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黄土高原新的引水治理规划

已有 2278 次阅读 2023-3-1 22:50 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记

黄土高原新的引水治理规划

朔天运河设想是中国人第一次就解决中国西北干旱问题提出的科学的、宏伟的、全面的设想。这个设想的提出开创了一个民间设想引水的先例,从此之后向大西北调水的设想层出不穷,而且越来越科学合理,应用新技术的设想也是日新月异。朔天运河设想二十年前被水利大咖否定,从此再没有从政府层面重视。但是政府现在又提出了国家水网的概念,这个概念和朔天运河的设想基本契合,因为朔天运河恰恰是中国西北水网的一部分。

朔天运河设想提出二十五年之后的今天,全国的水利情势已经不能和二十五年前同日而语了。二十五年来水利形势发生了巨大的变化,主要表现在:第一,三峡水库全面建成投产,每年收益基本稳定在一千亿,生态效益、航运效益、发电效益、防洪效益,抗旱效益超出了过去专家的预测。2,南水北调工程东线和中线已经完工投入运营,累计已经向北方调水超过600亿立方,生态效益和经济效益超出了专家的想象,困难已经基本克服。3,超大型水库技术已经完全掌握,目前我国的水坝技术已经从土石坝向超高型重力坝,超高型拱坝,混凝土双曲拱坝等方向发展。溪洛渡水电站,白鹤滩水电站,乌东德水电站都是混凝土双曲拱坝,坝高分别是285.5米,289米,270米,混凝土双曲拱坝代表了当前中国水坝技术的最高水平。4,是中国的水工隧洞技术已经取得了核心技术,盾构机技术已经和二十五年前不可同日而语,到了2021年,中国盾构机,已经连续九年占据国内第一,以及全世界出口的三分之二。中国的从汉江到渭河的98公里超长的水工隧洞已经贯通。与此同时,5G技术也在向水利隧洞渗透。所以,现在中国已经有能力再次把郭开的朔天运河计划提上日程了,因为这个设想的核心,全程自流是非常合理的,进而它的路线也基本是合理的,我们可以利用北斗导航完善这个路线。

在对待朔天运河的设想上,当时的水利部专家提出了一系列问题,后来因为无法解决这些问题而搁置了朔天运河计划。2000711日,钱正英等向国务院和有关部委作了汇报,认为各种大西线方案,在可以预见的将来,没有现实的技术可行性。在报告中钱正英认为:对黄土高原来说,不是没水,而是没能力用水不少土地在高坡上,用水靠抽水机从河边抽水,这样抽水费就会比较高,当地不少农民用不起这样的水

今天我们就黄土高原如何解决干旱缺水问题进行讨论。 

一、黄土高原的基本情况

黄土高原东西千余公里,南北750千米。包括太行山以西、乌鞘岭以东,秦岭以北、长城以南广大地区。跨山西省、陕西省北部、甘肃省(除陇南市、平凉市大部分地区、庆阳市的宁县和正宁县外)、青海省、宁夏回族自治区及河南省等省区,位于我国第二级阶梯,面积约62万平方千米,海拔1000~2000米 。

黄土高原在调水中是用水规划设计困难地区。由于黄土高原在长期流水侵蚀下地面被分割得非常破碎,存在数量很大的台塬、山梁、山峁、山沟,川道。而且这些山沟川落差不大,长度和宽度不大,无法修建库容巨大的水库,因此黄土高原的灌溉不能依靠修建大型水库,许多地方只能修建小型水库,大量的水库库容在几十万到几千万立方之间。由于这种水库库容小,要实现大规模灌溉只能修建更多的水库。当然,黄土高原有大量的有利地貌可以修建小型水库。从甘肃的九甸峡水库向东一直到陕北,基本上再很难找到库容上亿的地貌,这给向黄土高原大规模调水带来很大困难。这种困难不仅要求修建数量庞大的水库,而且由于这些水库高低不同,落差不同,为给这些水库供水带来一定的特色:水库数量多要求有更多的送水隧洞水渠,高低不同要求有些是自流水渠,有些水渠是抽水储能水渠。但是这种数量众多、广泛分布的水库可以灌溉更大面积的土地。

二、黄土高原的水情分析:

把钱正英对黄土高原的论述可以概括为几点:第一点,黄土高原不是没水,也就是说黄土高原并不干旱。第二,黄土高原有水但是无法利用。第三,黄土高原抽水成本很高,农民用不起。

我们来逐一分析以上观点:第一点,黄土高原到底有没有水?黄土高原从东到西一共跨越四个省,分别是山西省、陕西省、甘肃省、青海省。

我们列举各个县市的降雨量。天水市清水县年平均降雨量583毫米,秦安县年均降水量507.3毫米,甘谷县年均降水量500毫米左右武山县降水量500毫升左右。平凉市的静宁县年均降水量为450.8毫米,崆峒区年降雨量537.5毫米,庄浪县年均降雨量为547.8毫米,泾川县年平均降雨555毫米,灵台县年平均降水量654.4毫米,华亭年均降雨量607毫米,崇信县降雨量400-500毫米。庆阳市的环县年均降雨量300毫米左右,镇原县年平均降水量450-580毫米,宁县平均降水量565.9毫米,华池县年降水量380-510毫米,庆城县年均降雨量537.5毫米,合水县年均降雨量560-590毫米,正宁县年平均降水量623.5毫米。陕西省延安市的宝塔区年均降水量550毫米,延川县年降水量500毫米,子长县年平均降水量514.7毫米,吴起县年平均降雨量483.4毫米,洛川县年降水量622毫米,安塞区降水量506.6毫米,延长县年平均降水量564毫米,志丹县年均降水量474.2毫米,富县平均降水量500600毫米左右,黄龙县年降水量600毫米左右,宜川县年平均降水量521.1毫米,黄陵县年平均降水568.8毫米,甘泉县多年平均降水524.1毫米。甘肃省定西市安定区降雨量在300——380之间,通渭县降水量334.9毫米左右,临洮县年平均降雨量317-760毫米之间,陇西县降雨量445.8毫米,渭源县年平均降水量507毫米,漳县年平均降水量458.3毫米。陕西省吕梁市的柳林县平均降水量为472.3毫米,临县年平均降水量为518.8毫米,孝义市年平均降水量为428.8毫米,兴县平均降雨量560毫米,汾阳市年平均降水467.2毫米岚县年均降雨量510毫米,离石区年平均降水量为450550毫米,文水县年平均降水两为450700毫米之间,交城县年平均降水量440~700毫米,石楼县年降雨量550毫米,方山县平均年降水量440650毫米,交口县年平均降水量618毫米。

从以上数据可以得出以下结论:

第一,黄土高原是典型的半湿润半干旱气候,它介于湿润区和干旱区的过渡地带,向西北向北就是干旱草原地带,向南向东是我国的湿润区。黄土高原的中间恰好是胡焕庸线,这个地区的平均降雨量在400毫米到600毫米之间,在生物生长中恰恰处于需水量的下限黄土高原上的庄稼恰恰受到水量下限的限制无法高产。从水的年总量来说依然是比较紧缺的,正因为这样,黄土高原有大量的荒山荒地。

第二,黄土高原的降水季节性非常明显。首先受到季风的严重影响,该地区的降雨量集中在夏季和仲夏,就是6月、7月、8月和9月。5月和10月有时候也有较大降雨,但是历年变化很大,降水变率很大。总体来说黄土高原地区从5月到9月一般是丰水季节,而从10月到次年5月是枯水季节,是比较缺水干旱的。所以,不能说黄土高原地区不缺水,而是季节性严重缺水。

第三,黄土高原地区虽然从5月到9月是丰水季节,但是是炎热的夏季,蒸发量很大,天气热,也是缺水的。同时,黄土高原的降水变率不仅月差异很大,季节差异很大,而且年际变化很大,相差多少呢?可以相差十倍以上。枯水季节的径流量只有几十立方每秒,而洪水季节的径流量可以高达3000多立方每秒(例如渭河)。所以,黄土高原的抗旱任务紧于防洪任务,而防洪常常是猝不及防的。

第四,由于黄土高原的降水不能完全满足植物动物生长,季节性差异很大,所以黄土高原的生物生长量不大,作物产量不高。尤其表现在地下水上,地下水普遍稀少,能够找到井泉的地方很少,而且水质不好。

综上所述,我认为总体而言,黄土高原不是没水的言论是错误的,黄土高原存在整体缺水,尤其缺乏地下水,存在季节性缺水,也存在地区性缺水。

第二个结论:黄土高原有水但是无法利用。

以上分析已经清楚,黄土高原的丰水季节在夏季和秋季,这个季节的确有水,而且大量的洪水随着河流汇入大海。因为洪水是短暂的瞬时的,而动植物对水的需求是长期的多次的,河谷不缺水,但是山梁山坡特别干旱缺水。所以的确存在黄土高原的径流水难以利用的问题。而且径流水往往在河谷无法灌溉,大量的土地在山坡,山梁,山谷之上,需要抽水机抽水。所以,客观上黄土高原有这样的需求:夏季的洪水储存起来使用,夏季的洪水在秋季冬季尤其是春季使用,河谷里的水在山坡上山梁上使用。如何做到这些需要好好讨论,例如如何抽水节省电力,如何储存水长期利用等。

第三个结论黄土高原抽水成本很高,农民用不起。

其实这个问题在电力紧缺的时代的确是一个成本问题,但是随着技术进步,随着电力的增多,随着人民群众收入的增加,这个问题已经可以解决。例如光伏技术的普及,风力发电的普及,恰恰适合农村以村落或者家庭为单位进行光伏发电和风机发电。这些电力就可以实现抽水灌溉。对于抽水和黄土高原上生活的电能问题,我有自己的看法,为了能够满足抽水用电需求,满足生产生活用电需求,我建议在国家电网之外,再以县为单位或者以乡镇为单位,自建生产电网,把光伏生产的和风力生产的电力用于当地生产,使得生产实现低成本永续运作。

总体来说,25年前对于朔天运河的质疑是有道理的。但是随着技术进步这些问题已经可以解决。而我们现在并没有看到黄土高原地区有大规模的防洪抗旱用水措施,因此有必要专门就黄土高原地区引水灌溉,防汛抗旱,利用水资源做出一个技术路线型的规划。

三,黄土高原的新的治理思路:

首先,黄土高原的用水指导思想要明确:

黄土高原的黄土具有持水性强,渗透缓慢,毛细管多,营养丰富,黄土颗粒细,土质松软容易流失等特点。针对这种特点,水利部水土保持研究所朱显谟院士建立了土壤水库学说。土壤水库指土层深厚,结构疏松,质地良好的土壤,对水分(土壤接纳的天然降水等)具有良好的渗透性、持水性、移动性及其相对稳定性的特征。依据土壤水库学说,朱院士提出了“黄土高原国土整治28字方略”,其内容是“全部降水就地入渗拦蓄,米粮下川上塬、林果下沟上岔、草灌上坡下坬”。其中前10个字是总目标和一切开发、生产和治理保护等措施共有的战略目标;其余18字是根据种植业对水分要求和各类生产措施的水保、生态和经济效益所作的科学的和合理的安排。当然,我早在二十年前就知道了这个28字方略,但是经过多年的实践和思索,我认为这个28字方略依然陷入了保守主义的泥潭,因为这个方略是基于无法利用夏季洪水和基于没有调水,水资源缺乏的情况,以及基于不要做超级水保措施的条件下的治理方略。

我现在认为,在治理思路上,应该遵守老先生的“全部降水就地入渗拦蓄”的方略。但是要“尽可能拦储夏季洪水,积极使用外来调水”,否定过去“只在山沟,山谷修建储水设施”的做法,积极引水到山梁山峁,在山梁山峁修建储水池,让水自流灌溉。让山谷水库和山上储水池成为一个灌溉系统。以流域为单位组建灌溉系统,流域上游和下游分别修建梯级水库,梯级水库的上游水库连接外调水源,确保常年供水。

四,黄土高原水治理的具体设想

可以看出,朱院士的总体要求是“全部降水就地入渗拦蓄”。如何做到呢?实践证明在洪水季节就地拦蓄是很困难的,除非修建大量的淤地坝、谷坊、陂塘、水池、水窖。就地拦储,需要拦储多少径流量?以渭河为例,洪水期的每秒径流量超过3000立方,一天的径流量就多达2.6亿立方。无法全部拦储。黄土高原最常见的沟道宽度是100米——300米,以300米为例,假如尾水可以长达2000米,深度可以是10米,那么其最大容量也只有300万立方米。也就是说大多数黄土高原的淤地坝或者小型水库的储水量在10万立方到300万立方之间。但是黄土高原千沟万壑,可以修建这种小型淤地坝的地方何止几万?我们初步统计,黄土高原之间的沟壑间距在6公里到9公里之间,长度大约在30公里左右,以此计算黄土高原上大约有沟谷3500条,可以修建水库(淤地坝)的数量大约是2.5万个,那么最大的拦储量可以达到750亿立方,最少也可以达到100亿立方,这样才可以真正达到朱显谟院士的要求“全部降水就地入渗拦蓄”。

把储水和淤地结合起来,既能够保水又能够保土。一般来说一个淤地坝最后形成的小台塬面积可以达到50亩到300亩。有了小台塬,那么“就地入渗”的设想也就可以基本实现,而且形成上百亩地的小台塬之后,生活方便,交通方便,种植也方便,生活生产成本大幅度减少。但是洪水季节水量很大,洪水都顺着山坡山谷迅速流下,山梁山峁上储水量很少,甚至常年处于干旱状态,这种情况如何解决呢?过去我们修建小型水库,修建谷坊,修建淤地坝都是在山谷中,但是山梁山峁山坡山坪上很少修建水利设施,很少有池塘,但是山梁山峁山坡山坪上存在大量土地,这些土地客观上需要灌溉,需要修建储水池。我们的设想是“每一架山上至少修建一个储水池,每一个坪上至少修建一个储水池,每一个储水池至少2000立方储水量,均匀分布,全面灌溉,每一个储水池至少灌溉100亩土地”。

那么储水池修建在山梁的什么地方?我设想,首先设定一个灌溉区域,这个灌溉区域的高差不超过20米,所灌溉的面积不少于100亩,储水池应该在该灌溉区的顶部,方便自流灌溉。同时这个储水池应该处于天然地形的汇水地,也就是一个相对的低地,或者是径流汇入沟谷的汇水口,或者是一个小沟谷的上游,或者是一个坡面的下面,或者是一条公路的拐弯等等,保证周围有较大的平地,这样修建储水池就赋予储水池一个新的功能:拦储洪水的功能。为了拦储洪水应该再储水池的傍边修建一个洪水沉淀池,当然,沉淀池可以因地制宜,在水平梯田上就可以,直接把洪水引到沟谷傍边的水平梯田上,既能够保土,又能够储水。如果一个山梁的高差超过40米,那么就应该修建两个储水池。有了这些储水池,那么如何使用呢?洪水季节就地引水进入储水池,就是说把山坡上产生的洪水引入储水池,不要让洪水流入沟谷(当然这需要巧妙的设计),水满以后再排泄到沟谷进入谷底的水库。

到了春季播种季节,山坡上的储水池已经没有水,需要从山下的水库抽水上山。抽水需要电能,电能问题如何解决。也许二十年前这的确是一个很大的成本问题,但是现在根本不是问题。黄土高原地区由于常年干旱,太阳能资源特别丰富,风能资源也特别丰富。所以为了灌溉抽水,可以专门为储水站建设若干光伏发电场,或者风力发电厂。我们知道水的效益具有放大作用,单方水的效益在农业上一般会放大十多倍,所以抽水储水灌溉的效益肯定是远远高于抽水储水的成本。

这个设计的总体设想是,在一个小流域之内,山下谷地修建淤地坝或者水库作为总的灌溉储水基地,在小流域的山梁山峁山坡山坪上按照灌溉需求修建若干储水池,每一个储水池控制一定面积土地进行灌溉,灌溉要确保自流,灌溉抽水需要修建配套的发电站,抽水站,这样水库、储水池、发电站、抽水站共同形成一个灌溉系统。这是对黄土高原上的“引水上山”的微观设计。

从宏观上说,如果整个黄土高原上一半以上的土地实施了“引水上山”灌溉系统以后,会是一个巨大的系统,它就具有系统的所有特点。首先一点就是这个系统如果要运行,必须有系统运行的“标的”,没有标的系统就失去了存在的意义,这个标的就是水。实际上,黄土高原上洪水季节截留的水只能满足未来两三个月的需求,也就是说只能满足10月、11月、12月的需求,一般来说到了春季草木萌发季节和春播季节,干旱情况就比较严重,影响苗木的发芽,影响植物的繁育。因此黄土高原上可以存活的植物是有限的,刺槐生长的北边边界在北纬36度左右,再往北就由于干旱而无法存活。黄土高原的较为干旱的地区只有比较耐旱的植物,例如垂柳、旱柳、毛白杨、杂交杨、白榆、桑树、枣树,苹果。而需要水分较多的树种比较少见,或者生长不好,例如:杏树、梨树、椿树、银杏、水杉、栾树、皂荚、合欢树、七叶树、漆树、悬铃木、五角枫、楸树、红叶李、李子树、花椒、核桃、雪松、构树等等。可以说,由于干旱缺水,黄土高原上常见的树种只有关中平原上的五分之一左右。黄土高原的生物产量也很少,而俄罗斯地区虽然更加寒冷,但是水分充足,它的生物年产量并不低,森林连片,草原广布。所以,“黄土高原引水上山灌溉系统”形成以后,最主要的任务依然是从远处调水。实际上,这篇文章的主要目的就是做“南水北调西线工程”的黄土高原用水规划。假如,南水北调西线工程完工,有大量的水可以调到黄土高原的沟沟壑壑,那么我们选择哪里为出水口?这些出水口周围必须能够控制全局,控制整个流域,这个出水口必须有能够储存大量的水库容,这个出水口必须能够保证灌溉大部分土地。那么只能够把水通过管道输送到每一个流域的上游,沿着河谷修建梯级多个水库,在水库周围引水上山。例如以“关川河”为例,我们可以在定西市上游、鲁家沟镇、头寨子镇、郭城驿镇分别修建水库,而在祖励河的青岚山乡、柴家门镇、甘沟驿镇、河畔镇修建水库。修建梯级水库,让它成为一个水库群落,调水系统,实现常年储水,库容共享,资源互给。

现在出现一个很大的问题,水库占据了大面积的平川地带,水库和农业争夺土地,这个问题如何处理?这个实际上也是“黄土高原引水上山灌溉系统”需要处理的棘手问题之一,也是这个规划能否实现的关键。水库占据川原地区,可能造成群众移民,公路改道,城镇搬迁等等事件,但是从长远看,效益远远大于成本。对这个问题的解答是这样的,流域内的梯级水库之间应该有一定的距离和落差,而水库之间因为距离和落差产生的土地应该做成高标准灌溉农田,以便于弥补由于水库占领土地而形成土地的减少。一般来说,一个水库应该控制水库面积100——500倍的土地面积。第二,水库本身设计为“淤地坝”,坝体高度不超过50米,不设计溢洪道,允许洪水从坝面溢出,也只设计很小的涵洞,平时放水很少,努力做到朱显谟院士所要求的“全部降水就地入渗拦蓄”,同时所有流失的土壤也都沉积形成新的坝地,也就是说这些水库的另一个重要作用是淤地,我们一般要求最少淤地20公顷,形成的坝应用严格的混凝土坝体,梯级消能池。淤积的期限大概是30年——60年时间,当这些水库的土淤积到了设计的坝顶的高度,面积够大,非常平整,符合耕种条件的时候,在淤地坝顶部和山坡交界地带做排水渠即可防洪。然后在此坝的下面或者紧挨的上面再次修建一个水库,接着储水和淤地的使命,而淤地坝上的土地成为永久居住用地。第三,我们来估算一下一个水库大概可以浇灌多少土地,假定有一个水库占地10公顷,平均水深为15米,那么它的库容是15万立方米,一般来说每亩土地的需水量是300立方米,那么这个水库可以浇灌330公顷土地,那么水库占浇灌土地的百分率只有3%。这对于广大的黄土高原来说是很小的。所以,可以说引水灌溉系统基本不会影响黄土高原的正常生产,不占用大量土地。何况每亩土地需要300立方水是说全年用水,可以分次分批供给,占地就更少了。储水池也一样,100亩土地只需要修建一个20米宽50米长5米深的储水池即可,每次每亩最多浇水50立方,储水池占地比例是0.2%。按照每100亩修建一个储水池的要求,黄土高原上大约应该修建930万个储水池,按照每间隔5公里修建一个小型水库的要求,黄土高原大约需要大约2.5万个水库。所以,对于整个黄土高原来水,水库和储水池的点状分布,所占面积比例很小,但是作用巨大,可以把粮食亩产提高到800——1000斤每亩。

现在,我们计算一下整个黄土高原高产所需要的需水量。按照每亩灌溉300立方来计算,黄土高原总面积62万平方公里的总需水量是2790亿立方水。黄土高原每年可以自产2500——3000亿立方水,可以说自产水有可能能够满足自用需求。但是有大约50%的自产水流出了黄土高原或者被蒸发掉,所以黄土高原至少还需要春季灌溉水,夏季灌溉水每亩大约50立方,大概缺水450亿立方。当然,依靠南水北调西线工程是无法满足这些需求的。而这些调水还应该补充由于各个地区降雨不平衡造成的水源短缺,一般来说同样是黄土高原,山西不缺水,陕西和关中交界地带不缺水,甘肃东南部天水地区不缺水,其它地区都非常缺水,在调水的时候不缺水或者季节性缺水地区可以少量补充一些水,而缺水地区应该多补充一些水。

总体而言,我们设计了一个灌溉系统,形成了黄土高原的用水规划,也形成了黄土高原的一个新的治理规划。这个规划抛弃了以往在沟谷里面修建水池陂塘谷坊的做法,直接把水池修建在山顶土地需要能够自流到达的地方,并且和山谷中的大型水库形成子母水池,互相依存,而山谷中的大型水库又依据河流流域修建成梯级水库,从上向下补给补给。上游水库水源不够的时候从南水北调总库中抽取,形成永不枯竭的水库网络。黄土高原上大约应该修建930万个储水池,大约2.5万个水库(淤地坝),未来这些水库淤地可以达到5千平方公里平整土地,占整个黄土高原的0.8%

也许有人会问:这个灌溉系统在小流域可以实施,但是遇见大的流域,例如像延河的一级支流就不能修建梯级水库,不能修建大的淤地坝了?实际上,我认为也许是可以的。从长远看,延河上多修建几个大淤地坝,将来淤积出的土地面积超过一万亩,那不好吗?淤积五十年,这五十年中,道路会改道若干次,楼房会重修一批,各种基础设施也会陈旧更换。利用这些更换的时机在新淤积的土地上修建新城,改造旧城,实现城市的新陈代谢。当然,这些需要看必要性和成本效益比例。对于大部分黄土高原地区来说,工业化/城市化程度并不高,所以在干流上修建大型淤地坝的可能性还是存在的。从干流上向支流上送水的可能性也是存在的。

形成这种供水系统以后的效益是很大的,首先可以把粮食产量从目前的5百多斤提高到800斤以上,粮食会增产50%以上。其二,黄土高原上的荒山荒地将大幅度减少,由于水比较充足,树木的种类数量都会增加,生物生产量将大幅度增加。其三,不仅植物生产量增加,而且供养的家禽家畜产量大大增加。等等。

五,黄土高原新的引水治理小结:

我们这个黄土高原的治理理念是借助于前人的总结,全部径流就地拦储。我们为了拦储洪水,提出把水池修建在山梁、山峁、山坡上的设想,为了储水池有水,我们统一通过大型水渠或者隧洞把外来水调到流域上游,在整个流域上修建梯级水库,由水库作为供水总站向周围山坡上的储水池供水,从而形成一个遍布黄土高原的灌溉水网系统。为了有效的使用这个系统,应该给这个系统修建独立的电网系统和发电设施,从而形成一个组织体系。而这个组织体系的有效运行需要一个专门的组织。

 

 




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