南水是怎樣北上進京的？ 南水北調中線一期穿黃工程上游線隧洞在鄭州貫通

 

南水是怎樣北上進京的？   朱金余

▲河南省溫縣境內的南水北調中線溫博段一標干渠。CFP/圖     ▲沙河渡槽施工圖。     ▶2010年6月22日上午，南水北調中線一期穿黃工程上游線隧洞在鄭州貫通。

新聞背景      南水北調中線工程2003年開工，目前已經進入通水倒計時，預計將于今年汛后通水。這個工程從湖北丹江口水庫調水，年均調水量95億立方米，途經湖北、河南、河北，到達天津、北京，涉及地域之廣，自然條件之復雜，建設難度之大，在世界上都極為罕見。     那么，長江水是如何克服這重重困難來到北京的？南水進京后會給北京帶來哪些影響？相信很多讀者心中都藏著許多個“為什么”。本版特約清華大學水利系學生科協的成員就這些疑問一一做出科普解答。     不到百米落差     如何流過一千多公里路程     中線總干渠長1277千米，渠首水位147.38米，終點團城湖水位49.5米，輸水線路如此之長，調水規模如此之大，落差卻只有不到100米，可見長江水要進京，有多么的不容易。     南水北調中線的特點是，全程采用“自流”方式，即讓水自動北流。為了減少沿線的水頭損失和滲漏，渠道全線按不同土質，分別采用混凝土、噴漿抹面等方式進行全斷面襯砌。總干渠黃河以南縱坡1/25000，黃河以北1/30000至1/15000。     為了達到渠道縱坡要求，實現南水自流向北，遇到地勢高的地方就要削平，所謂逢山開路。河南境內的方城埡口是南水北送的咽喉要地，早在北宋時，宋太宗就想從方城埡口挖通渠道，引水北上，據傳當年征調10萬人挖了一百多里，終因土硬石堅，未能成功，千年之后這一難題終于被攻克。     遇到地勢低的地方，則需要遇水架橋，渡槽就是這所謂的“橋”。渡槽，也叫過水橋，是輸送渠道水流跨越河流、溝谷、洼地、道路等障礙的架空水槽。     北調水如何跨過河流和道路     為保證渠道內的水不受沿線河流水的污染，中線工程渠道主要采用渡槽等方式橫跨河流。位于河南魯山縣內的沙河渡槽是當今世界上綜合規模最大的渡槽，被譽為“世界第一渡槽”。它橫跨沙河、大浪河、將相河三條大河，全長9.05公里，如同一條巨龍橫空，是中原大地上的一道奇觀。沙河渡槽也是中線工程中規模最大、技術難度最復雜的控制性工程之一，單是將重達1200噸的U型渡槽安全運輸、吊裝到沙河之上，就已經是一項重大工程難題。最終這一難題被工程師們克服，創造了水利工程施工史上的又一奇跡。     這里也要介紹一下另一種河渠交叉建筑物——倒虹吸。當渠道與道路或其它河渠高程相近，需要平面交叉通過時，需要一種建筑物引導水流從道路或河渠地下穿過，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過建筑物。其原理類似于虹吸，但不用人為制造真空，因而應用廣泛，中線工程總干渠穿越白河干流就是采用倒虹吸工程。     長江水是怎樣穿過黃河的     中線穿黃工程位于鄭州境內，是人類歷史上最宏大的橫跨大江大河的水利工程。來自丹江口的清泉要從黃河的滾滾濁流之下穿過，工程難度之大可想而知。     穿黃工程是南水北調總干渠穿越黃河的交叉建筑物，不僅規模大，其建筑物的布置、形式等直接與黃河河勢相關。專家在確定設計方案時對過河建筑物型式（主要是渡槽、隧洞）以及穿黃線路的選擇進行了大量的論證工作，最終選擇了盾構隧洞方案。     黃河河床物質主要為第四系粉質壤土、粉細沙、細沙和中沙，在這樣的底質下，在地下35米深處，挖掘外徑8.7米、長4250米的圓形隧洞，將面臨盾構始發、盾構機長距離掘進、大型深豎井施工等技術難題。事實上，在隧道施工過程中，掘進不到1000米時，盾構機就出了問題，付出巨大代價邀請德國廠家現場維修之后盾構機才繼續投入使用。耗時5年之久，穿黃工程才得以貫通，長江水與黃河水得以實現有史以來首次“擦肩而過”。     什么是PCCP管道工程     PCCP管道全稱預應力鋼筒混凝土管，是在帶鋼筒的混凝土管芯上，纏繞預應力鋼絲，并噴以水泥砂漿保護層而制成的。     南水北調中線京石段惠南莊——大寧段PCCP管道工程，是繼利比亞“大人工河工程”之后，國際上又一次大規模采用直徑達4米的PCCP的工程項目，而且如此超大口徑的雙排、大埋深管道工程，在國際上尚無先例。     本工程的難點在于管道口徑大，如此大口徑的管道從制造到安裝在國內都屬首次，需嚴格控制管道制造質量和安裝精度；此外，管道體積大，運輸難，其最大外徑達4.852米，這樣的尺寸用不著交警阻攔，路上的天橋涵洞就將管道攔下了，為此本工程就近建設制管廠并設計了專用運輸道路；大口徑也導致單管重量最高達77噸，吊裝難度極大。雖然本工程存在眾多難點，但由于PCCP管道的“5高”性能（高強度、高密封性、高耐久性、高抗滲性和高性價比），加上安裝簡單快捷，工程師們對它青睞依舊，使得國內PCCP管道工程技術取得新的突破。     冬季渠道結冰怎么輸水     中線總干渠和天津干渠全長1432公里，沿途地域氣候差別很大，安陽以北渠段存在冬季渠道結冰的問題，因此冰期輸水是中線工程必須面臨的工程問題。     干渠結冰以后，輸水能力自然下降，進而影響輸水計劃的執行；另外，如果冰期總干渠運行不當，可能造成冰塞、冰壩事故，威脅渠道安全。經過有關單位的專題研究，確定冰期輸水方式為：對于具備形成冰蓋氣溫條件的渠段，控制沿線節水閘使渠道盡早形成冰蓋，因為冰蓋是相對穩定和安全的；對于不能形成冰蓋的渠段，則通過設置攔冰索、排冰閘，分段及時清理冰塊，防止形成冰壩或冰塞。     千里送水怎樣保證水質安全     在解決水量的同時，如何保障輸水線水質安全已成為一個備受關注的重大問題。東線、中線干渠途經農業區、城市、工業區，不僅水質可能會被進一步污染，而且輸水途中地理環境的差異也將改變水體的理化性狀、降低水質。     基于此，構建植被緩沖帶體系和間斷濕地生態系統是南水北調水質安全保障的必要措施。其體現的主要生態功能有：防止面源污染；增加水生脊椎和非脊椎動物、藻類、兩棲動物、植物及鳥類的豐富度；改善水體的理化性狀；改善輸水沿線生態環境。     從生態環境的角度來看，南水北調工程不僅僅是一項跨流域調水工程，而且還是一項規模宏大的生態環境工程。     南水北調會影響生態環境嗎     保護生態環境是實施南水北調工程的基本前提和重要目標。研究結果表明，調水對生態環境產生的不利影響主要集中在調水區，有利影響集中在干旱缺水的受水區，但是，工程對受水區和輸水區生態環境的有利影響是主要的；對調水區生態環境的不利影響，可采取工程措施和非工程措施予以緩解或消除。     對于“調水對北方灌區土壤次生鹽堿化的影響”、“調水能否使血吸蟲病流行區北移”、“調水對長江口及其附近海域、輸水干線湖泊水生生物的影響”等可能涉及的問題，專家們也都作過系統的專題研究，結論分別是：黃淮海平原已經形成比較完善的排水系統，北方灌區次生鹽堿化能夠預防和控制；如果釘螺移至北方地區，繁殖是非常困難的，形成新的孽生地基本上是不可能的；對長江口及其附近海域水生生物不會有明顯影響，對輸水沿線湖泊的水生生物是有利的。     長江水進京之后怎么處理     長江水從陶岔渠首出發，15天之后到達北京。為迎接遠道而來的長江水，北京市內興建了一批配套工程，主要包括：83公里的輸水干線，總調蓄庫容約為4000萬方的調蓄工程，供水總規模約400萬噸/天的新建、擴建和改造水廠工程。其中輸水干線主要包括南干渠和東干渠，調蓄工程包括大寧調蓄水庫、團城湖調節池、亦莊調節池。長江水進京后將存放在這些調蓄水庫和調節池內，再經過這些新建或改造的水廠處理之后，最終輸送到千千萬萬北京市民家中。     如果北京降雨增多，水用不完怎么辦？其實讀者大可不必擔憂。中線工程沿途供應河南、河北、天津、北京四個省市的用水需求，如果北京需水量下降，那么可以通過沿途水量調控，將多余的水量輸送到其他三個省市，或者通過地表水和地下水的聯合調配消化來水。     北京的地下水未來能回升嗎     有了長江水進京，北京的地下水能回升嗎？對于這一問題，有學者進行了相關研究。根據這位學者的研究，如果城區在南水北調工程通水前維持現狀地下水開采量不再增加，南水北調工程來水后，城區年均開采量在現在基礎上壓減1.8億立方米，郊縣開采量壓減2.2億立方米，則在今后遇到連續平水年的條件下，到2020年，預測城區和郊縣地下水位均將有所回升；但如果今后來水連續偏枯，則預測地下水位將繼續下降。     當然，這位學者的分析是建立在南水進京之后采取一定的地下水保護措施的基礎之上的，所以未來地下水能否回升，除了與來水量有關之外，與政府采取的措施也有很大關系。     延伸閱讀     南水北調工程     還有東線和西線     南水北調研究自20世紀50年代開始，總體布局被設計為3條調水線路，即西線工程、中線工程和東線工程，分別從長江上、中、下游調水，以適應西北、華北各地發展需要。未來通過3條調水線路與長江、黃河、淮河和海河四大江河的聯系，將逐步構成以“四橫三縱”為主體的中國大水網，并通過這3條干線每年從長江調水448億立方米。     東線工程是在現有的江蘇省江水北調工程、京杭運河工程、淮河現有工程和其它相關工程基礎上建設的，包括輸水系統和蓄水工程。規劃的東線工程從江蘇省揚州附近的長江干流引水，基本沿京杭大運河逐級提水北送，向黃淮海平原東部和膠東地區供水。東線全長1154公里，每年將輸水143億立方米。輸水口起于長江下游的蘇州，全線穿越江蘇、安徽、山東和河北省抵達天津市。     西線工程從長江上游引水入黃河，是解決我國西北地區和華北部分地區干旱缺水的戰略性工程。據初步研究結果，從通天河、雅礱江、大渡河這3條河最大的引水量約170億立方米，其中包括通天河80億立方米，雅礱江、大渡河干流50億立方米，雅礱江、大渡河支流40億立方米，供水范圍為青海、甘肅、陜西、山西、寧夏、內蒙古6省、區、市。     南水北調工程是當今世界上最大的遠距離、跨流域、跨省市調水工程，它的建設凝聚了新中國上上下下幾代人的心血和智慧，如同萬里長城、京杭大運河一樣，是中國五千年歷史上的偉大工程，也必將成為人類充分利用地理、地形特點，優化配置國土資源的又一個偉大范例。