青藏高原隆升對(duì)中國(guó)疆域自然環(huán)境的影響:破解“胡煥庸線”的思考

滕吉文, 董慶, 孟德利, 馬浩, 劉少華

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)春 180026; 4.可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國(guó)際研究中心, 北京 100094; 5. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100094; 6. 浙江省微波目標(biāo)特性測(cè)量與遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中科衛(wèi)星應(yīng)用德清研究院, 湖州 313200; 7.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 8.中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心, 北京 100036; 9.中國(guó)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì), 北京 100081))

我國(guó)位居?xùn)|亞,地域廣大,人口眾多,自古至今中華民族創(chuàng)造了世界文明,促進(jìn)了世界進(jìn)步,為人類的生活與生存作出了重大貢獻(xiàn)。然而在發(fā)展的進(jìn)程中,必須思考的一個(gè)極為重要的問題,即為何我國(guó)東部與西部在整個(gè)發(fā)展進(jìn)程中差異如此懸殊?這種懸殊的差異是怎樣造成的?這些差異導(dǎo)致了什么樣的后果?又怎樣才能改變這種現(xiàn)狀,以加速西部的發(fā)展呢?

追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期,東、西部的差異并非如此巨大,西域乃是西亞、東歐各國(guó)通商、貿(mào)易與文化交匯之地。“絲綢之路”雄辯地說明了這一點(diǎn),那時(shí)西北部的人口、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)均優(yōu)于現(xiàn)在,只是由于印度次大陸與歐亞大陸兩陸-陸板塊碰撞、擠壓造成了青藏高原的整體塊體隆升和喜馬拉雅造山帶的突起。亦即宋、元時(shí)期一次全球性的氣候變遷完全改變了這一格局,自然環(huán)境、大氣環(huán)境和西風(fēng)帶的影響,整個(gè)生態(tài)環(huán)境受到破壞,開始少雨、干旱,良田被沙漠吞沒,故大量人口涌向東南。

在這樣的背景下,1935年,地理學(xué)家胡煥庸教授基于當(dāng)時(shí)全國(guó)人口的調(diào)查,即人口的密度分布,從統(tǒng)計(jì)(大數(shù)據(jù))的角度劃出了一條東、西分隔的界線;該條線北起黑龍江省璦琿(即現(xiàn)今黑龍江邊境處的黑河)向西南方向延伸,經(jīng)過我國(guó)中原與西南廣大疆域,向西南直抵云南省的騰沖一線,故后稱其為“胡煥庸線”[1]。這條線的劃出,在我國(guó)社會(huì)進(jìn)步、人文科學(xué)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展,乃至地球物理場(chǎng)特征中均具有極為重要的價(jià)值。它標(biāo)志著我國(guó)東、西部發(fā)展的差異,同時(shí)當(dāng)必啟迪人們?nèi)ニ伎?即如何改變這種狀態(tài)與格局,以促使我國(guó)西部在東部現(xiàn)代化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下,得以共同發(fā)展,邁向繁榮、昌盛。

為此,現(xiàn)分析以下內(nèi)容:這條“胡煥庸線”的東、西兩部近地表的地勢(shì)、生態(tài)、人口與民族,無水補(bǔ)給與氣候、地震與自然災(zāi)害、地球物理場(chǎng)的變異與分布等形成的動(dòng)力過程,如何理解它們之間的耦合關(guān)系,探究能對(duì)其改變的可能途徑,以促進(jìn)東部和西部在共同發(fā)展與前行中得以共贏,創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

1 “胡煥庸線”東、西兩部的自然條件與生態(tài)環(huán)境

“胡煥庸線”的提出以當(dāng)時(shí)的人口密度與人數(shù)為背景,而這一系列的多元大數(shù)據(jù)卻給出了東、西兩部與分界的新內(nèi)涵[1],它不僅具有歷史意義,且確具現(xiàn)實(shí)意義,并啟迪著人們?nèi)ニ伎?如何促進(jìn)西部的快速發(fā)展。

1.1 “胡煥庸線”的提出,內(nèi)涵是什么?又意味著什么?

1935年,胡煥庸教授在當(dāng)時(shí)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,依據(jù)大量的人口密度、人口分布與人口數(shù)量提出了北自黑龍江璦琿(現(xiàn)東北黑河)向西南延伸抵云南騰沖的NE-SW向的界線——“胡煥庸線”[1],如圖1所示。

璦琿(黑河)—騰沖走向NE-SW的黑色虛線為“胡煥庸線”;香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)、臺(tái)灣省資料暫缺

1.1.1 內(nèi)涵何在

在該線以東以43.71%的國(guó)土面積養(yǎng)育了94.39%的人口,西部地區(qū)占國(guó)土面積的56.29%,而人口僅占5.61%。盡管這種占比在逐步改變,差異在縮小,但是發(fā)展的速度仍然很慢,且幅度十分有限(表1)。

表1 “胡煥庸線”兩側(cè)人口比例變化情況Table 1 Changes in population proportions on both sides of the Hu Line

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[3],東部這片土地產(chǎn)出的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)為90%,居住著全國(guó)90%以上的人口,而西部廣闊的土地上所生產(chǎn)的GDP不足10%,文化、科技、工農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異更為懸殊,顯見西部發(fā)展的進(jìn)度確實(shí)太慢,且改變的程度亦不理想(圖2)。

歷史時(shí)期人口密度分界線位置根據(jù)文獻(xiàn)[4]數(shù)據(jù)與圖件綜合繪制;1935—2010年人口密度突變線分別基于文獻(xiàn)[1]以及全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)并顧及行政邊界繪制;降水線根據(jù)全國(guó)753個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值后分析提取;農(nóng)牧交錯(cuò)帶根據(jù)文獻(xiàn)[5]

顯見,人口聚集的密度的確與可耕種良田、牧場(chǎng)密切相關(guān),因?yàn)槿说纳钆c生存離不開糧食,而糧食離不開農(nóng)耕。圖3中分別給出公元前11世紀(jì)、公元前1世紀(jì)、公元6—8世紀(jì)和公元14—19世紀(jì)4個(gè)時(shí)段農(nóng)墾地的分布。可以看出,在這4個(gè)時(shí)期,我國(guó)的農(nóng)墾土地基本上均集中在東部,即“胡煥庸線”以東地域,而人口亦當(dāng)必集中在我國(guó)東部地域繁衍生息和發(fā)展。通過模擬分析可以了解人口的地理演變趨勢(shì)[6-7]。

資料來源:中國(guó)科學(xué)院東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1.1.2 “胡煥庸線”東、西兩部極不均衡的發(fā)展格局意味著什么?

我國(guó)東部與西部發(fā)展的巨大差異受到多元要素的制約。

第一,文化、科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展上的這種差異與發(fā)展當(dāng)必面臨著生產(chǎn)力發(fā)展的不均衡和社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程難于同步。

第二,亦必會(huì)造成創(chuàng)造力的差異和東、西部人民生活水平和生活與生存質(zhì)量上的差異及教育水平和廣度的差異。

第三,這種差異的存在,若不快速改變當(dāng)必會(huì)影響我國(guó)步入世界科技強(qiáng)國(guó)的整體步伐。

1.2 “胡煥庸線”東、西兩部發(fā)展程度差異顯著,這種發(fā)展極不均衡的狀態(tài)是多方面的,且有著漫長(zhǎng)的歷史淵源

1.2.1 東、西行政區(qū)分布

“胡煥庸線”以東這不足2/5的土地上,分布有27.5個(gè)省級(jí)行政區(qū),而西部這3/5以上的土地上僅有6.5個(gè)省級(jí)行政區(qū)(圖4)。東部地域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、科技發(fā)展迅猛、現(xiàn)代化程度很高,且還在不斷增長(zhǎng)中。

紅色虛線代表“胡煥庸線”

1.2.2 地勢(shì)分布差異懸殊

我國(guó)西部主體為高原,海拔高度平均在3 000 m以上,最高可達(dá)8 000 m,在我國(guó)四大盆地中占有塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和柴達(dá)木盆地。高原地域空氣稀薄、含氧量低、紫外線照射強(qiáng)、蒸發(fā)量大,而東部則以平原為主體,四大平原全在東部,包括東北平原、華北平原、長(zhǎng)江中下游平原和珠江三角洲(圖5),平均海拔高原為500 m以下,氣候溫和,生態(tài)環(huán)境占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),適宜生物生長(zhǎng)、人們居住與生活。可是西部諸多城市不僅多位于雪線之上,如敦煌、喀什、格爾木、拉薩,而伴隨著緯度的升高,雪線亦趨向于升高,上述幾個(gè)城市的雪線均高于我國(guó)其他同緯度地區(qū)(圖6)。

紅色虛線代表“胡煥庸線”

圖6 我國(guó)東、西部部分城市的海拔高程與雪線高程分布Fig.6 Distribution of altitude and snow line elevation in some cities in eastern and western of China

眾所周知,在最熱的赤道地區(qū),雪線高度在海拔5 000～5 600 m。海拔5 895 m的乞力馬扎羅山在非洲的赤道附近,緯度南緯3°,這座海拔不到6 000 m的山峰,山頂已經(jīng)越過雪線,白雪覆頂了。隆升的青藏高原,卻改變了雪線沿緯度和濕度漸變的分布規(guī)律。由于地形復(fù)雜,我國(guó)的雪線變化規(guī)律很難用溫度和降水量的變化簡(jiǎn)單解釋清楚。不如換個(gè)問法,假如每個(gè)城市或地區(qū),都擁有一座高度超過雪線的高山,那么這座山至少要有多高呢?依照從北向南的順序,在圖6中列舉出一些地名,并逐一標(biāo)注出各地理論上的雪線高度,不難看出,隨著緯度降低,雪線趨向于升高,但是敦煌、喀什、格爾木、拉薩等幾個(gè)城市雪線明顯高于同緯度地區(qū),原因是這幾個(gè)城市所在的地區(qū)極為干旱。

1.2.3 土地資源與植被分布特點(diǎn)

在“胡煥庸線”以東地域主要為灌溉水田、旱作農(nóng)田、喬木林地、疏林地、灌叢、草原、草地、水面、沼澤、濕地,而西部則主要為沙漠、戈壁、鹽殼、寒漠、裸露地、冰川及永久雪地(圖7)。在這樣的地表覆蓋條件下,東部以寒溫帶針葉林區(qū)、溫帶針闊葉混交林區(qū)、暖溫帶針闊葉交混林區(qū)、暖溫帶落葉闊葉林區(qū)、亞熱帶長(zhǎng)綠闊葉林區(qū)、熱帶季雨林、雨林區(qū),溫帶草原區(qū)等覆蓋了整個(gè)東部地域。西部則以溫帶荒漠區(qū)、青藏高原高寒植被區(qū)為主體,其北緣和東南角域略有溫帶草原和熱帶季雨林、雨林分布。這便表明,陸地水域、耕地、森林和草地主要在東部,而西部極少。

黑色虛線代表“胡煥庸線”;資料由中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心提供

2 兩陸-陸板塊的碰撞、擠壓與高原整體抬升和喜馬拉雅造山帶的突起

我國(guó)大陸內(nèi)部和周邊在全球太平洋板塊、印度次大陸板塊和歐亞大陸板塊近程和遠(yuǎn)程俯沖、消減、碰撞、擠壓復(fù)合力系作用下不僅形成了一套破碎鑲嵌的塊體組合,而更為重要的則為西部高原的抬升和南海的下沉。這是地史上自中、新生代以來,全球最為壯觀的地球科學(xué)事件。

2.1 在NE-NNE向力系作用下青藏高原與其北部地域的整體抬升

由于印度洋中脊的擴(kuò)張,驅(qū)使印度洋巖石圈板塊向北運(yùn)動(dòng)(圖8),故使印度次大陸向北與歐亞大陸板塊碰撞、強(qiáng)烈擠壓,導(dǎo)致了我國(guó)西部構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng),殼、幔介質(zhì)深部物質(zhì)重新分異、調(diào)整,且物質(zhì)與能量進(jìn)行著強(qiáng)烈交換和運(yùn)動(dòng)[8-14]。

(a)為印度大陸板塊漂移歷史示意圖;(b)中圖表的數(shù)據(jù)根據(jù)古地磁測(cè)量得到的印度大陸板塊隨時(shí)間緯度變化[15];(c)為大西洋裂解前的狀態(tài)

2.1.1 地殼短增厚

全球地殼的平均厚度為33 km,海域最淺為8 km左右(陸架、淺海與深海地域差異很大),我國(guó)西部青藏高原地殼厚度達(dá)平均值為(70±5)km,而西北地區(qū)平均值為50 km左右[17-21]。這樣巨厚地殼曾引發(fā)了高原地區(qū)為兩個(gè)地殼在此疊加的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)[22]。經(jīng)過多年實(shí)地人工源地震深部探測(cè)、天然地震觀測(cè)與反演、大地電磁測(cè)深、重力場(chǎng)、磁力場(chǎng)諸多地球物理分學(xué)科的研究證實(shí),這里是一個(gè)正常速度展布的成層地殼結(jié)構(gòu)[13,17,23-28]。這種世上獨(dú)一無二的巨厚地殼是由于兩陸-陸板塊碰撞、擠壓導(dǎo)致了地殼的NS向縮短(約2 000 km)與垂向增厚(圖9、圖10)。又由于地球內(nèi)部物質(zhì)與能量的交換,故導(dǎo)致了在高原腹地地幔物質(zhì)向上發(fā)散,而在高原四周向下收斂的格局(圖11),且高原周邊在重力場(chǎng)上尚未達(dá)均衡,即深部物質(zhì)與能量尚在進(jìn)行著交換(圖12)。為此,我國(guó)西部整個(gè)地形遠(yuǎn)高于東部,相差近達(dá)4 000 m左右,地殼厚度差15～36 km,且異常走向各異,形成了完全不同的兩大塊體的殼、幔結(jié)構(gòu)與深層動(dòng)力過程。

h為地層厚度;Vp為地層速度

圖10 我國(guó)西部地震反射/折射探測(cè)求得的殼-幔邊界(Moho)深度分布[29-30]Fig.10 Spatial distribution of Moho depth beneath the Tibetan Plateau from the deep seismic soundings[29-30]

圖11 我國(guó)西部地幔流應(yīng)力場(chǎng)與殼-幔邊界地震P波速度分布圖Fig.11 Stress field of mantle flow and distribution of seismic P-wave velocity at the crust-mantle boundary in western China

1為大于60×10-5 m/s2; 2為(20～60)×10-5 m/s2; 3為(0～20)×10-5 m/s2; 4為(-30～0)×10-5 m/s2;5為(-60～-30)×10-5 m/s2; 6為小于-60×10-5 m/s2

2.1.2 高原抬升和喜馬拉雅造山帶的崛起

基于兩陸-陸板塊的強(qiáng)烈碰撞和持續(xù)相向擠壓,且由于地殼在NS方向縮短近達(dá)2 000 km,從而導(dǎo)致了地殼垂向增厚30 km以上,故驅(qū)使高原整體抬升高達(dá)(4 800±500) m。最為嚴(yán)重與突顯的則在于在兩板塊-塊碰撞擠壓過渡帶中[18-19],喜馬拉雅造山帶在東西方向上整體快速抬升,在這條山脈的延長(zhǎng)方向上:中部有世界第一高峰,高達(dá)8 848.86 m(含雪層厚度)[32],沿山系有5座高8 000 m以上的高峰,它們是世界第4高峰洛子峰(海拔8 516 m)、第5高峰馬卡魯峰(海拔8 163 m)、第6高峰卓奧友峰(8 201 m)、第14高峰希夏邦瑪峰(海拔8 012 m),另外還有一座高度為7 094 m的拉布吉康峰。在全球范圍內(nèi)海拔高度大于8 000 m的高峰僅有14座,而喜馬拉雅造山帶有5座(圖13)。

圖13 世界最高峰——珠穆朗瑪峰高8 844.43 m (2005年)(胡愛軍攝影)Fig.13 The world’s highest peak of the Himalayas stands at an elevation of 8 844.43 m(2005)(photo by Hu Aijun)

2.2 高原的抬升,喜馬拉雅造山帶的突起完全改變了山體南北兩麓與周邊地帶的自然環(huán)境

青藏高原的整體隆升,喜馬拉雅造山帶的突起是東亞乃至全球地球動(dòng)力學(xué)響應(yīng)最為獨(dú)特的地球科學(xué)事件[23,28]。青藏高原的抬升是地球深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力作用所致,不僅改變了原有的“行星風(fēng)系主控型”的環(huán)境格局,且導(dǎo)致了“季風(fēng)主控的環(huán)境”的形成和內(nèi)陸型干旱環(huán)境的呈現(xiàn)[33]。這種過程同時(shí)也改變了新生代早期我國(guó)東高西低的地貌和氣候格局,侖不拉盆地在上新世才達(dá)到現(xiàn)在的高度4 000 m,故造成了水系展布的重大重組[34]。高原的抬升和季風(fēng)的加強(qiáng),加速了地表剝蝕與化學(xué)風(fēng)化過程,而風(fēng)化的剝蝕物進(jìn)入周邊,并對(duì)全球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了影響,在始新世-漸新世高原地域的動(dòng)物、植物、氣候同步轉(zhuǎn)型[35]。

2.2.1 造成了山體南北氣候的巨大差異

喜馬拉雅造山帶的突起高達(dá)8 848.86 m(含雪層厚度)[32,36-38],不僅改變了東亞、東南亞乃至整個(gè)亞洲氣候,最為直觀的是近地表,即亞洲現(xiàn)代地貌的形成與大江、大河的發(fā)育與重組。由于喜馬拉雅造山帶的阻隔,南部印度洋濕潤(rùn)空氣難以北進(jìn),故導(dǎo)致山體南麓濕潤(rùn)、多雨、植被繁茂,且暴雨頻發(fā)成災(zāi),而恒河平原與相鄰地域卻造就了一片良田,且改變了高原地域的主要生態(tài)系統(tǒng)和物種的組合,同時(shí)造成了山體北麓與其以北廣大地域的少雨、快速蒸發(fā)、干旱和荒漠(圖13)。

2.2.2 改變了山體南北的生態(tài)環(huán)境

一系列變化特別是西風(fēng)帶的勁吹[圖14(a)]也改變了我國(guó)西部廣大人民的生活與生存環(huán)境。

圖14 喜馬拉雅造山帶的突起與高原的整體抬升Fig.14 The uplift of the Himalayan orogenic belt and the overall elevation of Tibetan Plateau impact (privide by Institute of Tibetan Plateau Research)

來自地中海方向、大西洋方向、北極方向的風(fēng)在中亞匯聚形成了西風(fēng)帶且分為南北兩支[圖14(b)]:南支沿伊朗高原北緣向東穿越喜馬拉雅山系北麓(青藏高原南麓),北支向北東延伸轉(zhuǎn)而向東南。在西風(fēng)帶與季風(fēng)兩大環(huán)流的耦合下影響著高原地表水熱活動(dòng)、水汽傳輸及其熱動(dòng)力效應(yīng),并制約著地表水系的分布[圖14(b)],故完全改變了我國(guó)西部土地、人口、良田與植被的分區(qū)(帶)等,即在整體生態(tài)環(huán)境、季風(fēng),降水減少的影響下,雅魯藏布江流域的湖泊水量急劇減少。

2.2.3 青藏高原深部與淺部物質(zhì)在近程和遠(yuǎn)程作用下的深部動(dòng)力耦合響應(yīng)

高原內(nèi)部與周邊各塊體在錯(cuò)綜作用影響下,不僅造成了高原古高度的變化、新生代的陸內(nèi)變形和大型山系的演化與重組、風(fēng)化剝蝕及氣候的變遷,而更為嚴(yán)重的是亞洲腹地干旱化和季風(fēng)效應(yīng)及全球變化。也就是說,在對(duì)地表或近地表地形、水系、植被、氣候變化的過程中,必須十分重視殼、幔深部物質(zhì)在力系作用下重新分析、調(diào)整和物質(zhì)與能量的交換與其深層動(dòng)力響應(yīng),因?yàn)檫@才是地表與近地表諸多現(xiàn)象呈現(xiàn)與差異的本質(zhì)所在,即形成的動(dòng)力機(jī)制。

2.3 高原抬升的多元響應(yīng)與“中華水塔”

喜馬拉雅造山帶的突起、青藏高原的整體隆升與所產(chǎn)生的多元響應(yīng)對(duì)“亞洲水塔”的影響應(yīng)得到極大的關(guān)注[39-40]。

2.3.1 “胡煥庸線”所轄的東、西兩部降雨量大不相同

在“胡煥庸線”以東地域濕潤(rùn)、多雨,又受到海域的調(diào)劑,一年四季降雨量適宜(圖15)。在我國(guó)東部地域,如秦嶺—大別造山帶以南多雨、潮濕,適于農(nóng)耕種植,其降水量在1 000～4 000 mm,秦嶺—大別造山帶與陰山—燕山地帶之間的華北平原亦雨量適中,年降水量為400～1 200 mm,不僅適于種植,且為高產(chǎn)良田。顯然,整個(gè)東部地域,除少量山區(qū)外,均適宜作物生長(zhǎng),為我國(guó)的米糧倉和經(jīng)濟(jì)作物的盛產(chǎn)地帶。

紅色虛線代表“胡煥庸線”

“胡煥庸線”以西廣大地域的年降水量在總體上遠(yuǎn)小于東部地域,除西部地域東南部和天山山脈地帶年降水量達(dá)300～1 000 mm外,西北廣大地域年降水量?jī)H為150～200 mm,即十分干旱。在這里除少量干旱作物可種植外,糧食生產(chǎn)受到極大影響。

2.3.2 “胡煥庸線”東西兩部年氣溫差異甚大

由圖16可知,該線以東的北、華南廣大地域平均氣溫為16～26 ℃,東北地區(qū)為-8～-2 ℃,除其最北部大興安嶺地帶外,東部廣大地域氣溫適宜人民居住、生物繁衍生息、農(nóng)作物生長(zhǎng)與高產(chǎn);該線以西氣溫普遍偏低,除塔里木盆地和哈密盆地及“東構(gòu)造結(jié)”區(qū)以北少量地帶年平均氣溫為10～14 ℃外,其他廣闊地域年平均氣溫均在-6～6 ℃,再加上供水不足,幾乎沒有高質(zhì)量的糧食品種種植。

2.3.3 “胡煥庸線”東、西兩部地震活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈與差異

在兩陸-陸板塊強(qiáng)力碰撞-擠壓作用下,該線西部又為諸多塊體的拼合,在南、北向強(qiáng)碰撞-擠壓力作用下,整個(gè)高原深部殼、幔深部物質(zhì)重新分異、調(diào)整,且物質(zhì)與能量進(jìn)行著強(qiáng)烈交換、各塊體之間相互運(yùn)動(dòng)。受力系作用最強(qiáng)的邊界,如喜馬拉雅碰撞-擠壓過渡帶[18-19];東、西塊體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)的川、滇與其向北延伸地帶;帕米爾-興都庫什沿北東方向經(jīng)巴爾哈什湖、伊寧、阿勒泰直抵貝加爾湖地帶等。顯見高原腹地各塊體邊界處地震活動(dòng)的強(qiáng)度、頻度遠(yuǎn)高于東部(圖17),而東部陸緣和近海地帶的地震活動(dòng)則與太平洋板塊、菲律賓板塊與歐亞大陸即海-陸板塊俯沖、消減地帶密切相關(guān),而中、強(qiáng)地震和大地震主要集中在我國(guó)臺(tái)灣島及其南、北相鄰地帶發(fā)生與發(fā)展,除華北克拉通外,東北克拉通及廣闊的東南陸域地震較少,特別是強(qiáng)烈地震與大地震幾乎很少[25]。

2.3.4 “胡煥庸線”東、西兩部重力布格異常分布特征

重力場(chǎng)的異常變異,反映著殼、幔深處介質(zhì)物理屬性的差異與物質(zhì)運(yùn)移過程(圖18)。可以看出,東部整體處于高重力布格異常區(qū),表征著物質(zhì)密度高,而西部為低與甚低布格異常區(qū),表征著深部物質(zhì)密度偏低,其平均差值可達(dá)300 mGal以上。而區(qū)域布格重力異常走向各異,東部為NE-NNE向,西部為近EW向,故亦反映出其東、西兩部深部殼、幔物質(zhì)分異、調(diào)整中的差異及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不一致性。同時(shí)亦表明,東部是在太平洋板塊作用下向西俯沖,而西部則為印度次大陸與歐亞大陸兩陸-陸板塊強(qiáng)烈碰撞、擠壓響應(yīng)各異的深層動(dòng)力過程。

黑色實(shí)線代表“胡煥庸線”

2.3.5 環(huán)境變化嚴(yán)重威脅著“中華水塔”的生態(tài)環(huán)境

我國(guó)西部地域位于青藏高原的“亞洲水塔”與源自水塔的三江,養(yǎng)育著中華民族世代耕耘、繁衍生息、發(fā)展和自強(qiáng)。她是中華大地上中華民族存亡的命脈,也是東南亞各國(guó)人民存亡的命脈?！爸腥A水塔”發(fā)源了長(zhǎng)江、黃河、雅魯藏布江等亞洲10條大河(圖19、圖20),養(yǎng)育著水域兩岸東亞、東南亞、中亞地域廣大人民的生活與生存,為20多億人口提供著必需的水資源,故有“中華水塔”或“亞洲水塔”之稱。

圖19 源自“亞洲水塔”的主要河流及其覆蓋的流域[45]Fig.19 Major rivers originating from the “Asian Water Tower” and their basins[45]

圖20 夏季的西藏雅隆冰川,季節(jié)性融化(董慶攝影)Fig.20 Summer melting of the Yalong Glacier in Tibetan Plateau(Photo by Dong Qing)

圖21 青藏高原在全球變化中的升溫響應(yīng)[37]Fig.21 Warming response of the Tibetan Plateau to global change[37]

2016年8月習(xí)近平總書記考察青海時(shí)指出,“中華水塔”是國(guó)家的生命之源,保護(hù)好三江源,對(duì)中華民族發(fā)展至關(guān)重要。這是因?yàn)樵谌驓夂蜃兣谋尘跋?“中華水塔”地域氣溫在升溫,不僅導(dǎo)致了冰川的加速退縮、湖泊顯著擴(kuò)張與冰川徑流失衡,而且引發(fā)了冰崩、冰湖潰決等重大災(zāi)害,未來水資源短缺的潛在風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)逐漸加劇[43-46]。這樣的狀況對(duì)西部及其相鄰地域的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活均會(huì)造成極大的影響。

1)超常的氣候變化導(dǎo)致冰川消融加劇

氣候變化主要指氣溫變化和季風(fēng)效應(yīng),其影響是嚴(yán)重和不可忽視的。

(1)超常的氣溫變化[47-51]。1960—2012年,青藏高原升溫率為0.3～0.4 ℃/a,超過了全球平均升溫率的兩倍。巴黎氣候大會(huì)曾設(shè)定全球升溫為2 ℃,而我國(guó)西部地區(qū)的升溫率達(dá)4 ℃,如此劇烈的氣候變化對(duì)我國(guó)西部,即“胡煥庸線”以西廣大地域的生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生令人擔(dān)憂的后果。如圖20所示,“亞洲水塔”冰川儲(chǔ)量、湖泊水量和主要出山口處的徑流量超過9萬億m3,至少相當(dāng)于230個(gè)三峽水庫的儲(chǔ)量,蓄水量也對(duì)我國(guó)氣候有著重大影響[52]。

(2)季風(fēng)與西風(fēng)的協(xié)同作用導(dǎo)致降水和水汽輸送量出現(xiàn)明顯空間差異[53],進(jìn)而驅(qū)使藏東南地帶冰川消融加劇。由于高原腹地與周緣地帶冰川作用區(qū)氣溫普遍升高、導(dǎo)致水汽和降水(特別是降雪)的異常增幅可調(diào)節(jié)冰川變化的速率,故可造成高原腹地與周緣地帶冰川空間展布和失調(diào)[40]。

2)環(huán)境變化與冰崩災(zāi)害和對(duì)“中華水塔”的影響

(1)冰川加速退縮與消融使得冰川融水在短期內(nèi)增加[54],但在長(zhǎng)期趨勢(shì)上冰川融水會(huì)減少甚至枯竭,導(dǎo)致區(qū)域水資源短缺和生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加。同時(shí),冰川失常變化導(dǎo)致冰川不穩(wěn)定性增強(qiáng),災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇。冰川加速退縮與消融引起的青藏高原及周邊地區(qū)冰川融水徑流增加,在達(dá)到拐點(diǎn)變化以后將出現(xiàn)長(zhǎng)期缺水的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。新疆部分河流、冰川融水徑流可能已出現(xiàn)拐點(diǎn),未來融水徑流將持續(xù)下降[55-58]。

(2)冰崩發(fā)生與誘發(fā)的次生災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展。冰崩的發(fā)生會(huì)誘發(fā)一連串的次生災(zāi)害,形成災(zāi)害鏈,從而延長(zhǎng)和放大災(zāi)害后果。典型的災(zāi)害鏈表現(xiàn)為:冰崩導(dǎo)致滑坡、冰磧物碎屑流、冰湖潰決、洪水、泥石流、生態(tài)系統(tǒng)破壞、下游道路與橋梁及村莊的毀壞、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失(圖22)。這是一個(gè)從冰凍圈開始,影響到巖石圈、水圈、生物圈、人類圈的災(zāi)害鏈,也是一種新型巨災(zāi)。

(a)為冰川災(zāi)害案例;(b)為雅魯藏布江“堵江”事件;(c)為尼泊爾冰崩潰決事件后的鳥瞰圖

(3)環(huán)境變化與對(duì)“中華水塔”的威脅?！爸腥A水塔”地處高原,盡管這一地域平均溫度尚低,周邊自然環(huán)境欠佳,干旱、少雨、蒸發(fā)量大,太陽輻射與紫外線照射強(qiáng),再加上西風(fēng)帶的勁吹、荒漠化加劇等因素的耦合造成了自然環(huán)境的變遷強(qiáng)烈。例如,阿扎冰川退縮、迪格錯(cuò)冰湖潰決、阿里地區(qū)的阿汝錯(cuò)區(qū)冰崩(2016年7月和9月曾發(fā)生兩次冰崩,形成浪高達(dá)20 m的巨大“湖嘯”)。究其原因則為不斷加劇的冰川退縮。這是“中華水塔”的重大威脅,因?yàn)轭l發(fā)的冰湖潰決影響著“中華水塔”的穩(wěn)定性,而廣泛的湖泊擴(kuò)張則會(huì)導(dǎo)致“中華水塔”的本體儲(chǔ)量減少、環(huán)境變遷和冰崩等新型災(zāi)害事件的出現(xiàn)(圖22),這些是對(duì)“中華水塔”命運(yùn)的新挑戰(zhàn)。顯然,超常的氣候變化、環(huán)境變化以及人類的活動(dòng)導(dǎo)致了我國(guó)西部脆弱自然與生態(tài)環(huán)境的變遷,對(duì)“中華水塔”造成了嚴(yán)重的威脅。

圖22(a)是由第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究隊(duì)繪制的青藏高原及周邊地區(qū)冰川災(zāi)害案例。圖22(b)所示為2018年10月16日藏東南米林縣色東普流域色東9～15號(hào)冰川(29°44′51.53″N,94°56′14.31″E)發(fā)生冰崩,冰崩發(fā)生后導(dǎo)致雅魯藏布江“堵江”事件發(fā)生[43],圖22(c)所示為1985年尼泊爾Dig Tsho(27°52′25″N,86°33′37″E)發(fā)生冰崩潰決事件后的鳥瞰圖,該事件造成超過2 000萬元(人民幣)的損失,并影響下游地區(qū)數(shù)月之久(ICIMOD,2011)[國(guó)際山地綜合發(fā)展中心(International Centre for Integrated Mountain Development)攝于2009年4月24日[59]]。

3 改善我國(guó)東部和開辟西部耕地、人口與良田以利共同發(fā)展

在多元要素制約下,自古至今東、西兩部在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文、科學(xué)與技術(shù),乃至人民生活與生存的條件和水平均差之甚大,且呈擴(kuò)大的趨勢(shì),而其根本所在乃“水”資源的供給與豐度。

3.1 我國(guó)東部應(yīng)大力開發(fā)地下空間,構(gòu)筑現(xiàn)代化三維智慧城市,以緩解人與地爭(zhēng)

我國(guó)東部在后工業(yè)強(qiáng)勁發(fā)展時(shí)期,即大量農(nóng)田被城市發(fā)展“吞沒”的來勢(shì)迅猛,隨著人口數(shù)量的繼續(xù)增加,其對(duì)城市地面土地的需求當(dāng)必劇增,為此向地下空間發(fā)展,向地下要空間、要土地,以解放城、鎮(zhèn)及其周邊及相鄰地帶的農(nóng)田、濕地和生態(tài)布局勢(shì)在必行[60]。

3.1.1 我國(guó)東部城市發(fā)展

我國(guó)東部地域近10年來城市數(shù)量、體量發(fā)展極為迅速,大批農(nóng)業(yè)人口擁入城市,特別是大城市,這一龐大的人群來到城市需要生活、居住、工作場(chǎng)所、發(fā)展空間,以適應(yīng)在城市定居和生活與生存及繁衍的需求。城市中尚在發(fā)展的企、事業(yè)部門及公司應(yīng)向地下要部分土地、要工作場(chǎng)所、要發(fā)展空間(至少應(yīng)為所需地面土地的1/3～2/5)。因此,應(yīng)建立向地下發(fā)展的意識(shí)和指導(dǎo)思想。政府土地管理和城市建設(shè)、規(guī)劃部門須思考我國(guó)城市、土地、農(nóng)田與發(fā)展這一有機(jī)“鏈條”之間的科學(xué)匹配,建立起地下空間發(fā)展的指導(dǎo)思想。

國(guó)外在地下空間開辟和利用中已有相當(dāng)程度的發(fā)展。當(dāng)前,如美國(guó)、加拿大、日本和東南亞的一些國(guó)家在地下空間利用方面已有較快、較多的發(fā)展和舉措,而且是多方位的?？墒菑娜丝谄骄加型恋孛娣e來說,歐美諸國(guó)遠(yuǎn)比我國(guó)大得多[59],那么他們?yōu)槭裁慈砸虻叵驴臻g發(fā)展呢?這是我國(guó)這一人口大國(guó)必須思考的一個(gè)發(fā)展中的現(xiàn)實(shí)問題。

在全球范圍,地下交通已廣為發(fā)展,在這個(gè)環(huán)節(jié)上我國(guó)的地下交通構(gòu)建,如地鐵的發(fā)展是快速的、是大體量的,多個(gè)大城市已建成、起用和尚在準(zhǔn)備建設(shè)之中。當(dāng)前的問題是如何向更深處發(fā)展,如何深層次、多元化地利用地下空間。

3.1.2 我國(guó)東部城市地下空間開發(fā)的主要內(nèi)容與措施

(1)地下城市:包括商業(yè)、醫(yī)院、娛樂、糧庫、油庫、水庫,各種檔案與數(shù)據(jù)庫,垃圾處理以及其他各類公共設(shè)施等。

(2)地下科學(xué)城:包括各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、精密科學(xué)儀器與設(shè)備研發(fā)、超靜空間地下設(shè)施、高新材料研發(fā)、零磁與高防輻射實(shí)驗(yàn)等。

(3)城市中和周邊山體的開發(fā)和綜合利用潛力巨大,這對(duì)工、農(nóng)、兵、學(xué)、商各界均具有重要意義。

地下空間的開發(fā)和利用當(dāng)必會(huì)大為減少地面耕地的再度使用,騰出部分已占用的或計(jì)劃將占用的土地為發(fā)展農(nóng)業(yè)特別是糧食作物和改善生態(tài)環(huán)境所用,同時(shí)可以使得東部耕地沃土得到休整和必要的輪換,將為我國(guó)東部邁向世界科技強(qiáng)國(guó)、創(chuàng)新未來保駕護(hù)航。

3.2 西部多樣化的豐富潛在礦產(chǎn)資源有待開發(fā)

3.2.1 東部礦產(chǎn)資源過量開采與近于枯竭

東部為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了且還在持續(xù)地提供所需要的金屬礦產(chǎn)資源和油、氣、煤能源,但當(dāng)前諸多礦產(chǎn)資源處于或近于枯竭(圖23),亟待在第二深度空間(500～2 000 m)勘查、開發(fā)和利用,而這需要時(shí)間、技術(shù)和理念的升華[61-63]。開發(fā)西部多樣化的豐富礦產(chǎn)資源和能源是國(guó)家戰(zhàn)略需求。

3.2.2 西部能源資源多樣、潛力巨大,是緩解東部前期過量開發(fā)的后備基地

西部礦產(chǎn)資源潛力巨大,有待加速勘探與開發(fā)。兩大陸-陸板塊的強(qiáng)力碰撞擠壓不僅造成喜馬拉雅的突起,而且導(dǎo)致地殼短縮增厚,深部物質(zhì)與能量的強(qiáng)烈交換,故在陸域各大塊體相互作用下,在其邊界形成了眾多的金屬與非金屬礦床。

由圖23可知,我國(guó)西部的能源礦產(chǎn)如油、氣、煤炭能源潛力巨大,但勘察、開發(fā)程度尚低,同時(shí)隱藏著多樣化的各類礦產(chǎn)資源,特別是稀有金屬礦產(chǎn),如銅、鉛、鋅、鋰、鉀鹽等金屬產(chǎn)資源,而且可以有效替代和減輕東部諸多礦產(chǎn)資源的承載量,同時(shí)也是開發(fā)西部、促進(jìn)西部快速工業(yè)化和實(shí)現(xiàn)西部經(jīng)濟(jì)騰飛的重要途徑。

3.3 糧食是中華民族生、死、存、亡的命脈

2019年10月14日,中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《中國(guó)的糧食安全》白皮書指出,維護(hù)我國(guó)的糧食安全實(shí)際上是靠?jī)蓚€(gè)資源在支撐,一個(gè)是我國(guó)的耕地紅線,另一個(gè)是從國(guó)外進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品來彌補(bǔ)不足。

3.3.1 何謂耕地紅線?

我國(guó)耕地紅線中的紅線是18億畝(1畝≈666.67 m2),而紅線中永久性的基本農(nóng)田約為15.46億畝[65],其中,永久基本農(nóng)田中的一個(gè)主要部分是高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田,我國(guó)需要建成10億畝,而這10億畝和15.46億畝則是我國(guó)耕地紅線中的特區(qū),是必須確保的“門坎”耕地,因?yàn)槲覈?guó)糧食年產(chǎn)量需保持在1.3萬億斤(1斤=0.5 kg)左右,人均糧食約為920斤/年。

3.3.2 用世界上9%的土地養(yǎng)育著占全球19%的人口

當(dāng)前我國(guó)耕地面積占全球總體耕地的9%,而我國(guó)人口占全球的19%～20%,這9%的耕地養(yǎng)育著19%人口,因此我國(guó)耕地面積的壓力甚大。可是盡管耕地面積如此之缺乏,但還面臨著城市建設(shè)等非農(nóng)耕用地的不斷減少,亦即非農(nóng)耕糧食作物占地不斷增多,生產(chǎn)糧食的沃土層逐年減薄,東北糧食的黑土地已減薄到40～60 cm,內(nèi)蒙古只剩下30～40 cm。再加上過量使用化肥,多元途徑的污染和土地透支嚴(yán)重與退化等[44],糧食的生產(chǎn)形勢(shì)日益惡化。為保障東北黑土地的糧食穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn),防范土地過量透支和退化(包括貧潰化)迫在眉睫。我國(guó)糧食關(guān)系到國(guó)家安危和人民的生活與生存[66-73]。2021年,中國(guó)科學(xué)院已分別于3月31日、4月21日和7月9日與遼寧省、吉林省和黑龍江省簽署了《共同實(shí)施“黑土糧倉”科技會(huì)戰(zhàn)框架協(xié)議》,并發(fā)布國(guó)內(nèi)首部東北黑土地白皮書,深化利用當(dāng)代高新科技、修復(fù)、保護(hù)這片糧食供給的沃土,維護(hù)國(guó)家糧食安全刻不容緩。

3.3.3 清晰認(rèn)識(shí)全國(guó)60個(gè)主要城市耕地面積銳減與退化嚴(yán)重

1)耕地面積在銳減

全國(guó)60個(gè)主要城市的遙感監(jiān)測(cè)[74](圖24)表明,1973—2013年60個(gè)主要城市實(shí)際擴(kuò)展面積15 755 km2,其中56.51%源自對(duì)耕地的占用[1],而每個(gè)城市中心建成區(qū)面積增加了5.23倍。城市化迅猛發(fā)展使我國(guó)東部一些重要的大、中型城市人口以及城市群人口過密,并導(dǎo)致農(nóng)村人口銳減,乃至土地荒蕪等,且造成東部的水體、土壤、大氣環(huán)境的污染。東中人口-資源-環(huán)境系統(tǒng)承壓過大,可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

紅色虛線代表“胡煥庸線”

中國(guó)中東部地區(qū)城市平均人均建設(shè)用地面積僅有67.28 m2,土地資源嚴(yán)重不足。根據(jù)2010年遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì),“胡煥庸線”以西地區(qū)未利用土地面積占全國(guó)未利用土地總面積的96.66%,其中裸巖石礫地、戈壁、沙地等占85%。

2)西部生態(tài)系統(tǒng)逐日惡化

當(dāng)前甘肅和新疆等地自然植被退化、生物多樣性降低、土壤普遍鹽漬化、良田防護(hù)林退化、土地沙化等,再加上近年來西部地區(qū)旅游業(yè)的無序發(fā)展等生態(tài)問題,亟待治理、修復(fù)與保護(hù),遏制荒漠化生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步惡化已時(shí)不我待。

3.3.4 強(qiáng)化限定和停止耕地占用迫在眉睫

我國(guó)東部人口密集,城市眾多,土地肥沃是供給我國(guó)各民族糧食和一切重要經(jīng)濟(jì)作物的源地,是經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的強(qiáng)勁基地,而東部耕地卻受到大量占用,特別是城市周邊地帶,已存留無幾,且還在不斷加劇。

健康土地-良田的生態(tài)狀況和功能是保障糧食生產(chǎn)與安全、助力全球氣候變化、維系生物多樣性等人類可持續(xù)發(fā)展的成效核心所在。無序地占用農(nóng)田,不科學(xué)地維護(hù)農(nóng)田必對(duì)糧食作物的生產(chǎn)、安全和生態(tài)環(huán)境造成重大損害。當(dāng)前我國(guó)良田的重金屬污染、土壤退化,導(dǎo)致不能輪種和嚴(yán)重透支、有機(jī)碳的不斷減少、工業(yè)排放的水污染等均在加劇。

當(dāng)今世界上最肥沃的土地在我國(guó)主要分布在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東四盟地區(qū)[67],總面積為124.4 萬km2[75]。黑土地的透支、退化與倒賣,且潛在的污染尚存。因此,必須充分理解、認(rèn)識(shí)和厘定“藏糧于地、藏糧于技”的糧食戰(zhàn)略方針。

與此同時(shí),不少城市,特別是大城市為取得大都市的稱號(hào),千方百計(jì)地在謀劃三個(gè)“三千萬”。三個(gè)“三千萬”指該城市人口要達(dá)到一千萬,城市面積要達(dá)到一千萬平方千米,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為一千億人民幣。為此各城市的樓房越蓋越高、樓距越來越窄、安全設(shè)施越來越少;而人口越來越多,合并周邊城鎮(zhèn)以擴(kuò)展面積越來越盛;城市污染度越來越大,溫度越來越高,交通擁擠與堵塞越來越大,宜居環(huán)境越來越差,安全系數(shù)越來越低等。

世界上已有不少國(guó)家很重視地下空間的開發(fā)和利用,如地下城市、地下商業(yè)、地下倉儲(chǔ)、地下工廠、地下實(shí)驗(yàn)室、地下公共設(shè)計(jì)等,地質(zhì)礦產(chǎn)部(現(xiàn)自然資源部)已向全國(guó)發(fā)出了地下空間利用的有關(guān)通知和有關(guān)的科學(xué)報(bào)告[60],保障我國(guó)農(nóng)業(yè)耕地不被無序“吞沒”,保證人民糧食的生產(chǎn)與供需,這是一件綜合性頗強(qiáng),且需統(tǒng)籌考慮中華民族要崛起,國(guó)家要振興,社會(huì)要可持續(xù)發(fā)展,且又十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

(1)土地使用與審批立法,農(nóng)業(yè)糧食耕地紅線不能超越,城市與周邊良田不得占用,堅(jiān)決杜絕任何侵占人類賴以生活與生存的生態(tài)環(huán)境,以保障“飯碗端在自己手中”和中華民族永續(xù)發(fā)展。

(2)建立農(nóng)耕良田受到外來污染的破壞監(jiān)測(cè)和防范污染的各級(jí)獎(jiǎng)懲制度和規(guī)范。

(3)制定對(duì)農(nóng)田耕地的維系、修復(fù)、保護(hù)的措施和條例,以保障農(nóng)業(yè)耕地紅線不被突破和糧食的安全與長(zhǎng)期穩(wěn)定供給。

(4)在我國(guó)西部制定利用高新科技引進(jìn)新的水源,發(fā)展節(jié)水設(shè)施農(nóng)業(yè),營(yíng)造現(xiàn)代化良田,為我國(guó)人口繼續(xù)增長(zhǎng)所需的糧食供給作戰(zhàn)略后備基地。

3.4 西部改善與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于水

糧食與經(jīng)濟(jì)作物是世界上任何一個(gè)國(guó)家在建設(shè)與發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的物質(zhì)資源。利用全球其他地域農(nóng)耕與產(chǎn)品以補(bǔ)充我國(guó)之所需,在理論上是可行的,但這僅為一種可能或局域行為,而從根本上講,對(duì)于糧食這種極為特殊的產(chǎn)物則必須立足于本土才能居于永續(xù)發(fā)展與不敗之地。在這一發(fā)展進(jìn)程中,水則是制約我國(guó)西部廣大地域發(fā)展與現(xiàn)代化的根本所在。

3.4.1 我國(guó)東部、中部與西部水的消耗狀況

我國(guó)東部、中部和西部盡管水資源豐度各異,人均水消耗量分別為393、468和545 m3。顯見,西部水的人均消耗量最大。若以萬元GDP水耗量來衡量,則分別為63、129和158 m3,即西部每萬元GDP的水耗量效益最低。

耕地實(shí)際灌溉每畝田地耗水平均為379、378和512 m3,可見西部耗水每畝平均用水量則最大[3]。

上述現(xiàn)象是因?yàn)楦咴仃柟廨椛鋸?qiáng),廣闊的沙漠和干旱之地蒸發(fā)量大,生態(tài)環(huán)境脆弱,又很少有水補(bǔ)給,故人均水耗量、耕地用水量要高于我國(guó)中部和東部。顯然,若不改變我國(guó)西部水資源的大環(huán)境,則此形勢(shì)必愈演愈烈。

3.4.2 只要有水,西部也能成為“米糧倉”

以青藏高原的亞東溝為例(圖25)。西南邊陲的亞東縣是茶馬古道的終點(diǎn)站之一,印度洋的暖濕氣流可通過亞東溝進(jìn)入西藏南部,并一直延伸到江孜縣境,暖濕氣流加上年楚河一帶高山上的冰川融水灌溉,將這一帶的河谷變成了豐饒的“米糧倉”。從亞東到江孜,還形成了一條生態(tài)地理帶,就是古代所稱的“紅河谷”。

圖25 亞東溝:氣蒸“米糧倉”,血浴“紅河谷”(胡愛軍攝影)Fig.25 Yadong Valley, also known as the Rice Granary and Red River Valley(photo by Hu Aijun)

3.4.3 我國(guó)西部廣大沙漠地區(qū)土地治理迫在眉睫

羅布泊的干涸與消失和樓蘭國(guó)的毀滅這一著名的歷史變遷說明,我國(guó)西部原來并非如此干旱。

巖芯炭酸鹽碳氧同位素和粒度記錄研究揭示了塔克拉瑪干沙漠700萬年以來的沙漠化歷史[76]。這為黃土高原粉塵來源、構(gòu)造和氣候雙重制約的亞洲內(nèi)陸干旱等提供了新證據(jù):約在4.9 Ma前塔里木盆地還存在間歇性的湖泊群,氣候遠(yuǎn)比現(xiàn)在濕潤(rùn),由于周邊山體的隆升和擴(kuò)張阻隔了南來的水汽,故湖泊消失,此后塔里木盆地仍然交替形成風(fēng)成沙丘,而塔克拉瑪干沙漠最后形成于0.5～0.7 Ma,響應(yīng)全球中更新世氣候轉(zhuǎn)型時(shí)期的氣候變化。

我國(guó)是世界上荒漠化面積最大的國(guó)家之一,荒漠類型多樣,危害亦大(圖26)。新中國(guó)成立以來,我國(guó)已將沙漠化防治作為一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù),經(jīng)過多年來的努力,實(shí)現(xiàn)了由“沙進(jìn)人退”到“綠進(jìn)沙退”的歷史性轉(zhuǎn)變,創(chuàng)建了新疆、西藏與甘肅等省區(qū)沙海中鐵路、公路暢通的當(dāng)代格局(圖27)。

圖26 “胡煥庸線”西部地區(qū)的大片各類沙化荒地地貌[76]Fig.26 The primary features of desert landscapes in the western regions of the Hu Line[76]

圖27 在沙海中暢通的公路和鐵路干線[77]Fig.27 Main roads and railways crossing the desert in the western China[77]

4 超前思維謀篇布局西部調(diào)水,科學(xué)周密的“紅旗河”頂層設(shè)計(jì)[78-79]

中華民族要振興,國(guó)家要強(qiáng)盛,當(dāng)前正處在由一個(gè)科技大國(guó)向世界科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的前夜。土地、人口、良田與可持續(xù)發(fā)展,乃我國(guó)東部和西部均存在變革與創(chuàng)建的藍(lán)圖。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn),對(duì)水資源、土地資源及優(yōu)質(zhì)發(fā)展空間的需求不斷增加,農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地、水資源供給均面臨日益嚴(yán)重的壓力。國(guó)家發(fā)展的需求是剛性的,僅以當(dāng)前可利用的水資源和土地資源的存量來尋求解決方法,供需矛盾幾乎無法平衡,必須重視解決增量的問題,也就是增加可利用的水資源和土地資源[80]。

從我國(guó)的基本地理格局來看:其一,“胡煥庸線”以東的中東部地區(qū)和東北地區(qū)自然條件較好,加之大量水利工程的建設(shè),這些地區(qū)的發(fā)展空間已基本達(dá)到了“能用則用”的緊平衡狀態(tài),我國(guó)絕大部分的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展也都位于這個(gè)區(qū)域;其二,青藏高原地區(qū)因高寒缺氧、地勢(shì)險(xiǎn)峻而長(zhǎng)期不具備開發(fā)條件,在可以預(yù)見的將來也難以承擔(dān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)大規(guī)模發(fā)展的重任;其三,西北地區(qū)是我國(guó)目前最大的一個(gè)發(fā)展空白區(qū),具有地勢(shì)平坦、空間廣闊、陽光充足、資源豐富、地理區(qū)位條件較好等眾多優(yōu)點(diǎn)[81]。因此,從未來進(jìn)一步尋求發(fā)展空間的角度來看,最具潛力的就是西北地區(qū)。該區(qū)域地勢(shì)平坦、光照充足、戰(zhàn)略位置重要,但極其缺水,因而長(zhǎng)期處于“未激活”狀態(tài)。

長(zhǎng)期可持續(xù)的西部生態(tài)文明建設(shè),抓手就是:水。

4.1 西部調(diào)水的必要性和緊迫性:“紅旗河”的誕生

我國(guó)西部氣候、生態(tài)、土地、農(nóng)田的改善、發(fā)展和實(shí)施必須是大環(huán)境的治理,而非局域可達(dá)。制約西北地區(qū)發(fā)展的種種因素的核心就是缺水。因?yàn)橹挥兴M(jìn)、文化進(jìn)、科技進(jìn),西部人民的生活、生存條件和生活質(zhì)量才會(huì)得到改善,才會(huì)在東部的引領(lǐng)與助力下加速發(fā)展,且在各自的基礎(chǔ)上同步提升。

著眼未來,“胡煥庸線”以西,在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中仍然處于薄弱區(qū)域,廣大西北地區(qū)的調(diào)水問題必將歷史性地提上日程,成為我國(guó)今后大規(guī)模水資源配置的重要議題。我國(guó)水資源總體呈南豐北缺的基本格局,從南水北調(diào)的角度來看,南水北調(diào)東、中線工程的建成又將我國(guó)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)核心區(qū)的水資源配置提升了一個(gè)高度,在未來繼續(xù)提高工程效益、充分發(fā)揮調(diào)水能力且注重水資源集約節(jié)約利用的總體要求下,基本可以解決華北平原的水資源短缺問題。因此,從戰(zhàn)略全局和頂層設(shè)計(jì)來看,應(yīng)在深入研究西部調(diào)水的新形勢(shì)、新任務(wù)、新特點(diǎn)的基礎(chǔ)上審慎謀劃[82-83]。

在華北平原諸多調(diào)水工程已經(jīng)建成、大規(guī)模水資源配置強(qiáng)度已經(jīng)較高的條件下,相關(guān)后續(xù)調(diào)水規(guī)劃必須在水土資源綜合承載力的約束下來考慮,未來華北平原的綜合發(fā)展壓力將更為凸顯,尋求新的發(fā)展空間應(yīng)該成為西部地區(qū)調(diào)水更大的歷史使命。因此,西線調(diào)水應(yīng)該向西部調(diào)水的高度轉(zhuǎn)變,即著眼于對(duì)整個(gè)西北地區(qū)的開拓發(fā)展。

從西部地區(qū)內(nèi)部來看,以青藏高原為主體的西南地區(qū)因高寒缺氧、地形復(fù)雜而不具備發(fā)展條件,以荒漠戈壁為主的西北地區(qū)則因干旱缺水、生態(tài)承載力過低而被長(zhǎng)期限制在較低發(fā)展水平。西北地區(qū)土地資源豐富,西南地區(qū)水資源豐富,二者天然具備取長(zhǎng)補(bǔ)短的互補(bǔ)性,西北地區(qū)一旦有水,就是我國(guó)未來最具發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)。緊挨西北地區(qū)的青藏高原又被譽(yù)為“亞洲水塔”,有大量質(zhì)量好、利用率低、海拔高的潛在水資源,堪稱激活西北地區(qū)發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)許之水。

但是在青藏高原建造規(guī)模龐大的人工調(diào)水工程,是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。考慮到工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù),利用高程,部分使用自然河道,自流調(diào)水是必須的。所謂大道至簡(jiǎn),一條環(huán)繞著青藏高原周邊、順勢(shì)而為、逐級(jí)降低、全程自流、連接著道道江河的西部調(diào)水線路應(yīng)運(yùn)而生,可世世代代、源源不斷地將高原之水牽出莽莽群山,送到茫茫西北,這就是“紅旗河”西部調(diào)水方案[84-85]。

4.2 “紅旗河”西部調(diào)水工程

“紅旗河”西部調(diào)水工程包括1條干線和3條主要支線,總?cè)∷績(jī)H600億m3,所有線路全程自流,如圖28所示,水源全部取自雅魯藏布江、怒江和瀾滄江三條利用程度很低的河流[86-87]。

紅色虛線代表“胡煥庸線”

4.2.1 紅旗河干線

紅旗河干線從雅魯藏布江“大拐彎”以上開始取水(水位2 668 m),沿途取易貢藏布和帕隆藏布之水,繞行崗日嘎布山、穿過伯舒拉嶺進(jìn)入怒江(水位2 355 m);然后,于三江并流處穿越橫斷山脈,出怒江后經(jīng)70 km隧洞進(jìn)入瀾滄江(水位2 311 m),出瀾滄江后經(jīng)43 km隧洞進(jìn)入金沙江(水位2 278 m);出金沙江后,以隧洞和水庫相結(jié)合的方式繞過沙魯里山到達(dá)雅礱江(水位2 159 m),繞過大雪山到達(dá)大渡河(水位2 046 m),繞過邛崍山到達(dá)岷江(水位1 940 m),繞過岷山到達(dá)白龍江(水位1 854 m),繞行青藏高原東麓與秦嶺接壤區(qū)的高山到達(dá)渭河(水位1 788 m),然后經(jīng)洮河進(jìn)入黃河劉家峽水庫(水位1 735 m);過黃河以后,再經(jīng)217 km的隧洞繞烏鞘嶺進(jìn)入河西走廊,從景泰(水位1 668 m)以后,全程明渠,沿祁連山東北側(cè)平原經(jīng)武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)到達(dá)玉門(水位1 520 m),接著沿阿爾金山、昆侖山的山前平原,穿過庫姆塔格沙漠和塔克拉瑪干沙漠南緣到達(dá)和田、喀什(水位1 270 m)[88-91]。

如圖29所示,紅旗河干線全長(zhǎng)5 686 km,落差1 398 m,平均坡降0.025%,年平均調(diào)水量600億m3。其中隧洞長(zhǎng)2 587 km,初步設(shè)計(jì)分308段平行施工、平均每段長(zhǎng)8.4 km;明渠3 099 km。需新建水庫21座,其中壩高200～280 m的6座、100～200 m的2座、100 m以下的13座。

圖29 紅旗河水面線海拔高程變化剖面示意圖Fig.29 Profile of elevation changes of the surface water along the Hongqi River

紅旗河線路方案不強(qiáng)行穿越或翻越青藏高原,而是繞山而行、化整為零、順勢(shì)而為、全程自流,保證了工程的可行性。

4.2.2 主要支線

紅旗河的3條主要支線分別為紅延河、漠北河和春風(fēng)河。這3條支線均是基于相關(guān)區(qū)域地理特點(diǎn)的最優(yōu)選擇——能夠在保證坡降的前提下全程高水位自流、保持高水位優(yōu)勢(shì),有能力將水源送往更多的干旱區(qū)域[88-91]。

(1)紅延河支線。于紅旗河干線過渭河處分出,然后向東北方向穿過六盤山到達(dá)黃河以南的寧夏、內(nèi)蒙古和陜北地區(qū),最終進(jìn)入延安。由于全程保持高水位運(yùn)行,可自流惠及六盤山、白于山以北、黃河以南的絕大部分區(qū)域,彌補(bǔ)了由于黃河水位過低導(dǎo)致的寧夏南部、鄂爾多斯高原和陜西北部的干旱問題。

(2)漠北河支線。于龍首山下、阿拉善右旗境內(nèi)開始,經(jīng)狼山、陰山北坡,向內(nèi)蒙古、北京方向延伸,可供水至北京密云水庫和西遼河流域。從起點(diǎn)至渾善達(dá)克沙地的漠北河全線地勢(shì)平緩,均為明渠,總長(zhǎng)1 660 km。全程高水位運(yùn)行,可以自流惠及沿線北側(cè)的所有地區(qū)。

(3)春風(fēng)河支線。從河西走廊西部的玉門市附近開始,沿北山西側(cè)繞行至新疆的吐魯番、哈密盆地,并可根據(jù)需要延伸至達(dá)坂城以南,與烏魯木齊隔山相望。全程保持高水位運(yùn)行,可以自流惠及沿線大部分區(qū)域,也可以根據(jù)需求繼續(xù)向周邊延伸。

4.3 紅旗河特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[88-91]

(1)線路的布設(shè)沿青藏高原邊緣繞行,為避開生態(tài)脆弱區(qū)、避免揚(yáng)水、避免超長(zhǎng)隧洞提供了條件,極大提高了工程可行性。

(2)全程自流,為保障調(diào)水低成本運(yùn)行和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮作用提供了基礎(chǔ)。

(3)線路海拔較低,大部分低于2 500 m,可降低高海拔施工難度,并保障大量、穩(wěn)定的水源。

(4)工程建設(shè)的可行性高,建設(shè)和運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)低。方案無超大單體工程、無超大水庫、無超長(zhǎng)單體隧洞、無渡槽。隧洞單體長(zhǎng)度基本不超過30 km,個(gè)別達(dá)40 km;除個(gè)別地段地震動(dòng)峰值加速度達(dá)0.3g外(g為重力加速度),全程絕大部分地震動(dòng)峰值加速度均不大于0.2g,大約與北京地區(qū)相當(dāng),且隧洞是較為抗震的建筑。從整個(gè)系統(tǒng)來看,紅旗河前所未有的巨大,但從局部來看,又是由隧洞、水庫、明渠等一個(gè)個(gè)基本工程“積木”組合而成的,且每一個(gè)“積木”都是現(xiàn)有工程技術(shù)能力可以實(shí)現(xiàn)的。

(5)移民規(guī)模小。一般水利項(xiàng)目的移民搬遷費(fèi)用很高,如南水北調(diào)中線65%～70%的投資都在移民,而紅旗河沿線人煙稀少,可以極大節(jié)約投資成本。

(6)環(huán)境影響低。避開了三江源等生態(tài)脆弱區(qū),進(jìn)入黃河之前的輸水方式以隧洞為主,對(duì)地表影響小。

(7)控制集水區(qū)面積大、“兜住”的水更多,水源充足、水質(zhì)良好。

(8)紅旗河連接我國(guó)西南諸河,組成了“有機(jī)的”水網(wǎng)系統(tǒng),備用水源和水庫很多,可保障穩(wěn)定供水。紅旗河線路全盤考慮了雅魯藏布江、怒江、瀾滄江以及金沙江、雅礱江、大渡河調(diào)水的可能性,線路高程足夠低,且穿過各大江河時(shí)均以水庫方式通過,因此,可以充分利用各江河調(diào)水線路經(jīng)過點(diǎn)上游的水庫,極大提高調(diào)水系統(tǒng)的科學(xué)性和穩(wěn)定性(表2)。對(duì)西南諸河可以做到豐調(diào)缺補(bǔ),改善長(zhǎng)江、黃河流域用水條件。

表2 “紅旗河”西部調(diào)水工程沿線通道與海拔高度分布(S4679課題組,2019年)Table 2 Distribution of pathways and altitudes along the Hongqi River Project Western Water Diversion Project (S4679 Research Group, 2019)

4.4 “紅旗河”西部調(diào)水的科學(xué)性和可行性

“紅旗河”西部調(diào)水工程以雅魯藏布江、怒江、瀾滄江等水量豐沛、利用率低、高程較高的水系為水源,以繞行青藏高原、高程逐漸降低的全程自流方式調(diào)水,以紅延河、漠北河、春風(fēng)河為主要支線向廣大西北地區(qū)提供供水能力。設(shè)計(jì)年總調(diào)水量600億m3,方案提出以來,經(jīng)過廣泛地征求意見、研討和大量的修改、優(yōu)化,已具備充分的科學(xué)性和可行性。無論是從頂層設(shè)計(jì)、戰(zhàn)略規(guī)劃還是從工程方案的現(xiàn)實(shí)可行性來看,紅旗河都是西部地區(qū)調(diào)水最佳的方案。下面從方案選線、水資源配置、工程技術(shù)等方面詳述“紅旗河”的科學(xué)性和可行性[88-91]。

4.4.1 方案選線和設(shè)計(jì)的基本原則

(1)全程自流,盡量保證較大的坡降。

(2)可調(diào)水量充足,水源選擇合理,以雅魯藏布江、怒江、瀾滄江為主要水源。

(3)沒有過長(zhǎng)的隧洞,即在參考現(xiàn)有工程案例的情況下,盡可能縮短隧洞基本單元的長(zhǎng)度,確保當(dāng)代技術(shù)水平下的切實(shí)可行,并盡量降低后期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)難度。

(4)大江大河、高山峽谷的穿越采用水庫的方式,且大壩規(guī)模不高于現(xiàn)有工程案例。

(5)受水區(qū)線路盡量保證較高水位,使工程盡可能發(fā)揮最大效益,有能力滿足更大范圍內(nèi)的可能受水需求。

(6)盡量降低隧洞的埋深。

(7)沿線地質(zhì)條件擇優(yōu)。

“紅旗河”西部調(diào)水工程的設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮了系統(tǒng)與局部規(guī)劃、短期與長(zhǎng)期建設(shè)的關(guān)系。其建設(shè)遵循“分期分段、由近及遠(yuǎn)、先易后難、先通后暢”的原則。例如,先打通雅礱江至黃河段,同時(shí)先打通1條供水隧洞,后續(xù)再根據(jù)需求負(fù)載的逐漸增加而增加平行隧洞的條數(shù)、并逐步打通全線[92]。

4.4.2 水資源配置可行性

(1)我國(guó)西部青藏高原擁有一支豐富的清潔水源——雅魯藏布江,該江水質(zhì)好、儲(chǔ)量豐,且有融化的雪水連續(xù)補(bǔ)給,加上西南三江流域每年流向東南亞各國(guó)與各地的水量高達(dá)3 000～5 000億m3,而從中取水600億m3的水向北輸入新疆境內(nèi)是完全可行的。

(2)調(diào)水600億m3的水源保障能力?！凹t旗河”的水源來自以“五江一河”(雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河)為主的青藏高原南部的中華水系。這些河流水量充沛、水質(zhì)優(yōu)良卻利用率極低。例如,雅魯藏布江年流出境的水量超過1 600億m3,目前開發(fā)利用率不足1%;怒江出境水量超過700億m3,開發(fā)利用率不足1%;瀾滄江出境水量超過740億m3,開發(fā)利用率僅3%。對(duì)于這三條外流水系,“紅旗河”總?cè)∷績(jī)H600億m3,不超過總量的21%[86-87]。

(3)“紅旗河”西部調(diào)水工程系統(tǒng)可抵御風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定供水的能力。紅旗河將借助所流經(jīng)的大江大河上的一系列梯級(jí)水庫,進(jìn)行借水補(bǔ)水的綜合調(diào)控,在汛期可多調(diào)、旱期可減量少調(diào)。這樣,當(dāng)某一點(diǎn)發(fā)生故障中斷時(shí),這點(diǎn)以后的保障水源均能夠發(fā)揮作用。此外,在受水區(qū)也設(shè)計(jì)大量的調(diào)蓄空間,以保障穩(wěn)定供水。

(4)由于紅旗河線路高程足夠低,故兜住的水量足夠大,而且這些水均是上游各梯級(jí)水電站發(fā)電以后的水,短期內(nèi)可作為調(diào)水水源,未來可轉(zhuǎn)為應(yīng)急備份水源,可以與上、下游有更大的共贏空間。

4.4.3 工程技術(shù)可行性

基于對(duì)地形特點(diǎn)的分析,紅旗河線路不“強(qiáng)行翻越”或“強(qiáng)行穿越”青藏高原,而是繞山而行、順勢(shì)而為、化整為零,保證了工程的可行性。

紅旗河線路的設(shè)計(jì)始終將工程難度和可行性置于首位,堅(jiān)持“長(zhǎng)隧短打”的基本思路,最長(zhǎng)洞段35 km,次長(zhǎng)洞段25 km,其他長(zhǎng)度均小于20 km,且設(shè)計(jì)較為保守。如果施工階段根據(jù)實(shí)際情況修改局部線路,則還可縮短隧洞總長(zhǎng)度,進(jìn)而降低工程投資。

“紅旗河”線路規(guī)劃堅(jiān)持測(cè)繪先行、地質(zhì)緊隨的基本思路,在對(duì)地形進(jìn)行充分的研究以后,又進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)分析。青藏高原東南邊緣地質(zhì)條件復(fù)雜,地震、地?zé)帷⒚合?、斷裂、破碎、崩塌、滑坡等均有可能發(fā)生,其中有些會(huì)影響施工,有些則會(huì)影響穩(wěn)定運(yùn)行?；趯?duì)每一段具體情況的分析,對(duì)各種威脅進(jìn)行分類分級(jí),然后利用地形方面留有的彈性空間,對(duì)線路進(jìn)行了具體調(diào)整。同時(shí),也對(duì)線路沿線的已建隧洞和水庫應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的能力進(jìn)行了廣泛的調(diào)研和分析?？傮w而言,不可能完全避開地質(zhì)問題,可以從工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理兩方面進(jìn)行應(yīng)對(duì)[78-79]。

當(dāng)然,在調(diào)研和未來實(shí)施中確實(shí)應(yīng)十分重視其中的幾個(gè)難點(diǎn)[78-79]。雅魯藏布江流域構(gòu)造復(fù)雜,其走向基本上呈南北展布,而青藏高原的東部構(gòu)造結(jié)處,即喜馬拉雅弧形造山帶東側(cè),兩大陸板塊對(duì)撞、擠壓,故導(dǎo)致了川滇地區(qū)整個(gè)山系和河流都是向東然后轉(zhuǎn)而向東南流展,十分重要的是在其邊緣地帶產(chǎn)生了劇烈的變形、斷裂,巖漿巖廣布,造成了大陸內(nèi)部構(gòu)造和地震活動(dòng)最頻繁、最強(qiáng)烈的地帶之一,即青藏高原與周邊地帶。這個(gè)地方剛好是構(gòu)造非?；钴S的地區(qū),也是四川盆地和青藏高原耦合比較密切的地方。因?yàn)橛《妊蟀鍓K向北東方向運(yùn)移,而這個(gè)東構(gòu)造結(jié)向東北方向的歐亞板塊頂進(jìn),故促使高原深部殼、幔物質(zhì)一部分向邊緣流動(dòng)。將來在“紅旗河”這一水道的實(shí)施和運(yùn)行過程中,必須設(shè)置嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因?yàn)檫@條南北向的構(gòu)造帶,受兩大陸-陸板塊碰撞與擠壓作用下青藏高原整體隆升的影響很大,不但地震活動(dòng)、構(gòu)造活動(dòng)頻繁,其他的一些自然災(zāi)害也很多,故應(yīng)該特別關(guān)注。橫斷山脈處在三江并流的地方,盡管已經(jīng)盡量縮短隧洞,但這個(gè)地方的設(shè)計(jì)可能要比一般隧洞的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多。因?yàn)檫@個(gè)地方的斷裂錯(cuò)綜,且活動(dòng)性強(qiáng),殼、幔結(jié)構(gòu)又復(fù)雜,故其巖石不像其他地方那樣完整,在構(gòu)造作用下必定破碎、松散。對(duì)于局域構(gòu)造活動(dòng)與錯(cuò)動(dòng),橫穿三江地帶時(shí)隧洞加設(shè)阻尼的緩沖設(shè)施是十分必要的。所以這一地帶的水道串通要給予特別的重視。再向北沿著四川盆地邊緣一直走到六盤山以西地帶,也就是青藏高原的東北緣,這也是一個(gè)構(gòu)造復(fù)雜、災(zāi)害比較多的地方,1920年甘肅海原里氏8.5級(jí)大地震就發(fā)生在這里。

以上說明,在紅旗河水道沿線,特別是川滇地域和青藏高原東北緣,構(gòu)造異?；顒?dòng)、強(qiáng)烈地震頻頻發(fā)生,災(zāi)害多發(fā)。要提前做好這些區(qū)帶的預(yù)防和論證工作,以在防范措施指導(dǎo)下做好頂層設(shè)計(jì)和實(shí)施。

“紅旗河”西部調(diào)水工程沿線確實(shí)存在不少難點(diǎn),如如何選點(diǎn)以達(dá)自流,沿途穿越多條河流(西南三江),穿越地震、構(gòu)造、地?zé)帷⒆冃螐?qiáng)烈地帶等?；诋?dāng)今高新科技的發(fā)展,研發(fā)的高強(qiáng)度、高韌性、抗高溫、高壓材料的不斷涌現(xiàn),新工藝的不斷呈現(xiàn),以及各種防范及應(yīng)措施及綜合實(shí)施現(xiàn)有的施工技術(shù)、工藝都可以滿足。

4.5 “紅旗河”西部調(diào)水工程的戰(zhàn)略意義

紅旗河貫通西南、輻射西北、緊扣邊疆、規(guī)模宏大,是切實(shí)建設(shè)在半壁國(guó)土上的宏大工程,是兼具生態(tài)意義、經(jīng)濟(jì)意義、發(fā)展意義、文化意義、民族意義、安全意義、穩(wěn)定意義、全局意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的歷史性事業(yè)[88-91]。

4.5.1 擴(kuò)展發(fā)展空間

我國(guó)平原面積約占國(guó)土總面積的12%(115萬km2),遠(yuǎn)低于美國(guó)、歐洲、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、巴西、印度等,發(fā)展空間受到了極大限制。同時(shí),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的迅速發(fā)展,現(xiàn)有的土地、水、生態(tài)環(huán)境等,已越來越無法滿足發(fā)展需求,供需矛盾日益嚴(yán)重。因此,未來必須重視解決增量的問題,也就是增加可利用的水資源和土地資源。紅旗河正是這樣一項(xiàng)“開疆拓土”的偉業(yè),是打開我國(guó)未來發(fā)展空間的“鑰匙”,是極大擴(kuò)展我國(guó)戰(zhàn)略縱深的重要舉措。紅旗河建成后將通過調(diào)整水土資源的時(shí)空匹配性,增加我國(guó)可用水資源的增量和優(yōu)質(zhì)土地資源的增量,滿足我國(guó)未來發(fā)展對(duì)資源和空間的巨大需求。

4.5.2 改善生存發(fā)展環(huán)境、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)

生態(tài)文明是人類文明發(fā)展的一個(gè)新的階段?！熬G水青山就是金山銀山”,生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)。紅旗河的建設(shè)對(duì)我國(guó)西北地區(qū)乃至全國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)都具有重要意義。

西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題十分突出,主要表現(xiàn)為干旱缺水、河湖干涸、水土流失、植被退化等,綜合表現(xiàn)為土地荒漠化。脆弱的生態(tài)環(huán)境,不僅無法支撐西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而且會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有的發(fā)展成果難以保持,甚至?xí)绊懼袞|部地區(qū)的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

西部的生態(tài)文明,其實(shí)就是水的文明。紅旗河豐沛的水資源,將極大增強(qiáng)西北地區(qū)的生態(tài)承載力,極大緩解荒漠化威脅、構(gòu)筑起穩(wěn)固的國(guó)家生態(tài)安全屏障。

4.5.3 科學(xué)管控中華水系

紅旗河環(huán)繞著“中華水塔”(青藏高原),串聯(lián)起西南諸河、長(zhǎng)江流域、黃河流域和西北諸河,輻射影響淮河流域、海河流域和遼河流域,共涉及我國(guó)10大一級(jí)流域中的7個(gè),是綜合利用、調(diào)節(jié)、管理各大水系的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是奠定完整中華水系的重要舉措。該調(diào)水系統(tǒng)輻射影響全國(guó)一半以上的國(guó)土面積,可利用各相關(guān)流域的水文不同步性,按2 000 m3/s流量進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié),不僅可以服務(wù)中華民族的生態(tài)建設(shè)、生產(chǎn)生活和糧食安全,還能夠減緩相關(guān)河流下游兩岸的旱澇災(zāi)害。

4.5.4 發(fā)展農(nóng)業(yè)、保障糧食安全

工程建成后,可在我國(guó)西北地區(qū)新增約20萬km2綠洲平原,約為我國(guó)現(xiàn)有平原面積的17.4%。這些地區(qū)地勢(shì)平緩、光照充足,有很好的地勢(shì)條件,同時(shí)由于紅旗河全線保持高水位運(yùn)行,可以自流覆蓋絕大部分地區(qū),又為按需要設(shè)置支線和布局綠洲提供了條件。因此,西北地區(qū)新生的20萬km2綠洲將是本底條件優(yōu)異、區(qū)位條件靈活的更適合社會(huì)發(fā)展的綠洲。紅旗河的到來可從新增高質(zhì)量大型灌區(qū)和改善現(xiàn)有灌區(qū)水資源嚴(yán)重緊缺的現(xiàn)狀兩方面作出貢獻(xiàn):依托紅旗河干流河西走廊段和“紅延河”段可建設(shè)兩個(gè)超級(jí)灌區(qū),由于當(dāng)?shù)匾延幸欢ǖ娜丝诨A(chǔ)、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)和自然條件,可以形成上億畝高質(zhì)量的超級(jí)灌區(qū);“漠北河”主要經(jīng)過半干旱的內(nèi)蒙古高原,結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件,可以建設(shè)大型生態(tài)牧區(qū);漠北河的終點(diǎn)是北京密云水庫,向北京補(bǔ)水可緩解華北地區(qū)水資源壓力,提高華北抵御干旱的能力;通過岷江、渭河、黃河等相關(guān)河流的輻射作用,可為成都平原、關(guān)中平原、華北平原等提供水資源補(bǔ)充。充沛的水資源到來,將極大促進(jìn)我國(guó)耕地?cái)?shù)量、耕地質(zhì)量、農(nóng)業(yè)水利、農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展,促進(jìn)化肥農(nóng)藥減量化和土壤污染治理,大量落實(shí)耕地休耕輪作,進(jìn)一步改善我國(guó)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)還不穩(wěn)固的問題,實(shí)現(xiàn)藏糧于地,提升糧食安全水平。

4.5.5 促進(jìn)西北地區(qū)發(fā)展和國(guó)家發(fā)展格局的優(yōu)化:破解“胡煥庸線”

從地理區(qū)位來看,廣大西部地區(qū)的地廣人稀、經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后等,都給區(qū)域穩(wěn)定造成了一定的影響。推動(dòng)西北地區(qū)跨越式高質(zhì)量發(fā)展,有助于解決我國(guó)發(fā)展不均衡問題,推動(dòng)我國(guó)西北各民族的文化融合,促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)。紅旗河可以作為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的抓手,在其建設(shè)和后期的發(fā)展過程中,起到在物質(zhì)上和文化上促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、共同發(fā)展的紐帶作用。

紅旗河帶來的水資源,以綠洲建設(shè)、生態(tài)改善為基礎(chǔ),依托西部大開發(fā)、一帶一路等國(guó)家政策,促進(jìn)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化發(fā)展,促進(jìn)國(guó)土空間布局優(yōu)化,破解以“胡煥庸線”為標(biāo)志的、長(zhǎng)期以來的區(qū)域發(fā)展嚴(yán)重不平衡問題。水的到來,可以開拓出更大的可用于輾轉(zhuǎn)騰挪的適宜國(guó)土空間,為中東部開發(fā)強(qiáng)度過高的地區(qū)分擔(dān)壓力,促進(jìn)城鄉(xiāng)人居環(huán)境改善,為西北自然條件惡劣地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新的發(fā)展空間,從而為破解“胡煥庸線”打下堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

紅旗河建成以后,以西北地區(qū)大發(fā)展作為驅(qū)動(dòng),以紅旗河沿線經(jīng)濟(jì)帶為聯(lián)系,將帶動(dòng)西南地區(qū)和黃河流域更進(jìn)一步的發(fā)展,對(duì)成渝城市群、關(guān)中平原城市群、蘭西城市群、呼包鄂榆城市群、天山北坡城市群等的發(fā)展都大有裨益,對(duì)繼續(xù)推動(dòng)西部大開發(fā)、形成新格局意義重大。

5 對(duì)我國(guó)“胡煥庸線”西部地區(qū)加速發(fā)展的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

印度次大陸板塊與歐亞大陸板塊的陸-陸碰撞與強(qiáng)力擠壓造成了喜馬拉雅造山帶的突起,高原地殼短縮增厚,并在殼、幔物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力作用驅(qū)動(dòng)下整體抬升(圖30),從而導(dǎo)致了我國(guó)大陸內(nèi)部,乃至東亞多圈層的相互作用與當(dāng)今生態(tài)環(huán)境的重大變遷,并形成了“胡煥庸線”。因?yàn)橄柴R拉雅造山帶的突起和高原整體隆升嚴(yán)重影響,并改變了大氣圈、水圈、冰凍圈、智慧圈,生物圈和巖石圈的以往格局,乃至全球變化[35](圖30)。

圖30 高原的抬升、喜馬拉雅造山帶的突起影響大氣圈、水圈、冰凍圈、智慧圈、生物圈和巖石圈,乃至全球變化示意圖(中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所提供,2017年)Fig.30 Conceptual diagram of Tibetan Plateau uplift and Himalayan orogenic belt impacting the earth’s spheres including the atmosphere, hydrosphere, cryosphere, lithosphere, biosphere, and even global changes(Provided by the Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, 2017)

5.1 喜馬拉雅造山帶的突起與高原的整體抬升完全改變了喜馬拉雅造山帶南、北兩地地勢(shì)、氣候、降水、冰川、湖泊和生態(tài)環(huán)境

(1)導(dǎo)致了喜馬拉雅造山帶南部在季風(fēng)作用下,暴雨頻發(fā),植被豐茂與溫和濕潤(rùn)的自然環(huán)境,而北部則在西風(fēng)帶作用下,少雨、干旱、強(qiáng)烈沙化,生態(tài)環(huán)境十分脆弱的自然環(huán)境。

(2)在兩陸-陸板塊強(qiáng)烈碰撞、擠壓作用下,深部物質(zhì)重新分異、調(diào)整,深部物質(zhì)與能量進(jìn)行著強(qiáng)烈交換。在物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下高原整體抬升,故導(dǎo)致了殼、幔深部各異與“胡煥庸線”東、西兩部地球物理場(chǎng)的異常變化和地震災(zāi)害頻發(fā)與強(qiáng)烈活動(dòng)。

(3)“胡煥庸線”的分割表征著我國(guó)東、西疆域在發(fā)展上的巨大差異。西部由于干旱、沙漠化導(dǎo)致了東部要養(yǎng)育全國(guó)14億人口中的95%左右,要用世界上9%的耕地養(yǎng)育占全球19%的人口生活與生存,東部壓力甚重,亟待減荷,創(chuàng)建西部現(xiàn)代化農(nóng)田與綠洲。

5.2 東部承載過荷,須奮力開發(fā)地下空間

由于東、西兩部發(fā)展上的不平衡與極大差距,而在快速工業(yè)化與經(jīng)濟(jì)騰飛的進(jìn)程中,東部大量土地被城市化所侵占,又受到不同程度的災(zāi)害和污染,土地透支越發(fā)嚴(yán)重。

(1)強(qiáng)化開辟地下空間為實(shí)施現(xiàn)代化城市,構(gòu)筑地上、地下與空間一體化的三維智慧城市,以達(dá)退地還田,減少與杜絕再度征用農(nóng)田,以使城市發(fā)展立體化,而不是在平面上的無限擴(kuò)張[60]。

(2)全面調(diào)查,統(tǒng)一設(shè)計(jì),規(guī)劃如何發(fā)展西部的方略;頗希發(fā)展與建設(shè)現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè),改善生態(tài)環(huán)境,以達(dá)逐步緩解東部耕地與短缺發(fā)展的矛盾。

5.3 西部發(fā)展的核心是“水”。能否將水調(diào)入西部干旱、沙化地帶改變生態(tài)環(huán)境,奮力建造2億畝現(xiàn)代化的綠色耕地與牧場(chǎng),是西部發(fā)展與崛起的核心所在,且可成為永繼“糧倉”

(1)水進(jìn),文化進(jìn),文化進(jìn)則科技進(jìn),科技進(jìn)則社會(huì)發(fā)展快與現(xiàn)代化建設(shè)逐步實(shí)現(xiàn)。這將大幅度緩解我國(guó)人多地少的矛盾,特別是東部人與地爭(zhēng)的緊張格局,在開發(fā)西部糧食安全的同時(shí),東部可以實(shí)施基本農(nóng)田置換,讓東部已透支的良田得以休整和恢復(fù)。

(2)只有一定量額度水進(jìn)入西部與北部的干旱、半干旱和沙化區(qū),生態(tài)環(huán)境改善了,現(xiàn)代化農(nóng)耕大地建設(shè)起來了,西部才能發(fā)展,人民生活與生存水平才能提高,并大大減少東部在發(fā)展進(jìn)程中荷載過重的壓力,以達(dá)東部與西部相繼發(fā)展。

5.4 改變我國(guó)西部、北部干旱、沙漠化的根本是“水”,亟須謀篇布局“紅旗河”西部調(diào)水工程

“紅旗河”西部調(diào)水工程實(shí)施后,將會(huì)改善我國(guó)西北廣大地域的生態(tài)環(huán)境和局域水汽循環(huán),保護(hù)三江源頭的生態(tài)環(huán)境,為“中華水塔”撐起保護(hù)傘。“紅旗河”工程可以擔(dān)當(dāng)起西部大開發(fā)整體環(huán)境改善的重任,是打開我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)、文化、科技全面、整體發(fā)展空間的“鑰匙”?！凹t旗河”西部調(diào)水工程是改變我國(guó)西部現(xiàn)代的千秋萬業(yè)之舉!是一場(chǎng)開疆拓土的偉大工程。