一种西线调水的替代调水方法技术领域：
本发明涉及一种南水北调工程，特别涉及一种西线调水工程的替代调水方法。
背景技术：
决定一个国家的命运不是石油危机，而是水危机。
西线调水可以从根本上改变西北的沙漠，减少沙尘和沙尘暴的发生，使西北土壤干旱变湿润，改善西部地区生态环境，西线调水不仅十分必要，而且非常紧迫。但是，西线调水工程和大西线调水工程存在8大缺点：1、施工地点为崇山峻岭，根本就没有施工条件，得人为创造条件去施工，首先修路就得修3年；2、施工地点为生态环境原始地区，远离现代工业的影响，西线工程对生态环境的影响是巨大深远的，生态环境一旦破坏就不可逆转；3、施工地点为地质复杂区，地质构造呈断裂活动性和地震活动性，建高坝蓄水则极有可能诱发大地震；4、西线地形北高南低，建高坝蓄水、加长渠道长度才能满足自流条件，需要开凿长达数百公里的隧洞把巴颜喀拉山打通，在地质活动带和地震带上打隧洞是不可行的；5、调水区海拔都在3500米以上，生态环境极其脆弱，工程一旦建成将淹没大量草原、农田，在江河下游形成干热河谷，造成新的环境破坏；6、调水区的居民大多笃信宗教，崇拜神山、圣水、喇嘛寺庙，有独特的文化习俗，工程一旦开工将在移民、寺庙搬迁等问题上遇到巨大的困难；7、四川省有一部分河流开始缺水，缺水量是一个增加的过程，调水河流流经四川省，调水实质上是抽走四川省的未来用水；8、西线调水量是170亿立方米/年，只能解决黄河下游缺水和西北、华北沙漠化地区缺水两个问题中的其中一个。
上述的第1至第7缺点的严重程度已经达到三个层次：不科学、不可行、不可能。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是西线调水工程的全部缺点。
调水分为5种调水方式：1、以河代渠调水方式，利用现有河道做为运水渠道其调水成本最低，如果同时符合不超过河道的最大通水能力和自流这两个条件时，其调水成本为零；2、替代调水方式，把水调入一条河流水位较低河段的成本和缺点少于调入水位较高河段，则需要采用替代调水方式，其调水成本是修建调水水库，如果可以利用现有水库做为调水水库，则调水成本为零；3、非贮压自流调水方式，指非封闭式贮压的隧洞、渠道、渡槽调水，其调水成本决定于地面的情况，地面平整的情况下成本低，地面越不平整其成本越高，与地面公路、铁路、河流交叉越多其成本越高；4、管道贮压自流调水方式，这种调水方式的特征是利用水的压力，调水可以通过高低弯曲的管道，缺点是工程成本较高，其长期成本仅低于抽水调水方式；5、抽水调水方式，其调水成本决定于抽水高度和调水时间，由于一直不停消耗电能，使用时间越长其成本越大，其长期成本大于其它所有的调水方式，因此尽量避免抽水调水方式。
第4种调水方式具有6大优点：1、不占用地面，把管道埋在地表面之下，管道上方的地面可以用于公路、铁路、河流的交叉，可以做为耕地；2、适用于高低不平的地面，只要管道的任何位置低于管道进水口一定高度，贮存的水位差压力能推动调水通过高低弯曲的管道；3、缩短调水线路长度，在低于管道进水口一定高度的地域，可以采用垂直方向为直线的最近路线埋设管道；4、不产生蒸发水量，尤其是西北地区气候干燥蒸发量大；5、隔绝调水过程中受污染，管道是封闭的因此隔绝外界污染；6、适用于沙漠地区和地质不稳定地区，管道埋在地面之下，因此不怕流沙或者流土的覆盖。第4种调水方式的6大优点所产生的有益效果将远远超过工程成本较高这一缺点，如果把6大优点所产生的有益效果折合为人民币计算，其调水成本将会低于第3种调水方式，因此，在地面不平或者沙漠地区优先选择第4种调水方式。
第2种调水方式的原理：把水调入一条河流，以调入点为界，调入点下游方向的河段称为水位较低河段，调入点上游方向的河段称为水位较高河段；把水调入水位较低河段的目的是，替代水位较高河段流入水位较低河段的相等水量；相等水量是指与调入水量相等的水量；被替代之后，调入水量在水位较低河段完成原有水量的作用和功能；被替代之后，水位较高河段的相等水量由于停止流入水位较低河段，因此水位较低河段的水量并没有增加，而水位较高河段则增加了相等水量。这种调水方式非常适用于黄河，把长江水调入水位较高黄河河道的缺点和成本，远远大于把长江水调入水位较低黄河河道的缺点和成本，在这种情况下使用第2种调水方式，不仅降低调水成本，而且完全避免西线调水的全部缺点。
替代调水方法是指：用一种调水方法替代另一种调水方法。本发明是采用一种新的调水方法替代西线调水方法，这种新的调水方法把它称之为：西线调水的替代调水方法。
西线调水的全部缺点所产生的原因是，第一步没有使用第1种调水方式。为了解决西调水线工程的全部缺点，本发明采用如下技术方案：
本发明是一种西线调水的替代调水方法，第一步使用第1种调水方式，以河代渠调水方式，利用长江河道，以河代渠，把金沙江、雅砻江、大渡河需要调出的170亿立方米/年的水量调入长江三峡水库。第一步使用第1种调水方式的最大优点是，解决了西线调水工程的8大缺点。第二步使用第3种调水方式，非贮压自流调水方式，三峡水库库水回水至香溪河高阳镇，从香溪河高阳镇开凿隧洞至谷城县南河水库，调水由三峡水库流入南河水库。三峡水库水位175米，南河水库水位151.5米，因此可以满足自流条件。第三步使用第4种调水方式，管道贮压自流调水方式，从谷城县南河水库埋设管道至开封处黄河，调水由南河水库流入黄河。南河水库水位151.5米，出水口开封处黄河水位81米，因此可以满足自流条件。第四步使用第2种调水方式，替代调水方式，根据替代调水方式原理得出，开封下游方向的黄河河段称之为水位较低河段，开封上游方向的黄河河段称之为水位较高河段，把水调入开封处黄河，替代水位较高河段流入水位较低河段的相等水量，被替代的水量在黄河上游大柳树水库、青铜峡水库、大峡水库调出，补水西北、华北沙漠化地区。
金沙江、长江干流的水调入黄河的几十种调水方案中，对生态环境破坏最少和长期成本最低的路线是：从香溪河三峡水库回水区调水至郑州、开封的黄河河段，本发明技术方案中的第二步和第三步就是根据这一路线而设计的。使用第1种调水方式的南水北调东线调水工程，由于同时又使用了第5种调水方式，因此东线调水路线不是长期成本最低的路线。
本发明技术方案中第四步使用第2种调水方式，第2种调水方式是一种前所未有的新颖的调水方式，也是本发明的核心技术。目前，黄河下游严重缺水，生态环境缺水、工农业缺水、新建调水渠用水和未来用水量增加的缺水，四项缺水程度达到200亿立方米/年，在此情况下无法使用第2种调水方式，因为把170亿立方米/年的水量调入开封处黄河之后，这些水量只能补充黄河下游的缺水，所以不能替代上游方向流入开封处黄河的水量。只有在不缺水的情况下，开封处黄河调入170亿/年的水量，上游方向河段才能减少170亿立方米/年的水量停止流向下游河道。
本发明使用第2种调水方式的条件是：建立在大中线工程二期工程的基础之上(大中线工程二期工程调入黄河的水量是200亿立方米/年，具体资料参见专利申请文件申请号201410765037.3)。大中线工程二期工程不仅解决了汉江中下游缺水和丹京渠缺水，也解决了黄河下游缺水，在解决黄河下游缺水的基础上，本发明技术方案中使用第2种调水方式才能发挥作用。
附图说明：
图1是：具体实施方式1调水路线分布图。
图2是：具体实施方式2调水路线分布图。
()内的数字代表图中的数字，数字代表()前的名称。代表的名称为：大柳树水库(1)中卫市(2)青铜峡水库(3)银川市(4)乌兰布和沙漠(5)青乌调水线(6)民勤县(7)玉门市(8)敦煌市(9)大西海子水库(10)塔里木河下游绿色走廊(11)台特玛湖(12)大塔调水线(13)河西走廊(14)巴丹吉林沙漠(15)大巴调水线(16)腾格里沙漠(17)兰州市(18)大库调水线(19)毛乌素沙地(20)库布齐沙漠(21)阴山(22)大科调水线(23)浑善达克沙地(24)科尔沁沙地(25)黄河(26)开封市(27)香黄调水线(28)谷城县南河水库(29)香黄调水线隧洞(30)香溪河(31)长江三峡水库(32)长江(33)大峡水库(34)红崖山水库(35)双塔水库(36)。
具体实施方式：
具体实施方式1：
具体实施第一步，修建香溪河至南河水库的隧洞和埋设南河水库至开封处黄河的管道。
为了便于以下描述，把从香溪河三峡水库回水区调水自流经过隧洞、南河水库、管道至开封处黄河的路线称为香黄调水线；
三峡水库库水回水至香溪河高阳镇，从香溪河高阳镇二里半(北纬31°13′47″东经110°45′42″)附近修建香黄调水线渠首闸门，香黄调水线渠首必须修建在香谷渠渠首的东边(香谷渠具体资料参见专利申请文件申请号201410765037.3)。从香黄调水线渠首修建隧洞至谷城县南河水库库尾何家村(北纬32°06′00″东经111°27′44″)附近，这一隧洞称为香黄调水线隧洞。隧洞进水口水位设计为165米，隧洞出水口水位设计为151.5米，隧洞长度为116公里，隧洞通水能力为170亿立方米/年。
南河水库位于湖北省谷城县南河下游，水库正常水位151.5米，多年入库平均径流量25亿立方米/年，除灌溉用水出库径流量22亿立方米/年。南河水库库水调入黄河的成本，要低于三峡水库库水调入黄河的成本，因此把南河水库库水同三峡水库库水一起调入黄河。从南河水库大坝埋设管道至开封小庄村北边处(北纬34°53′35″东经114°14′50″)黄河，与中线调水工程不同，沿线不供水，路线不平整，因此采用埋设管道。管道进水口水位设计为146米，管道出水口水位为81米，管道长度为421公里，加上南河水库出库径流量22亿立方米，因此管道通水能力设计为192亿立方米/年。
为了便于施工和减少埋设管道的挖掘深度，铺设4条或者6条管道，铺设多条管道的方法可以减少管道直径和减少挖掘深度。为了减少施工量，把管道直接放置在南河水库下游的河道内，再增加一条南河水库至汉江的泄洪排沙管，在洪水时期泄洪排沙管打开，其它时期泄洪排沙管关闭。南河水库库水同三峡水库库水量一起调入黄河，因此，水库下游河道停止通水用于埋设管道，能减少埋设管道的挖掘量。
具体实施第二步，修建大柳树水库；从大柳树水库修建四条调水线分别至塔里木河下游、腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠、浑善达克沙地和科尔沁沙地、毛乌素沙地和库布齐沙漠；从青铜峡水库修建一条调水线至乌兰布和沙漠。
补水区是指补充水量的地区。香黄调水线调入开封处黄河192亿立方米/年的水量，替代黄河上游河段流入下游河道的192亿立方米/年的水量，被替代的水量从黄河上游调出，其中170亿立方米/年的水量调出至西北、华北沙漠化地区，其中22亿立方米/年的水量分配至青海黄河沿岸、甘肃黄河沿岸、宁夏、河套平原、山西、陕西用水量的增加。
把水调入西北、华北地区沙漠化地区的自流条件是水源水位不低于1380米，水位不低于1380米的水库大柳树水库距离补水区最近，因此确定大柳树水库为调水水源。大柳树水库正常水位设计为1380米，坝顶高程设计为1390米，入库径流量336亿立方米/年，库容170亿立方米。大柳树水库没有修建的原因是，淹没耕地9.77万亩，淹没区人口8.65万，淹没黄河石林地质公园主要景区，水库水位为1380米时回水至靖远县县城北端。大柳树水库的工程效益是极为巨大的，从水库调水160亿立方米/年，可改善四大沙漠三大沙地的生态环境，可规划发展6000多万亩自流灌溉区，解除1094千米宁蒙河段防洪堤的凌汛威胁，可见，修建大柳树水库的利益远远大于损失，因此，完全有必要开工修建大柳树水库。
把水调入乌兰布和沙漠的自流条件是水源水位不低于1150米，水位不低于1150米的水库，青铜峡水库距离补水区最近，因此确定青铜峡水库为调水水源。青铜峡水库正常水位1156米，调水出水口高程设计为1150米，入库径流量324亿立方米/年，库容6.2亿立方米，调水10亿立方米/年的水量至乌兰布和沙漠，把乌兰布和沙漠改造成为河套平原的一部分。
我国沙漠化最严重、土地退化最快、河流断水、树木枯死、草场退化的地区是从塔里木河下游开始，往东至河西走廊两端、黄河上游两岸沙漠，再往东至浑善达克沙地、科尔沁沙地，因此把水调入这些地区。从大柳树水库和青铜峡水库修建五条调水线，五条调水线分别为：
第一条调水线，从大柳树水库调水自流至塔里木河下游绿色走廊的路线称为大塔调水线；
第二条调水线，从大柳树水库调水自流至腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠的路线称为大巴调水线；
第三条调水线，从大柳树水库调水自流至浑善达克沙地、科尔沁沙地的路线称为大科调水线；
第四条调水线，从大柳树水库调水自流至毛乌素沙地、库布齐沙漠的路线称为大库调水线；
第五条调水线，从青铜峡水库调水自流至乌兰布和沙漠的路线称为青乌调水线。
从黄河上游调水至西北、华北沙漠化地区分配表：
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大塔调水线从大柳树水库埋设管道至玉门市，管道穿过玉门市地下隧洞、双塔水库下面或者水库旁边下面隧洞，隧洞长度约100公里，管道出水口在双塔水库西边疏勒河河道，利用疏勒河河道和挖掘清水渠至大西海子水库。清水渠是指没有建筑材料的渠道，挖掘之后就可以输水的渠道。在清水渠两边种植树木，成为一条新的绿化线。在管道出水口开始补水，补水河西走廊西部地区、新的绿化线、大西海子水库、塔里木河下游绿色走廊，年补水量50亿立方米。黄河上游汛水期间大塔调水线补水大西海子水库，枯水期间停止对大西海子水库补水，塔里木河下游绿色走廊由大西海子水库储存的水供应。
大巴调水线从大柳树水库向北埋设管道至腾格里沙漠腹地，再向西北埋设管道至民勤县、巴丹吉林沙漠。在需要补水的位置安装阀门，年补水量30亿立方米，补水民勤县北部生活用水和工农业用水，补水腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠生态环境用水。
大科调水线从大柳树水库至腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、阴山西边埋设管道，从阴山北边至大青山北边、浑善达克沙地挖掘清水渠，挖掘清水渠至浑善达克沙地东部西拉木伦河，利用西拉木伦河把水调入科尔沁沙地。在清水渠两边种植树木成为新的绿化带。年补水量50亿立方米，补水新的绿化带、浑善达克沙地、科尔沁沙地生态环境用水。
大库调水线大部分为清水渠，只有在漏水严重的地面采用水泥硬化地面渠。毛乌素沙地西部、库布齐沙漠西部北部低于调水线，因此补水毛乌素沙地西部、库布齐沙漠西部北部，和渠道沿线补水。年补水量30亿立方米，
青乌调水线从青铜峡水库至银川市、石嘴山市、乌海市乌达区修建水泥硬化地面渠，从乌海市乌达区至乌兰布和沙漠埋设或者铺设多条管道线。乌兰布和地势低矮、地下水丰富，采用滴灌技术把整个乌兰布和沙漠改造为耕地和果园，年补水量10亿立方米。实行鼓励和农业补贴政策，把大量的畜牧业人口移民到此地从事农业和果园业，减少和限制畜牧业发展，大力发展种草种果树。
在补水西边、华北沙漠化地区的同时，大力发展三北防护林建设。
具体实施方式2：
具体实施第一步，修建香溪河至南河水库的隧洞和埋设南河水库至开封处黄河的管道。
为了便于以下描述，把从香溪河三峡水库回水区调水自流经过隧洞、南河水库、管道至开封处黄河的路线称为香黄调水线；
三峡水库库水回水至香溪河高阳镇，从香溪河高阳镇二里半(北纬31°13′47″东经110°45′42″)附近修建香黄调水线渠首闸门，香黄调水线渠首必须修建在香谷渠渠首的东边(香谷渠具体资料参见专利申请文件申请号201410765037.3)。从香黄调水线渠首修建隧洞至谷城县南河水库库尾何家村(北纬32°06′00″东经111°27′44″)附近，这一隧洞称为香黄调水线隧洞。隧洞进水口水位设计为165米，隧洞出水口水位设计为151.5米，隧洞长度为116公里，隧洞通水能力为170亿立方米/年。
隧洞穿过大巴山，大巴山地质不活跃，地震级别小。大巴山主要由土壤、石灰岩、白云岩组成，石灰岩是一种用途很广的建筑材料，两种岩石硬度一般不大，因此施工挖掘难度不是很大。部分石灰岩山体内有溶洞，利用挖掘隧洞的废料填充溶洞，降低废料运出量解决废料放置问题。施工隧洞工程量大、埋设管道成本高，它的优点、缺点与地铁相同，不占用地面，移民少，影响地面少，因此调水隧洞、埋设管道会与地铁一样的发展。
南河水库位于湖北省谷城县南河下游，水库正常水位151.5米，多年入库平均径流量25亿立方米/年，除灌溉用水出库径流量22亿立方米/年。南河水库库水调入黄河的成本，要低于三峡水库库水调入黄河的成本，因此把南河水库库水同三峡水库库水一起调入黄河。从南河水库大坝埋设管道至开封小庄村北边处(北纬34°53′35″东经114°14′50″)黄河，与中线调水工程不同，沿线不供水，路线不平整，因此采用埋设管道。管道进水口水位设计为146米，管道出水口水位为81米，管道长度为421公里，加上南河水库出库径流量22亿立方米，因此管道通水能力设计为192亿立方米/年。
为了便于施工和减少埋设管道的挖掘深度，铺设4条或者6条管道，铺设多条管道的方法可以减少管道直径和减少挖掘深度。为了减少施工量，把管道直接放置在南河水库下游的河道内，再增加一条南河水库至汉江的泄洪排沙管，在洪水时期泄洪排沙管打开，其它时期泄洪排沙管关闭。南河水库库水同三峡水库库水量一起调入黄河，因此，水库下游河道停止通水用于埋设管道，能减少埋设管道的挖掘量。
具体实施第二步，修建大柳树水库；从大柳树水库修建三条调水线分别至腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠、浑善达克沙地和科尔沁沙地、毛乌素沙地和库布齐沙漠；从青铜峡水库修建一条调水线至乌兰布和沙漠；从大峡水库修建一条调水线至红崖山水库、双塔水库、塔里木河下游。
补水区是指补充水量的地区。香黄调水线调入开封处黄河192亿立方米/年的水量，替代黄河上游河段流入下游河道的192亿立方米/年的水量，被替代的水量从黄河上游调出，其中170亿立方米/年的水量调出至西北、华北沙漠化地区，其中22亿立方米/年的水量分配至青海黄河沿岸、甘肃黄河沿岸、宁夏、河套平原、山西、陕西用水量的增加。
把水调入黄河上游沙漠化地区的自流条件是水源水位不低于1380米，水位不低于1380米的水库大柳树水库距离补水区最近，因此确定大柳树水库为调水水源。大柳树水库正常水位设计为1380米，坝顶高程设计为1390米，入库径流量336亿立方米/年，库容170亿立方米。大柳树水库没有修建的原因是，淹没耕地9.77万亩，淹没区人口8.65万，淹没黄河石林地质公园主要景区，水库水位为1380米时回水至靖远县县城北端。大柳树水库的工程效益是极为巨大的，从水库调水105亿立方米/年，可改善四大沙漠三大沙地的生态环境，可规划发展6000多万亩自流灌溉区，解除1094千米宁蒙河段防洪堤的凌汛威胁，可见，修建大柳树水库的利益远远大于损失，因此，完全有必要开工修建大柳树水库。
把水调入红崖山水库、双塔水库的自流条件是水源水位不低于1480米，水位不低于1480米的水库大峡水库距离补水区最近，因此确定大峡水库为调水水源。
把水调入乌兰布和沙漠的自流条件是水源水位不低于1150米，水位不低于1150米的水库，青铜峡水库距离补水区最近，因此确定青铜峡水库为调水水源。青铜峡水库正常水位1156米，调水出水口高程设计为1150米，入库径流量324亿立方米/年，库容6.2亿立方米，调水10亿立方米/年的水量至乌兰布和沙漠，把乌兰布和沙漠改造成为河套平原的一部分。
我国沙漠化最严重、土地退化最快、河流断水、树木枯死、草场退化的地区是从塔里木河下游开始，往东至河西走廊两端、黄河上游两岸沙漠，再往东至浑善达克沙地、科尔沁沙地，因此把水调入这些地区。从大柳树水库、青铜峡水库、大峡水库修建五条调水线，五条调水线分别为：
第一条调水线，从大峡水库调水自流至塔里木河下游绿色走廊的路线称为大塔调水线；
第二条调水线，从大柳树水库调水自流至腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠的路线称为大巴调水线；
第三条调水线，从大柳树水库调水自流至浑善达克沙地、科尔沁沙地的路线称为大科调水线；
第四条调水线，从大柳树水库调水自流至毛乌素沙地、库布齐沙漠的路线称为大库调水线；
第五条调水线，从青铜峡水库调水自流至乌兰布和沙漠的路线称为青乌调水线。
从黄河上游调水至西北、华北沙漠化地区分配表：
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大塔调水线从大峡水库沿黄河河岸埋设管道至大柳树水库的北边，再埋设管道至双塔水库，管道经过红崖山水库旁边，管道分支补水红崖山水库，管道出水口在双塔水库东边疏勒河河道，调水在管道出水口之后经过勒拿河、双塔水库，补水双塔水库，利用疏勒河河道和挖掘清水渠调水至大西海子水库。清水渠是指没有建筑材料的渠道，挖掘之后就可以输水的渠道。在清水渠两边种植树木，成为一条新的绿化线。补水红崖山水库、双塔水库、河西走廊西部地区、新的绿化线、大西海子水库、塔里木河下游绿色走廊，年补水量55亿立方米。黄河上游汛水期间大塔调水线补水大西海子水库，枯水期间停止对大西海子水库补水，塔里木河下游绿色走廊由大西海子水库储存的水供应。
大巴调水线从大柳树水库向北埋设管道至腾格里沙漠腹地，再向西北埋设管道巴丹吉林沙漠。在需要补水的位置安装阀门，年补水量25亿立方米，补水腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠生态环境用水。
大科调水线从大柳树水库至腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、阴山西边埋设管道，从阴山北边至大青山北边、浑善达克沙地挖掘清水渠，挖掘清水渠至浑善达克沙地东部西拉木伦河，利用西拉木伦河把水调入科尔沁沙地。在清水渠两边种植树木成为新的绿化带。年补水量50亿立方米，补水新的绿化带、浑善达克沙地、科尔沁沙地生态环境用水。
大库调水线大部分为清水渠，只有在漏水严重的地面采用水泥硬化地面渠。毛乌素沙地西部、库布齐沙漠西部北部低于调水线，因此补水毛乌素沙地西部、库布齐沙漠西部北部，和渠道沿线补水。年补水量30亿立方米，
青乌调水线从青铜峡水库至银川市、石嘴山市、乌海市乌达区修建水泥硬化地面渠，从乌海市乌达区至乌兰布和沙漠埋设或者铺设多条管道线。乌兰布和地势低矮、地下水丰富，采用滴灌技术把整个乌兰布和沙漠改造为耕地和果园，年补水量10亿立方米。实行鼓励和农业补贴政策，把大量的畜牧业人口移民到此地从事农业和果园业，减少和限制畜牧业发展，大力发展种草种果树。
在补水西边、华北沙漠化地区的同时，大力发展三北防护林建设。