[转贴]空中南水北调的科学原理及其战略意义

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水资源部一号令：开展水汽环流人工导向工程研究

如果中国成立水资源部，如果我当选水资源部的部长，我发布的第一号部长令，就是：开展全球水汽环流的人工导向工程技术的专项研究。这项研究的通俗名称是空中南水北调（这是笔者针对陆路南水北调工程而提出的），其内容主要包括：1、水库大坝对水汽运动的作用，以及对上游地区降水量的影响。2、沿海城市带的高层建筑物以及城市热岛效应对水汽环流的作用。3、地形地貌对水汽环流的作用。4、人工改变地形地貌对水汽环流导向的作用。5、外国气象战对全球水汽环流的作用及其对中国战略安全的影响。

这是因为，水资源属于国家战略资源，而我国北方水资源日益枯竭，数百万平方公里国土荒漠化，沙尘暴肆虐华夏大地，原本丰水的长江流域的水资源也呈现出萎缩的态势。在这种情况下，陆路南水北调只能是杯水车薪，甚至会出现无南水可北调的败局。有鉴于此，必须寻求新的技术突破，必须倡导并实施水资源领域的技术创新，而有可能取得战略突破的技术就是空中南水北调。重构2004年3月10日。

 

空中南水北调的科学原理和战略意义

――关于“空中南水北调方案”向国务院的公开报告

 

空中南水北调是笔者对应陆路南水北调提出的一种全新的跨区域调水方案，所谓“空中”是指自然水汽的人工引导，所谓“南水北调”泛指跨区域水资源调配，而不仅仅指南方的水向北方调。实际上，这是一种气象水利工程，也可以称为大气环流导向工程，乃是将人类古老的“呼风唤雨”愿望变成现实的科学的“引风送雨”工程技术。由于我国北方水资源短缺已成为制约上述地区生存与发展的关键问题，由于空中南水北调方案具有向上述地区输送数以百亿吨计的水资源前景，由于空中南水北调不同于已往的水利工程，而笔者作为个人已难以进行更深入更全面的研究论证工作；为此，笔者在这里向国务院提交关于“空中南水北调方案”的报告，并建议国务院委托科技部、国土资源部、国家气象局等部门组织实施该方案的立项研究。

 

提出空中南水北调设想的过程

 

早在20世纪70年代，笔者在《气候变迁及其原因》（张家诚等人著，1976年科学出版社出版）一书中获知新安江水库建成之后对当地降水产生了可以观察到的变化。到了80年代，笔者老家的乡亲反映山里（河北唐县太行山）修了水库之后，山里的降水就减少了，水库常常蓄不上水，老乡说是水库大坝把龙脉压住了，笔者则开始进一步考虑可能是水库大坝对水汽通道产生了阻挡效应。1992年春，笔者在撰写《宇宙的重构》（中国国际广播出版社1997年1月出版）一书时，指出：“因此，今天我们要想开发大西北，最根本的问题是水，一方面是植树造林、退耕还牧，另一方面则是搞一项大规模的气象工程，即‘春风再度玉门关气象工程’，使东南风能够顺利地吹往大西北（即减少沿途风阻，特别是不要在风口之处修建大型水库）。”

1999年2月14日笔者撰写出《呼风唤雨――大气环流导向工程》一文，同年4月18日撰写出《空中南水北调方案初探》一文，同年4月20日撰写出《关于“空中南水北调方案”的建议》。此后笔者又陆续撰写一系列论文和文章，阐述介绍空中南水北调方案，并先后在1999年6期《焦点》杂志、2000年2月2日人民日报海外版、2000年1期《地图》杂志、2000年4月12日科学新闻周刊、2000年7期《中国科技产业》杂志等报刊公开发表。2000年9月3日在“天地生人学术讲座”进行公开讲演，引起与会专家学者的浓厚兴趣（9月3日补）。

 

西北地区的水资源状况

 

我国西北地区的自然资源主要有两大特点，一是土地辽阔但可利用土地资源少，二是水资源匮乏；其宏观表现即沙漠面积大、戈壁荒漠面积大、干旱半干旱地区面积大，以及淡水湖泊面积小、河流分布密度小、河流水量少、地下水位深、地表植被稀疏。上述两种宏观景象的根源正是水资源匮乏，如果水资源充沛，那么沙漠、戈壁荒漠、干旱半干旱地区的面积就会大大减少，而境内的淡水湖泊、河流密度、河流水量、地下水位、地表植被的景观亦将大为改观。

事实上，我国西北地区的土地面积约占全国陆地面积的36％，即345万平方公里；其中新疆16·9％、青海7·6％、甘肃4·8％、宁夏0·7％、陕西2·0％、内蒙古西部4％。与此同时，我国有沙漠70多万平方公里、戈壁荒漠57万平方公里、高寒荒漠近15万平方公里（荒漠化的总面积为262万平方公里），它们的大部分或绝大部分亦分布在西北地区；此外，我国旱地约75万平方公里，它们的大部分也是在西北地区，例如黄土高原地区。

在西北地区345万平方公里的面积上，仅有一条入海的大河即黄河（新疆北部发源的水系可流入北冰洋），此外就只有数量有限水量很少的内陆河了。众所周知，黄河年平均径流水量约为570亿吨，仅为长江水量的5·7％、珠江水量的16％、雅鲁藏布江水量的50％、澜沧江水量的77％、怒江水量的82％。为什么黄河的水量这么少呢？为什么西北地区的河流湖泊这么少呢？简言之乃自然环境使然，而人口、牲畜的过量存在与不当活动又在不断加剧自然环境的恶化。

其实，我国整个的北方地区，都存在着越来越严重的水资源短缺问题，农业缺水（这里有必要指出，我国长期强调农业要“旱涝保收”，正是这种政策导致水资源枯竭：因为丰水年多出的降水都被白白排走了，未能补充地下水；而枯水年则无节制地抽取地下水，其结果是地下水也枯竭了）、工业缺水（与水资源的循环利用水平太低有关）、城市缺水，甚至人畜饮水都成问题，再加上越来越严重的水污染，已经到了危及生存与发展的地步了。

 

我国大陆水资源的来源

 

我们知道，陆地上的水资源的来源及其存在形式主要有天然降水、深层地下水、浅层地下水、表层地下水、积雪冰川融化水、天然湖泊河流及人造水库储存的水，此外还有以生物形式储存的水、以矿物形式储存的水。其中天然降水主要由两部分组成，一是海陆水汽循环送来的降水（属于水汽大循环），二是当地水汽循环形成的降水（属于水汽小循环，其绝对值与水汽大循环有关）。至于浅层地下水、表层地下水、积雪冰川融化水、天然湖泊河流及人造水库储存的水、以生物形式储存的水，实际上都是由天然降水所形成的水的不同存在形式；其中所谓以生物形式储存的水，主要由植物（森林）来承担，它们的大量存在有助于促成当地的水汽小循环，其实质则是水资源的多次重复利用（植被储存的水，蒸发后形成降水又落回当地，并再一次被植物吸收利用和储存起来）。至于深层地下水，实际上是一种“矿产资源”，它们与地下石油属于同类性质，即一经开采利用之后，便不能再生或补充；从这个角度来说，深层地下水应当被视为一种战略资源，对它们的使用要执行“好钢用在刀刃上”的原则。

对于我国西北地区以及广大北方地区来说，最根本的问题是海陆水汽大循环送来的降水太少而且季节分布过于集中。事实上，在上述地区，年降水量最少的仅5·9毫米（新疆天山南麓的托克逊），大部分地区的年降水量都在400毫米以下，只有天山北麓、祁连山南麓以及黄河上游、渭水流域、黄河前套等部分地区年降水量在400毫米或400毫米以上（很少能够达到600毫米）、华北地区年降水量可达650毫米左右。对比之下，长江流域的年降水量都在1000毫米至1600毫米之间；而世界上年降水量最高的地区则在喜马拉雅山南麓的一个名叫契拉喷其（又译乞拉朋齐，位于印度东北部阿萨密山）的地方，那里的年平均降水量高达13000毫米，峰值为15000毫米（或称年平均降水11618毫米，峰值23000毫米）。

那么1毫米的降水量是个什么概念呢？它表示在1平方公里的面积上有1毫米高的水层，亦即1平方公里的面积上获得1000吨的降水（1 平方公里折合1500亩，相当于每亩土地获得0·67吨降水）。对比之下，如果西北地区年平均降水为200毫米，而长江流域年平均降水为1300毫米，其结果便是西北地区一亩地每年要比长江流域一亩地少获得737吨水。这是从绝对值的差距来说，其实在年降水量低于200毫米的地方，几乎没有多少植物能够在那里生存了。这里需要说明的是，气象学上所说的降水量既包括从海洋输送的水汽量（转化成为降水），也包括当地水汽循环所形成的重复降水；与此同时，气象学所说的干旱地区蒸发量，是指当地理论上最大的蒸发量，而不是实际蒸发量（实际上当地没有那么多的水可供蒸发）。

 

地形与降水量的关系

 

为什么托克逊的年降水量只有5·9毫米，而契拉喷其的年降水量却高达15000毫米呢？这就涉及到地形与降水量的关系问题。我们知道，每年从海洋蒸发的水量为447900立方千米，从陆地蒸发的水量为70700立方千米，合计518600立方千米，这些被蒸发的水量最终都要以降水的形式重新回到海洋里和陆地上。这样巨大的降水量为什么对我国的西北地区如此吝啬呢？这是因为我国及其周边国家的地形、地貌、地事（这是笔者杜撰的一个词，意思是指在地面上发生的能够影响降水的事情，包括自然的和人为的事情，例如沙尘暴和工业粉尘等），不利于来自海洋的水汽输送到西北地区并形成降水。

具体说来，全球的大气环流格局不利于水汽大循环过程中向我国西北地区输送水汽，因为那里距离太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋都太远了（距离是非常重要的因素，但不是唯一的，例如印度的德干高原距离印度洋很近，仍然经常发生干旱，因为那里的地形不利于水汽形成降水），而且诸多山脉对西北地区形成了天然的环状包围屏障；也就是说，日本列岛、朝鲜半岛、太行山阻挡并减少了来自西太平洋的水汽向西北地区的输送量，大巴山、秦岭阻挡并减少了来自南太平洋的水汽向西北地区的输送量，青藏高原以及巴颜客拉山阻挡并减少了来自印度洋的水汽向西北地区的输送量，天山山脉和昆仑山西段阻挡并减少了来自大西洋的水汽向西北地区的输送量，阿尔泰山、戈壁阿尔泰山、阴山山脉阻挡并减少了来自北冰洋的水汽向西北地区的输送量。

那么大山大脉为什么会阻挡并减少水汽的输送量呢？这是因为，空气中的水汽含量与空气的高度有关，这实际上主要是与空气的温度有关。一般来说，在大气的对流层即10000米以下的空气中，每升高100米，其温度要下降0·6摄氏度；因此，相对地表空气的水汽含量而言，在1500米高处大气的水汽含量将减少50％，在3000米高处大气的水汽含量将减少75％，而在5000米高处大气的水汽含量将减少90％之多。此外，这也与空气密度随海拔高度而变化有关，例如海平面上1立方米空气重1300克，而在海拔12000米的地方1 立方米空气只有319克，密度减少到四分之一；空气密度的减少，其所携带的水汽量当然也会减少。另外，水汽（包括气态水和云雾状液态水）与空气的比重差异，也影响着不同高度空气中的水汽含量。

在这种情况下，原本富含水汽的大气环流在经过高山高脉之后，其携带水汽的大部分或绝大部分都将留在山脉的迎风面，以及高山的上部（形成积雪和冰川），只剩下少部分或很少的水汽能够输送到山脉的背风面。例如，台湾的火烧寮（迎风面）年降水量为6557毫米，台中（背风面）为1523毫米；海南的琼海（迎风面）年降水量为2044毫米，东方（背风面）为947毫米；江西的长汀（迎风面）为1716毫米，赣州（背风面）为1434毫米；云南的河口（迎风面）为1763毫米，文山（背风面）为962毫米；四川的雅安（迎风面）为1805毫米，康定（背风面）为815毫米；陕西的佛坪（迎风面）为922毫米，西安（背风面）为580毫米；山西的五台山（迎风面）为913毫米，原平（背风面）为453毫米。

据此，我们便不难理解为什么托克逊只有5·9毫米的降水量，因为它位于天山的背风面，从大西洋来的水汽到天山时已经所剩无几，留给背风面的托克逊当然就更少了（此外还与降水条件有关）；同理，契拉喷其的降水量之所以高达15000毫米，乃是因为它位于世界上最高的喜马拉雅山的南麓，而孟加拉湾又是印度洋水汽向北输送的主要通道（其三角状或喇叭口状的地形有利于水汽的集中输送）。当然，我们也就可以明白为什么在西北地区存在着那么多的沙漠和戈壁了，因为新疆的塔克拉玛干沙漠正好同时位于青藏高原的背风面和天山的背风面，而内蒙古的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠（又合称阿拉善沙漠，2000年春季北京遭遇的多次严重沙尘暴，有几次沙尘即来自这里）则正好同时位于祁连山、贺兰山、戈壁阿尔泰山的背风面。至于黄土高原地区的干旱少雨，也是因为它位于太行山、秦岭、阴山的背风面。需要说明的是，我国学者对地形与降水关系的研究很少，比较系统的专著是林之光先生的《地形降水气候学》（科学出版社，1995年，60万字），例如该书指出秦岭“成为南北水汽交流的一个重大障碍，对陕西降水分布起了重大作用。”

 

空中南水北调的科学原理：地形也是一种可以开发利用的资源

 

福建连城有一座冠豸山，山上有一刻石，题词曰“飞云有路”；用今天的话来说，即大山大脉并不是一堵不透风的墙，它们同样存在着水汽通道。事实上，多数大山脉的背风面之所以还有一些降水，除了一部分水汽是越山而来，主要的水汽乃是穿山而过；这是因为，大山脉都有着或多或少的峡谷或山口，它们的地势相对要低许多，因而有利于更多的水汽从这里通过。例如，位于青藏高原喜马拉雅山背风面的雅鲁藏布江为什么水量充沛，正是因为雅鲁藏布大峡谷乃是非常有效的水汽大通道；同理，长江上游以及青藏高原东部地区为什么水量也非常充沛，其原因乃是诸多南北走向的横断山脉有利于来自孟加拉湾的水汽向这一地区的输送。事实上，风与水是密切相关的，只有“风调”才能“雨顺”；因此，我们有必要建立一门新学科，即地球风水学或中国大陆（宏观）风水学，从大尺度的时空范围研究风与水汽的关系，以及水汽与降水的关系。事实上，地球上的大气环流主要有两个，一是由于地球自转而导致的纬向（自西向东）大气环流，二是由于赤道与两极温差而引起的经向（在赤道与两极之间）大气环流，此外还有由于海洋与陆地温差所形成的大气环流。对于我国来说，印度洋的水汽经由孟加拉湾、横断山脉大峡谷一直渗透到黄河上游地区，在适当的自西向东的大气环流的作用下，我国从南到北就会形成一条降雨云带，这条云带自西向东移动，便会发生一次普遍的降雨过程。

有鉴于此，我们有理由认为，大江大川奔流不息的水，实际上主要是经由其（包括上游诸多支流水系）峡谷水道而上的水汽所转化形成的。从这个角度来说，在江河峡谷修建水库大坝（追求的功能是蓄水、发电、防洪等）将产生一种效应，即阻挡并减少来自下游的水汽输送量。许多人都想当然地以为水库大坝的这种风阻效应可以忽略，其实不然；这是因为，水库大坝正好建在水汽通道的关键部位，因此它的风阻作用是非常明显的。有鉴于此，笔者特别呼吁不要在横断山脉大峡谷地区修建水库大坝，因为横断山脉大峡谷乃是我国最最重要的水资源命脉，来自孟加拉湾的印度洋水汽正是穿越横断山脉大峡谷送达我国的长江、澜沧江、黄河的上游地区。对此可参见丁一江先生《季风区的水汽收支》一文，该文指出在7月份，我国67％的水汽来自孟加拉湾，30％来自中国南海（气象出版社1994年版《亚洲季风》）。

其实，早在1976年科学出版社出版的《气候变迁及其原因》（张家诚、朱明道等人著）一书，就已经注意到新安江水库建成后对该地区降水分布的影响问题。此后，笔者老家（河北唐县）的乡亲亦抱怨，自从山里（属于太行山）修了水库后，降雨不知怎么搞的就不如以前多了，用老乡的话来说即水库大坝把龙脉压住了。众所周知，并不算高的防风林都能够改变风的流动（抬升气流，其作用大体为防风林高度的4倍以上），那么为什么数十米至上百米高的水库大坝就不会改变水汽的输送呢？

令人深思的是，近半个世纪以来，我国西北地区的干旱和荒漠化有越来越严重的趋势，目前每年就有2460平方公里的土地荒漠化，而沙尘暴也越来越频仍地袭扰我国北方广大地区。导致这种现象的原因很多，除了世界范围的大气环流变化以及人为的环境破坏之外；笔者认为不能排除数以万计的水库大坝所产生的对水汽通道的风阻效应，以及东部、南部数以百计的城市高层建筑所形成的风阻效应。上述新增加的风阻因素，实际上是对我国原有地形地貌的相当巨大的改变，它们的总体效应则是阻挡并减少了来自太平洋和印度洋的水汽向西北地区的输送量；与此同时，由于有更多的水汽被阻挡在长江流域，也就造成了长江流域的水患频仍。此外，我国东部和中部广大区域的空气污染也可能改变那里的降水条件，例如大气中粉尘的增加，可能有利于空气里的水汽更多地凝结并形成降水。另外，由于喜马拉雅山的持续抬升（目前每年抬升2～5·6厘米），也在减少印度洋水汽向我国北方的输送量。

从科学理性的角度来说，如果自然的地形地貌可以决定着水汽的输送和降水的形成，如果人为的某些建筑能够降低水汽的输送量；那么，我们也就有可能找到一种办法，通过对某些自然地形地貌的人为改变，而达到增加水汽输送量的目的。笔者在1992年撰写《宇宙的重构》（已由中国国际广播出版社出版）一书时将这种办法称为“春风再度玉门关气象工程”，它的准确表述可以是大气环流导向工程（技术）或气象水利工程，也可以通俗地称为空中南水北调工程。该工程技术的核心是在适当的地点人工开辟新的水汽通道，从而使更多的水汽输送到我们预期的地方。例如，巴颜客拉山是黄河与长江的分水岭，如果在巴颜客拉山的某些地点开辟新的人造峡谷或风口，就可以引导更多的来自印度洋的水汽穿过巴颜客拉山并抵达黄河上游地区，从而为那里送去更多的降水（黄河源头南有巴颜客拉山，北有布尔汗布达山和阿尼玛卿山，具备很好的降水条件；此外，北面还有祁连山等山脉，它们可以阻挡北风的南下，也就是说在这里开通新的水汽通道不会有太多的北风南下并影响那里的气候）。

 

空中南水北调工程的总体设计

 

对于一项新的科学观点或战略工程设计来说，我们首先要考虑它是否符合科学的基本原理，其次要问我们现有的技术手段能否实现，接下来要评判该工程在经济上是否有利可图，最后还要考虑该工程的实施是否存在其他的问题（包括政治上的、民族上的、国际关系上的，以及种种有利的或有害的效应）。但是，令人遗憾的是，有不少人（包括科学工作者）在没有认真思考的情况下就想当然地或本能地否定笔者提出的上述主张所具有的科学原理基础。

此外，还有许多人虽然承认这种气象水利工程符合科学原理也有技术能力去实施，但是出于对环境的保护，仍然反对进行这样的大规模工程。其实，开通人造的水汽通道，这种工程对环境的影响与修建水库大坝是类似的，区别仅在于水库大坝起得是增加风阻的效应，而人造水汽通道发挥的则是减少风阻的功能（伐木者已经认识到应当重新补种上被砍伐的树木，修建水库大坝的人也应当有补上水汽通道的认识）。从这个角度来说，水库大坝是对水资源的利用，大气环流导向工程的人造水汽通道则是对地形资源的利用。

由于横断山脉大峡谷是中国水资源的命脉，而巴颜客拉山又是长江与黄河的分水岭，因此笔者设计的空中南水北调第一期工程是在巴颜客拉山开辟新的水汽通道，即选择适当的地点（需要经过气象水文观测和计算机模拟），利用现有的工程技术手段或新开发的高科技手段（包括清洁的核爆破技术、高能量激光切割岩石技术、高膨胀剂解体岩石技术，以及其他可能的山体解体或移动技术），开凿出新的山口（需要经过先小后大的实验过程），以使更多的水汽从这里输送（包括水汽移动和扩散效应）到黄河上游地区。

在没有实测数据的情况下，笔者假设每立方米水汽中含水量为20克，水汽输送速度为每秒5米，人工水汽通道横截面的平均深度为2000米、宽度为10000米，那么每年（31557600秒）可输送的水汽量为631亿吨，如果其中有90％转化成降水（包括自然降雨和人工降雨，以及累积效应），即可向黄河上游及其周边地区送去571亿吨水资源――这正是黄河一年的总流量，也就是说相当于增加了一条新黄河，我国西北地区甚至整个北方地区的水资源短缺问题将得到根本性的好转。至于上述工程所需的建设费用，则与当地的地质地理条件有关，也与我们采用的施工技术有关，具体的投资数额尚有待具体的施工方案而定。在具体的施工中，应当充分利用自然的山口和峡谷，选择若干个适当的地点，将自然的山口和峡谷加深加宽以扩展其输送水汽的能力；如果我们选择的地点适当，有可能产生类似“针尖大的洞，斗大的风”的效果，那么工程量还有可能进一步降低。

在巴颜客拉山开辟人工水汽通道，可以把长江上游的水汽引导到黄河上游，这样又可以减轻长江流域洪水泛滥的威胁。如果长江上游、澜沧江上游的水资源也发生短缺现象，那么我们就应当实施空中南水北调第二期工程，即依次开辟澜沧江至长江上游的水汽通道，开辟怒江至澜沧江的水汽通道，开辟雅鲁藏布江、元江向北的水汽通道。上述工程顺序，笔者称之为“先北后南”原则，其目的一是先施工先受益，二是避免过多水汽滞留在长江中上游而造成防洪压力。

如果，在巴颜客拉山开辟人工水汽通道获得成功，那么我们就可以考虑在秦岭和太行山进行同样的气象水利工程，从而把更多的水汽引导到秦岭以北、太行山以西的黄土高原地区（内蒙古地区，以及大西北地区亦可受益）。上述工程顺序，笔者称之为“先西后东”原则，其目的是先在人口稀少地区进行实验，一旦发生预料之外的不利效应时，我们所付出的代价尽可能小一些。

当然，上述工程顺序并不是绝对的。例如，我们也可以在若干个小区域内同时进行这种气象水利工程实验，笔者推荐的一个区域是新疆的天山地区。众所周知，天山北麓是大西洋和北冰洋水汽的迎风面，因此天山北麓的降水要远远高于天山南麓，伊犁河的好风光便得益于此。如果我们能够在天山山脉的适当地点开辟人工水汽通道，使来自大西洋或北冰洋的一部分水汽更多地抵达天山山脉的南麓并形成降雪，那么这些降雪溶化后便可为天山以南的广大地区送去宝贵的水资源。

与此同时，在实施人工水汽通道的工程时，我们还应当追求多种直接的或间接的政治、经济、军事效益。例如，交通效益、旅游效益、科研效益（包括民用、军用科研项目），以及矿石、石料的采集和利用，当地社会经济的发展等等。此外，我们也要密切注意由此而引发的各种社会和自然效应，它们涉及到国内外各界的反应，以及当地及其周边地区的自然生态环境变化（气候的变化、植被的变化、动物的迁徙、地质变化等等）。

 

空中南水北调的特点及其战略价值

 

首先，空中南水北调可增加我国水资源的总量，而陆路南水北调则不能增加我国的水资源总量。其次，空中南水北调工程可以边施工便受益，可以在需要的时候继续扩容，而且没有任何的管理、维修、运行的费用，也不怕地震、泥石流和人为的破坏

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关键词：南水北调 人民日报海外版 南水北调工程 喜马拉雅山 雅鲁藏布江 原理 战略 科学 南水北调