1、本科毕业论文（20 届）基于 ARCGIS 南水北调西线工程研究所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期1基于 ARCGIS 的南水北调西线工程研究【摘要】近年来，随着城市化的加快、工农业发展，人口的增加和气候变化的影响，使得北方缺水问题越来越严重。南水北调东线工程和中线工程的调水成功先例，使得我们认识到南水北调西线工程的可能性。考虑到怎样调水才能满足北方调水需求，合理的选择西线工程的输水路线至关重要。利用 ArcGIS 技术，对西线工程两种方案路线进行对比分析，对西线工程的调水路线选取起到辅助决策的作用。【关键词】ARCGIS 南水北调西线工程 设计路线图 专题图21.引言 .11
2、.1 研究背景 .11.2 研究意义 .11.3 研究现状 .11.4 研究内容 .12.研究区域概况与数据预处理 .22.1 研究区域概况 .22.2 数据预处理 .22.2.1 数据来源 .22.2.2 数据预处理 .23.南水北调西线工程建设中存在的问题 .33.1 水源引水问题 .33.2 水坝施工问题 .33.3 长隧洞施工问题 .34.南水北调西线工程路线选取分析 13 .44.1 西线工程路线选取的理论与要求 .44.2 数据处理分析 .44.2.1 南水北调西线工程引水路线方案 .44.2.2 中国各省级行政区水资源总量专题图 .54.3 分析结果与选取路线的优势 .74.3.
3、1 分析结果 .74.3.2 选取路线的优势 .75.课题研究的不足与展望 .75.1 课题研究的不足 .75.2 展望 .7致谢语 .8参考文献 .1011.引言1.1 研究背景水资源是非常重要的自然资源，人类生活与水资源息息相关。所有生物的正常生长繁殖、社会工作的稳定、甚至于国家的发展都离不开水。但是随着工农业的发展，社会的进步，以及全世界人口的进一步增加，给地球上的水资源带来了更大的压力。根据调查显示，我国淡水资源总量约为 28000 亿立方米 1，但由于人口基数大，我国人均水资源只有 2200 立方米，远远低于世界平均水资源占有量，并且近年来我国的水资源总量进一步下降，根据中华人民共和
4、国国家统计局的数据调查可以看出，我国在 2012 年的全国水资源普查中水资源总量显示约为 29526.88 亿立方米。而在 2013 年全国水资源普查中显示的水资源总量为 27957.86 亿立方米，一年中，水资源总量下降达到 1569.02 亿立方米，下降了 5 个百分比，结果触目惊心。水资源具有空间分布和时间分布的特性，并且具有动态分布和动态变化的特点，空间分布主要体现在不同地域水资源总量不一致上，归纳为南方水多，北方水少，东面水多，西面水少；时间分布主要体现在不同季节降雨量不同而导致的水资源总量不一致上，为春夏季节水量多，秋冬水量少。自 20世纪 90 年代末以来，北方人民赖以生存的黄河
5、在气候变化和人类生产生活活动的双重影响下，黄河流域的水资源总量明显减少，断流问题不断出现，黄河水资源的过渡使用使得北方地区缺水问题日益严重 2。并且，由于黄河水资源不足，北方地区过渡的开采地下水资源，使得地质灾害问题频发。如表1-1 所示，为中国北方与南方水资源对比情况。表 1-1 北方与南方水资源情况流域流域面积占全国比重（%）水资源总量（亿立方米）水资源占全国比重（%）占全国人口比重（%）占全国耕地比重（%）人均水量（立方米） 平均水量立方米/公顷北方 28.2 4052.2 14.4 43.5 58.2 938 6810南方 36.5 22766.3 81 54.4 36.6 4180
6、619501.2 研究意义为了更好的贯彻我国坚持科学发展观的精神，完成更好更快发展的指导思想，以可持续发展为目标，更加有力、积极地解决缺水少水问题。我国水资源分布不平衡，主要表现为南方多水北方缺水，且南方水资源得不到合理利用，如西藏省的青藏高原，云贵高原上的雅鲁藏布江、怒江、澜沧江等水系的水资源在中国利用率低下，大部分都流到了境外东南亚和印度等区域。而北方缺水问题却日益严重，尤其是西北地区和华北地区，缺水问题已经深深影响到人们的日常生活和工业生产用水需求。与此同时，人们的节水意识相对薄弱，水资源利用率低，水污染问题严重。为了解决水资源分布不平衡问题，将南方每年富余而流入大海的水资源利用起来，我
7、国提出了建设南水北调工程，是一项具有战略性意义的工程 3。南水北调工程对于保障我国粮食安全，实现黄河不断流，解决北方居民用水困难问题，改善生活环境具有重要的重要意义。1.3 研究现状南水北调西线工程是解决北方地区缺水和解决黄河断流问题的根本措施。通过了解北方地区缺水情况，更加深切体会到西线工程调水的必要性和紧迫性。西线调水工程是一项切实可行，大有希望完成的工程。目前，我国南水北调部已对重点引水区域江河水量情况、引水路线进行了地质环境考查，对施工技术可行性进行了大量的分析工作 4。1.4 研究内容本文是基于全国南方北方水资源分布不一致情况，通过 GIS 研究分析和比较，制作我国各省市水资源总量专
8、题图和南水北调西线工程路线设计图，根据西线工程的设计理论和要求，分析南水北调西线工程方案路线所存在的问题，对南水北调西线工程的引水路线提出建议。 22.研究区域概况与数据预处理2.1 研究区域概况南水北调西线工程在最西部西藏高原上，海拔高，引水存在地形上的优势，可以辐射整个西北地区和华北地区，解决整个西北地区和华北地区的水资源需求。南水北调工程主要引水区域为长江上游，为黄河中上游的西北地区和华北地区部分区域送水 5，其中包括解决青海省、甘肃省、宁夏自治区、内蒙古自治区、陕西省、山西省等 6 个省（自治区）的缺水问题 6，还可以在旱期时为邻近黄河流域的甘肃河西走廊地区送水、必要时也能够为黄河下游
9、供水。但由于引水路线问题、引水区域移民问题、引水源头地质变化情况等，南水北调西线工程迟迟还未实施，目前，南水北调西线工程引水路线方案呼声较高的主要有两种：引用青藏高原、云贵高原上雅鲁藏布江水，引水源头为朔玛滩水库，串联起怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河至黄河，最后实现为天津供水，因此此引水路线也称为朔天运河 7。长江上游通天河、长江支流雅砻江以及大渡河自流调水方案，通过引水隧洞穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山调水入黄河，我们将此方案称为通- 雅- 黄运河引水方案 8。2.2 数据预处理2.2.1 数据来源在中国水利部信息网下载的我国水系地图，以及国家数据下载通道下载的中国地图，截取长江上游
10、南水北调西线工程涉及的各主要支流及长江、黄河部分栅格地图以及中国地图，来作为课题研究的地理底图，是本文研究问题的基础数据。2.2.2 数据预处理首先对获取的地理底图进行数字化处理，地理底图数字化包括对长江上游支流的通天河、金沙江、雅砻江、大渡河以及雅鲁藏布江、怒江、澜沧江进行数字化操作，另一方面，对中国地图进行省会区域，省会省市数字化处理。数字化的内容包括：支流线路走向，周边主要城市，主要湖泊以及中国地图省会区域和省会城市生成多个专题图层，并分别以以不用的颜色显示。对各个专题图层的属性进行更新，根据图层的不同内容对图层进行命名，包括河流名称，省会名称等。图 2-1 研究区域河流名称3图 2-2
11、 中国各省会地图3.南水北调西线工程建设中存在的问题南水北调西线工程，历经十几年的规划调查，做了大量的工程方案可行性研究，总结出影响南水北调西线工程可行性的几个关键性问题 9：引水水源是否能够满足调水需求筑坝技术能否能够建成坝高达 600 米的大坝长隧洞施工技术与安全保障问题高海拔施工问题引水抽水泵站电网建设问题。在本文中，主要研究水源引水问题、水坝施工问题以及长隧洞施工问题对于路线设计的影响。3.1 水源引水问题根据南水北调西线工程可以引水的区域来看，能够满足引水条件要求的江河为 10：长江上游的通天河（通天河下游为金沙江）、雅砻江、大渡河；青藏高原、云贵高原上的雅鲁藏布江、怒江、澜沧江等。
12、通天河直门达水电站多年平均径流量约为 124 亿立方米，雅砻江河口径流量多年平均径流量约为 604 亿立方米，大渡河铜街子水文站多年平均径流量约为 470 亿立方米，雅鲁藏布江流出国境出多年平均径流量约为 1400 亿立方米，怒江多年平均径流量约为 700 亿立方米，澜沧江多年平均径流量约为 788 亿立方米 11。由此可见南水北调西线工程水源选择性很大。3.2 水坝施工问题根据规划，南水北调西线工程需要修建多座蓄水水坝。而从地理位置来看，修建水坝的区域都属于高海拔寒冷地区，在高海拔含冻土区修建大型水库，是对水坝施工技术很大的考验。3.3 长隧洞施工问题众所周知，今年来国内外隧道工程越来越多，
13、隧道施工技术发展迅猛。对于南水北调西线工程中的隧道施工问题，大致可以分为两方面：隧道施工技术可行性；隧道施工工程造价成本控制问题。在隧道施工技术上，有统计表明，我国在 1984 年-1995 年建成 5 公里输水隧道有 16 条，目前，日本青函海底隧道，是世界上公认的隧道长度之最，但隧道总长也仅为 54 公里 12，现有的长隧道施工技术对于西线工程长达上百公里的隧道施工问题是一个很大的挑战，为了保证隧道施工安全和保障隧道的建设的质量问题，选取适当的隧道施工路线长度有利于保证隧道施工建设正常进行。在隧道施工建设方面，由于隧道施工所要求的大型机械施工量大，工期长，工人安全保障建设要求，经济效益问题
14、，也让我们意识到隧道施工问题的重要性。44.南水北调西线工程路线选取分析 134.1 西线工程路线选取的理论与要求从 20 世纪 60 年代起，我国征集了大量的水利工作人员与测量技术人员，为南水北调西线工程前期规划工作做了大量勘测、研究工作，为工程的实施奠定了良好的工作基础 14。然而，南水北调西线工程，可以说是现阶段世界上最大的跨流域跨地区大幅度调水项目。我们缺乏具有先进性经验供我们学习，存在大量的问题需要自己一步步摸索处理。根据大量的科学研究，我们制定出了针对西线工程特征情况下的路线方案。根据水利部南水北调西线工程规划要求，西线工程抽水方案应满足以下要求：选取的调水水源地河流径流量丰富，调
15、水工程完成后，调水量对调水河流的影响应达到最小幅度，在做到对调水区域影响最小的情况下，尽可能的多调水，以满足北方缺水严重问题；抽水路线应多段穿越分水岭的隧洞长度；努力避免需要建设大流量、高扬程的大型抽水泵站的路线，利用高程优势，实现水自流的目的。4.2 数据处理分析4.2.1 南水北调西线工程引水路线方案首先，根据路线选取对水源地的考虑要求，对引水区域的各江河水量情况和需要修建的隧洞长度以及主要大坝情况数据进行整理，得到表 4-1、表 4-2。表 4-1 各江河水量情况和需要修建隧洞长度名称 实际有水量（亿立方米）核算可引水量（亿立方米）设计需修建隧洞长度（KM ）雅鲁藏布江 815 620
16、6怒江 226 200 5澜沧江 165 145 11通天河 156 135 8雅砻江 88 30 10大渡河 30 20 18合计 1480 1150 58表 4-2 各线路需修建主要大坝情况名称 主要大坝名称 坝高（m） 坝址高程（m）波堆藏布大坝 600 2990亚龙藏布大坝 600 2995松宗大坝 600 2985夏里大坝 420 2990然中那巴大坝 420 2985两河口大坝 400 3000朔天运河诺谱大坝 470 2930通天河大坝 175 3860雅砻江大坝 302 3795通-雅-黄运河大渡河大坝 296 2920综合以上信息，对两种方案的设计路线进行标注，得到图 4-1
17、 和图 4-2。5图 4-1 朔天运河引水路线图 4-2 通-雅-黄运河引水路线4.2.2 中国各省级行政区水资源总量专题图在 ARCGIS 中，对省市区域面图层属性字段进行更新，编辑输入中国 2013 年各省市水资源总量6数据，如表 4-3 所示表 4-3 2013 年全国各省（区、市）水资源总量统计表省（直辖市、自治区）辽宁省 河北省 北京 天津 山西省 内蒙古 吉林省 黑龙江省水资源总量（亿立方米）463.17 175.86 24.81 14.64 126.55 959.81 607.40 1419.58省（直辖市）上海 江苏省 浙江省 安徽省 福建省 江西省 山东省 河南省水资源总量（
18、亿立方米）28.03 283.53 931.34 585.59 1151.90 1423.99 291.70 213.07省（直辖市）湖北省 湖南省 广东省 广西 海南省 四川省 重庆 贵州省水资源总量（亿立方米）790.15 1581.97 2263.17 2057.33 502.11 2470.27 474.35 759.44省（直辖市）云南省 西藏 陕西省 甘肃省 青海省 宁夏 新疆 合计水资源总量（亿立方米）1706.69 4415.74 353.78 268.90 645.61 11.40 955.99 27957.86在专题图制作过程中，我们将省（自治区/直辖市）的地区颜色根据水源
19、总量的大小来区分。在面图层的属性中，我们选择将符号按照数量来划分，并对各省市水资源总量进行分析，一共分为 18 个层次。综合考虑了区域的形状大小、图幅大小、比例和图例，注记等因素的影响，对专题地图进行调整，并为图层添加上图名、比例尺和指北针等。我们将整个图幅添加上边框组合起来，进行相对位置的细微调整，然后我们可以输出相应的图片格式的专题地图进行保存，地图输出前我们可以在 ArcMap 中选择打印预览一下（file-print preview），确认输出的地图画面清晰，排版合理，最后，正式输出地图。我们将水资源总量专题图的以.jpg 的格式输出，得到图 4-3。7图 4-3 2013 年中国省级
20、行政区水资源总量专题图4.3 分析结果与选取路线的优势4.3.1 分析结果首先，根据 2013 年中国省级行政区水资源总量图，我们可以清晰的看出我国水资源总体分布情况，为南水北调工程进行的必要性提供技术支持。通过制作南水北调西线工程设计路线方案设计图和全国各省市水资源总量专题图，我们可以清晰的了解到南水北调西线工程设计路线实际走向和地理位置情况，各省市水资源总量专题图很好的表现了各个地区各个省市的水资源总量情况，使得我们再选取南水北调西线工程中可以清楚得看出调水水源地的水资源丰富与否情况。使这些原本抽象、枯燥的数据变得直观、生动起来，并且能够很好地理解数据信息所要带给我们的意义。根据以上西线工
21、程调水路线研究结果，对研究问题进行汇总显示表 4-4 南水北调设计路线对比情况名称 引水总量（亿立方米） 需修建隧洞长度（m）修建主要水坝个数朔天运河 1150 58 7通-雅-黄运河 185 30 3通过以上数据对比研究，朔天运河引水路线调水方案虽然在修建隧洞长度和修建水坝条件优势上弱与通- 雅- 黄运河，但是朔天运河的调水总水量更能满足规划要求，能够更大程度解决北方缺水问题，故我们建议南水北调西线工程采用朔天运河调水路线。4.3.2 选取路线的优势在雅鲁藏布江与黄河的直线距离约为 759 公里，中间包括怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河，引水路线还需跨越横断山脉。经专家多年科学考察研究，路线设计可从横断山脉中较低的垭口经过，能够完成将各水系联系起来的目的，并且由于调水路线的地形特点，水源地地势高，而缺水的西北华北地区地势较低，呈现从青藏高原至西北华北地区逐级降低的现象 15。朔天运河选取的引水路线全线水位自青藏高原高海拔 3380 米起，分布逐级降低到 3366 米，过横断山脉分水岭后从海拔 3500 米下降到 3380 米地区，结合引水隧洞的开凿，因势利导，实现设计方案的全线自流引水。
