1.2 南水北调工程概述
京、津等华北地区是我国的政治、经济、文化中心，是重要的工农业生产基地，但水资源十分短缺，人均、亩均水资源量仅为全国平均值的16%和14%。海河流域缺水状况最为严峻，人均水资源量仅为292m3，水资源利用率高达90%以上，以国际标准衡量，属于严重缺水地区，其严重性主要表现为水源枯竭、水质恶化，大部分河道为季节性或常年性无水的河道，地下水严重超采，城乡供水呈现全面紧张的态势。为了保证城市供水，不得不大量挤占农业用水。近年来，随着人口的增加、经济的发展，水资源供需矛盾更加突出，北方地区面临的水危机日益加剧。黄河以北相当一部分地区农村和城市的经济、社会发展已陷入了靠挤占生态环境用水和大量超采地下水来维持的困境。部分地区长期开采饮用有害物质含量超标的深层地下水，人民健康受到严重威胁，并由此产生了严重的生态环境问题。地区之间、部门之间的用水矛盾日益激化，甚至爆发冲突，给社会的安定造成严重影响。这不仅制约了当地经济社会正常发展，甚至影响到国家的可持续发展战略。因此，改善北方水资源和生态环境，加大水资源供应量，已迫在眉睫。而改变地域和时间上水资源分布不均匀的状况，只有采取兴修水利工程的措施来进行调节。因此，加大北方地区水资源供应量唯一有效的办法是修建水利工程，把水资源丰富的南方地区的水调到北方，即修建南水北调工程。
早在20世纪50年代，毛泽东主席在第一次视察黄河的过程中就提出了南水北调的宏伟构想：“南方水多，北方水少，如有可能，借点水来也是可以的”。1958年毛泽东从武汉至南京视察长江时再一次提到了南水北调工作，并在党中央召开的工作会议上又一次提到引江、引汉济黄和引黄济渭问题。1958年8月中共中央发布《关于水利工作的指示》，指出“全国范围的较长远的水利规划，首先是以南水（主要是长江水系）北调为主要目的”。这是“南水北调”一词第一次出现在中央正式文件中，从此拉开了南水北调工程的大幕。
1972年，国家水利部专门成立了南水北调规划办公室，协调各条线路的前期研究工作。随后我国水利工作者积极地对南水北调工程规划进行研究。1996年3月南水北调工程审查委员会成立，确保工程规划高标准、高质量的执行。2000年7月，由钱正英等43位院士和300多位专家完成了北方地区水资源合理配置和南水北调问题的战略论述，2002年下半年，国务院和中共中央政治局审议并通过了《南水北调工程总体规划》，至此孕育了半个世纪的南水北调工程横空出世，确定了南水北调东、中、西三条线路，将长江、淮河、黄河、海河四大流域相互联结，构成了我国水资源开发、配置、利用“四横三纵”的总体战略格局。
1.2.1 东线工程
1.2.1.1 建设的必要性与迫切性
东线工程供水区地处黄河、淮河、海河下游，跨北亚热带和南暖温带，多年平均年降水量从南向北为1000～500mm，由南向北逐步递减。受季风气候影响，降水量年内、年际不均，丰枯悬殊，连续丰水年与枯水年交替出现。东线供水区人口密集，城市集中，交通便利，地势较平坦，矿产资源丰富，是我国重要的能源化工生产基地和粮食等农产品主要产区，经济增长潜力巨大，但水资源供需矛盾日益突出，缺水制约了经济社会的发展并对生态环境产生严重影响。
江苏省江水北调工程经过40年的建设已初具规模，为苏北地区灌溉、排水和航运发挥了重要作用，取得显著的经济和社会效益，但规模偏小、设备老化、配套工程落后和管理体制等问题限制了整体效益的发挥，干旱年份和用水高峰季节又不能满足要求，急需扩大引江和向北调水的规模。
东线供水区面临着地表水过度开发、地下水严重超采、水体污染、环境恶化的严峻形势。在积极采取节水措施和相继建设引滦入津及引黄、引江等供水工程情况下，虽缓解了局部地区水资源不足的现状，但难以从根本上扭转缺水的局面。因此，在进一步节约用水、合理利用现有水资源的基础上，东线工程的建设显得更为紧迫。
1.2.1.2 工程规划
东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分。1972年华北大旱后，水利部组织有关部门研究东线调水方案，1976年提出《南水北调近期工程规划报告》上报国务院，1990年提出《南水北调东线工程修订规划报告》。在此期间，还完成了东线第一期工程可行性研究报告及其修订报告；广泛开展了有关环境影响专题研究、大型低扬程水泵的研制、穿黄工程勘探试验以及农业灌溉节水、水量优化调度方面的研究，取得了许多重要成果，为科学比选东线调水方案打下了坚实基础。
规划的东线工程从江苏省扬州附近的长江干流引水，基本沿京杭大运河逐级提水北送，向黄淮海平原东部和胶东地区供水。供水区内分布有淮河、海河、黄河流域的25座地市级及以上城市，包括天津、济南、青岛为主的特大城市和沧州、衡水、聊城、德州、滨州、烟台、威海、淄博、潍坊、东营、枣庄、济宁、徐州、菏泽、泰安、扬州、淮安、宿迁、连云港、蚌埠、淮北、宿州等大中城市。据1998年统计，区内人口1.18亿，城市化率23.6%，耕地880万hm2，工农业总产值1.75万亿元，粮食产量为1.558亿t。
（1）供水范围及供水目标。东线工程供水范围是黄淮海平原东部和胶东地区，分为黄河以南、胶东地区和黄河以北三片。主要供水目标是解决调水线路沿线和胶东地区的城市及工业用水，改善淮北地区的农业供水条件，并在需要时为北方提供生态和农业用水。
（2）水源条件。长江是东线工程的主要水源，质好量丰，多年平均入海水量达9000亿m3，特枯年6000亿m3，为东线工程提供了优越的水源条件。淮河和沂沭泗水系也是东线工程的水源之一。规划2010年和2030年水平年多年平均来水量分别为278.6亿m3和254.5亿m3。
（3）调水线路。东线工程利用江苏省江水北调工程，扩大规模，向北延伸。规划从江苏省扬州附近的长江干流引水，利用京杭大运河以及与其平行的河道输水，连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖，并将其作为调蓄水库，经泵站逐级提水进入东平湖，分两路供水，一路向北穿黄河后自流到天津；另一路向东经新辟的胶东地区输水干线接引黄济青渠道，向胶东地区供水。从长江至东平湖设13个梯级抽水站，总扬程65m。
东线工程从长江引水，有三江营和高港2个引水口门，三江营是主要引水口门，高港在冬春季节长江低潮位时，承担经三阳河向宝应站加力补水任务。从长江至洪泽湖，由三江营抽引江水，分运东和运西两线，分别利用里运河、三阳河、苏北灌溉总渠和淮河入江水道送水。洪泽湖至骆马湖，采用中运河和徐洪河双线输水。新开成子新河，同时利用运河和徐洪河从洪泽湖引水送入中运河。骆马湖至南四湖，有三条输水线：中运河—韩庄运河、中运河—不牢河和房亭河。南四湖内除利用湖西输水外，须在部分湖段开挖深槽，并在二级坝建泵站抽水入上级湖。南四湖以北至东平湖，利用梁济运河输水至邓楼，建泵站抽水入东平湖新湖区，沿柳长河输水送至八里湾，再由泵站抽水入东平湖老湖区。
穿黄位置选在解山和位山之间，包括南岸输水渠、穿黄枢纽和北岸出口穿位山引黄渠三部分。穿黄隧洞设计流量200m3／s，需在黄河河底以下70m打通一条直径9.3m的倒虹吸隧洞。江水过黄河后，接小运河至临清，立交穿过卫运河，经临吴渠在吴桥城北入南运河送水到九宣闸，再由马厂减河送水到天津北大港。
从长江到天津北大港水库输水主干线长约1156km，其中黄河以南646km，穿黄段17km，黄河以北493km。胶东地区输水干线工程西起东平湖，东至威海市米山水库，全长701km。自西向东可分为西、中、东三段，西段即西水东调工程；中段利用引黄济青渠段；东段为引黄济青渠道以东至威海市米山水库。
东线工程规划只包括兴建西段工程，即东平湖至引黄济青段24km河道，建成后与山东省胶东地区应急调水工程衔接，可替代部分引黄水量。
1.2.2 西线工程
1.2.2.1 建设的必要性与迫切性
黄河是我国西北、华北的重要水源。黄河流域多年平均年径流量580亿m3，20世纪50年代年均耗用河川径流量122亿m3，入海水量480亿m3；90年代年均耗用河川径流量已达307亿m3（其中流域外耗用106亿m3），而入海水量仅120亿m3。严重缺水造成黄河下游频繁断流，供需矛盾加剧，同时黄河主河槽淤积增加，平滩过流能力减少，防洪负担加重。1999年对黄河干流实行水量统一调度，断流的现象虽有缓解，但黄河流域属资源性缺水地区，随着经济社会的发展及西部大开发的实施，缺水形势更为严峻。据预测，黄河流域在充分考虑节水的情况下，下游流域外供水按国务院分水指标控制，正常来水年份2010年流域缺水40亿m3，2030年缺水110亿m3，而中等枯水年份则缺水更多。缺水将成为黄河流域和相关地区经济社会可持续发展的制约因素，实施南水北调西线工程是解决缺水的根本途径。
早在1952年，根据毛主席和党中央、国务院的指示，黄委会在中科院的配合下，在1958—1961年间进行了西线调水查勘工作，涉及怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河等，范围约1.15万km2。20世纪70年代到80年代初，黄委会又组织了几次西线调水查勘。1987年国家计委决定在“七五”“八五”期间开展南水北调西线工程超前期规划研究工作，研究从长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河调水入黄河上游的方案，调水工程区的范围较50年代缩小到30万km2。1996年7月开始进行规划阶段的工作。2001年5月，水利部组织专家审查通过了黄委会提交的《南水北调西线工程规划纲要及第一期工程规划》报告，这在西线工程的历程中具有里程碑的意义。此后，水利部及时部署第一期工程，转入项目建议书阶段。
南水北调西线工程供水目标与西部大开发紧密结合，主要解决西北地区缺水问题，基本满足黄河上中游六省（自治区）和邻近地区2050年前的用水需求，同时促进黄河的治理开发，促进上中游的河道治理，并相继向黄河下游供水，缓解黄河下游断流等生态环境问题。南水北调西线工程不仅十分必要，而且非常紧迫。南水北调西线工程已受到社会各界的广泛关注，西北各省（自治区）和沿黄地区的人们热切盼望南水北调西线工程早日实施。
1.2.2.2 工程特点
南水北调西线工程是从长江上游干支流向黄河上中游跨流域调水的重大工程，是补充黄河水资源不足，解决我国西北地区干旱缺水，促进黄河治理开发的重大战略工程，也是当今世界上规模最大的调水工程。西线工程在位于海拔2900～4000m的通天河、雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山输水隧洞，调长江水入黄河，具有规模宏大、技术复杂、效益显著等特点。
（1）调水量最大。根据综合分析，南水北调西线工程规划在2050年以前，分别从大渡河、雅砻江、通天河及其支流调水160亿～170亿m3。此外，从发展战略上考虑，要适应黄河上中游地区乃至于西北地区远景更大范围的经济、生态、环境用水需求。据初步分析，后续水源可调水量达160亿～200亿m3。这样，南水北调西线工程远景可能达到的调水量为320亿～370亿m3，在国内外已经建成和目前正在规划研究的跨流域调水工程中，调水量是最大的。
（2）水源点最多。一般情况下，大型跨流域调水工程的水源点只有一个，如我国南水北调东线工程的水源点为江都泵站，南水北调中线工程的水源点为丹江口水库。目前世界已经建成的年调水量最大的调水工程——巴基斯坦西水东调工程的水源点也只有两个。而南水北调西线工程仅一期工程的水源点就多达5个，若连带第二、第三期工程，则水源点更多。
（3）调水线路最长。跨流域调水线路的长度，从水源点至受水区的距离。南水北调西线工程第一期工程从最远处的水源点至黄河干流的长度为260km。规划第一期工程最远的受水区为龙门—三门峡河段的关中地区和汾涑河地区，从贾曲入黄口起算，至三门峡终止，黄河干流长度约3412km。南水北调西线工程第一期工程的调水线路总长达3672km。
（4）受水区域最广。南水北调西线工程的受水区，主要是黄河流域的青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等六省（自治区）的部分缺水地区，还可向甘肃河西走廊地区（如黑河、石羊河流域）供水。其受水区域之广，是当今世界任何已建和规划建设的跨流域调水工程所无法比拟的。
（5）配套工程建设任务最重。南水北调西线工程不同于其他调水工程，其调水进入黄河干流河道，并非直接送到受水区。受水区要利用南水北调西线工程调来的水资源，必须修建相应的配套工程，如大柳树灌区要用水，必须修建大柳树水利枢纽；龙门灌区要用水，必须修建古贤、禹门口水利枢纽，或大型的提灌站等。如果这些配套工程跟不上，西线工程调过来的水便无法利用，而要全部建成上述西线调水工程的配套工程，任务相当艰巨。
（6）特殊的地理和气候条件，决定了南水北调西线工程将成为当今世界上难度最大的调水工程。
1.2.3 中线工程
1.2.3.1 建设的必要性和作用
我国当前最缺水的地区是华北平原，缓解华北平原水资源危机是南水北调的首要任务。黄河下游流经华北平原，黄河水资源为平原上工农业生产及人民生活用水作出了很大的贡献，但是黄河水量不足，早已供不应求。随着经济的飞速发展，黄河中上游用水增多，进入下游的水量逐年衰减，近年来黄河多次发生断流而且断流时间及断流河段长度也在逐年增加，说明华北水资源危机加剧，同时黄河水资源利用程度过高，已不堪重负，急需寻求新的水源。
中线工程的实施可缓解京、津等华北地区水资源危机，为京、津地区及河南、河北沿线城市生活、工业增加供水64亿m3，增供农业用水30亿m3，大大改善供水区生态环境和投资环境，推动我国华北地区的经济发展。此外，丹江口水库大坝加高提高了汉江中下游防洪标准，对汉北平原及武汉市的安全同样也起到积极的保护作用。
中线工程的总干渠不仅是一条“清水长廊”，也是一条“绿色长廊”。总干渠不经过崇山峻岭，施工条件优越，对环境的影响小。沿线河流均与总干渠立体交叉，可保证水质。同时，在丹江口水库水量充沛的时候，可以方便地将水放入当地河流中，以改善河道的水环境。此外，中线工程还将带动绿化、生态农业和绿色农业的发展，改善当地的生态环境。
南水北调中线工程是一项宏伟的生态工程。中线工程受水区的现状：年均缺水量约60亿m3，经济社会的发展不得不靠大量开采地下水维持，从而造成地下水大范围、大幅度下降，部分地区的含水层已呈疏干状态。实施南水北调中线工程后，一期工程年均调水量95亿m3，后期根据需要进一步扩大调水规模，可使受水地区的缺水问题得到有效解决，生态环境将有显著改善。
南水北调中线工程是一项良好的经济工程。按2000年年末价格计算，中线工程总投资约920亿元。这些投资的40%将转化为消费资金，这对于扩大内需、刺激经济增长有重要的推动作用。根据投资的乘数效应，中线工程的兴建将拉动建材业、制造业、交通运输业以及第三产业的发展。中线工程还将带动南方调水区、调水沿线地区、北方受水区经济结构的战略性调整，建设节水型工业、节水型农业和节水型社会。
南水北调中线工程是一项积极的社会工程。丹江口水库大坝加高需移民30多万人，这是工程建设最大的难点，但同时也是解决库区环境容量严重不足、居民生活贫困的重大机遇。据有关方面估计，即使不建中线工程，也需要将库周约10万人外迁，才能从根本上解决库区脱贫的问题。兴建南水北调中线工程，将30万移民中的绝大多数外迁安置到居住和生存条件较好的地方，将大大改善库周的生态环境，并提高移民的生活水平。中线工程建成后，沿线城市居民优质饮用水得到保证，干旱年份一些城市将不再出现水荒现象。对于数百万长期饮用高氟水、苦咸水和其他含有害物质的深层地下水的当地农民来说，中线工程将从根本上改善其饮水质量。
南水北调中线工程具有独特的优势：
（1）适时供水，调度安全可靠。丹江口水库具有巨大的调节能力，主汛期除保证防洪外，调节库容达98亿m3，汛后达190亿m3。总干渠两侧已建成大量水库，可以承担“充蓄”调节和“补偿”调节的任务，另有瀑河水库作为“在线”调节水库。通过总干渠并采用已有成熟经验的现代化控制技术和先进的调度管理手段，可确保供水调度安全可靠。
（2）具有得天独厚的地理条件。总干渠位于平原的西部，居高临下，控制范围广，与受水区已建成的水利工程连接简单，供水调度灵活机动。
（3）具有丰富的水源后备。中线工程近期、后期从丹江口水库引水，远景视需要可以从长江三峡引水。
1.2.3.2 工程规划
南水北调中线工程是整个南水北调工程的有机组成部分。中线工程从河南南阳陶岔渠首引丹江口水库引水北上，沿唐白河流域西侧过长江、淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河后继续沿京广铁路西侧北上，自流到北京颐和园的团城湖，全长1432km。中线主要向输水沿线的河南、河北、北京、天津四省（直辖市）20余座城市提供生活和工业用水。规划分两期实施，一期从汉江丹江口水库引水，年均调水量95亿m3，工程于2010年以前建成；二期进一步扩大引汉规模，年均调水量增大到130亿m3，工程预计于2030年完成。
丹江口水利枢纽是南水北调中线的水源工程，初期建成的坝顶高程为162m。由于经济的快速发展，特别是华北地区缺水局面日益紧迫，使得丹江口水库具备足够的容量和水面高度，保证库水自流入京，因而对丹江口水库大坝进行加高，坝顶高程由原来的162m加高到176.6m，水库正常蓄水位从157m提高到170m，相应增加库容116亿m3。丹江口水库上游地区增加淹没面积达到307km2，涉及河南省淅川县及湖北省丹江口市、武当山区等6个区县40个乡镇441个村，整个库区需安置移民30余万人。
丹江口水库大坝加高后，将有效提高汉江中下游地区的防洪能力。大坝加高后主汛期防洪库容将由77亿m3增加到110亿m3，若再遇1935年洪水，汉江中下游地区可以基本不分洪，缓解了江汉平原的洪患灾害。
南水北调中线一期主体工程由水源区工程、输水工程和汉江中下游治理工程三大部分组成。水源区工程为丹江口水利枢纽后期续建；输水工程即引汉总干渠和天津干渠。
（1）水源区工程。南水北调中线水源工程计划将在2013年完成建设。丹江口水库控制汉江60%的流域面积，多年平均天然径流量408.5亿m3，考虑上游发展，预测2020年入库水量为385.4亿m3。丹江口水利枢纽在已建成初期规模的基础上，按原规划进行续建，设计正常蓄水位提高到170m，总库容达290.5亿m3，增加有效调节库容88亿m3，增加防洪库容33亿m3。汉江中下游补偿工程为缓解调水对汉江中下游的不利影响，规划建设兴隆水利枢纽、引江济汉、部分闸站改造、局部航道整治工程。其中兴隆水利枢纽任务是枯水期壅高库区水位，改善库区沿岸灌溉和航运条件；引江济汉工程从长江荆州段龙洲垸引水至汉江潜江段高石碑，全长67.1km，任务是满足汉江兴隆以下生态环境用水、河道外灌溉、供水及航运需水要求，可基本解决中线一期工程调水对汉江下游“水华”的影响，解决东荆河的灌溉水源问题，并从一定程度上恢复汉江下游河道水位和航运保证率，缩短从长江到汉江的通航里程637km。
（2）输水工程。受已建渠首位置、江淮分水岭的方城垭口和穿过黄河的范围限制，黄河以南总干渠线路走向明确。黄河以北线路，比较利用现有河道输水和新开渠道两种方案，从保证水质和全线自流两方面考虑，选择新开渠道的高线方案。
南水北调中线工程总干渠自陶岔渠首引水，沿已建成的8km渠道延伸，在伏牛山南麓山前岗垅与平原相间的地带向东北行进，经南阳过白河后跨江淮分水岭方城垭口入淮河流域，经宝丰、禹州、新郑西，在郑州西北孤柏嘴处穿越黄河。然后沿太行山东麓山前平原、京广铁路西侧北上，至唐县进入低山丘陵区，过北拒马河进入北京市境，过永定河后进入北京市区，终点是玉渊潭。总干渠沟通长江、淮河、黄河、海河四大流域，需穿过黄河干流及其他集流面积10km2以上河流219条，跨越铁路44处，需建跨总干渠的公路桥571座，此外还有节制闸、分水闸、退水建筑物和隧洞、暗渠等，总干渠上各类建筑物共936座，其中最大的是穿黄河工程。天津干渠穿越大小河流48条，建筑物119座。
总干渠在黄河流域规划的桃花峪水库库区穿过黄河，穿黄工程规模大，问题复杂，投资多，是总干渠上最关键的建筑物。经多方案综合研究比较认为，渡槽和隧道倒虹吸两种型式技术上均可行。由于隧道方案可避免与黄河河势、黄河规划的矛盾，盾构法施工技术国内外都有成功经验可借鉴，因此结合两岸渠线布置，推荐采用盾构穿黄隧道方案。