南水北調(diào)與水利科技

1、南水北調(diào)與水利科技             摘要本文根據(jù)現(xiàn)代水利的發(fā)展要求，探索了調(diào)水工程的設(shè)計思想如何適應(yīng)新形勢的發(fā)展要求。研究的主要問題包括：輸水方式應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)代水利發(fā)展思路的要求，機電設(shè)備性能與運行效益的關(guān)系，常規(guī)技術(shù)與新技術(shù)的關(guān)系，水力控制理論在調(diào)水工程建設(shè)中的作用，工程總體規(guī)劃設(shè)計質(zhì)量的保證問題。建議是：在輸水方式的選擇上應(yīng)與節(jié)水、防污和生態(tài)保護(hù)有機結(jié)合起來，盡可能采用封閉式輸水方式；在機電設(shè)備的選擇上，應(yīng)當(dāng)建立“重運行效率、供水的可靠性，輕設(shè)備本身投資”的觀念；對于

2、那些效益巨大的新技術(shù)，大型調(diào)水工程建設(shè)應(yīng)當(dāng)成為采用新技術(shù)的典范. 關(guān)鍵詞調(diào)水工程 設(shè)計新思想 輸水方式制 New Thought on Design of Water Diversion Projects  ABSTRACT: It is discussed what new thought on the design of water diversion projects is needed in the modern water resources. The major issues include that the water diversion mode of a proje

3、ct should suit for the development of the modern water resources, the selection of pump-motor units, and the relationship between regular techniques and novel ones, as well as the application of the modern hydraulic control theory to the construction of water diversion projects and the supervision f

4、or the design qualities of the projects. As a result, it is suggested for the construction of the large-scale water diversion projects as follows. Firstly, from the point of view for water saving, pollution prevention and environment protection, the closed pipes or channels had better be used for wa

5、ter conveyance but open channels. Secondly, in the selection of pump-motor units, it is the reliability, efficiency and regulating abilities that are the decisive factor but their costs. Thirdly, the new techniques with greatly economical benefit should be used as far as possible, even if there are

6、some risks. Fourthly, in the design of a project, the methods of the hydraulic control should be applied to making the disposition of the hydraulic constructions, mechanical and electrical equipment and automation control systems optimize. At last, the existing supervision mode of the qualities of t

7、he designs of the projects must be improved. Besides for the exert meetings, there should be the third that carries out the computing investigation for the preliminary plans provided by the design institutes in details.  KEY WORDS: water diversion project, new thought；water diversion mode；hydra

8、ulic control；new technique ；design quality. 我國水資源時空分布極不平衡，在空間分布上南方水多，北方水少；在時間分布上，降雨量主要集中在夏季三個月內(nèi)，其它月份降雨量很少。干旱缺水是我國尤其是北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要制約因素，據(jù)統(tǒng)計我國669座城市中有400座供水不足，110座嚴(yán)重缺水。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，通過跨地區(qū)、跨流域的調(diào)水工程解決城市用水是一種必然的發(fā)展趨勢。水利部汪恕誠部長曾經(jīng)指出：跨流域調(diào)水將是21世紀(jì)中國水利的一大特點。在我國修建調(diào)水工程具有悠久的歷史，春秋時吳王夫差為爭霸中原,于公元前486年修建了引長江水入淮河的邗溝工

9、程，可謂中國跨流域調(diào)水工程的開創(chuàng)性工程。2259年前秦國蜀郡守李冰父子率眾修建的都江堰引水工程引水灌溉成都平原，成就了四川“天府之國”的美譽，至今還在造福人類。新中國成立后，我國的調(diào)水工程得到了長足發(fā)展。江蘇省修建了江都江水北調(diào)工程，廣東修建了東深供水工程，河北與天津修建了引灤工程，山東修建了引黃濟(jì)青工程，甘肅修建引大入秦工程，山西修建了引黃入晉工程，大連的引碧入連工程等?，F(xiàn)在舉世矚目的南水北調(diào)工程正在修建。在國外，最早的跨流域調(diào)水工程可以追溯到公元前2400年前的古埃及，從尼羅河引水灌溉至埃塞俄比亞高原南部，在一定程度上促進(jìn)了埃及文明的發(fā)展與繁榮。20世紀(jì)50年代以后，國外提出了許多調(diào)水規(guī)劃

10、。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球已建、再建或擬建的大型跨流域調(diào)水工程有160多項1。與局部性的水電工程，如水電站、泵站不同，長距離調(diào)水工程的建設(shè)復(fù)雜得多。以南水北調(diào)中線工程為例，它規(guī)模宏大，調(diào)水流量大，輸水距離長達(dá)1200多km，不同地區(qū)的水壩、水庫、明渠隧洞和倒虹吸管、閘門和分水閘、泵站、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)通過水力有機聯(lián)系，必須在各環(huán)節(jié)的設(shè)計匹配的條件下，才能保證工程的建設(shè)質(zhì)量。毫無疑問，現(xiàn)有工程經(jīng)驗對于今后調(diào)水工程的建設(shè)具有借鑒參考價值，但不能作為榜樣照抄照搬。修建調(diào)水工程，特別是大規(guī)模、長距離跨流域工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。隨著人們對水利工程和生態(tài)環(huán)境關(guān)系的認(rèn)識的深化，現(xiàn)代水利理論逐漸形成2-6，強調(diào)

11、人與自然和諧相處。水利工程的優(yōu)化目標(biāo)將由慣常的“技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益統(tǒng)籌兼顧；水利工程的運行方式要與保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)、改善水質(zhì)以及高效利用雨洪資源相適應(yīng)。并且修建調(diào)水工程的主要目的正在轉(zhuǎn)變，不再是漕運和農(nóng)業(yè)灌溉，而是向城市提供生活用水、工業(yè)用水和維持生態(tài)平衡的用水。在調(diào)水工程建設(shè)過程中，如何將這些原則性的思想轉(zhuǎn)化為具體的、可操作的設(shè)計程序是值得思考的問題。1 輸水方式應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)代水利發(fā)展思要求在調(diào)水工程的建設(shè)過程中，輸水方式的選擇具路的有舉足輕重的意義，不僅需要考慮工程建設(shè)投資和運行費用的大小，而且必須考慮與節(jié)水、防污、生態(tài)環(huán)境的有機統(tǒng)一。輸水方式可劃分兩大類：開敞式輸水

12、和封閉式輸水。開敞式輸水，又稱明流輸水的特點是具有自由水面且水面與大氣直接接觸的輸水方式，如人工明渠和天然河流輸水。與此相反，封閉式輸水的特點是水體與大氣不直接接觸，如管涵、隧洞、倒虹吸管輸水等。進(jìn)一步劃分又可分為：有壩輸水和無壩輸水；自流輸水和泵站加壓輸水。通過修建水壩提高水源地水位的輸水方式，稱為有壩輸水，而無需修建水壩的輸水方式就稱為無壩輸水，都江堰引水工程就是無壩輸水工程的典范。自流輸水的特征是完全依靠水流自身的重力而無電消耗，它完全依靠水源與目的地之間的高層差達(dá)到輸水目的，正在修建的南水北調(diào)中線工程就是典型的自流輸水工程。在一般情況下，采用開敞式輸水方式，需要修建高壩、水庫、泵站、人

13、工明渠或利用天然河渠，優(yōu)點主要是1)在同等輸水規(guī)模下，一次性投資比封閉式輸水低，特別是在能夠利用天然河流的條件下；2)可創(chuàng)造優(yōu)美的景觀。沿輸水線，出現(xiàn)一條“人工河流”，兩岸綠化，垂柳依依，平添一道亮麗的風(fēng)景。缺點是1)占地多，需要大量移民；2)蒸發(fā)和滲漏損失大。3)水質(zhì)易于被污染，特別是在利用天然河流輸水的條件下；4)對生態(tài)環(huán)境的影響大。水面的大量蒸發(fā)，必然對附近地區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來影響，且利弊很難確定；5)對北方寒冷地區(qū)，冰期輸水調(diào)度困難。采用封閉式輸水方式的主要優(yōu)點是1)無蒸發(fā)損失。相對于開敞式輸水方式，意味著節(jié)水，可以減小調(diào)水規(guī)模，相應(yīng)降低水壩高度和水庫規(guī)模；2)占地少，移民量少，對生態(tài)環(huán)境

14、的影響小。輸水管涵可埋于地下，工程完成后，可恢復(fù)原有的植被，土地可照常利用，對生態(tài)環(huán)境的影響無幾；3)水質(zhì)可保持不變。如果水源地水質(zhì)能夠滿足引水要求，則用水區(qū)無需進(jìn)行水質(zhì)處理。缺點主要是需要消耗電能，運行費用高。根據(jù)統(tǒng)計資料，目前國內(nèi)外輸水系統(tǒng)中40%的輸水量因蒸發(fā)和滲漏損失掉了。也有一些工程，如廣東省東深供水工程利用開敞式明渠、石馬河及沙灣河等天然河道作為輸水載體，由于水污染嚴(yán)重，不得不投入巨資重新改造，采用完全的人工渠道輸水。從短期效益來看，采用封閉式輸水方式的投資可能比利用天然河渠高，也比完全的人工開敞式明渠高，但是，考慮前者可以大大縮小調(diào)水規(guī)模，只要科學(xué)規(guī)劃，精心設(shè)計，可以使它們的投資

15、大致相當(dāng)。此外，采用封閉式輸水方式可以把節(jié)水、防污以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機統(tǒng)一。以南水北調(diào)中線北京段輸水工程為例，它的供水目標(biāo)主要是城市生活用水和工業(yè)用水，兼顧必需的環(huán)境用水。輸水工程南起與河北省相接的房山縣南尚樂鄉(xiāng)北拒馬河中支南，向北直至頤和園團(tuán)城湖，全長約80 km，設(shè)計流量50 m3/s，加大流量60 m3/s。以前的規(guī)劃是采用人工開敞式明渠自流輸水，經(jīng)過北京市水利規(guī)劃設(shè)計院與中國水利水電科學(xué)研究院的聯(lián)合研究，現(xiàn)在已經(jīng)正式采用一級泵站加壓結(jié)合全線管涵輸水方式。在投資方面，包括運行費用，原開敞式明渠自流輸水方案與現(xiàn)在的封閉式輸水方案相差小于4%。經(jīng)過進(jìn)一步的優(yōu)化，后者的投資可能少于前者。從理論

16、上而言，如果能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境影響進(jìn)行準(zhǔn)確的定量，則對于一項具體工程可以運用系統(tǒng)工程方法選擇最優(yōu)的輸水方式。遺憾的是，調(diào)水工程輸水方式對生態(tài)環(huán)境的影響無法用經(jīng)濟(jì)來衡量，因為生態(tài)環(huán)境的惡化危及人類自身的生存的代價是無法用金錢衡量的。鑒于此，在選擇輸水方式時，除了因地制宜及投資方面的考慮外，建議1）在無法確定工程對生態(tài)環(huán)境影響有利還是有弊的情況下，應(yīng)盡可能采用對生態(tài)環(huán)境影響最小的輸水方式；2）在輸水方式的選擇上應(yīng)與節(jié)水、防污和生態(tài)保護(hù)有機結(jié)合起來，不僅考慮現(xiàn)在，而且要有發(fā)展的眼光，在投資差別不大的條件下，盡可能采用封閉式輸水方式。      

17、   2 機電設(shè)備性能與運行效益的關(guān)系 對于大規(guī)模長距離調(diào)水工程，當(dāng)流量的變動范圍大且頻繁時，在選擇機電設(shè)備，特別是水泵機組時，不要過分強調(diào)節(jié)省投資，應(yīng)當(dāng)側(cè)重設(shè)備的工作性能、高效率調(diào)節(jié)范圍和可靠性，以保證工程投入運行后的整體效率和可靠性。 一方面，機電設(shè)備占工程總投資的比例很小。與常規(guī)泵站不同，大規(guī)模長距離調(diào)水工程中配套機電設(shè)備投資占工程總投資的比例很小，常常不到總投資的5%，而工程的運行投資卻很大，可達(dá)總投資的20%以上。以南水北調(diào)中線工程北京段為例，設(shè)計安裝8臺高效率變速泵，按照現(xiàn)行的電價，工程運行14 a的電費達(dá)10億元人民幣左右，是總投資的15%

18、左右。如果采用8臺常規(guī)定速泵，僅比8臺變速泵少0.7億人民幣投資，節(jié)省的投資量只達(dá)總投資的1.2%左右。如果采用定速泵的年運行效率比變速泵低10%，則10年之內(nèi)運行多花的電費就超過0.7億人民幣。 另一方面，機電設(shè)備調(diào)節(jié)性能影響泵站前池調(diào)節(jié)容積和渠道尺寸的設(shè)計。對長距離調(diào)水工程，一般采用等流量控制方式，即來多少流量，泵站就需要抽出去多少流量。對于采用變速泵或者葉片可調(diào)節(jié)泵的工程，可以通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速或者葉片轉(zhuǎn)角來維持前池水位在設(shè)計水位以達(dá)到等流量控制的目的。在此情況下，可以選擇較小的泵站前池調(diào)節(jié)容積和渠道尺寸，降低工程的總投資。反之，當(dāng)機電設(shè)備的調(diào)節(jié)性能較差，如采用定速泵或者定葉片泵，為了防止

19、運行過程中棄水或者前池脫空，就必須增加前池調(diào)節(jié)容積和渠道尺寸。 因此，在選擇機電設(shè)備時，不僅要對不同或者同類型的設(shè)備進(jìn)行性能價格比，更重要的是建立“重運行效率、供水的可靠性，輕設(shè)備本身投資”的觀念。 3 常規(guī)技術(shù)與新技術(shù)的關(guān)系 常規(guī)技術(shù)是指已被工程采用并且實踐證明是成功的科學(xué)技術(shù)，而新技術(shù)泛指水利工程中尚沒有采用的具有經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的科學(xué)技術(shù)。 在調(diào)水工程的建設(shè)中設(shè)計者常常面臨的一個艱難決策是：采用常規(guī)技術(shù)工程投資巨大，但承擔(dān)責(zé)任的風(fēng)險?。徊捎眯录夹g(shù)可以顯著降低工程投資，但承擔(dān)責(zé)任的風(fēng)險可能很大。從辯證的觀點來看，現(xiàn)在的常規(guī)技術(shù)是過去的新技術(shù)，而現(xiàn)在的新技術(shù)將是未來的常規(guī)技術(shù)。正

20、所謂：世上本無路，只不過走的人多了才形成路。因此，采用新技術(shù)的一個關(guān)鍵，首先是要轉(zhuǎn)變一個觀念，不能將新技術(shù)與不安全和不可靠劃等號，因為很多新技術(shù)在后來的實踐中被證明是非常安全可靠的，所以應(yīng)當(dāng)針對具體情況，具體分析。其次是要對擬采用新技術(shù)的投資效益比有正確的估計。 以南水北調(diào)中線工程北京段為例，設(shè)計采用PCCP管輸水，按照最優(yōu)設(shè)計理論計算的PCCP管的直徑應(yīng)為4 m，但是目前國內(nèi)生產(chǎn)商只能生產(chǎn)最大直徑為3 m的PCCP管，并且在實際工程中得到應(yīng)用和檢驗。問題是，采用直徑3 m的PCCP管有成功的經(jīng)驗，并且不會產(chǎn)生運輸問題，承擔(dān)的風(fēng)險很小，但是投資比采用直徑4

21、0;m的PCCP管多6億元人民幣以上，達(dá)工程總投資的10%以上。針對這種情況，設(shè)計科研人員經(jīng)過調(diào)研、分析研究認(rèn)為，采用直徑4 m的PCCP管經(jīng)濟(jì)效益巨大；雖然現(xiàn)在國內(nèi)不能生產(chǎn)，但是可以通過技術(shù)改造，或者新建工廠開發(fā)研制；運輸問題是可以解決的；為了保證工期，可以通過適當(dāng)調(diào)整施工先后順序，為新產(chǎn)品生產(chǎn)爭取時間，困難總是可以克服的。根據(jù)這些分析，設(shè)計院推薦了采用直徑4 m的PCCP管調(diào)水方案，并且得到工程主管部門批準(zhǔn)。 總之，在調(diào)水工程中是否采用新技術(shù)，不僅需要考慮風(fēng)險和可靠性，而且應(yīng)當(dāng)考慮由此產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)代價的大小；不僅考慮工程本身，而且要從將來調(diào)水工程建設(shè)的總體戰(zhàn)略考慮。對于那些

22、效益巨大的新技術(shù)，大型調(diào)水工程建設(shè)應(yīng)當(dāng)成為采用新技術(shù)的典范。建議是： 1)如果一項新技術(shù)，按照現(xiàn)有的科研基礎(chǔ)和設(shè)計制造能力，不能在短期內(nèi)解決，則在工程設(shè)計中暫時不考慮； 2)如果一項新技術(shù)已經(jīng)在其它行業(yè)采用，并且被實踐證明是成功的，則應(yīng)當(dāng)考慮移植到調(diào)水工程中； 3)如果一項新技術(shù)，經(jīng)濟(jì)價值巨大，只是現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備能力不足，則應(yīng)當(dāng)對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，甚至新建工廠； 4)如果一項新技術(shù)，經(jīng)濟(jì)價值巨大并有廣闊的應(yīng)用前景，只是現(xiàn)在有一些技術(shù)難關(guān)需要攻克，并且在短期內(nèi)有望解決，但是需要大量投資。在此情況下，作為全國一盤棋的總體發(fā)展戰(zhàn)略，即使本工程收入與支出相當(dāng)，甚至投資比常規(guī)技術(shù)稍高，國家也應(yīng)當(dāng)鼓勵采

23、用，作為增強國力的基礎(chǔ)投資。 4 水力控制理論在調(diào)水工程建設(shè)中的作用 水力控制是研究應(yīng)用工程的或者非工程的措施和方法，將水流的運動限制在預(yù)先規(guī)定的范圍內(nèi)的科學(xué)。 調(diào)水工程的水力控制是一門新的、高度綜合性的科學(xué)，主要研究在調(diào)水工程建設(shè)過程中的水力控制問題，涉及到明渠和管道水力瞬變理論，冬季冰期輸水理論，水力機械理論，自動控制理論，變速電機調(diào)節(jié)理論，大系統(tǒng)的運行最優(yōu)化理論，水力檢測信號處理理論，以及現(xiàn)代計算機數(shù)字三維仿真等高新科技。它主要研究兩類命題： 1）正命題，在已知水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)配置的條件下，研究整個工程水力控制的動、靜態(tài)特性及其最優(yōu)控制策略和方法； 2）反命題，在已

24、知調(diào)水工程水力控制要求的條件下，研究水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)配置。 修建調(diào)水工程的實質(zhì)是通過對水力的控制改變水流的自然流動方向，實現(xiàn)對水資源的重新分配。修建水庫、渠道、管涵、泵站，建立計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的目的，都是為了更好地實施對水流的水力控制，所以建設(shè)調(diào)水工程的工作主線是水力控制。對工程的水力控制，可以采用水工結(jié)構(gòu)措施，如增高水庫大壩，加大水庫、渠道尺寸；采用不同的輸水方式，如采用水泵加壓輸水；也可以采用先進(jìn)的運行自動控制措施。問題是采用不同的措施，工程的投資、運行效益、可靠性差別很大。 調(diào)水工程的設(shè)計思路有兩種，一是根據(jù)規(guī)范，按照先水工，然后機電，最后自動

25、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)程序；另一是將設(shè)計過程轉(zhuǎn)換為水力控制研究的反命題，即根據(jù)目前或者近期可以達(dá)到的理想調(diào)水工程水力控制系統(tǒng)要求，有目的地對調(diào)水工程的水工設(shè)施、機電設(shè)備、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)配置，以達(dá)到預(yù)設(shè)目的。 現(xiàn)有的一些調(diào)水工程實踐已經(jīng)證明，按照常規(guī)的設(shè)計思路，經(jīng)常發(fā)生水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不配套的問題，最后不得不對原工程設(shè)計，甚至已建工程進(jìn)行改造。雖然采取補救措施，能使工程正常運行，但不可避免的會造成大量的投資損失。因此，探索新的設(shè)計思想非常必要。 應(yīng)用水力控制理論規(guī)劃設(shè)計調(diào)水工程的關(guān)鍵：首先是科研必須貫穿全過程，包括前期的總體規(guī)劃，中期的技術(shù)設(shè)計，以及后期的實時運行調(diào)度研究；其次是建立工程的整體水力控制模型，全面的、系統(tǒng)的考慮水壩、水庫、泵站水泵、渠道、管涵、調(diào)壓設(shè)施、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的有機聯(lián)系，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以達(dá)到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的綜合目的。由于水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是按照水力控制最優(yōu)運行的要求配置的，所以工程投資效益可以得到最大程度的發(fā)揮。 此外，調(diào)水工程的水力控制研究也是建設(shè)“數(shù)字調(diào)水工程”的基礎(chǔ)，可以把實體工程與“數(shù)字工程”的建設(shè)有機結(jié)合10。 5 工程總體規(guī)劃設(shè)計質(zhì)量的保證問題 調(diào)水工程的總體規(guī)劃是調(diào)