?jǐn)傠娰M(fèi)十分清楚。沿途流量分配調(diào)整對(duì)整體運(yùn)行和運(yùn)行費(fèi)用影響不大。用水端提升泵房可采用深井泵房。深井泵房在我國長江沿線運(yùn)用較多，如上海陳行水庫長江取水泵房[8]，設(shè)計(jì)總規(guī)模為140x104m3/d，泵房內(nèi)徑和高度均為28m，取水泵房投產(chǎn)后運(yùn)行良好，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益十分明顯。

采用深埋隧洞輸水，管道埋深大，沿線穿越珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，可從河底深處穿越，不影響各河流水域，無臨時(shí)導(dǎo)流或河道改線工程；穿越城市對(duì)當(dāng)?shù)厥姓A(chǔ)設(shè)施幾乎不影響，征地拆遷量少，尤其臨時(shí)征地量，管線、道路遷改工程量大幅減少。

采用單隧洞，相比于多管輸水，其造價(jià)大幅降低；相對(duì)小口徑管道，大口徑管道的沿程水頭損失??；無論滿流、非滿流，輸水隧洞內(nèi)均可保持一定流速，維持管內(nèi)沖淤、沖沙。

輸水主線全線采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法已是一項(xiàng)比較成熟的地下工程施工技術(shù)，在我國已成功用于多項(xiàng)地鐵工程、長距離跨江越海隧道工程和鐵路、公路、市政等隧道工程[5]。在珠江三角洲水資源配置工程中，采用盾構(gòu)的方式通過隧洞穿越獅子洋，隧洞高程已在河底50～60m以下，在基巖層穿越，工程實(shí)施容易，安全性提高，且造價(jià)減少。

4.2 交水點(diǎn)選取

一般長距離引水工程在考慮各受水區(qū)現(xiàn)有水廠布局和未來規(guī)劃的基礎(chǔ)上，輸水線路應(yīng)力求順直，不宜一味遷就各地的取水點(diǎn)和水廠布局，而造成引水主線路過長。同時(shí)此工程西江水作為優(yōu)質(zhì)的Ⅱ類水，宜原水直接進(jìn)廠，既能節(jié)省調(diào)蓄過程的水頭浪費(fèi)，又可直接處理Ⅱ類水，相比于混合后的水源減少處理難度。多余的水可再進(jìn)水庫調(diào)蓄。

基于此，建議深圳市交水點(diǎn)設(shè)置在大空港水廠(深圳市寶安區(qū)西部)，原水直接進(jìn)廠，剩余水量再轉(zhuǎn)輸至公明水庫調(diào)蓄，此轉(zhuǎn)輸管又能作為水廠在引水工程檢修期的備用原水管。這種交水方式既能馬上解決深圳市寶安區(qū)西部缺水的“近渴”，又能避免原水入水庫調(diào)配過程中耗時(shí)、耗能、耗資的問題。東莞市可在南部填海區(qū)新建水廠作為交水點(diǎn)，縮短干線引水距離，并與東江水源的水廠形成對(duì)峙式供水格局。廣州市南沙區(qū)宜直接交水至橫瀝鎮(zhèn)水廠，工程通水不再受高新沙圍水庫建設(shè)的制約。

4.3 東、西江連通

引水工程需考慮枯水期、檢修期、供水事故等情況下的水源補(bǔ)充調(diào)配問題。初步考慮開鑿一條同管徑輸水隧洞，東、西方向分別延伸至東江、西江，從東、西江引水，可在供水事故期、檢修期和枯水期相互調(diào)度，實(shí)現(xiàn)單線雙水源，不僅能提高供水保障度，而且各市東、西江聯(lián)合調(diào)度的工程投資和檢修期的調(diào)蓄工程投資可大幅減少。

4.4 方案平面

珠江三角洲水資源配置工程輸水干線長度70km，其中從取水口至南沙分水點(diǎn)45.8km，從南沙分水點(diǎn)至干線終點(diǎn)東莞分水點(diǎn)24.2km。深圳支線從東莞分水點(diǎn)至深圳取水點(diǎn)5.4km。從東江取水口至西江連接段48.2km。研究方案的平面圖如圖2所示。

圖2 研究方案平面布置圖

4.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

將項(xiàng)建方案與研究方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可以看出：相比于項(xiàng)建方案，研究方案征地拆遷量少、施工工法成熟、投資和運(yùn)行費(fèi)用少，并且原水直接進(jìn)廠，能夠使廣大市民直接使用到優(yōu)質(zhì)西江水。

研究方案工程投資為163.29億元，包括西江引水工程投資114.91億元，及為保障供水安全而增加的東江連通段投資48.38億元。相較于項(xiàng)建方案，研究方案節(jié)省投資約220億元，主要體現(xiàn)在：無需建設(shè)高新沙圍水庫，大型泵站的建設(shè)費(fèi)用及征地拆遷費(fèi)用大大減少，而且管線部分的投資也有所下降。此外，工程的運(yùn)行管理費(fèi)用及各市新建水廠的水處理費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)減少，見表1。

5 結(jié)語

珠江三角洲水資源配置工程是廣東省為解決廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市等地區(qū)缺水問題而推進(jìn)實(shí)施的水資源調(diào)配戰(zhàn)略工程。工程研究方案采用深埋大口徑單隧洞(盾構(gòu))自流輸水、原水直接入廠的方式，并將西江與東江連通。與項(xiàng)建方案相比，研究方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。在工程初步設(shè)計(jì)中，研究方案已部分落實(shí)，對(duì)研究方案的相關(guān)技術(shù)問題正進(jìn)一步論證，以期更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

表1 項(xiàng)建方案與研究方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

注：本表工程投資涵蓋管線投資、配水井及提升泵站投資，不包括水廠建設(shè)費(fèi)用。