南水是怎样北上进京的？ 南水北调中线一期穿黄工程上游线隧洞在郑州贯通

 

南水是怎样北上进京的？   朱金余

▲河南省温县境内的南水北调中线温博段一标干渠。CFP/图     ▲沙河渡槽施工图。     ▶2010年6月22日上午，南水北调中线一期穿黄工程上游线隧洞在郑州贯通。

新闻背景      南水北调中线工程2003年开工，目前已经进入通水倒计时，预计将于今年汛后通水。这个工程从湖北丹江口水库调水，年均调水量95亿立方米，途经湖北、河南、河北，到达天津、北京，涉及地域之广，自然条件之复杂，建设难度之大，在世界上都极为罕见。     那么，长江水是如何克服这重重困难来到北京的？南水进京后会给北京带来哪些影响？相信很多读者心中都藏着许多个“为什么”。本版特约清华大学水利系学生科协的成员就这些疑问一一做出科普解答。     不到百米落差     如何流过一千多公里路程     中线总干渠长1277千米，渠首水位147.38米，终点团城湖水位49.5米，输水线路如此之长，调水规模如此之大，落差却只有不到100米，可见长江水要进京，有多么的不容易。     南水北调中线的特点是，全程采用“自流”方式，即让水自动北流。为了减少沿线的水头损失和渗漏，渠道全线按不同土质，分别采用混凝土、喷浆抹面等方式进行全断面衬砌。总干渠黄河以南纵坡1/25000，黄河以北1/30000至1/15000。     为了达到渠道纵坡要求，实现南水自流向北，遇到地势高的地方就要削平，所谓逢山开路。河南境内的方城垭口是南水北送的咽喉要地，早在北宋时，宋太宗就想从方城垭口挖通渠道，引水北上，据传当年征调10万人挖了一百多里，终因土硬石坚，未能成功，千年之后这一难题终于被攻克。     遇到地势低的地方，则需要遇水架桥，渡槽就是这所谓的“桥”。渡槽，也叫过水桥，是输送渠道水流跨越河流、沟谷、洼地、道路等障碍的架空水槽。     北调水如何跨过河流和道路     为保证渠道内的水不受沿线河流水的污染，中线工程渠道主要采用渡槽等方式横跨河流。位于河南鲁山县内的沙河渡槽是当今世界上综合规模最大的渡槽，被誉为“世界第一渡槽”。它横跨沙河、大浪河、将相河三条大河，全长9.05公里，如同一条巨龙横空，是中原大地上的一道奇观。沙河渡槽也是中线工程中规模最大、技术难度最复杂的控制性工程之一，单是将重达1200吨的U型渡槽安全运输、吊装到沙河之上，就已经是一项重大工程难题。最终这一难题被工程师们克服，创造了水利工程施工史上的又一奇迹。     这里也要介绍一下另一种河渠交叉建筑物——倒虹吸。当渠道与道路或其它河渠高程相近，需要平面交叉通过时，需要一种建筑物引导水流从道路或河渠地下穿过，此建筑物就是倒虹吸。倒虹吸的上游入口高程稍高于下游出口，其工作原理是借助上下游的水位差，使水流先下降再上升通过建筑物。其原理类似于虹吸，但不用人为制造真空，因而应用广泛，中线工程总干渠穿越白河干流就是采用倒虹吸工程。     长江水是怎样穿过黄河的     中线穿黄工程位于郑州境内，是人类历史上最宏大的横跨大江大河的水利工程。来自丹江口的清泉要从黄河的滚滚浊流之下穿过，工程难度之大可想而知。     穿黄工程是南水北调总干渠穿越黄河的交叉建筑物，不仅规模大，其建筑物的布置、形式等直接与黄河河势相关。专家在确定设计方案时对过河建筑物型式（主要是渡槽、隧洞）以及穿黄线路的选择进行了大量的论证工作，最终选择了盾构隧洞方案。     黄河河床物质主要为第四系粉质壤土、粉细沙、细沙和中沙，在这样的底质下，在地下35米深处，挖掘外径8.7米、长4250米的圆形隧洞，将面临盾构始发、盾构机长距离掘进、大型深竖井施工等技术难题。事实上，在隧道施工过程中，掘进不到1000米时，盾构机就出了问题，付出巨大代价邀请德国厂家现场维修之后盾构机才继续投入使用。耗时5年之久，穿黄工程才得以贯通，长江水与黄河水得以实现有史以来首次“擦肩而过”。     什么是PCCP管道工程     PCCP管道全称预应力钢筒混凝土管，是在带钢筒的混凝土管芯上，缠绕预应力钢丝，并喷以水泥砂浆保护层而制成的。     南水北调中线京石段惠南庄——大宁段PCCP管道工程，是继利比亚“大人工河工程”之后，国际上又一次大规模采用直径达4米的PCCP的工程项目，而且如此超大口径的双排、大埋深管道工程，在国际上尚无先例。     本工程的难点在于管道口径大，如此大口径的管道从制造到安装在国内都属首次，需严格控制管道制造质量和安装精度；此外，管道体积大，运输难，其最大外径达4.852米，这样的尺寸用不着交警阻拦，路上的天桥涵洞就将管道拦下了，为此本工程就近建设制管厂并设计了专用运输道路；大口径也导致单管重量最高达77吨，吊装难度极大。虽然本工程存在众多难点，但由于PCCP管道的“5高”性能（高强度、高密封性、高耐久性、高抗渗性和高性价比），加上安装简单快捷，工程师们对它青睐依旧，使得国内PCCP管道工程技术取得新的突破。     冬季渠道结冰怎么输水     中线总干渠和天津干渠全长1432公里，沿途地域气候差别很大，安阳以北渠段存在冬季渠道结冰的问题，因此冰期输水是中线工程必须面临的工程问题。     干渠结冰以后，输水能力自然下降，进而影响输水计划的执行；另外，如果冰期总干渠运行不当，可能造成冰塞、冰坝事故，威胁渠道安全。经过有关单位的专题研究，确定冰期输水方式为：对于具备形成冰盖气温条件的渠段，控制沿线节水闸使渠道尽早形成冰盖，因为冰盖是相对稳定和安全的；对于不能形成冰盖的渠段，则通过设置拦冰索、排冰闸，分段及时清理冰块，防止形成冰坝或冰塞。     千里送水怎样保证水质安全     在解决水量的同时，如何保障输水线水质安全已成为一个备受关注的重大问题。东线、中线干渠途经农业区、城市、工业区，不仅水质可能会被进一步污染，而且输水途中地理环境的差异也将改变水体的理化性状、降低水质。     基于此，构建植被缓冲带体系和间断湿地生态系统是南水北调水质安全保障的必要措施。其体现的主要生态功能有：防止面源污染；增加水生脊椎和非脊椎动物、藻类、两栖动物、植物及鸟类的丰富度；改善水体的理化性状；改善输水沿线生态环境。     从生态环境的角度来看，南水北调工程不仅仅是一项跨流域调水工程，而且还是一项规模宏大的生态环境工程。     南水北调会影响生态环境吗     保护生态环境是实施南水北调工程的基本前提和重要目标。研究结果表明，调水对生态环境产生的不利影响主要集中在调水区，有利影响集中在干旱缺水的受水区，但是，工程对受水区和输水区生态环境的有利影响是主要的；对调水区生态环境的不利影响，可采取工程措施和非工程措施予以缓解或消除。     对于“调水对北方灌区土壤次生盐碱化的影响”、“调水能否使血吸虫病流行区北移”、“调水对长江口及其附近海域、输水干线湖泊水生生物的影响”等可能涉及的问题，专家们也都作过系统的专题研究，结论分别是：黄淮海平原已经形成比较完善的排水系统，北方灌区次生盐碱化能够预防和控制；如果钉螺移至北方地区，繁殖是非常困难的，形成新的孽生地基本上是不可能的；对长江口及其附近海域水生生物不会有明显影响，对输水沿线湖泊的水生生物是有利的。     长江水进京之后怎么处理     长江水从陶岔渠首出发，15天之后到达北京。为迎接远道而来的长江水，北京市内兴建了一批配套工程，主要包括：83公里的输水干线，总调蓄库容约为4000万方的调蓄工程，供水总规模约400万吨/天的新建、扩建和改造水厂工程。其中输水干线主要包括南干渠和东干渠，调蓄工程包括大宁调蓄水库、团城湖调节池、亦庄调节池。长江水进京后将存放在这些调蓄水库和调节池内，再经过这些新建或改造的水厂处理之后，最终输送到千千万万北京市民家中。     如果北京降雨增多，水用不完怎么办？其实读者大可不必担忧。中线工程沿途供应河南、河北、天津、北京四个省市的用水需求，如果北京需水量下降，那么可以通过沿途水量调控，将多余的水量输送到其他三个省市，或者通过地表水和地下水的联合调配消化来水。     北京的地下水未来能回升吗     有了长江水进京，北京的地下水能回升吗？对于这一问题，有学者进行了相关研究。根据这位学者的研究，如果城区在南水北调工程通水前维持现状地下水开采量不再增加，南水北调工程来水后，城区年均开采量在现在基础上压减1.8亿立方米，郊县开采量压减2.2亿立方米，则在今后遇到连续平水年的条件下，到2020年，预测城区和郊县地下水位均将有所回升；但如果今后来水连续偏枯，则预测地下水位将继续下降。     当然，这位学者的分析是建立在南水进京之后采取一定的地下水保护措施的基础之上的，所以未来地下水能否回升，除了与来水量有关之外，与政府采取的措施也有很大关系。     延伸阅读     南水北调工程     还有东线和西线     南水北调研究自20世纪50年代开始，总体布局被设计为3条调水线路，即西线工程、中线工程和东线工程，分别从长江上、中、下游调水，以适应西北、华北各地发展需要。未来通过3条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，将逐步构成以“四横三纵”为主体的中国大水网，并通过这3条干线每年从长江调水448亿立方米。     东线工程是在现有的江苏省江水北调工程、京杭运河工程、淮河现有工程和其它相关工程基础上建设的，包括输水系统和蓄水工程。规划的东线工程从江苏省扬州附近的长江干流引水，基本沿京杭大运河逐级提水北送，向黄淮海平原东部和胶东地区供水。东线全长1154公里，每年将输水143亿立方米。输水口起于长江下游的苏州，全线穿越江苏、安徽、山东和河北省抵达天津市。     西线工程从长江上游引水入黄河，是解决我国西北地区和华北部分地区干旱缺水的战略性工程。据初步研究结果，从通天河、雅砻江、大渡河这3条河最大的引水量约170亿立方米，其中包括通天河80亿立方米，雅砻江、大渡河干流50亿立方米，雅砻江、大渡河支流40亿立方米，供水范围为青海、甘肃、陕西、山西、宁夏、内蒙古6省、区、市。     南水北调工程是当今世界上最大的远距离、跨流域、跨省市调水工程，它的建设凝聚了新中国上上下下几代人的心血和智慧，如同万里长城、京杭大运河一样，是中国五千年历史上的伟大工程，也必将成为人类充分利用地理、地形特点，优化配置国土资源的又一个伟大范例。