摘要：本文根据现代水利的发展要求，探索了调水工程的设计思想如何适应新形势的发展要求。研究的主要问题包括：输水方式应适应现代水利发展思路的要求，机电设备性能与运行效益的关系，常规技术与新技术的关系，水力控制理论在调水工程建设中的作用，工程总体规划设计质量的保证问题。建议是：在输水方式的选择上应与节水、防污和生态保护有机结合起来，尽可能采用封闭式输水方式；在机电设备的选择上，应当建立“重运行效率、供水的可靠性，轻设备本身投资”的观念；对于那些效益巨大的新技术，大型调水工程建设应当成为采用新技术的典范......

    关键词：调水工程 设计新思想 输水方式制

    我国水资源时空分布极不平衡，在空间分布上南方水多，北方水少；在时间分布上，降雨量主要集中在夏季三个月内，其它月份降雨量很少。干旱缺水是我国尤其是北方地区经济社会发展的重要制约因素，据统计我国669座城市中有400座供水不足，110座严重缺水。随着我国城市化进程的加快，通过跨地区、跨流域的调水工程解决城市用水是一种必然的发展趋势。水利部汪恕诚部长曾经指出：跨流域调水将是21世纪中国水利的一大特点。

    在我国修建调水工程具有悠久的历史，春秋时吴王夫差为争霸中原,于公元前486年修建了引长江水入淮河的邗沟工程，可谓中国跨流域调水工程的开创性工程。2259年前秦国蜀郡守李冰父子率众修建的都江堰引水工程引水灌溉成都平原，成就了四川“天府之国”的美誉，至今还在造福人类。新中国成立后，我国的调水工程得到了长足发展。江苏省修建了江都江水北调工程，广东修建了东深供水工程，河北与天津修建了引滦工程，山东修建了引黄济青工程，甘肃修建引大入秦工程，山西修建了引黄入晋工程，大连的引碧入连工程等。现在举世瞩目的南水北调工程正在修建。

    在国外，最早的跨流域调水工程可以追溯到公元前2400年前的古埃及，从尼罗河引水灌溉至埃塞俄比亚高原南部，在一定程度上促进了埃及文明的发展与繁荣。20世纪50年代以后，国外提出了许多调水规划。据不完全统计，全球已建、再建或拟建的大型跨流域调水工程有160多项[1]。

    与局部性的水电工程，如水电站、泵站不同，长距离调水工程的建设复杂得多。以南水北调中线工程为例，它规模宏大，调水流量大，输水距离长达1200多km，不同地区的水坝、水库、明渠﹑隧洞和倒虹吸管、闸门和分水闸、泵站、自动监测监控系统通过水力有机联系，必须在各环节的设计匹配的条件下，才能保证工程的建设质量。毫无疑问，现有工程经验对于今后调水工程的建设具有借鉴参考价值，但不能作为榜样照抄照搬。

    修建调水工程，特别是大规模、长距离跨流域工程是一项复杂的系统工程。随着人们对水利工程和生态环境关系的认识的深化，现代水利理论逐渐形成［2-6］，强调人与自然和谐相处。水利工程的优化目标将由惯常的“技术经济最优”转变为生态效益、经济效益、社会效益统筹兼顾；水利工程的运行方式要与保护生态系统、改善水质以及高效利用雨洪资源相适应。并且修建调水工程的主要目的正在转变，不再是漕运和农业灌溉，而是向城市提供生活用水、工业用水和维持生态平衡的用水。在调水工程建设过程中，如何将这些原则性的思想转化为具体的、可操作的设计程序是值得思考的问题。

    1 输水方式应适应现代水利发展思要求

    在调水工程的建设过程中，输水方式的选择具路的有举足轻重的意义，不仅需要考虑工程建设投资和运行费用的大小，而且必须考虑与节水、防污、生态环境的有机统一。

    输水方式可划分两大类：开敞式输水和封闭式输水。开敞式输水，又称明流输水的特点是具有自由水面且水面与大气直接接触的输水方式，如人工明渠和天然河流输水。与此相反，封闭式输水的特点是水体与大气不直接接触，如管涵、隧洞、倒虹吸管输水等。进一步划分又可分为：有坝输水和无坝输水；自流输水和泵站加压输水。通过修建水坝提高水源地水位的输水方式，称为有坝输水，而无需修建水坝的输水方式就称为无坝输水，都江堰引水工程就是无坝输水工程的典范。自流输水的特征是完全依靠水流自身的重力而无电消耗，它完全依靠水源与目的地之间的高层差达到输水目的，正在修建的南水北调中线工程就是典型的自流输水工程。

    在一般情况下，采用开敞式输水方式，需要修建高坝、水库、泵站、人工明渠或利用天然河渠，优点主要是：

    1)在同等输水规模下，一次性投资比封闭式输水低，特别是在能够利用天然河流的条件下；

    2)可创造优美的景观。沿输水线，出现一条“人工河流”，两岸绿化，垂柳依依，平添一道亮丽的风景。

    缺点是：

    1)占地多，需要大量移民；

    2)蒸发和渗漏损失大。

    3)水质易于被污染，特别是在利用天然河流输水的条件下；

    4)对生态环境的影响大。水面的大量蒸发，必然对附近地区生态环境带来影响，且利弊很难确定；

    5)对北方寒冷地区，冰期输水调度困难。

    采用封闭式输水方式的主要优点是：

    1)无蒸发损失。相对于开敞式输水方式，意味着节水，可以减小调水规模，相应降低水坝高度和水库规模；

    2)占地少，移民量少，对生态环境的影响小。输水管涵可埋于地下，工程完成后，可恢复原有的植被，土地可照常利用，对生态环境的影响无几；

    3)水质可保持不变。如果水源地水质能够满足引水要求，则用水区无需进行水质处理。

    缺点主要是需要消耗电能，运行费用高。

    根据统计资料，目前国内外输水系统中40%的输水量因蒸发和渗漏损失掉了。也有一些工程，如广东省东深供水工程利用开敞式明渠、石马河及沙湾河等天然河道作为输水载体，由于水污染严重，不得不投入巨资重新改造，采用完全的人工渠道输水[7]。

    从短期效益来看，采用封闭式输水方式的投资可能比利用天然河渠高，也比完全的人工开敞式明渠高，但是，考虑前者可以大大缩小调水规模，只要科学规划，精心设计，可以使它们的投资大致相当。此外，采用封闭式输水方式可以把节水、防污以及生态环境保护有机统一。

    以南水北调中线北京段输水工程为例，它的供水目标主要是城市生活用水和工业用水，兼顾必需的环境用水。输水工程南起与河北省相接的房山县南尚乐乡北拒马河中支南，向北直至颐和园团城湖，全长约80 km，设计流量50 m3/s，加大流量60 m3/s。以前的规划是采用人工开敞式明渠自流输水，经过北京市水利规划设计院与中国水利水电科学研究院的联合研究[8]，现在已经正式采用一级泵站加压结合全线管涵输水方式。在投资方面，包括运行费用，原开敞式明渠自流输水方案与现在的封闭式输水方案相差小于4%。经过进一步的优化，后者的投资可能少于前者。

    从理论上而言，如果能够对生态环境影响进行准确的定量，则对于一项具体工程可以运用系统工程方法选择最优的输水方式。遗憾的是，调水工程输水方式对生态环境的影响无法用经济来衡量，因为生态环境的恶化危及人类自身的生存的代价是无法用金钱衡量的。鉴于此，在选择输水方式时，除了因地制宜及投资方面的考虑外，建议：

    1）在无法确定工程对生态环境影响有利还是有弊的情况下，应尽可能采用对生态环境影响最小的输水方式；

    2）在输水方式的选择上应与节水、防污和生态保护有机结合起来，不仅考虑现在，而且要有发展的眼光，在投资差别不大的条件下，尽可能采用封闭式输水方式。

    2 机电设备性能与运行效益的关系
    对于大规模长距离调水工程，当流量的变动范围大且频繁时，在选择机电设备，特别是水泵机组时，不要过分强调节省投资，应当侧重设备的工作性能、高效率调节范围和可靠性，以保证工程投入运行后的整体效率和可靠性。
    一方面，机电设备占工程总投资的比例很小。与常规泵站不同，大规模长距离调水工程中配套机电设备投资占工程总投资的比例很小，常常不到总投资的5%，而工程的运行投资却很大，可达总投资的20%以上。以南水北调中线工程北京段为例，设计安装8台高效率变速泵，按照现行的电价，工程运行14 a的电费达10亿元人民币左右，是总投资的15%左右。如果采用8台常规定速泵，仅比8台变速泵少0.7亿人民币投资，节省的投资量只达总投资的1.2%左右。如果采用定速泵的年运行效率比变速泵低10%，则10年之内运行多花的电费就超过0.7亿人民币。
    另一方面，机电设备调节性能影响泵站前池调节容积和渠道尺寸的设计。对长距离调水工程，一般采用等流量控制方式，即来多少流量，泵站就需要抽出去多少流量。对于采用变速泵或者叶片可调节泵的工程，可以通过调节水泵转速或者叶片转角来维持前池水位在设计水位以达到等流量控制的目的。在此情况下，可以选择较小的泵站前池调节容积和渠道尺寸，降低工程的总投资。反之，当机电设备的调节性能较差，如采用定速泵或者定叶片泵，为了防止运行过程中弃水或者前池脱空，就必须增加前池调节容积和渠道尺寸。
    因此，在选择机电设备时，不仅要对不同或者同类型的设备进行性能价格比，更重要的是建立“重运行效率、供水的可靠性，轻设备本身投资”的观念。 
    3 常规技术与新技术的关系
    常规技术是指已被工程采用并且实践证明是成功的科学技术，而新技术泛指水利工程中尚没有采用的具有经济效益和社会效益的科学技术。
    在调水工程的建设中设计者常常面临的一个艰难决策是：采用常规技术工程投资巨大，但承担责任的风险小；采用新技术可以显著降低工程投资，但承担责任的风险可能很大。从辩证的观点来看，现在的常规技术是过去的新技术，而现在的新技术将是未来的常规技术。正所谓：世上本无路，只不过走的人多了才形成路。因此，采用新技术的一个关键，首先是要转变一个观念，不能将新技术与不安全和不可靠划等号，因为很多新技术在后来的实践中被证明是非常安全可靠的，所以应当针对具体情况，具体分析。其次是要对拟采用新技术的投资效益比有正确的估计。
     以南水北调中线工程北京段为例，设计采用PCCP管输水，按照最优设计理论计算的PCCP管的直径应为4 m，但是目前国内生产商只能生产最大直径为3 m的PCCP管，并且在实际工程中得到应用和检验。问题是，采用直径3 m的PCCP管有成功的经验，并且不会产生运输问题，承担的风险很小，但是投资比采用直径4 m的PCCP管多6亿元人民币以上，达工程总投资的10%以上。针对这种情况，设计科研人员经过调研、分析研究认为，采用直径4 m的PCCP管经济效益巨大；虽然现在国内不能生产，但是可以通过技术改造，或者新建工厂开发研制；运输问题是可以解决的；为了保证工期，可以通过适当调整施工先后顺序，为新产品生产争取时间，困难总是可以克服的。根据这些分析，设计院推荐了采用直径4 m的PCCP管调水方案[9]，并且得到工程主管部门批准。
    总之，在调水工程中是否采用新技术，不仅需要考虑风险和可靠性，而且应当考虑由此产生经济代价的大小；不仅考虑工程本身，而且要从将来调水工程建设的总体战略考虑。对于那些效益巨大的新技术，大型调水工程建设应当成为采用新技术的典范。建议是：
1)如果一项新技术，按照现有的科研基础和设计制造能力，不能在短期内解决，则在工程设计中暂时不考虑；
2)如果一项新技术已经在其它行业采用，并且被实践证明是成功的，则应当考虑移植到调水工程中；
3)如果一项新技术，经济价值巨大，只是现有生产设备能力不足，则应当对生产设备进行技术改造，甚至新建工厂；
4)如果一项新技术，经济价值巨大并有广阔的应用前景，只是现在有一些技术难关需要攻克，并且在短期内有望解决，但是需要大量投资。在此情况下，作为全国一盘棋的总体发展战略，即使本工程收入与支出相当，甚至投资比常规技术稍高，国家也应当鼓励采用，作为增强国力的基础投资。
    4 水力控制理论在调水工程建设中的作用
    水力控制是研究应用工程的或者非工程的措施和方法，将水流的运动限制在预先规定的范围内的科学。
    调水工程的水力控制是一门新的、高度综合性的科学，主要研究在调水工程建设过程中的水力控制问题，涉及到明渠和管道水力瞬变理论，冬季冰期输水理论，水力机械理论，自动控制理论，变速电机调节理论，大系统的运行最优化理论，水力检测信号处理理论，以及现代计算机数字三维仿真等高新科技。它主要研究两类命题：
    1）正命题，在已知水工、机电、自动监测监控系统配置的条件下，研究整个工程水力控制的动、静态特性及其最优控制策略和方法；
    2）反命题，在已知调水工程水力控制要求的条件下，研究水工、机电、自动监测监控系统的最优配置。
修建调水工程的实质是通过对水力的控制改变水流的自然流动方向，实现对水资源的重新分配。修建水库、渠道、管涵、泵站，建立计算机网络系统、自动监测监控系统、通信系统的目的，都是为了更好地实施对水流的水力控制，所以建设调水工程的工作主线是水力控制。对工程的水力控制，可以采用水工结构措施，如增高水库大坝，加大水库、渠道尺寸；采用不同的输水方式，如采用水泵加压输水；也可以采用先进的运行自动控制措施。问题是采用不同的措施，工程的投资、运行效益、可靠性差别很大。
    调水工程的设计思路有两种，一是根据规范，按照先水工，然后机电，最后自动监测监控系统的常规程序；另一是将设计过程转换为水力控制研究的反命题，即根据目前或者近期可以达到的理想调水工程水力控制系统要求，有目的地对调水工程的水工设施、机电设备、自动监测监控系统进行最优配置，以达到预设目的。
现有的一些调水工程实践已经证明，按照常规的设计思路，经常发生水工、机电、自动监测监控系统不配套的问题，最后不得不对原工程设计，甚至已建工程进行改造。虽然采取补救措施，能使工程正常运行，但不可避免的会造成大量的投资损失。因此，探索新的设计思想非常必要。
    应用水力控制理论规划设计调水工程的关键：首先是科研必须贯穿全过程，包括前期的总体规划，中期的技术设计，以及后期的实时运行调度研究；其次是建立工程的整体水力控制模型，全面的、系统的考虑水坝、水库、泵站水泵、渠道、管涵、调压设施、自动监测监控系统的有机联系，进行技术经济比较，以达到安全、可靠、经济的综合目的。由于水工、机电、自动监测监控系统是按照水力控制最优运行的要求配置的，所以工程投资效益可以得到最大程度的发挥。
此外，调水工程的水力控制研究也是建设“数字调水工程”的基础，可以把实体工程与“数字工程”的建设有机结合[10]。
    5 工程总体规划设计质量的保证问题
    调水工程的总体规划是调水工程建设的最关键环节，起着提纲挈领，纲举目张的作用，它确定了工程的规模、输水线路和方式，以后的详细技术设计都是以此为依据展开。
目前大型调水工程的总体规划设计，如南水北调工程，一般是由工程沿线有关设计院负责具体工作，然后由专家审查会议进行质量把关。毫无疑问，这种质量保证体系可以发现一些明显的问题，但有进一步完善和改进的必要，因为很多重要问题几天的专家会议是发现不了的。
    以大连引碧入连输水工程为例，在规划初期，设计院推荐的输水管管径为1.5 m。由于工程是引进外资项目，世行出资聘请国内外水利专家对原规划方案进行了深入的计算研究论证，得出输水管管径应取2.5 m，从而使泵站扬程成倍下降，运行电费和总投资大大降低。又如，在山西省万家寨引黄入晋输水工程的建设过程中，针对国内设计原方案，国外专家经过计算研究论证，指出原来的总体规划设计需要进行大的调整，否则将不能保证工程建成后的正常运行。根据该建议，国内首次组织专家开展了大型调水工程运行的计算机仿真研究[11]，保证了引黄入晋输水工程的顺利建成。
为什么发生上述现象呢？原因在于：首先，调水工程总体规划设计是一项复杂的系统工程，涉及地域广，其水工建筑物（水库大坝、渠道等）、机电设备配置、自动化监测监控系统的设计相互影响，按照常规的水利工程设计思想是不行；其次，由于目前我国调水工程特点不同，可以借鉴的经验有限，很多问题无规范依据，此外，即使是规范也只是过去科研和工程实践的产物，也有一个与时俱进的问题。
    南水北调中线北京段输水工程的建设借鉴了以往的经验教训，在总体规划设计阶段，北京市水利规划设计研究院就采取了与中国水利水电科学研究院合作的方式，相互取长补短，完成了总体规划方案的论证，产生的经济效益十分显著。目前北京段输水方案已经由以前的明渠输水调整为全线管涵输水。
这一切表明，改进现有调水工程规划设计质量保证体系十分必要，除了专家会议审查以外，应当有一个第三方协助。一方面，对设计院方案进行深入细致的科学计算研究论证，及时发现一些重大问题，并提出改进意见；另一方面是为专家审查会议提供比较参考。