南水北調(diào)西線工程壩區(qū)初始地應(yīng)力場反演分析

初始地應(yīng)力場是大壩開挖建基面、隧洞選線等的重要依據(jù),為解決初始地應(yīng)力現(xiàn)場實測測試費用昂貴、測試周期長、現(xiàn)場試驗條件艱苦等問題,采用均勻設(shè)計方法和三維顯式有限差分法,對南水北調(diào)西線達曲—泥曲段巖體地應(yīng)力場進行了反演分析,獲得了巖體地應(yīng)力場沿深度的分布規(guī)律及最大主應(yīng)力方向。

利用30個站的1965—2000年日降水資料,分析了南水北調(diào)西線工程區(qū)的降水氣候特征、降水過程特征和降水極值特征.結(jié)果表明:該區(qū)多年平均降水量為520.5mm,年降水量等值線呈東北-西南向分布,由西北向東南遞增,半干旱區(qū)和濕潤地區(qū)年降水量的分界線在該區(qū)沿玉樹-清水河-大武-河南-合作-臨洮一線分布;降水過程大部分大于5d,降水集中在3d左右,過程降水量可分為緯向類和斜向類兩種,斜向類占大多數(shù),其中斜向類又可分為西北-東南向、東北-西南向兩種,以西北-東南向的發(fā)生較多.降水中心由西北向東南方向移動,或中心變動不大,但范圍先加大后減小.在所有降水過程中,一日最大雨量出現(xiàn)在壤塘的頻率最高,其次為若爾蓋和臨洮;3d最大降水量最頻繁發(fā)生在臨洮,其次為壤塘和若爾蓋.18次過程降水極值分布與多年的年降水量大值區(qū)相對應(yīng).1965年、1984年、1992年過程降水偏弱,1981年、1989年、1999年過程降水偏強.

74歲的黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院(以下簡稱"黃委會規(guī)劃設(shè)計院")原副院長,南水北調(diào)西線工程設(shè)計總工程師談英武有些焦慮,盡管他已經(jīng)退休.2009年度南水北調(diào)工程5000萬元的研究經(jīng)費一直沒有下發(fā),相關(guān)研究人員不免感到慌張,尤其在東線和中線工程整體推遲的情況下,一些年輕人甚至萌生了退意.在南水北調(diào)項目上工作了一輩子的談英武非常清楚年度研究經(jīng)費暫停的可怕.57年的工作積累,還有堆積如山的資料,頃刻之間可能變得毫無用處,誰來最終為這件事情負(fù)責(zé)?

南水北調(diào)西線工程是改善西部地區(qū)缺水和改善大西北生態(tài)環(huán)境及確保工農(nóng)業(yè)牧業(yè)發(fā)展的工程。它不僅會使龍羊峽多年調(diào)節(jié)的大型水庫充分發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，提高黃河干流上各級電站的出力，還會推動青海省東南部經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)，經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益都會十分明顯。

前期準(zhǔn)備57年一波三折,工程投入太大,施工難度太高,預(yù)期效益難以確定,地方利益又打架……種種跡象顯示,南水北調(diào)西線工程要按計劃開工有些懸了!

通過對南水北調(diào)西線工程區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景的回顧,運用辯證的觀點,初步分析了西線工程區(qū)工程地質(zhì)的辯證特征:①地層簡單,構(gòu)造復(fù)雜;②總體構(gòu)造復(fù)雜,局部相對簡單;③總體活動強烈,局部相對穩(wěn)定;④巖體類型多樣,巖石強度差異性大;⑤巖性單一,巖石厚度巨大;⑥總體植被良好,外動力現(xiàn)象發(fā)育;⑦塊石料豐富,土料、礫石料缺乏;⑧復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造客觀上不可回避,主觀上可利用。認(rèn)為在相對不利的總體地質(zhì)特征背景下,可以尋找出有利的建設(shè)場地,滿足工程建設(shè)的需要。

南水北調(diào)西線工程地處青藏高原東部,地質(zhì)條件復(fù)雜,新構(gòu)造活動強烈,崩塌、滑坡、泥石流等山地災(zāi)害較為發(fā)育.分析了工程區(qū)主要山地災(zāi)害的發(fā)生機制及其影響因素,深入研究了山地災(zāi)害存在和活動的時空分布規(guī)律.研究表明,泥石流的活動具有很強的季節(jié)性,崩塌、滑坡的發(fā)生也具有季節(jié)性,隨著人類工程活動加劇,崩塌、滑坡發(fā)生的頻度會更高,危害更大;在區(qū)域上,達曲、杜柯河崩塌、泥石流最為發(fā)育,其次是泥曲;杜柯河、瑪柯河滑坡最為發(fā)育.西線工程的建設(shè)可能誘發(fā)新的山地災(zāi)害,影響工程的正常運行.了解并掌握山地災(zāi)害的誘因及分布規(guī)律有助于采取相應(yīng)的防范措施,減少人為山地災(zāi)害的發(fā)生,降低山地災(zāi)害造成的損失.

“在山西黎城縣，考察隊員周宇下去拍攝一個剛建成的城市水景觀，水面泛起的惡臭熏得他當(dāng)場就吐起來?！睏钣轮钢掌f。照片中的水景觀造型很漂亮，可惜里面是一潭污黑死水，周圍行人寥寥?！叭藗儧]事根本就不愿到這里來。”

根據(jù)斷裂構(gòu)造的判讀標(biāo)志,在南水北調(diào)西線工程區(qū)共存在nw,ne,sn和ew向四組斷裂近200條,nw向斷裂為區(qū)域性的斷裂構(gòu)造,控制工程區(qū)地貌、水系等的發(fā)育。其中,有22條斷裂規(guī)模較大,對輸水線路存在相對較大的影響。野外考察結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)有5條全新世時期的活動斷裂和12條晚更新世時期的主干和區(qū)域性大斷裂。通過綜合分析發(fā)現(xiàn),5條全新世時期的活動斷裂因為離輸水線路較遠(yuǎn)或未穿越輸水線路,而12條晚更新世時期的斷裂構(gòu)造則因全新世以來沒有活動,因而它們對工程區(qū)的影響總體上還是有限的,工程區(qū)處于一個相對穩(wěn)定的區(qū)域,而區(qū)域構(gòu)造分析的結(jié)果也說明工程區(qū)位于一個相對的安全島內(nèi)。

南水北調(diào)西線一期工程在構(gòu)造上位于青藏高原東部的巴顏喀拉地塊內(nèi)部,塊體的四周邊界以巨型走滑斷裂和逆斷裂為特征,構(gòu)造運動非常強烈,是塊體運動引發(fā)應(yīng)力集中和釋放能量的主要場所。但塊體內(nèi)部構(gòu)造活動性較弱,僅發(fā)現(xiàn)甘德—阿壩斷裂系北支斷裂在阿壩盆地段的部分?jǐn)嗔?、色達—洛若斷裂和康勒斷裂等晚更新世以來有過活動,且規(guī)模和運動強度遠(yuǎn)小于地塊邊界斷裂。晚第四紀(jì)以來地塊邊界斷裂的位移速率大多在7mm/a以上,最大達18mm/a,最小為1～2mm/a,而輸水隧洞附近最主要的活斷層順河斷裂的位移速率僅為0.18mm/a,相對地塊邊界斷裂小1～2個數(shù)量級,可以認(rèn)為工程場地處于構(gòu)造相對穩(wěn)定的地區(qū)。給出了阿壩盆地北緣斷裂、順河斷裂等活斷裂在工程使用期內(nèi)最大設(shè)防的傾滑位移量,分別為0.67和2.62m。

南水北調(diào)西線工程調(diào)水入黃河，將優(yōu)化西部地區(qū)水土資源的配置，促進地區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展。通過對不同調(diào)水方案受水地區(qū)的直接經(jīng)濟效益和社會效益初步分析，認(rèn)為西線調(diào)水工程經(jīng)濟效益巨大，社會效益顯著。

南水北調(diào)西線工程處于相對穩(wěn)定區(qū),大壩、深埋長隧洞的施工技術(shù)可行;工程效益顯著,經(jīng)濟上合理,項目的經(jīng)濟內(nèi)部收益率為11.8%,經(jīng)濟凈現(xiàn)值為1083.95億元,經(jīng)濟效益費用比為1.7。該工程除了可以定量計算的效益外,更具有重要的社會、生態(tài)和環(huán)境效益,可促進黃河流域和西北地區(qū)乃至北方地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和和生態(tài)環(huán)境良性維持。該工程向黃河增補水資源,可全面緩解黃河水資源供需矛盾,保護和改善生態(tài)環(huán)境。通過黃河干流各水庫的調(diào)蓄作用,調(diào)水可有效增加黃河干流上水電站的梯級發(fā)電量。該工程對受水區(qū)的影響包括:1)供水范圍廣,影響大;2)維持黃河健康生命;3)改善受水區(qū)生態(tài)環(huán)境;4)維持國家生態(tài)安全。該工程對調(diào)出區(qū)社會經(jīng)濟的有利影響包括:1)為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展帶來機遇;2)促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟結(jié)構(gòu)的升級;3)推動當(dāng)?shù)爻鞘谢倪M程;4)提高當(dāng)?shù)鼐用竦目茖W(xué)文化素質(zhì)。對調(diào)出區(qū)社會經(jīng)濟的不利影響包括:1)對庫區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生不利影響;2)對移民安置及宗教設(shè)施處理產(chǎn)生不利影響;3)對推薦壩址下游的水電資源開發(fā)產(chǎn)生不利影響。

從20世紀(jì)50年代開始,我國水利工作者對南水北調(diào)工程進行研究,到目前為止,逐漸形成了東、中、西三條規(guī)劃線路,并與長江、淮河、黃河、海河四大流域相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成我國水資源開發(fā)、配置、利用"四橫三縱"的總體戰(zhàn)略格局.

從距黃河上游較近的大渡河、雅礱江、通天河三條河調(diào)水，調(diào)水量１６０億～１７０億ｍ～3，基本上能夠滿足黃河流域２０５０年左右需水要求。但是緊臨黃河流域的廣大內(nèi)陸地區(qū)，對水資源的需求仍有較大增長。在三條河調(diào)水方案規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對瀾滄江、怒江向黃河調(diào)水,進行了初步的方案研究，作為西線調(diào)水的后續(xù)水源。后續(xù)水源方案可調(diào)水量１６０億～２００億ｍ～3，相當(dāng)于三條河總調(diào)水量,但是，調(diào)水工程規(guī)模浩大,應(yīng)在三條河調(diào)水工程實施后進行深入研究。

金沙江、長江上游、雅礱江、大渡河是我國寶貴的水電基地,規(guī)劃69座電站裝機容量13000萬kw,年發(fā)電量7530億kwh,是我國21世紀(jì)永續(xù)利用的電力能源。而南水北調(diào)西線工程規(guī)劃自四大基地河源調(diào)水190億m3,即將減少保證出力1054.3萬kw、電量1099.3億kwh,分別損失15%、14%。西水北調(diào)分期建設(shè)方案,自雅魯藏布江及怒江調(diào)水近1000億m3,可濟黃補金。既可向黃河補水500多億m3,又可向金沙江補水近400多億m3。徹底解決黃河流域的缺水問題和增加黃河各梯級裝機容量,而不影響四大基地的保證出力與保證電量,又能增加金沙江的下泄流量,確保北方用水,還可增加金沙江和長江上游的裝機容量。

該文設(shè)想構(gòu)建南水北調(diào)西線工程數(shù)字化平臺和虛擬環(huán)境,以完成多比例尺、多數(shù)據(jù)類型的水資源利用、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會與國土狀況信息的數(shù)字集成;通過西線調(diào)水區(qū)、輸水沿線、受水區(qū)和后備水源區(qū)的數(shù)字仿真手段,對不同現(xiàn)有及存在的可能調(diào)水方案的工程可行性、有效性等予以綜合分析和比選,并制定受水區(qū)水資源可持續(xù)利用與優(yōu)化配置方案。

西線調(diào)水是否可行,調(diào)水對生態(tài)環(huán)境的影響重大,必須進行系統(tǒng)、深入、科學(xué)的研究。能否從西線調(diào)水、能調(diào)多少水,必須在認(rèn)真深入研究長江源頭大自然的變化趨勢并順應(yīng)其變化規(guī)律的基礎(chǔ)上做出科學(xué)的決策,否則,人類會因調(diào)水破壞自然,影響生態(tài),而最終受到大自然的懲罰。西線工程水源區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)就決定了其地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜和脆弱,同時難免將使長江上游生態(tài)環(huán)境惡化,寧可采取“保守”一點的態(tài)度,也不要釀成無法挽回和無法彌補的后果。西線調(diào)水是否必要?黃河缺水除了黃河水源的自然減少外。最根本的原因是黃河承載了過多的供水任務(wù)。解決黃河缺水的治本之策,是在建立合理的水權(quán)制度和防污節(jié)水機制的前提下,以短缺的水資源為基礎(chǔ),調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),實施生態(tài)移民,減少水的需求總量,實現(xiàn)黃河水新的供求平衡。

對巖爆問題進行了探討,詳細(xì)分析了工程區(qū)各種因素對巖爆的影響,對巖爆區(qū)的臨界埋深進行了預(yù)測,并從改善預(yù)應(yīng)力條件、預(yù)注水、加固圍巖等方面提出了有關(guān)巖爆的防治措施,以減少巖爆的發(fā)生概率。

南水北調(diào)西線工程確定調(diào)水規(guī)模為170億立方米,這么大的調(diào)水量能否達到是個問題。西線工程對西部原始生態(tài)地區(qū)環(huán)境影響很大,不是“利大于弊”。

本書由中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院劉希林教授和華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院黃志全教授合著,由地質(zhì)出版社于2012年7月出版。全書分上、下兩篇共12章30萬字,全面展示了南水北調(diào)西線一期工程區(qū)泥石流、滑坡和崩塌災(zāi)害的分布規(guī)律、基本特征、危險性評價、穩(wěn)定性評價、分區(qū)結(jié)果,以及對工程建設(shè)的可能影響,是論證半個多世紀(jì)以來,有

針對國內(nèi)對興建南水北調(diào)西線工程提出的種種質(zhì)疑以及其所存在的無法回避的某些弊端問題，再次提出替代方案，認(rèn)為鴨綠江水南調(diào)工程、湖北長湖調(diào)水工程具有更好的可行性、優(yōu)越性．通過替代方案，改西線調(diào)水為調(diào)電，不僅能夠為華北地區(qū)、黃河中上游地區(qū)提供較多的水資源，有利于西北地區(qū)發(fā)展節(jié)水經(jīng)濟和西南地區(qū)保護生態(tài)環(huán)境，而且會使受益地區(qū)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益．

應(yīng)用重構(gòu)相空間技術(shù)和混沌理論對月徑流時間序列的特性進行了分析。以南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)主要河流附近的甘孜、朱巴等4個水文站月徑流時間序列為對象,研究了嵌入相空間維數(shù)和關(guān)聯(lián)維數(shù)之間的變化關(guān)系,得到了飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)和最小嵌入維數(shù),結(jié)果表明:當(dāng)最小嵌入維數(shù)超過6時,關(guān)聯(lián)維數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,即達到飽和,得到飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)在1.1～1.5之間,說明這些月徑流序列可能具有混沌特性,這一研究結(jié)果為利用混沌理論來建立徑流的預(yù)測模型提供了較為科學(xué)的依據(jù)。