对长江沿海岸线北延伸进行南水北调的工程可行性研究

周希圣

（上海申通地铁集团有限公司，上海市 201103）

1　概述

随着人口的增加和经济的发展，北方缺水的情况日益严重。中国社科院关于我国北方缺水形势的估计中，到2050年，北方每年缺水总量达2 028～3 000亿m3。为解决缺水问题，许多地区通过开采地下水补缺，北方地区每年开采总量约在850亿m3以上。同时，根据近期近海海洋环境资源调查，我国沿海地区水资源短缺亦日益严重，近90%的城市存在不同程度缺水问题，尤以北方城市严重。

为解决北方缺水问题，我国已实施的东线和中线调水工程，其调水能力分别仅有100亿m3、130亿m3，仅能解决沿线40多座城市的生活及工业用水问题，而农业、环境等占水用量的80%以上淡水需求问题，借助现阶段方案很难解决，与北方巨大的用水需求仍存在巨大的差距。正在论证的西线调水工程从长江上游干支流引水到黄河上游，调水都在高山峡谷地区进行，海拔高，施工材料缺乏，难度极大，交通不便，投资巨大，并有可能给上游带来不可估量的环境影响而存在非常大的争议[1-16]。

2　工程建设方案设计

本文提出将长江沿海岸线围堰北延伸的设想，利用现有的黄海、渤海海防大堤，在外侧增设另一坝体，这样，新老坝体间形成一条强大的水力通路并进行调水。长江年均入海水量约1万亿m3，可将其5%的淡水引至北方，解决我国北方中东部地区缺水问题。

2.1　线路选择

（1）全海域方案

由崇明入海口筑坝围堰，经南通、盐城、连云港、日照、青岛、威海、烟台等，进入渤海，最终在渤海湾区域围堰，形成全部海上线路的方案。该方案线路总长约1 300 km，实施过程中，全部利用现状海岸线，全海岸线方案见图1。

（2）海陆结合方案

由崇明入海口筑坝围堰，经南通、盐城、连云港、日照、诸城、潍坊、东营后，由莱州湾进入渤海，向西北方向延伸，到达渤海湾。在陆基段，对现状潍河向南延伸约60 km，由诸城到达日照，并对现有河段进行加深和拓宽改造，满足设计通水能力。该线位总长约900 km。

2.2　工程地质条件

黄海平均深度44 m，最大深度位于济州岛北侧，为140 m。山东半岛为港湾式沙质海岸，江苏东、北部沿岸则为粉砂淤泥质海岸。沿岸区以细砂为主，间有砾石等粗碎屑物质，近岸多滩涂、沙地，水深非常浅。

渤海为东北-西南向的浅海，海底地形从三个海湾向渤海中央及渤海海峡方向倾斜，坡度平缓，平均坡度为0°0′28′′，平均水深18m，最大80 m。在海河和辽河河口附近，由于河口水下三角洲的堆积作用，5 m等深线分别为30 km和45 km。

总体上，在黄海和渤海近岸区域，海底地形平缓，10 m等深线距现状岸基在数千至数十km以外，该深度范围进行筑坝等施工技术成熟。

图1　北延伸工程总体线位布置示意图

2.3　潮汐能利用

受月球、太阳的引力作用，全球海洋潮汐呈规律性变化，每天有约两个涨落潮的周期性变化，完成一次涨落平均约需12 h 25 min，每日向后延迟50 min。图2是上海崇明南堡镇2017年8月27日潮汐变化情况，全天最高潮400 cm，最低103 cm，超过300 cm的潮高总时长约为8 h 45 min。经对南堡镇8月份潮汐变化统计，全月有27 d的每日8 h以上潮位超过3.00 m。如果在该位置构建取水口，其顶标高为+3.00 m，则每天有1/3的时间，潮水淹没过取水口。若在高潮位取水，低潮位关闸，并与下游河床形成一定落差，则可实现自流状态下的淡水资源的北调。

图2　长江口潮汐变化情况

类似工程案例为上海青草沙水库。其取水口日常标高控制在2.00 m以上，水库平常借助自流运行，水位在2.00～4.00 m间变化，咸潮来临前，关闭进水闸，借助200 m3/s的水泵机组提升库内水位至+6.00 m，以保证全年有约68 d咸潮期的稳定供水。

从上海长江入海口到渤海湾储水区的总长度约1 000 km，理论上，只要存在水头压差，就会发生水力流动，而且压差越大，其流动速度越快。根据长江海事局水位公告，2017年8月30日11点，长江沙市的水位为5.10 m，镇江的水位为3.32 m，其距离接近1 000 km，水位差约1.8 m。为此，如果渤海湾储水库与长江入海口的水位落差接近2 m，可通过人工开挖方式实现，则淡水资源可在重力流状态下北调。

2.4　长江入海口取水设计

在长江入海口上游适当位置建设取水口，再通过隧道将淡水输送到新建设的输水围堰内，取水系统包括取水泵闸井、隧道、排水井等三部分，见图3。取水泵闸井布置在青草沙水库区域外上游适当位置，以减少咸潮的影响，其底标高为+3.00 m，顶标高参考青草沙水库坝体高度，为+9.20 m。正常情况下，泵闸井位置的闸门处于开启状态，水位超过3 m后自流入取水井，经隧道，由排水井流入沿海新造人工运河（江）内进行调水。在枯水期间，为避免咸潮入库，根据监测及预报，提前关闭闸门，开启水泵，按需向库内提升补水。

图3　取水系统结构示意图

取水隧道采用大直径盾构施工，以提高调水能力。对于内径为15 m的盾构隧道，其工作井（取水泵闸井）平面净尺寸约20 m×20 m左右。

假设输水主通路正常运行水位为+2.00 m，取水口潮位高为+3.00～4.00 m，则隧道内的水流速度：

式中：P1、P2分别为进出水口压力；z1、z2分别为进出水口液位高度；v1、v2分别为初始及最终速度。

经计算，按照落差为1～2 m计算，隧道内的水流速度约在4.47～6.26 m/s。则直径为15 m的隧道依靠自流，每小时的调水能力约为284～398万m3。每天按8 h计，则每条隧道的年自流输水能力约为100 亿 m3。

在北端调水的主通道内施工接收井，接收井的顶标高控制在+1.00以下，以使取排水井间形成一定的压差，三单体一起形成一组取水系统。

2.5　沿海输水堤坝设计

坝体设计须考虑输水能力、高度、宽度、防渗及须实现的功能等，并且坝体两侧都须进行防冲刷设计。

（1）输水能力设计

根据地质条件及黄海渤海的海底地形条件，其近海岸段地势非常平缓，因此，筑坝距现状海防大堤的距离直接控制了输水能力，而且该距离的大小对工程造价的影响相对较小。不同区域长江江面的宽度变化不等，最窄处1.5 km，最宽处5 km，水深在3～10 m，假如沿海输水通道按最大水深按4 m控制，考虑远期北方的用水需求，且借助通道进一步将水向西、向北输送，将5%的长江水，即500亿m3的水北调，则坝体距现状海防大堤约400 m，具体依据区域地质勘查参数确定，实际上，如果坝体距现状海防大堤足够大，比如2～3.0 km，可将长江水全部北调，过水断面增加很多，而工程造价变化却不大。

（2）防渗控制设计

永久运营阶段，新建坝体两侧可能存在一定的压差，其原因可能有两方面。一是潮汐变化引起两侧水位存在高差；二是在相同水位条件下，海水和淡水的密度存在差异而引起压差。根据渤海、黄海地质条件，近岸段多为砂性地层，因此需对坝体下方的一定深度的土层进行适当的防渗加固，堤坝的渗流控制以设置水泥土防渗墙为主，其施工工艺、设计参数以及质量监测和评定标准通过现场试验研究确定。本处暂考虑设置两排直径为850 mm的三轴搅拌桩,见图4。

图4　大堤结构示意图

（3）坝体结构

不同深度、不同地层条件坝体结构及施工工艺各不相同。鉴于近岸300～400 m范围的水深较小，可采用水力充填筑堤的方式，先抛填袋装砂，再通过水力吹填至+8.00 m，做好护坡，堤顶设置排水沟、防浪墙，墙顶+9.20 m，以抵御台风状态下海浪冲刷。整个大堤如果结合高速公路建造，则仅需增加回填的宽度即可。

2.6　渤海储水湖设计

渤海面积约为7.7万km2，平均水深18 m，是中国的内海，整个海域的海水储量约为13 860亿m3，如果将长江水全部引入渤海，16～17个月可将其注满。工程可采取分区筑坝围堰的方式形成储水湖，在莱州湾、渤海湾、辽东湾等建立分区储水库，假设水深按8m控制，则每100 km2的水面可蓄淡水8亿m3，水库间借助海底隧道与沿海新造人工运河（江）联系。

3　工程环境影响与控制对策

3.1　工程本体环境影响分析

传统工程筑坝蓄水往往需要移民、可能诱发地震等。移民不仅须配套制定落实好补偿补助政策、后期扶持政策，尚须克服社会矛盾，成本极高；其次，水库蓄水后，库区及其临近地区地震活动明显增强；此外，蓄水后的库岸在浸水作用下，稳定性降低，易坍塌，危及岸边建筑物安全，并可能导致严重的水库淤积现象。本项目主要在现状沿海实施，没有移民问题，工程开挖亦很少，同时，蓄水高度非常有限，对地基的附加荷载非常小，因而不会诱发地震问题，其淤积的土挖除后，在坝体外侧直接填海造地，因而，次生环境影响极小。

3.2　沿线现状水网、管网影响及控制对策

新坝体建成后，要严格控制排污设施及其他污染源进入河道，同时，保证区域泄洪能力，宜分为两类情况进行处理：

（1）现状河道。一般地，现状河道与黄海或渤海的入海口均设有水闸，以调节闸内外水位标高。沿海输水通道建成后，原有的入海口变成了入江口，因此，应严格控制其水质，防止污染下游河道。将沿线现状河道通过深埋管涵的形式，延伸至新建坝体位置，通过水闸与海水相通，以便汛期的排洪。

（2）现状管网。包括海底通信、电力、供水及排水等，其中排水管多为污水管，可通过直接延伸的方式予以解决，其他管线可通过在新建坝体时加以保护或翻排的方式完成，但要保证坝体与管线间不发生渗漏。

3.3　其他环境影响

本工程对长江不截流，仅在青草沙水库取水口位置附近构建少量的取水口，因而对长江的航运、淤积、水生动物洄游等均无影响。

3.4　供水安全与稳定问题

非正常条件下，比如战争或地震发生时，大坝若溃毁，北延伸江水直接入海，没有淹没村庄的危险；其次，在运营阶段，在渤海湾地区有足够大的储水区域，冬季即使发生冰冻，由于有数百亿到数千亿m3的淡水储存，可保证冰冻期间区域供水不受影响。

4　工程造价与建设周期

按照前述坝体结构，构建900 km的这样的坝体约为1 800亿元人民币,若全部沿海岸线布设，约需2 600亿人民币。因动迁工程量几乎没有，整个输水通道的一半工程利用了现状海防大堤，而输水通路利用现状海床，无须河道开挖，仅修建一条新的海防大堤，并对现状水、管网进行适当的改造，因而造价极低，其投资大约是中线工程的20%，输水能力增大5倍，同时，与东线相比，其依靠重力流调水，省去电力消耗，仅此一项，每年节约资金数百至数千亿元人民币。

工程主要是近海作业，除风暴潮期间不能施工外，其他时间可多区段平行作业，整个工程3～4 a可以建成。

5　结语

沿海人工造江（河）所使用的筑坝技术非常成熟，工程实施过程中的自然环境、地质环境及社会环境影响较小，建成后可将大量的淡水资源北调，彻底解决中国北方中东部缺水的水源问题。工程如果结合高速公路、景观工程等的同步建设，不仅形成江海一线天的壮美景象，同时将黄金水道向北延伸1 000 km，使得整个项目具有调水、水陆交通、旅游景观、生态修复等多重功能。整个工程建设周期短，造价低，因而具有极其重大的经济、社会及环境效益，极其重要的国家发展战略意义，并造福子孙后代。