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利用地下隧洞从长江向华北地区调水的初步设想

已有 611 次阅读 2020-4-25 20:32 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 隧洞, 长江, 华北地区, 调水, 设想

利用地下隧洞从长江向华北地区调水的初步设想

今年以来,水利部门连续大动作引起了社会各界的关注。首先一个是南水北调东线和中线的验收工作正式启动,其次是南水北调东线和中线的后续工程的勘察设计工作正式启动,第三个是南水北调西线工程的最后勘查工作由水利部委托黄河水利委员会进行。水利部表示西线工程规划方案比选论证报告今年内要完成。

中国的南水北调东线工程和中线工程基本完工,五年以来试运行效果良好,目前中线工程已经调水超过258亿立方,东线调水超过40亿立方。调水工程取得了显著的经济效益和社会效益。但是水利部领导认为调水规模仅占总体规划调水规模的41%,就工程而言,南水北调与国务院批复的《南水北调工程总体规划》目标还有差距。

从华北平原对水的实际需求量来看,每年一百多亿立方的水量尚不能满足华北地区的需求。目前华北地区依然存在以下比较尖刻的问题:第一,地下水位并没有有效恢复,农业和生态用水依然比较紧缺。第二,华北地区的水污染依然比较严重。第三,据说华北地区有十分之一的土地是盐碱地,治理盐碱化土地对于淡水的需求依然很大。那么,到底华北地区需要多少水才能够满足经济发展和生态用水的需求呢?一般的预估量大约是1000亿立方。这么大的水量从哪里来呢?长江,惟有长江。

长江的年径流量超过9000亿立方,而我们目前能够利用的只是其五十分之一,基本上三峡以东,长江以南的水没有办法调用。目前能够利用的调水工程有南水北调的东线水渠,中线水渠,另外还有一个潜在的调水水渠就是使用了千百年的京杭大运河,据说京杭大远河的一些线路已经被废弃了,非常可惜。目前看,利用东线水渠向华北增加调水的潜力有限,主要原因并不是这条路线水量不足,而是成本较高,需要大型泵站抽水。而中线增加调水的制约因子是水源缺乏,为此水利部准备做从长江向丹江口调水的补充工程,“引江补汉工程”前期工作正在加紧进行。另外从白龙江嘉陵江向汉江补水也是议程之中的事情。但是,无论中线潜力如何发挥,其引水量也只能是设计的最高限额,480亿立方。

那么能否有一个新的设计路线,能够把武汉以东的长江水调到北方,而且运行成本比较低呢?经过研究地图发现,实际上武汉以东的长江海拔都在海拔19米以下,从武汉到黄冈市、黄石市、九江市、安庆市、池州市、芜湖市的海拔都在19米以下,芜湖市只有4米。使用传统的落差引水的方法根本不可能把水调到华北平原。但是我们看到,大别山以东的平原和华北平原基本上连一片,而海拔最高只有40米,最低只有5米,落差非常小。也就是说,如果从长江抽向天津抽水,如果没有阻力损失,那么一度电可以抽水将近10个立方,平均每立方水的抽水费用不足一毛钱。这就给我们一个启示,我们完全可以利用地下隧洞引水,然后各地可以根据需要抽水。而地下输水隧洞可以把水从长江自流引到天津北京地区。为此,我们勘查出这样一条引水路线:

在海平面以下5米——15米范围内的地层修筑输水隧洞,引水点选择在合肥东南的巢湖,巢湖距离铜陵县的长江只有40公里,从长江引水到巢湖,从巢湖开凿地下输水隧洞沿着海拔30——40米线向北引水初步规划经过淮南市、阜阳市、亳州市、商丘市、菏泽市、濮阳市、邯郸市、邢台市、衡水市到达保定市的白洋淀,从白洋淀引水向东北经过廊坊市到达天津市北面的武清区,这里有一大片低洼地可以利用,也有一个水库可以储水。全程1150公里。我们暂时给这个输水隧洞取一个名字叫“天津铜陵隧洞”简称“津陵隧洞”。

总结来说,津陵隧洞修筑在海拔负5——负20的地下,隧洞直径10米较为合适,全程长度1150公里,穿越安徽、河南、山东、河北到达天津。其海拔始终保持负5——负20,全程没有落差,始终依靠长江水位在地上8米,隧洞水位在地下5米的1424米的落差提供引水动力,是一个大型的U型管,主要依靠压力引导流水。所以,其原理和利用落差自流的原理完全不一样,它形成的是一个地下水网,每一个用户需要用水必须使用水泵抽取。对于这样一个设施需要解决以下问题:

第一,隧洞的长度太长,是否具有现实性。从目前的技术水平看,这个不是问题。我国目前的隧洞技术已经非常发达,每一个大城市的地铁路程都超过了几百公里,这个隧洞总长1150公里,仅仅相当于北京上海西安三个城市地铁的总里程。

第二,隧洞所经过的地区都是泥沙沉积区,没有硬岩石,开挖技术难度小,对于泥土盾构机的要求小,目前的设施水平完全能够达到。但是泥沙的稳定性差,容易发生坍塌、滑溜现象,因此隧洞的护壁必须使用管片砌撑,管片的用量很大。

第三,隧洞实际上避开了所有的地上水库、河流、城市、公路和村庄,以及地上的所有建筑。在地下可以随意穿越,不破坏地上建筑。不占用地上土地。这一点对于人口稠密的东部平原尤为重要。

第四,隧洞的路线避开城市和重要的地上设施,从农村的田地下面穿过不影响农业和种地。一般情况下,耕地深度不会超过2米,而这个引水隧洞在地下2060米(当地海拔是50米则隧洞深度60米)。

第五,隧洞的水自成体系,完全封闭,不受当地降雨、地下水污染的影响,而且全程不会受到污染。这一点对于华北平原也是自关重要的。

第六,引水量可以弹性调节,最大引水量可以超过1000立方。引水只受到水压影响,与坡度没有关系,这个U形管原理的好处就是水量只与水压有关。流速可以根据抽水量变化。

第七,从铜陵到天津修建的地下隧洞只是一个主干隧洞,可以以分支隧洞形式修建许多分支隧洞,从而在大半个华北平原展开地下水网。形成树枝状结构,类似于新疆的坎儿井。

第八,华北平原土地平坦、地域广阔,如果一条隧洞不能满足需求,可以修建更多的隧洞,例如可以沿着京杭大运河的地下修建。

第九,这个隧洞可以有效的解决长江下游从九江到城陵矶每年发生大洪水,水无出去的问题。实际上,每年长江发生洪水的季节恰恰是华北平原炎热干旱的季节,这时候的华北平原的需水量非常大,完全可以解决长江危险。

第十,这个隧洞可以有效调用长江以南产生的径流,其位置恰恰是长江以南多个湖泊的入江口以东,其位置在鄱阳湖以东260公里。对于调节湖泊水位有很大影响。

第十一,隧洞引水的水质肯定没有从丹江口引水的水质好,但是也不会很差,完全能够满足华北平原农业用水、生态用水、治污用水、洗碱用水的需求。

第十二,隧洞引水的总投资应该低于地上引水工程。隧洞引水不需要大型渡槽、水闸、调节闸门、水土流失防治措施,也不需要占地和搬迁,技术相对简单。

为了修建成功这样一个输水隧洞,需要对巢湖进行全面的环境治理,同时必须修建一个分水系统,让长江的水流到巢湖。巢湖的总面积为750平方公里,基本可以满足水沉淀、澄清和水量需求。在巢湖中引水位置可以选择在湖泊中央,使用大型沉管输水,使用竖井放水。用水单位可以使用竖井抽水,竖井高度应该超过当地地平和河水最高位,防止污染水源。

利用华北平原地下引水可以避免占用大量的农田和森林,可以避免搬迁住户,可以不影响地上各种设施,可以抬高地下水位,可以洗碱治理盐碱土地,而且输水的水质有保证,不会加入污染物。最为关键的是可以不受水量的限制,可以随用随取。实现北方和南方的旱闹互济,有效解决南方洪水问题。这个工程的设计思路避开了必须利用落差的理论,完全利用水压力原理,封闭系统的水流速度不受谢才公式制约,能够有效解决无落差的平原地区大规模供水问题。好处很多,当然困难也不少。希望理论界多多讨论。

 




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2 范振英 张士宏

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