高二第四冊中國地理補充資料~南水北調工程問題詳解

【美東南隨筆】南水北調工程問題詳解

 2015-01-04
空前浩大、舉世矚目的中國南水北調工程東線和中線一期，至今已經耗資達約2500億人民幣，加上後續工程和維修養護運行管理費用，總共將耗資5千億人民幣。東線已經在2013年底宣告通水，中線也將在2014年汛後正式通水。這樣一項世界空前的建設工程，按官方說辭，功在當代，利在千秋。尤其是北方缺水，已到乾渴難忍，不可持續的地步。南水北調若能緩解北方乾渴之苦，是莫大的功利，應該全國敲鑼打鼓，大大慶賀一番。可是在官方媒體的宣傳上，對南水北調建成的報導著墨不多，似乎是有意迴避難言之詞。各方重要決策者、建設者、負責者、指揮者，也不見紛紛出來邀功。到底是怎麼回事呢？

我年前撰文，痛斥整個南水北調工程決策和實施是屁股決定大腦，罔顧起碼的自然和科學原理，必敗無疑。現在根據各方的報導，不但東線和中線都是失敗工程，並且還是慘敗，一敗塗地，無法交代，無法收場。

南水北調怎樣才算成功或者失敗

繼續討論之前，有必要對南水北調這樣空前規模的遠距離輸水工程，怎樣才算成功，怎樣算是失敗，先下一個定義。沒有定義，只要有一桶水流到了北京，他們都可以稱為成功。任何工程都是投入工程成本耗費後，計算其所獲得的社會經濟效益，效益超過耗費，就算成功了。效益低於耗費，就是失敗。南水北調耗費5千億人民幣巨款，其成功與否，端看能夠調來多少水，值多少效益，和耗費相比合不合算。按照一般工程投資成本計算，全部投資額分攤到每年的成本耗費，大約應該乘以10%，也就是說一年消耗五百億人民幣。那麼按照原工程設計指標，東線一年調水一百億噸，中線也是一年一百億噸。如果真的能達到設計的年輸水量，每噸水的成本約不到3元人民幣。那麼不算環境破壞的代價，可以算是工程成功的吧。反之，如果東線和中線調水遠遠達不到設計的指標，發揮不了效益，就算工程失敗。我取一個基準線，設計調水能力每條線一年一百億噸，如果能達到75%就是75億噸，我就算南水北調工程成功了。

南水北調東線建成便已徹底失敗

以每年調水75億噸的評判標準來衡量，已在2013年底建成通水的東線，已告徹底失敗。
根據報導，南水北調東線從2013年11月15日開始第一次正式通水，至12月10日通水結束，歷時25天，共調3400萬立方米的水。算起來水流量僅每秒15.75立方，一年四季365天連續輸水，每天86400秒，算起來也達不到每年五億噸的輸水量，僅有設計指標每年一百億噸水不到5%。這是徹底失敗。

東線第一次通水在12月10日宣告結束之後如何呢？照理，這樣一個耗費天文數字建成的龐大工程，一旦建成，就應該晝夜24小時一秒鐘也不停息地連續運行，以發揮其最大可能的經濟效益，除非中間因為故障不得不停下來檢修維護。可是我們看到的是各種關於北調的南水價格太高，各地用不起，不願用的報導。事實上12月10日通水結束後，水渠就關閉了，沒有運行，只是在曬太陽。因為東線需要用強大的水泵提升水位，把水從低處逐級抬高，才能往北流動。驅動水泵要耗費巨大的電力，誰來支付電費呢？沒人肯支付。不但沒人支付電費，況且調來的水太渾濁，污染太重，水價太高，沒人願意購買。而水費是按照分攤成本除以輸水量算出來的，輸的水越少，除法算出來的每噸水費越高，越是沒有人要，這是一個惡性循環。因此，東線只能是建成之後即擱置不用了。
但是東線已經建成，一直曬太陽不用，也不是一回事啊。因此當局硬著頭皮下達了東線今年的年度調水任務。根據報導，該次調水從5月7日至5月26日止，共20天，總共調了4550萬噸水入駱馬湖，「勝利完成」本年度調水計劃。年調水量一百億噸的浩大工程，建成後一年只打算調0.455億噸就算完成年度任務了，僅僅不到0.5%的利用率，而其它時間就曬太陽擱置不用了。幾千億的投資就當作打水漂了。我們再算，花20天調水僅4550萬噸，平均水流量僅有每秒26立方，如果一年連續運行，也只有每年八億噸，離每年一百億噸的設計輸水量，差得遠著呢。一年五百億的成本，若是滿打滿算調八億噸水，每噸的成本分攤是60多元人民幣。可是現在下達的年度調水計劃僅有0.455億噸，攤到每噸水的成本高達1100元人民幣，每升污水1.1元，比瓶裝飲用水還昂貴。這是慘敗。

南水北調中線未完工便已注定失敗

再來看看中線。中線現在基本建成，等待汛後約9月或10月正式通水。可水源地丹江口水庫現在的水位僅有140米，離渠首147.33米的渠底還差好幾米呢，連一滴水也流不進取水渠裡，如何調水？如果老天爺不肯配合，再不好好下幾場豪雨，把丹江口水庫灌滿，今年的中線調水計劃就要落空了。

更糟糕的是，長期看來也不妙。丹江口水庫歷年大約每年來水4百億噸，若按照中線設計調走一百億噸，就是25%的調水量，已經是勉為其難，捉襟見肘。可是根據水文資料，從2000年到2010年，十年間丹江口水庫的每年來水減少80億噸，現只有320億噸了。這很可能是因為水土植被破壞造成的長期性變化，丹江口水庫的水，將來只會更少，不會更多。這樣的來水量，如何讓水庫蓄滿水，讓水可以流入取水渠？如何可以一年取走一百億噸的水，但是又能夠保持水庫高水位，讓水能夠流得動？又讓漢江的下游有足夠的水？這個問題無人能夠解答。

更不妙的是，中線一年調水一百億的設計指標，是按照一年四季不間斷地輸水算出來的。如果不是一年四季水一直可以流動，在枯水季節水庫水位夠不著取水渠底部，無水可調，只有在豐水季節，水庫水位足夠高，才有水可調，一年有那麼兩個月可以調水，其他時間得曬太陽，那麼每年的調水量就要大打折扣，遠遠達不到設計指標的一百億噸。這個還是假設工程的輸水速率可以達到設計要求來算的。如果輸水速率再打一個大折扣，實際可以實現的年輸水量，還要更低得多。

最最不妙的是，即使是在汛期，發洪水之後，水位足夠可以流入取水渠，也不能夠輸水，而必須關閉大閘，因為那水太渾濁，泥沙會毀了輸水渠道。只有等汛後一段時間，水沉澱變清，才敢開閘放水，因此一年之內能夠輸水的時間就更短了。關於泥沙問題我過去已經講述過，在下面會再詳細論述，解釋為甚麼中線的水根本就流不動，泥沙沉澱會很快徹底毀掉中線輸水渠道。

南水北調的決策過程和招標模式使其必敗無疑

南水北調是個典型的先拍腦袋決策上馬，再請專家論證其可行性的顛倒過來的決策過程，怎麼能夠不犯錯誤？犯錯誤是必然的。任何重大工程，對中央當政者和地方當權者來說，上馬總是有利無弊，多多益善，上工程就有大筆的錢下來，無論對地方財政，各承包商，還是自己的腰包和加官進爵的門路，都是只有好處沒有壞處。反之若不上工程，所有的好處統統沒有，上下埋怨，不但腰包癟癟，自己的官運也不會長久。因此而言，永遠只可能聽到一面倒贊成的聲音，絕不可能有人反對。一旦領導層決策，再來請專家們論證一番。專家們能說甚麼？能說不好嗎？能夠反對嗎？反對也無濟於事，該上的還是要上。反而會堵住自己的學術之路，院士評不上，科研資金得不到，一切靠邊站。因此專家也只能一致贊同，反對聲音鴉雀無聲。上三峽工程的時候還有專家大聲反對。上南水北調時候，再也沒有人出面反對了。可是科學規律畢竟是科學規律，不會因為沒人反對，科學就能屈服於威權了。違背科學規律的工程，受到懲罰是必然不可避免的。

再看南水北調工程的承包競標模式，也是必敗無疑。重大工程要進行競爭競標投資，這在西方是很正常的運行模式，這激勵承包商們拿出最好的工程效率，以最低投資，達到最優的工程效益，通過競爭提高效率。可是這要有先決條件。先決條件是競標必須透明公開，競爭要公平誠實，事後的施工建設必須有嚴格的監管核查。這些在南水北調中，因為牽涉到各方私利，均無法實現。承包商們使用各種不合法、不誠實的手段，先拿到競標再說。一旦拿到工程，承包商要賺錢，他的工程造價就一步步加上去了。而在成本費用上就得拚命壓縮，偷工減料，能不能達到設計的質量要求，就顧不上那麼多了，監管也形同虛設。

這就是為甚麼工程完工以後，肯定遠遠達不到設計指標。他承包商不可能達到指標，想達到指標，他的工程耗費就要比競標價高好幾倍，他就要虧得傾家蕩產。可是如果當初競標的時候老老實實地實算，他的要價就比別人高幾倍，拿不到工程。所有必須先靠投機取巧拿到工程，再通過偷工減料拿到盈利，就是這麼回事。全工程幾千個承包商都這麼幹。

偷工減料偷在哪裏呢？具體點講就要講到曼寧公式和曼寧參數了。

輸水渠道流量計算的曼寧公式簡介

南水北調中線從丹江口水庫約150米高程取水，經1300公里輸水渠道送到約50米海拔的終點北京，共1300公里的路途，純靠一百多米的水落差驅動。水流坡降不到萬分之一。這個坡降大約相當於三峽大壩之後的水位一直到長江入海口的平均坡降。

水在渠道中靠天然坡降流動的水流速度，可以用曼寧公式計算。具體來說，水速正比於坡降的平方，水力半徑的2/3次方，反比於渠道表面的曼寧糙率。渠道越光滑，摩擦力越小，水流得越快。反之，渠道越粗糙，摩擦力越大，水流越慢。和曼寧係數成反比關係。

問題就出在用甚麼曼寧糙率數據來計算才合理。普通清潔的天然河道的曼寧係數約0.04，如果長上水草會更高，視河床狀況而定。乾淨的打磨平滑光潔的混凝土表面，其曼寧係數是0.013。南水北調東線和中線所有設計施工，看來都採用0.013的曼寧係數。這對嗎？

問題出在這裡。理想條件下清潔而光滑的混凝土表面，曼寧係數才會低到0.013。可是，施工會有缺陷，打磨不會完美。工程建成通水的第一天，曼寧係數就會顯著高於0.013的設計要求。一旦投入應用，渠底表面會有泥沙的沉澱積累，過一段時間後，與天然河道的泥濘底部就再無區別，因此曼寧係數會很快達到0.04。底部有泥，便會長出水草，會使得曼寧係數更高。而水流速度反比於曼寧糙率，糙率增加到三倍，水速便只有三分之一，而流量就相應只有三分之一，原來設計一年一百億的輸水量，便成了只有33億。關於泥沙沉澱的問題，我下面再詳細解釋。

南水北調的設計施工者一切都按照最優條件計算，違背了工程設計裡一切都考慮到最壞情況的基本設計原則。這是在欺騙自然規律和工程規律。最壞的情況，如果有可能發生，就必然會發生。最優的條件，如果未必能達到，就必然達不到。這是基本規律。南水北調的設計者假設一年365天都能按照最高效率輸水，不管枯水季節還是洪水季節，他們還假設渠道永遠保持清潔光滑，曼寧係數不會超過0.013。他們還假設水頭分佈的理論計算完全正確，輸水渠道各段的水位、水速完全和理論計算吻合。在所有一切保持完美無缺的、並且長期保持完美無缺的情況下，他們認為可以達到一年輸水一百億噸的目標。

事實情況遠沒有那麼完美，事實要骨感得多。

南水北調中線京石段的四次輸水遠未達到設計要求

南水北調中線的石家莊到北京段，已因北京奧運先期建成。至今已四次通水，效果如何？
四次通水累計輸水16.1億噸。第四次通水從2012年11月21日到2014年4月5日，共有500天，輸水4.82億噸。平均流量為每秒11.2立方，按此流量每年輸水量為3.5億立方，遠遠低於每年輸水100億立方、入京50億立方的原定工程目標。而輸水渠道的截面面積有60平方米，按照流量每秒11.2立方算，水流速度僅有每秒0.19米，極端緩慢。

再把數據和第一次輸水對照。第一次輸水，按照楊開林、汪易森的論文中實測數據，流量為每秒19立方，水速約每秒0.32米。相比之下，第四次輸水的水速、流量和第一次比都要低很多，僅僅幾年，工程效益已經幾近報廢。

再次重申，中線的工程設計目標是年調水100億噸，入京50億噸。就是平均流量要分別達到每秒320立方和160立方。現在看遠遠達不到這樣的目標。

泥沙沉積將很快毀掉南水北調工程

天然的水流，即使沒有任何污染，也並不是純淨的，其中攜帶有大量泥沙。這些泥沙會在輸水渠道中積累，使水流緩慢，甚至完全停滯下來。泥沙沉澱是個非常嚴重的問題。但是在南水北調的論證和實施中，根本沒有泥沙組的專家參與，因為他們知道泥沙的問題根本就無法解決。泥沙會毀掉南水北調工程。

我們先來看看一些數量級數據。丹江口水庫每年入庫水量為400億立方，現在大概已減少到320億，而入庫的泥沙量有一億噸。按百分比計算，泥沙含量0.25%，相當驚人。專家算因水庫內水流相對緩慢，大部份泥沙留在庫內，長久將淤塞庫容，變成一個死水庫。

再看看長江，每年入海流量約一萬億立方，攜帶入海的泥沙有五億噸。這是約0.05.%的泥沙含量。長江下游的水速約每秒2.5米。在這樣水速條件下，能夠攜帶0.05%的泥沙。

水流攜帶泥沙，和水速關係很大。發洪水時，不但水極度渾濁，並且大塊的石頭都被水流推著走。可是枯水時節，即使很小的泥土顆粒都會沉澱江底，成為泥漿。這個水速和泥沙顆粒大小的相關關係很敏感。物理計算表明，這個相關關係是六次方關係，假如水速增加到兩倍，二的六次方就是64倍，可以把64倍重的泥土顆粒從河床捲起來帶走。反過來，水速慢到一半，就可以讓六十四分之一的泥土顆粒在水底沉澱。

丹江口入庫水流速度每秒3.5米，就能攜帶0.5% 的泥沙。長江下游水速每秒2.5米，是丹江口的72%。而72%水速的六次方是14%，攜帶0.5%泥沙就減少到攜帶0.07%，多餘的泥沙便沉澱到江底了。因此，只要水流略緩，泥沙的沉澱是驚人的。

專家計算，98%的泥沙留在丹江口水庫庫底，那麼還有2%的泥沙，也就是0.01%的泥沙留在水裡，這已經假設水非常清潔。但是每年一百億噸的水，攜帶0.01%的泥沙，就是一百萬噸，分佈到1300公里的輸水渠，每米長度的渠道可以分配到770公斤的泥沙。那麼這部份泥沙會不會沉澱下來呢？
假如每秒流速2.5米的長江水可以攜帶0.05%的泥沙，那麼0.01%是五分之一的泥沙量，按照六次方根算，水流速度每秒2米的流速，可以把泥沙沖刷走。但是水流若只有每秒一米或者更低，那麼這部份泥沙的98%都要沉澱下來。每米的渠道每年要沉澱750公斤的泥沙，這是非常驚人的沉澱速度。因此，輸水渠道水速無論如何都不能低於每秒2米。否則泥沙問題很嚴重，無法解決。

可是實際數據已經告訴我們，京石段第一次輸水時，水流速度僅有每秒0.32米，現在更是慢到每秒0.20米。顯然，曼寧糙率增加了，水流得更慢，緩慢水流更加速泥沙沉澱，進一步增加曼寧糙率，使得水流更慢。這是一個惡性循環，直到變成一潭死水，流不動。

最新的報導，石家莊段開始充水試驗。數據很不妙，文中敘述石家莊段全長123公里，設計入境流量為每秒220立方，出境流量每秒170立方。可根據報導，這段123公里渠道，水流從入境到出境總共花了整6天，平均水流速度僅每小時0.85公里，或每秒0.24米。按照這樣的流速，流量不到每秒14立方，比設計的入境流量每秒220立方，出境流量每秒170立方，低了不止一個數量級。並且這樣緩慢的水流，泥沙沉澱無可避免，工程因此被摧毀報廢，是幾年內無可避免的結果。

失敗的南水北調工程後患無窮

南水北調中線渠道橫跨中原大地，高懸於地，流經人口稠密的城鎮。若是略有差池，渠毀水漏，滔天洪水，奪命無情！我們敢肯定不會出事嗎？我們來拿沙河渡槽來算算。

沙河渡槽的箱式槽是兩箱並行，輸水截面加起來195平方米，渡槽的跨距是30米。也就是說每一跨光是算水的重量，就有5850噸，加上渡槽本身重量，有一萬噸。我們經常會讀到高速公路立交橋質量低劣，幾十噸超載的大卡車開上去，就把橋壓塌了。那麼一個每段達一萬噸的渡槽，會不會壓跨？誰敢打包票？我認為沒有人能夠保證其質量不出事。

我可以保證的是，水中含有腐蝕性的無機鹽分，在巨大重力壓迫下，水泥是不抗拉的，必然開裂起縫，純靠鋼筋支持。而鋼筋暴露在空氣，水和無機鹽中，日久腐蝕，無法耐久。

南水北調渠道若出事，必有突然性，沿途居民，絕難有逃生機會。北方冬天冷，若遇極寒天氣，渠道必然結冰凍結，脹破渠道。無法修復。這個問題無解。

失敗的南水北調將如何收場？我實在難以想像。也許他們現在能夠做出的最好選擇，正如已經運行的東線一樣，建成後就基本上擱置不用，成為一道中看不中用的風景線罷。

缺水的中國北方如何擺脫困局

中國北方極度缺水，乾渴難忍。可是指望南水北調解決問題，是盼不上了。規劃中的東線和中線各每年調水100億噸，是指望不上的。頂多每年有3億多噸入京就了不起了。這筆天文數字的調水投資，確實是扔在水裡了。

事實上，按照地理條件算，北方並不缺水。中國國土年降水量為6萬億噸。北半個中國的得到2萬億噸，平均年降水量約6百到7百毫米。相比之下，南水北調即使每年調水能夠達到100億噸，和老天爺的賞賜相比，只是九牛一毛，無濟於事。

北方缺水是人為的，環境污染，水土破壞，至無水可用。因植被被破壞，天下雨的水無法截留，直接變成洪水奔流入海。治理之道當保護環境，恢復植被，讓雨水被植物截留，滲入地下留存。再不濟攔壩築人工湖蓄水。不能讓洪水白白流走。

北方煤炭開採摧毀自然資源，大量摧毀地下水資源，必須懸崖勒馬，不能無止境挖煤了。必須顯著減少煤炭開採量，留些給子孫，讓土地休養生息。不足的煤炭資源可以進口。

城市用水，不能依賴過量開採地下水了。地下水無非來自地面，絕不能作為常態的水源供應，只能作為特殊情況下的應急水源。城市用水，應該另辟來源，大量地開發海水淡化。同時大規模提高水價，讓居民懂得水的珍貴，也可鼓勵民間投資開發海水淡化。

北方農村在長期缺水中，為求生存家家戶戶建造水窖。這是一個好辦法。再乾旱的地方都會有雨下。不能讓雨水白白流，必須積起來慢慢用。但是，每家每戶自行修建水窖，耗資太高，規模太小。必須通過擴大規模來減少成本。水窖無非圍一圈牆把雨水積起來。圍住的雨水量正比於圍住面積，修建成本正比於圍牆周長。因此周長長兩倍，能圍住面積就是四倍，就有四倍的水。應該一個村莊建一個打水窖足矣。一個城市建一個特大水窖，或者說是人工湖，也足矣。年降雨700毫米，如果能夠留存500毫米，一平方公里就是五十萬噸的水。一千平方公里就是五億噸水。圍成圓形，只需順勢修112公里的圍牆即可。利用地形灌入地下。北京乃至整個華北的水危機，如此可以化解也。