李 波，魏 凱，曹正浩，黃會勇，張 娜

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，430010，武漢）

引江補(bǔ)漢工程作為習(xí)近平總書記“5·14”重要講話后首個開工建設(shè)的南水北調(diào)后續(xù)工程重大項目，對構(gòu)建完善國家骨干水網(wǎng)具有標(biāo)志性意義。空間上，引江補(bǔ)漢是“四橫三縱”水網(wǎng)骨架的點(diǎn)睛之筆，連通三峽水庫和丹江口水庫兩大戰(zhàn)略水源地，南水北調(diào)中線的起點(diǎn)由漢江前移到長江干流，為實(shí)現(xiàn)長江—漢江—華北平原水資源協(xié)同調(diào)配創(chuàng)造工程條件。時間上，引江補(bǔ)漢具有承前啟后的特殊作用，近期充分利用已建中線一期總干渠輸水能力，促進(jìn)提能增效；遠(yuǎn)期結(jié)合南水北調(diào)后續(xù)工程總體安排，具備進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度的潛力。

一、大范圍多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置

1.水資源配置范圍

引江補(bǔ)漢工程從長江三峽庫區(qū)引水，直接補(bǔ)水區(qū)域?yàn)闈h江中下游干流，但水資源優(yōu)化配置的研究范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程本身：水源區(qū)研究引水對三峽本身航運(yùn)、發(fā)電等綜合效益的影響；三峽水庫以上干支流數(shù)十座控制性水庫是否具備通過聯(lián)合調(diào)度降低引江補(bǔ)漢調(diào)水影響的潛力，引江補(bǔ)漢可引水量分析還涉及與南水北調(diào)西線等其他跨流域調(diào)水工程的競爭協(xié)調(diào)；三峽水庫以下需考慮調(diào)水可能對江湖關(guān)系、生態(tài)調(diào)度、咸潮入侵以及南水北調(diào)東線工程水源條件的影響。工程地理位置示意見圖1。

圖1 引江補(bǔ)漢工程位置示意圖

引江補(bǔ)漢工程除直接向漢江中下游、輸水線路沿線補(bǔ)水外，通過漢江上下游水量置換，還向南水北調(diào)中線工程受水區(qū)、引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)供水，涉及北京、天津、河北、河南、湖北、陜西六?。ㄖ陛犑校?，土地面積24.3萬km2，受益人口約1.7億人。

2.補(bǔ)水需求

（1）中線受水區(qū)需補(bǔ)水量

中線工程供水任務(wù)以河南、河北、北京、天津四省（直轄市）受水區(qū)的城市生活、工業(yè)供水為主，兼顧生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水。1999—2018年的20年來，中線受水區(qū)經(jīng)濟(jì)增速逐漸趨緩、節(jié)水水平提高，工業(yè)用水進(jìn)入緩慢增長或逐漸下降階段。但受水區(qū)城鎮(zhèn)化水平仍在快速提高，帶動生活和城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境用水快速增長。

在充分考慮節(jié)水前提下，預(yù)測中線受水區(qū)2035年總凈需水量161.7億m3，其中城市生活、工業(yè)和城鎮(zhèn)環(huán)境總凈需水量158.1億m3，刁河灌區(qū)需中線工程凈供水為3.6億m3（維持中線一期工程多年平均分配水量，陶岔斷面水量為6億m3）。

預(yù)測中線受水區(qū)2035年當(dāng)?shù)厮纯晒┧?8.0億m3，扣除當(dāng)?shù)厮纯晒┧浚êS供水量），中線受水區(qū)總凈缺水量113.7億m3，折算至陶岔斷面為136.1億m3。在無引江方案陶岔北調(diào)水量90.2億m3的基礎(chǔ)上需新增45.9億m3左右，在一期多年平均北調(diào)水量95億m3方案基礎(chǔ)上需新增41.1億m3左右。

引江補(bǔ)水后，初擬仍維持中線一期工程95億m3方案中天津的多年平均分配水量，缺水由東線二期工程解決，則受水區(qū)需中線工程總凈供水量105.6億m3，折算至陶岔斷面為126.2億m3。在無引江方案陶岔北調(diào)水量90.2億m3的基礎(chǔ)上需新增36億m3左右，在中線一期工程多年平均北調(diào)水量95億m3方案基礎(chǔ)上需新增31.2億m3。

（2）漢江中下游需水量

按照河道內(nèi)需水流量490 m3/s推算，漢江中下游黃家港斷面多年平均需水量為156.6億m3?？紤]為漢江中下游經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展適當(dāng)留有余地，在《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃（2001年修訂）》漢江中下游1956—1998年系列多年平均需水165.7億m3過程的基礎(chǔ)上，扣減湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程從漢江中下游干流供水區(qū)調(diào)整河道外供水量2.9億m3，漢江中下游黃家港斷面需水量162.8億m3。延長系列為1956—2018年，漢江中下游黃家港斷面需水量約163.8億m3。

（3）引漢濟(jì)渭調(diào)水需求

2030水平年引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)需水量24.62億m3，當(dāng)?shù)厮纯晒┧?0.84億m3，缺水13.77億m3，折合到黃池溝缺水14.23億m3。

引漢濟(jì)渭工程2025年多年平均調(diào)水量10億m3，在南水北調(diào)后續(xù)水源工程建成后，2030年多年平均調(diào)水量15億m3。為保障南水北調(diào)中線和漢江中下游用水，引江補(bǔ)漢工程實(shí)施后，引江濟(jì)渭工程與近期規(guī)模相比增加調(diào)水量約5億m3。

（4）沿線補(bǔ)水區(qū)需水量

輸水線路沿線補(bǔ)水區(qū)包括東風(fēng)渠供水區(qū)、沮漳河供水區(qū)和三道河供水區(qū)3個供水片區(qū)，涉及宜昌市、荊門市、襄陽市和荊州市的14個縣市區(qū)。

2035水平年，沿線補(bǔ)水區(qū)生產(chǎn)生活需水量24.99億m3，扣除當(dāng)?shù)厮纯晒┧?9.86億m3，生產(chǎn)生活缺水量為5.13億m3。黃柏河等5條主要河流控制斷面生態(tài)需水量4.74億m3，生態(tài)供水量4.11億m3，缺水0.63億m3。2035水平年，沿線補(bǔ)水區(qū)生產(chǎn)生活缺水量和河流生態(tài)缺水量合計5.76億m3。

3.水資源配置原則

為服務(wù)引江補(bǔ)漢工程規(guī)劃設(shè)計，構(gòu)建了涵蓋長江、漢江等主要河流，南水北調(diào)中線、引漢濟(jì)渭、鄂北地區(qū)水資源配置等骨干跨流域調(diào)水工程，三峽、丹江口等控制性水利水電工程的水資源聯(lián)合配置模型，按照以下原則開展優(yōu)化配置：

①生態(tài)優(yōu)先。優(yōu)先保障長江水源、漢江流域以及南水北調(diào)中線受水區(qū)河湖基本生態(tài)用水。

②豐枯互濟(jì)。引江水與漢江本流域來水聯(lián)合配置，中線調(diào)水與東線調(diào)水、北方當(dāng)?shù)厮?lián)合配置，通過多源互補(bǔ)、豐枯互濟(jì)提高供水保證率。

③保障水源區(qū)原有用水權(quán)益。引江補(bǔ)漢工程引水以不影響長江三峽以下河段基本生態(tài)、航運(yùn)、供水為前提，中線增加北調(diào)水量以保障漢江中下游生產(chǎn)生活和基本生態(tài)用水為前提。

④適當(dāng)留有余地。配置方案應(yīng)考慮工程補(bǔ)水區(qū)未來用水需求的不確定性，為優(yōu)化調(diào)度預(yù)留合理的空間。

4.水資源配置方案

引江補(bǔ)漢工程前期研究過程中考慮了南水北調(diào)中線總干渠全線擴(kuò)建、局部擴(kuò)建、不擴(kuò)建三種工程條件，綜合中線受水區(qū)生產(chǎn)生活生態(tài)需水、引漢濟(jì)渭遠(yuǎn)期引水規(guī)模、漢江中下游生態(tài)環(huán)境改善、輸水線路沿線補(bǔ)水、清泉溝擴(kuò)大供水范圍等補(bǔ)水需求，研究了引江規(guī)模45.9億m3、85.6億m3（近期56.6億m3）、80.7億m3（近期31.3億m3）、38.7億m3、50.0億m3多種方案。經(jīng)過多輪專家評審，最終批復(fù)的可行性研究報告兼顧補(bǔ)水效益和工程經(jīng)濟(jì)代價進(jìn)行多方案比選，重點(diǎn)分析各方案中線一期總干渠輸水能力利用程度、增供水量邊際成本、特枯年補(bǔ)水效果后，推薦多年平均引水量39.0億m3，其中：補(bǔ)南水北調(diào)中線24.9億m3，補(bǔ)水后多年平均北調(diào)水量115.1億m3；補(bǔ)漢江中下游水量6.1億m3，具備利用工程空閑時段應(yīng)急向漢江中下游補(bǔ)水的潛力；補(bǔ)引漢濟(jì)渭水量5.0億m3；輸水線路沿線補(bǔ)水量3.0億m3。

二、“以供定需”原則下的工程規(guī)模論證

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展、雄安新區(qū)建設(shè)、中原城市群建設(shè)，以及城鄉(xiāng)供水一體化的推進(jìn)，北方受水區(qū)城鎮(zhèn)用水還將進(jìn)一步增長，未來供水缺口較大。提高漢江流域水資源調(diào)配能力、增加南水北調(diào)中線北調(diào)水量，是引江補(bǔ)漢工程的首要任務(wù)。在南水北調(diào)后續(xù)工程具體建設(shè)方案尚未完全確定的背景下，引江補(bǔ)漢工程規(guī)模既要承擔(dān)緩解北方受水區(qū)城市缺水問題的緊迫任務(wù)，又要與中線后續(xù)工程各種可能的建設(shè)方案相協(xié)調(diào)。因此，以中線一期總干渠輸水能力為約束，按照“以供定需”的原則確定引江補(bǔ)漢工程建設(shè)規(guī)模。

1.中線總干渠輸水能力

中線一期總干渠分段流量規(guī)模兼顧水資源高效利用和工程經(jīng)濟(jì)合理，采用兩個流量標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計流量與加大流量。設(shè)計流量選用相應(yīng)段長系列流量過程中保證率80%～90%的流量（由大到小排頻）；加大流量即為長系列中出現(xiàn)的最大流量?？偢汕鞫伍L系列流量過程中均有設(shè)計流量以上運(yùn)行，渠首段設(shè)計流量350 m3/s以上運(yùn)行的概率約19%，加大流量420 m3/s運(yùn)行的概率約4%，安陽以北渠段考慮冬季冰期輸水的需要流量規(guī)模適當(dāng)留有余地，設(shè)計流量以上運(yùn)行概率小于10%。

以中線總干渠已有運(yùn)行資料為基礎(chǔ)，選取代表渠段進(jìn)行綜合糙率率定后，復(fù)核加大流量輸水水位，結(jié)果表明：午河—槐河渠段水位超過加大水位0.04～0.11 m，閆河—香泉河渠段水位超過加大水位0～0.35 m，雙洎河—金水河、北汝河—潁河、沙河渡槽出口水位、嚴(yán)陵河—草敦河?xùn)|趙河渠道水位超過加大水位0.01～0.65 m，其他渠段最高運(yùn)行水位均不超過原加大水位?？偢汕F(xiàn)狀實(shí)際過流斷面與設(shè)計斷面基本一致，部分渠段由于橋梁密度較大、襯砌板破損、新建臨時設(shè)施、應(yīng)急處置措施等原因?qū)嶋H糙率高于設(shè)計值；通過加強(qiáng)對總干渠襯砌的維護(hù)管理，拆除對水流有影響的臨時性措施，對關(guān)鍵渠段采取適當(dāng)?shù)慕挡诖胧?，并對調(diào)度方案和運(yùn)行特征水位進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)加大流量運(yùn)行。

中線總干渠安陽以北段在冬季可能需要采取冰蓋下輸水運(yùn)行方式，輸水能力相應(yīng)有所下降。引江補(bǔ)漢工程可研階段在總結(jié)南水北調(diào)中線一期工程總干渠相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)南水北調(diào)2011—2019年冰情原型觀測資料，并參考我國北方河渠冰期輸水經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)總干渠冰情特征，提出了總干渠冰期輸水按照冷暖冬分別計算冰期運(yùn)行渠段范圍，結(jié)合氣象預(yù)報動態(tài)調(diào)整進(jìn)入封凍期時間?？刂票谳斔魉伲瑫r改擴(kuò)建部分渡槽及暗渠，安陽以北干渠各渠段冰期平均過流能力可以達(dá)到設(shè)計流量的50%左右。中線總干渠控制斷面過流能力見圖2。

圖2 中線總干渠控制斷面過流能力（黑色為冰期減少量，單位：m3/s）

按照全線可過加大流量、冰期輸水渠段和時間動態(tài)控制的條件分析，不考慮丹江口水庫可引水量和受水區(qū)需求限制，渠首段多年平均輸水能力132.5億m3。實(shí)際上，由于冰期輸水時河北段過流能力下降、河南段消納能力有限，渠首段過流能力不能完全利用，考慮該因素后渠首實(shí)際可利用的平均年輸水能力約126億m3。

2.引江規(guī)模論證

在總干渠輸水能力分析的基礎(chǔ)上，中線北調(diào)水量還受到水源條件的制約。一是引江補(bǔ)漢工程壩下補(bǔ)水能夠置換的水量存在上限，考慮丹江口水庫至少要下泄生態(tài)基流174 m3/s，引江流量不宜超過300 m3/s。二是考慮深埋長隧洞技術(shù)難度和施工風(fēng)險，設(shè)計流量達(dá)到一定規(guī)模后須按雙洞布置，工程投資會大幅度增加。三是引江補(bǔ)水后，丹江口水庫水資源豐枯變化大的特性依然存在，漢江枯水年中線可調(diào)水量有限，丹江口低水位陶岔閘過流能力也會成為北調(diào)水的限制條件。

綜合考慮上述因素，按照“以供定需”的原則分析不同引江規(guī)模相應(yīng)的中線北調(diào)水量為115億～119億m3。

引江補(bǔ)水后中線一期總干渠輸水能力的發(fā)揮程度與引江補(bǔ)漢工程規(guī)模正相關(guān)。隨著引江設(shè)計流量的增加，中線北調(diào)水量增長的速度逐步變慢：引江設(shè)計流量150 m3/s時中線北調(diào)水114億m3；引江設(shè)計流量150～200 m3/s，平均引江流量每增加10 m3/s對應(yīng)北調(diào)水增量約0.5億m3；引江設(shè)計流量200～250 m3/s，平均引江流量每增加10 m3/s對應(yīng)北調(diào)水增量約0.4億m3；引江設(shè)計流量250～300 m3/s，平均引江流量每增加10 m3/s對應(yīng)北調(diào)水增量約0.2億m3；引江設(shè)計流量300 m3/s以上，平均引江流量每增加10 m3/s對應(yīng)北調(diào)水增量小于0.1億m3，引江補(bǔ)漢壩下方案長系列多年平均北調(diào)水不會超過120億m3（見圖3）。

圖3 引江補(bǔ)漢設(shè)計流量與中線北調(diào)水量關(guān)系曲線

引江補(bǔ)水達(dá)到一定規(guī)模以后，繼續(xù)加大補(bǔ)水對增加北調(diào)水的效果有限，需要付出的工程代價則會顯著提升。引江設(shè)計流量150 m3/s時，有壓單洞有效洞徑可以控制在10 m左右，工程技術(shù)難度和風(fēng)險可控；若引江設(shè)計流量300 m3/s，有壓單洞有效洞徑將超過12.5 m，為控制深埋長隧洞技術(shù)難度和施工風(fēng)險，可能需要采用雙洞布置，導(dǎo)致工程投資大幅度增加。兼顧充分利用中線一期工程輸水能力的目標(biāo)和工程代價，引江補(bǔ)漢工程設(shè)計流量宜控制在150～200 m3/s。通過進(jìn)一步比選邊際成本和補(bǔ)水效益，確定推薦補(bǔ)水規(guī)模和配置方案。

按長系列1956—2018年統(tǒng)計，引江補(bǔ)漢工程設(shè)計流量從150 m3/s增加到200 m3/s，多年平均引江水量、北調(diào)水量、漢江中下游最小下泄流量保證率等體現(xiàn)補(bǔ)水效果的主要指標(biāo)呈增長趨勢，沒有出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。設(shè)計引水流量每增加10 m3/s，工程投資增加21億～23億元，北調(diào)水單方增量投資33～54元，增加北調(diào)水的邊際成本遞增，但沒有出現(xiàn)突變（見表1）。

表1 引江補(bǔ)漢不同規(guī)模長系列（1956—2018年）補(bǔ)水效果

漢江流域水資源豐枯變化大，引江補(bǔ)漢工程在漢江偏枯年份補(bǔ)水作用相對更加明顯。1995—1999年是丹江口水庫長系列入庫徑流中五年滑動平均值最低的時段，采用該時段比較不同引江規(guī)模在連續(xù)枯水年的補(bǔ)水效果。隨著引江流量增加，1995—1999年平均引江水量、平均北調(diào)水量、最小年調(diào)水量均呈增加趨勢，沒有明顯拐點(diǎn)。引江設(shè)計流量為160 m3/s時，1995—1999年90%保證率陶岔調(diào)水流量可以達(dá)到100 m3/s，在特枯時段保障中線受水區(qū)現(xiàn)狀以北調(diào)水為單一水源的水廠基本用水。引江設(shè)計流量為170 m3/s時，1995—1999年漢江黃家港斷面490 m3/s流量保證率達(dá)到90%以上，在連續(xù)枯水年也實(shí)現(xiàn)了最小下泄流量較高水平的保障（見表2）。

表2 引江補(bǔ)漢不同規(guī)模連續(xù)枯水年（1995—1999年）補(bǔ)水效果

綜合考慮施工技術(shù)難度、運(yùn)行安全風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)合理要求，可研階段推薦引江隧洞等效洞徑10.2 m、多年平均引江水量39億m3、北調(diào)水量115.1億m3。

三、結(jié) 論

基于引江補(bǔ)漢工程獨(dú)特的定位，針對工程水資源優(yōu)化配置范圍巨大、工程規(guī)模論證條件復(fù)雜兩大特點(diǎn)，通過構(gòu)建多要素多目標(biāo)水資源配置模型，按照“以供定需”的原則，實(shí)現(xiàn)了超大范圍水資源優(yōu)化配置以及復(fù)雜邊界條件下工程規(guī)模的確定，采用的技術(shù)方法可供其他水網(wǎng)工程參考借鑒。當(dāng)前，南水北調(diào)后續(xù)工程具體的規(guī)劃建設(shè)方案仍在研究論證過程中，下一步結(jié)合國家水網(wǎng)總體布局和建設(shè)時序安排，深入研究引江補(bǔ)漢工程的調(diào)度運(yùn)行方案，是促進(jìn)工程綜合效益發(fā)揮的關(guān)鍵。