南水北调中线工程引江济汉干渠穿过湖北江汉平原,渠道线路选择的好坏对投资、环境、运行管理有重大影响。从工程的投资、输水条件、运行管理及工程区的地质环境、区域发展情况、文物古迹方面进行了分析,比较了9条输水线路,最后确定了龙高Ⅰ线。龙高Ⅰ线进口位于荆州市李埠镇龙州垸长江左岸,出口位于潜江市高石碑镇,全长67. 1 km。龙高Ⅰ线具有投资较少、对环境影响较小、永久占地少、运行管理费用低等优点。
1 渠线比选原则
南水北调中线引江济汉工程渠线选择应遵循以下原则:进出口位置条件优越;尽量减少开挖工程量,减少弃渣占压土地;尽可能避开密集居民点,减少拆迁量;尽可能避开江汉油田及其它工矿企业;尽可能绕过国家重点文物保护单位纪南城与楚汉墓葬群等;尽量避开现有公路、高压线等;尽量做到渠道不淤或有利于建设冲沙、沉沙设施;渠深合适,有利于渠道纵坡及不同地质条件的边坡设计;尽量避开不利地质条件,减少基础处理工程量。
2 渠线选择
工程区地处江汉平原偏西部,地势北高南低,总体较平坦,地面高程一般为39 ～28 m,微向东南倾斜。按地貌形态和成因,可将工程区分为垅岗状平原、岗波状平原、湖沼区、低平冲积平原及人工地形区等五种类型。区内水系发育,湖泊众多,地表水资源丰富,出露地层以第四系为主,主要为全新统及上更新统地层,部分为中更新统地层,第三系地层仅在裁逢店以西零星出露,一般多深埋于第四系之下。
对于引江济汉渠线,作了高线(文中的高Ⅰ线)、低线(进口沙市盐卡,出口潜江红旗码头下游) 、利用长湖线(进口盐卡,出口红旗码头下游3. 2 km) 3条线路进行比较。低线和利用长湖线对江汉油田干扰大,实施困难,且利用长湖线无法实现自流输水,《南水北调中线一期工程项目建议书》(以下简称《项目建议书》)推荐高线方案。
遵照“全面考虑,科学比选”的原则,在充分研究项目建议书方案比选结论的基础上,综合各方面的因素,湖北省水利水电勘测设计院研究了相关渠线的进出口选址、渠湖分家或不分家以及是否先期兴建提水泵站等多个方案。选取了枝江大埠街、荆州龙洲垸、沙市盐卡3个进水口及高石碑、红旗码头2个出水口,依此组合了9条线路进行比较,即高Ⅰ线(进口大埠街,出口高石碑,不穿湖)、高Ⅱ线(进口大埠街,出口高石碑,局部穿湖)、龙高Ⅰ线(进口龙洲垸,出口高石碑,局部穿湖)、龙高Ⅱ线(进口龙洲垸,出口高石碑,利用长湖)、盐高线(进口盐卡,出口高石碑,局部穿湖)、低Ⅰ线(进口龙洲垸,出口红旗码头,北走,局部穿湖)、低Ⅱ线(进口龙洲垸,出口红旗码头,南走,局部穿湖,利用田关河)、利用长湖Ⅰ线(进口龙洲垸,出口红旗码头,北走,利用长湖)、利用长湖Ⅱ线(进口龙洲垸,出口红旗码头,南走,利用长湖、田关河)。
若选红旗码头为出口,高石碑到红旗码头有近25km水道没有补水,若整治水道投资接近亿元(仅整治为Ⅳ级航道) ,达不到“济汉”的主要目标;另外,渠线必经江汉油田,区内油管纵横交错,油田直接经济损失为7～10亿元,间接经济损失(主要是停产损失)为4～18亿元。所以红旗码头作为渠道出口因投资大而否定,所以低Ⅰ线、低Ⅱ线、利用长湖Ⅰ线和利用长湖Ⅱ线4个方案被淘汰。
高Ⅰ线具有“三多一长”的特点,交叉建筑物多、土方开挖多、工程投资多,渠线长。因此,不推荐高Ⅰ线。
在上述方案被淘汰之后,根据进出口河势、地形地貌及地质情况,综合各方面的因素,选择3个渠道进口(大埠街、龙洲垸、盐卡), 1个出口(高石碑)组合成4条渠线(即龙高Ⅰ线、龙高Ⅱ线(利用长湖方案) 、高Ⅱ线、盐高线)进行优化比选。龙高线进口为龙洲垸,高Ⅱ线进口为大埠街,盐高线进口为盐卡,出口均为高石碑。龙洲垸距大埠街25. 48 km,位于沮漳河出口下游3. 34 km (龙高Ⅰ、Ⅱ线的进水口) ,盐卡进水口距大埠街47. 84 km,位于沮漳河出口下游约25. 7 km。
2. 1 各方案工程布置
2. 1. 1 龙高Ⅰ线
龙高Ⅰ线进口为龙洲垸,出口为高石碑。渠首位于荆州市李埠镇龙洲垸长江左岸,干渠渠线沿北东向穿荆江大堤(桩号772 + 150) ,在荆州城西伍家台穿318国道、红光五组穿宜黄高速公路后,近东西向穿过庙湖、荆沙铁路、襄荆高速、海子湖后,折向东北向穿拾桥河,经过蛟尾镇北,穿长湖,走毛李镇北,穿殷家河、西荆河后,在潜江市高石碑镇北穿过汉江干堤入汉江(桩号251 + 320) 。
龙高Ⅰ线全长67. 1 km,进口渠底高程26. 35 m(考虑泵站引水渠的需要,进口高程由27. 0 m 降至26. 35 m ) , 出口渠底高程25. 0 m, 干堤渠底纵坡1 /33 550,渠底宽60 m。渠道在拾桥河处分水入长湖,经田关河、田关闸入东荆河。
龙高Ⅰ线沿线交叉建筑物共计78座(不含人行便桥) ,其中水闸16座,泵站1座,船闸5座,东荆河橡胶坝3座,倒虹吸15座,公路桥37 座,铁路桥1 座。土方开挖量6 267. 1万m3 ,填筑1 755万m3 ,混凝土139万m3 ,钢筋2. 6万t,钢材0. 48万t,总投资48. 51亿元。
2. 1. 2 龙高Ⅱ线
龙高Ⅱ线进口为龙洲垸,出口为高石碑,龙高Ⅱ线为利用长湖线,龙洲垸- 海子湖段、彭冢湖- 高石碑段与龙高Ⅰ线重合,长湖- 高石碑段的进水口位于毛李镇李家湾长湖边。龙洲垸- 海子湖段渠道长21. 65km,进口渠底高程26. 2 m,出口渠底高程25. 0 m,渠底宽60 m,渠底纵坡1 /18 042;长湖- 高石碑段渠道长21. 85 km, 进口渠底高程25. 0 m, 出口渠底高程24. 0 m (26. 0 m) ,渠底宽60 m,渠底纵坡1 /21 000。
龙高Ⅱ线为利用长湖线,长湖为渠道的一部分。
长湖水位利用比较了2个方案。方案一是维持长湖正常高水位28. 63 m (冻结吴凇高程30. 5 m) ;方案二将长湖正常高水位由28. 63 m抬高至30. 23 m (冻结吴凇高程由30. 5 m抬高至32. 1 m)。方案一的最大优点是不影响长湖的正常运行和调度,工程投资较少;方案二的最大缺点是对长湖的正常运行和调度有一定的影响,淹没损失较大,工程投资多。综合比较推荐方案一。
龙高Ⅱ线沿线交叉建筑物共计63座(不含人行便桥) ,其中各种水闸14座,泵站2座,船闸4座,东荆河橡胶坝3 座,倒虹吸9 座,公路桥30 座,铁路桥1座。土方开挖5 738万m3 ,填筑637万m3 ,混凝土125万m3 ,钢筋2. 75万t,钢材0. 62万t,总投资44. 56亿元。
2. 1. 3 高Ⅱ线
高Ⅱ线的进口位于枝江市七星台镇大埠街,距上游七星台镇2. 5km左右,干渠向东穿过下百里洲、沮漳河、荆江大堤( 789 + 000)等,从荆州城北边穿过汉宜高速公路,然后向东偏北穿过庙湖、荆沙铁路、襄荆高速、海子湖及拾桥河后,经过蛟尾镇北,穿长湖,走毛李镇北,穿殷家河、西荆河后,在潜江市高石碑镇北穿过汉江干堤入汉江。高Ⅱ线长79. 6 km,渠底宽50 m。渠道在拾桥河处分水入长湖,经田关河、田关闸入东荆河。
为避开纪南古城遗址,比较了纪南城南和纪南城北2种渠线方案。纪南城北方案开挖方量比纪南城南方案多开挖土方约500万m3 ,而纪南城南搬迁工程较大,综合比较推荐纪南城南方案。
高Ⅱ线沿线交叉建筑物共计约92座(不含人行便桥) ,其中各种水闸18座,船闸6座,东荆河橡胶坝3座,倒虹吸19座,泵站1座,公路桥44座,铁路桥1座。
高Ⅱ线主要工程量为:土方开挖6 600万m3 ,填筑2 385万m3 ,混凝土156 万m3 ,钢筋3. 08 万t,钢材0. 69万t,总投资54. 57亿元。
2. 1. 4 盐高线
盐高线进口为沙市盐卡,出口为高石碑。渠首穿荆江大堤处的桩号748 + 250,渠线沿东北向穿西干渠,在枪杆穿汉宜高速,在文岗入长湖,从借粮湖与宋湖间穿过, 穿西荆河(殷家河与西荆河交汇点下游0. 5 km) ,于高石碑镇北穿汉江干堤进入汉江,全长52. 5 km。进口渠底高程24. 0 m (考虑泵站引水渠的需要,进口高程由26. 0 m降至24. 0 m) ,出口渠底高程25. 00 m,渠底纵坡1 /52 500,渠底宽80 m。渠道在刘岭闸上游处由分水闸分水入长湖,经田关河、田关闸入东荆河。
盐高线沿线建筑物共计65 座(不含人行便桥) ,其中各种水闸14座,泵站1座,船闸4座,东荆河橡胶坝3座,倒虹吸17座,公路桥26座。主要工程量为:土方开挖4 366万m3 ,填筑2 437万m3 ,混凝土137万m3 ,钢筋2. 75万t,钢材0. 60万t,总投资46. 86亿元。
2. 2 各线路方案的主要优缺点
综合比选各线路方案的主要优缺点见表1。
2. 2. 1 进口水位与河势比较
3个进口分别位于长江左岸枝江市境内的大埠街、荆州市龙洲垸和沙市盐卡;出口分别位于汉江右岸潜江市高石碑和红旗码头。龙洲垸距大埠街25. 48km,位于沮漳河出口下游3. 34 km (龙高Ⅰ、Ⅱ线的进水口) ,比大埠街进水口水位低约1. 2 m。盐卡进水口距大埠街47. 84 km,位于沮漳河出口下游约25. 7 km,比龙洲垸进口水位低约1. 1 m。
近期取水口河段演变的基本特点为:河道平面形态基本稳定,年际间主流线在一定范围内左右摆动;太平口以上洲滩稳定少变,以下洲滩急剧萎缩,太平口心滩为切割右岸边滩形成,有扩大趋势;冲淤变化表现为淤滩冲槽,河槽深泓呈逐年缓慢下切趋势。未来取水口河段河势演变及其附近水利工程主要受三峡水库下泄影响,取水对其影响不大。取水口河段泥沙特性变化为:悬移质中值粒径枯水期相对较粗,中水期次之,洪水期较细;含沙量相反,洪水期最大,枯水期最小。根据长江水利委员会长江科学院的计算分析成果,大埠街取水河段河床为卵石夹沙,龙洲垸和盐卡为细沙,三峡水库运行30 a后冲淤情况不一,大埠街进水口冲深约2. 0～2. 9 m,龙洲垸、盐卡冲深约3. 0～4. 0 m;随着三峡库区的泥沙达到冲淤平衡,其下泄沙量将恢复到目前水平,取水口河段将会回淤。取水口河段的稳定性以大埠街取水口河段最好,龙洲垸、盐卡次之。
出水口河段上自沙洋下至泽口,全长56 km,为游荡型向弯曲型河段过渡的河段,兼有游荡和弯曲河段的特点,河槽宽浅、沙滩密布、深泓变化频繁,洲滩消长不定,常常出现碍航浅滩,其间有东荆河分流。该河段河势演变分析的主要结论为:高石碑出水口所在河段河道宽浅,受上下两个弯道演变影响较大,深槽位置不稳定,左右岸来回摆动,由于上游3 km处将兴建兴隆枢纽,可大大改善本河段现有河势,稳定主流走向。
2. 2. 2 渠线地质条件比较
4条比选渠线处于同一区域构造单元上,区域构造环境较稳定,工程地质条件差异不大,所遇到的工程地质问题并不严重,处理难度不大。4条渠线各有优缺点,技术上各方案均可行。仅从工程地质条件相比较而言,龙高Ⅰ线及盐高线略优。
2. 2. 3 泥沙问题比较
所有的渠线方案都存在渠道泥沙淤积问题。除选择适当的进水口引水角,设置拦沙坎外,在渠首建沉沙池是有效的工程措施。渠首建沉沙池后,根据长江水利委员会长江科学院的研究成果,三峡运用后10～50a,不利用长湖方案沉沙池泥沙淤积每年平均约10～20万m3 ,淤积在沉沙池出口以下渠道的沙量约2～5万m3 ,输到汉江的泥沙量约60～80万m3 ;利用长湖方案(龙高Ⅱ线)沉沙池泥沙淤积每年平均约10～30万m3 ,沉沙池之后渠道基本上不淤积,输到长湖的泥沙量约55～75万m3。三峡运用70 a后,随着三峡水库出库泥沙恢复到现状情况条件下,进入长湖的泥沙将超过100万m3 ;分析显示,引水入汉江后,其混合含沙量和混合挟沙力差值绝对值大于0. 1 kg/m3 的机会较小,可以认为,渠道泥沙经过沉沙池及渠道淤积后进入汉江的泥沙基本上不会引起汉江河道明显的冲淤变化。若从拾桥河分流入长湖补东荆河,年均入湖泥沙约5. 4万m3。
入长湖方案与不入长湖方案从泥沙方面比较,不入长湖方案较优,进入汉江的泥沙基本上不会引起汉江河道明显的冲淤变化。
2. 2. 4 自流条件比较
各线路在6～9月份都能实现自流输水,由于进口位置不同,需要抽水的时段不同。根据42 a长系列供需水分析成果,可计算出各方案的抽水历时和用电量。其中汉江中水历时的改善仍考虑通过自流实现,泵站抽水只考虑满足需水要求。
龙高Ⅰ线抽水年均耗电量764万kW·h,龙高Ⅱ线6 498 万kW ·h,高Ⅱ线175 万kW ·h, 盐高线1 588万kW·h。
从自流输水考虑,高Ⅱ线自流时间长,方案最优。
2. 2. 5 交叉建筑物及基础处理
高Ⅱ线交叉建筑物最多,共有92座,龙高Ⅱ线最少,只有63 座, 砂基处理长度盐高线最长,达19. 5km,龙高Ⅰ线、Ⅱ线最短,为13. 9 km;穿湖处理长度龙高Ⅱ线最短, 龙高Ⅰ线、高Ⅱ线最长。龙高Ⅱ线较优。
2. 2. 6 移民征地比较
高Ⅱ线移民最多( 9 648人) ,盐高线最少(5 138人) ;占地高Ⅱ线最多,盐高线最少。文物保护高Ⅱ线最多,盐高线最少。综合考虑,盐高线较优。
2. 2. 7 对江汉油田影响的比较
4条线路均穿过江汉油田至荆炼12号输油管,直接经济损失均为0. 5亿元。
2. 2. 8 对环境影响的比较
大埠街进水口取水条件较好,但据初步调查,枝江市江口镇周围约20 km的范围为长江四大家鱼的主要产卵场之一,在大埠街修建取水口将破坏该地区四大家鱼产卵的生态环境,可能使该产卵场进一步萎缩。
另外,长江宜昌中华鲟保护区(省级)位于大埠街上游约40 km处,保护区自宜昌虎牙滩至松滋县陈家店五家口,全长69 km,该区域为中华鲟、胭脂鱼的产卵场地和栖息地,大埠街取水口对于中华鲟、胭脂鱼的洄游也将产生一定程度的影响。
沮漳河下游河滩钉螺面积分布较为密集,是湖北省血吸虫重点防治区之一,如从大埠街取水,引江济汉渠道将与沮漳河平交,渠水与沮漳河水混合,血吸虫有可能沿渠道输送到引江济汉沿线和汉江下游,从而导致血吸虫的扩散。
龙洲垸取水口取水条件稍逊于大埠街,但该区域不是四大家鱼产卵场,对于四大家鱼产卵场的影响相对较小。由于取水口位于沮漳河出口的下游,沮漳河的血吸虫将对取水口水质将产生一定影响。
盐卡取水口位于荆州市下游。据调查,该区域不存在四大家鱼产卵场,对水生生物影响较小。盐卡上游有沙隆达、化肥厂、热电厂等企业,企业的污水排放对于引江济汉取水水质有较大不利影响。盐卡线路较短,但将荆州市规划新区一分为二,对荆州市城市规划和今后的发展存在较大影响,同时,渠道水面高于地面2～5 m,形成“地上悬河”,不利于城市发展。“地上悬河”将加重荆州市的防洪压力,并存在溃堤的风险,同时加重周围耕地的潜育化,有可能使周围的良田变为冷浸田,对于环境影响较大。
利用长湖方案(龙高Ⅱ线)由于江水进入长湖,加快了湖水流动,增强了湖水的稀释扩散与降解能力,有利于改善湖水水质,减少工程占用耕地量。其不利之处在于:输水的泥沙将加重长湖的淤积,特别是进口段的淤积,从工程的角度考虑必须清淤,而清淤产生的弃渣为颗粒极小的细砂,一般难以作为建筑材料使用,每年清淤量超过50万m3 ,常年清淤将累积大量的弃渣,而荆州地区以平原为主,弃渣场的选择和弃渣的处理都将对环境产生较大的不利影响。长湖水质在得到改善的同时,污染有可能转移至汉江。
渠道穿越长湖但不进湖,在湖内筑起3段长堤,将长湖分割为3块,堤下虽然有管道连通,仍将直接影响长湖水体的交换以及污染物的降解,局部湖汊可能出现水质恶化的现象,同时也缩小了长湖的有效面积,对于长湖水域生态环境将产生一定程度的破坏。与入湖方案相比,该方案占用耕地较多。
从环境的角度分析,龙洲垸进水口方案优于其它进水口,龙高Ⅰ线较优。
2. 2. 9 通航比较
高Ⅱ线的进口大埠街远离沙市城区,且干渠与沮漳河交叉,与航运结合较为困难,需另开航运支线与干渠相接,通航投资较大。龙洲垸和盐卡进口能较好地结合航运,通航条件优于高Ⅱ线。
2. 2. 10 工程投资比较
龙高Ⅰ线工程投资48. 51亿元,龙高Ⅱ线44. 56亿元,高Ⅱ线54. 57亿元,盐高线46. 86亿元。龙高Ⅱ线工程投资最少,高Ⅱ线最多。
2. 2. 11 年运行费比较
各方案的年运行费用包括清淤费、泵站抽水电费和日常运行费用3部分。其中清淤费包括沉沙池泥沙清理费、拾桥河分水入长湖(补东荆河)淤沙清理费和入湖方案长湖进口段淤沙清理费3部分。龙高Ⅰ线年运行费7 453 万元,龙高Ⅱ线10 588 万元, 高Ⅱ线7 824万元,盐高线7 499万元。
2. 2. 12 技术经济比较
技术经济比较主要采用等效费用法,即将各线路方案的费用(含总投资及年运行费)折算至同一基准年进行比较,费用较小者为优。基准年取建设期第一年初,考虑到本工程为公益性项目,其社会折现率取7%。技术经济比较成果表明, 4条线路的排位为:盐高线最优(53. 74亿元) ,其次为龙高Ⅰ线(55亿元,与盐高线相差1. 25亿元,两方案各项指标相差不大) 、龙高Ⅱ线、高Ⅱ线。
3 比选结论
大埠街进口存在三大环境问题: ①大埠街取水范围为长江四大家鱼的主要产卵场之一,取水口的兴建将破坏该地区四大家鱼产卵的生态环境,可能使该产卵场会进一步萎缩; ②由于长江深泓线在长江左岸大埠街一侧,大埠街取水口的兴建对于国家一级保护动物中华鲟、国家二级保护动物胭脂鱼的洄游将产生一定程度的影响; ③沮漳河下游河滩钉螺面积分布较为密集,是湖北省血吸虫重点防治区域之一,如从大埠街取水,引江济汉渠道将与沮漳河平交,渠水与沮漳河水混合,血吸虫有可能沿渠道输送到引江济汉沿线和汉江下游,从而导致血吸虫的泛滥。
从环保的角度分析,大埠街进口存在较大的环境问题,沮漳河交叉汛期水流条件十分复杂等问题,且高Ⅱ线的技术经济比较结果最差。因此,可以否定高Ⅱ线。
龙高Ⅱ线渠长仅43. 5 km,且交叉建筑物比龙高Ⅰ线少15 座,总投资少5. 68 亿元,优势较明显。但是,该线路需长年抽水,多年平均抽水耗电量6 498万kW·h,多年平均抽水电费达3 249万元。另外,龙高Ⅱ线在渠首设沉沙池的条件下,三峡运用前50 a每年仍有50～70万m3 泥沙将沉积在长湖,三峡运用70 a后,随着出库泥沙恢复,达到现状水平时,长湖泥沙淤积将超过100万m3 ,且淤积集中在长湖进口段,清淤难度大,费用较高。
据测算,前30 a每年清淤费达1 089万元。30 a后,清淤费还将增加。因此,从工程运行管理的角度分析,龙高Ⅱ线不尽合理,且其技术经济比较仅排在第3位,故也可加以否定。
盐高线线路较龙高Ⅰ线短14. 6 km, 投资节省3. 38亿元左右,但因水头较低,多年平均抽水电费多412万元。另外,盐高线存在技术经济比较未计入的两大难以量化的社会和环境问题:
(1) 盐高线渠首段须穿过规划中的荆沙电厂(240万kW,预可研报告已审批)和4. 2. 1工程、盐卤采集及化工区、工业园二期、工业园三期、东方大道等,影响荆州城市的总体发展。为此,荆州市人民政府荆政函[ 2004 ]9号文明确表示,要求采用龙洲垸进口。
(2) 盐卡进口至长湖段地势低洼,渠内设计水位高出地面2～5 m,渠顶高出地面4～7 m,形成了约14km长的“地上河”,抬高了周边地区的地下水位,加速周边耕地的潜育化,可能对周边农田产生浸没影响,并可能加重周边居民因渠道持续高水位而产生的心理压力。
通过综合比较,推荐龙高Ⅰ线。
作者简介:刘家明,男,高级工程师,主要从事水利规划设计工作。
