加利福尼亚州水资源调配工程(一)

1、    加利福尼亚州水资源调配工程(一)         摘要：加利福尼亚州多年平均降水量不足600 mm，且降水时、空分布严重不均。降水量北部高、南部低，冬、春两季降水集中而夏、秋两季显著偏少。19世纪中期的第一次淘金热潮和二战结束后的第二次经济淘金热潮，为加州注入了大批世界各地的移民。由于人口的大量增加，城市化进程的速度大大加快，灌溉农业也因此得到快速发展。随着城市生活、工业和农业需水量的大幅度增加，加州南部及沿海地区的供水危机日趋紧张。为解决严重的水资源供需矛盾，合理地

2、进行水资源优化配置，提高水资源的利用效率，自20世纪初开始，美国联邦政府、加州政府和加州地方政府(机构)分别主持，先后兴建了7项长距离调水工程，构建了一个较为合理和完整的加州水资源配置体系。阐述了加州水资源状况和调水工程体系建设的背景，并重点对调水工程建设的基本概况进行了系统介绍。 关键词：调水工程；水资源；供水 需水；美国；加利福尼亚州 1 加州水资源 1.1 自然地理概况 加利福尼亚州(简称加州)地处美国西部太平洋沿岸，介于北纬32°30'42°与西经114°8'124°24'之间，东接内华达州和亚利桑那州，南邻墨西哥，西濒太

3、平洋，北界俄勒冈州。加州的行政面积约41万km2，在美国50个州中排名第三(仅次于阿拉斯加州和得克萨斯州)，其中陆地面积约占95.3%。1950年9月，加州正式加入美国联邦，2003年的人口达到3 548 万，其中洛杉矶市人口数量为1 004万，约占全州人口总数的28%。旧金山、洛杉矶和圣地亚哥3座大型城市均分布在太平洋沿岸。 加州中部为西北东南方向延伸的中央河谷地区，南部为干旱的沙漠地区，北部为卡斯卡达山脉，东部为内华达山脉，西部为濒海山脉。全州地形条件相差悬殊：美国本土的最高点惠特尼山海拔高度为4 418 m，最低点死亡谷(Death Valley)的海拔只有-86 m，二者相距不足140

4、 km之遥。加州西部沿海多山，濒海山脉的宽度约为3065 km，海拔6002 500 m。东部地区(尤其是东南端与东北端)为一片沙漠，内华达山脉位于这片沙漠的西部，蜿蜒690多km，宽80130 km，高度超过落基山脉。内华达山区降水丰富，水系发达，湖泊众多(约有1 200多座小湖)。 全州夏季干旱，光热资源充足，冬季多雨。受地理条件影响，加州气温相差悬殊。东南部科罗拉多沙漠的夏季平均气温高达54，内华达山巅冬季异常寒冷。太平洋沿岸地区的气温变幅相对较小，一般最高气温不超过32，最低气温也不小于0。洛杉矶和旧金山的多年平均温度分别为18和14。 加州为美国经济规模最大的州，2003年的GDP达

5、到1.47万亿美元，约占全美GDP总额的13%。农业是加州的经济主体，全州拥有300多万hm2可灌溉耕地，农作物约200余种。加州主要矿产为石油，年产量位居美国前列，仅次于得克萨斯及路易斯安那两州。此外，加州天然气、金、石棉、钨、硼、硅藻等矿产资源也十分丰富。加州工业发达，航天工业、电子工业、计算机工业均占世界显著地位。 1.2 水资源状况 圣华金河为萨克拉门托河的最大支流，发源于加州莫诺县境内内华达山脉西坡约塞米蒂(Yosemite)国家公园东南部，河流首先向西南流经弗雷斯诺县，然后转向西北流，最后在旧金山湾北支舒森湾汇入萨克拉门托河。圣华金河全长560 km，多年平均流量222 m3/s，

6、多年平均径流量70亿m3。圣华金河的主要支流有克恩(Kern)河、金斯(Kings)河、卡维亚 (Kaweah) 河、派恩(Pine)河、图乐(Tule)河、弗雷斯诺(Fresno)河、乔奇拉(Chowchilla)河、贝尔(Bear)河、默塞德(Merced)河、图奥勒米(Tuolumne)河、斯坦尼斯劳斯(Stanislaus)河、卡拉韦拉斯(Calaveras)河及莫凯勒米(Mokelumne)河等。 费瑟河位于加州北部，是萨克拉门托河第二大支流，分北支、中支和南支，北支发源于拉森山附近，中支与南支均发源于内华达山脉西坡。三条支流在奥罗维尔汇合后，继续向西南方向流经马里斯维尔和尤巴城，最

7、后在萨克拉门托市以北30 km处汇入萨克拉门托河。干流全长95 km，其主要支流有尤巴(Yuba)河与贝尔(Bear)费瑟河河等。 科罗拉多河是一条由美国与墨西哥共享的国际河流，也是美国西南部干旱地区最大的一条河流。该河流发源于美国科罗拉多州中部落基山脉西坡，流向西南。干流流经科罗拉多州、犹他州、内达华州、亚利桑那州和加州，支流流经怀俄明州和新墨西哥州。该河流经加州东南部边界后，进入墨西哥境内。根据科罗拉多河流域7个州所签订的分水协议，加州每年约可利用54亿m3的科罗拉多河水。 除上述河流外，加州东北部还分布有克拉马斯(Klamath)河、伊尔(Eel)河及特尼提(Trinity)河等水系。加

8、州地表水系分布情况如图1所示。 图1 加州河流水系 图2 加州不同地区降水量的年内月分配情况 图3 加州1961-1990年平均降水量分布情况1.3 水资源利用状况 加州约拥有460个规模不等的地下水盆地，地下水资源总储量约为1 049亿m3。在多年平均情况下，地下水的年补给量约为88亿m3。自加州开始大规模开采地下水后，地下水的开采量不断增加，许多地区出现了不同程度的地下水超采现象。至1980年，加州地下水的年均超采量约达25亿m3。为了防止地下水过量开发所引发的不良环境地质问题，加州水资源管理部门及时采取了有效的地下水限采措施。至1990年前后，地下水的超采量降至15亿m3/a左右。 在多

9、年平均情况下，萨克拉门托河和圣华金河每年供给城市生活、工业和农业利用的水量约190亿m3。随着农业灌溉技术的改进以及加州用水制度的改革，预计萨克拉门托河与圣华金河水资源的年利用量有望降低1235亿m3。 在亚利桑那州和内达华州开始大规模利用科罗拉多河水资源之前，加州每年约从科罗拉多河引水100多亿m3。自科罗拉多河流域7个州签订分水协议后，加州每年只享有54亿m3的科罗拉多河水权，随着两个州在科罗拉多河引水量的大幅增加，加州从科罗拉多河每年可获取的水量将降低5464亿m3，这将给加州的供水带来前所未有的压力。 加州1998年、2000年和2001年的降水量分别接近丰水年、平水年和枯水年的降水水

10、平。因此，可选取1998年、2000年和2001年进行典型年的供水分析。如表1所示，加州平水年情况下的年用水量约786亿m3，其中地表水供水量约686亿m3，约占年总供水量的87%，地下水约占总量的13%；对于枯水年，因地表水可用资源量大幅下降，不得不暂时超量开采地下水来维系供水，地下水约占总供水量的22%；在丰水年，地表水资源较为丰沛，为了有效涵养地下水源，补偿枯水年地下水大量超采所造成的地下水库容亏欠，丰水年可酌情减少地下水的开采量，提高地表水的供水比例。如加州1998年地表水的供给量约占年总共水量的94%。目前，加州的循环水利用率尚且较低，不足1%。 自加州开始大规模发展灌溉农业以来，农

11、业一直是用水大户。但从加州用水结构的变化趋势看，未来农业用水量将有所降低，而城市用水量将不断增加。20世纪60年代，农业年用水量约247亿m3，占总用水量(不包括河道生态用水)的90%以上；至1990年，农业用水量增至384亿m3，而农业用水所占比例降至77%；预计2020年，加州的年农业用水量约为356亿m3，农业用水比例降至67%。图4所示为加州不同时期的用水结构变化情况。   图4 加州不同时期的用水结构变化情况 注：地表水供水量包括河道生态径流量；*表示典型年与平水年的降水量比值。 2 调水工程背景 2.1 人口与城市发展 加州的历史沿革、城市发展和环境变迁无不与水密切相关。

12、 在加州内华达山脉亚美利加(American)河谷地区发现金矿以前(1848年以前)，加利福尼亚是一片人迹稀少的处女地，溪泾漫流、沼泽成片、水禽成群。但Sutter Mill金矿的发现，使来自世界各地数以万计的的淘金者们，怀着狂热的暴富梦想涌入加州，加州的人口开始急剧增加，并迅速改造了这片荒蛮之地，包括对天然河流的改造和利用。 1849年底，加州已由1848年前的不足1.5万人增至10万人。1852年下半年，加州的人口已突破25万。1869年，随着第一条横贯美国大陆铁路的开通，大批怀抱致富希望和发财梦想的人仍继续移居加州。 人口的快速增长，加速了加州城市化建设的进程，这些由淘金者聚集而形成的城

13、镇，后来逐渐发展成为当今经济繁华的大都市，包括当今举世闻名的旧金山(San Francisco)和洛山矶 (Los Angeles)。特别是19世纪末至20世纪初，随着石油的发现，洛杉矶市开始崛起，并迅速发展成为美国西部最大的城市。同时，由于人口的不断增加，粮食的需求量大幅增加，灌溉农业的规模也开始不断扩大2(如图5所示)。 图5 加州不同时期的农业灌溉面积 第二次世界大战结束后，现代工业开始兴起，就业机会增多，加之加州得天独厚的气候环境，又有大批移民涌入，加州又掀起了新一轮的经济“淘金”热潮。1940年，全州人口约700万，但发展到60年代，加州人口已经达到约1 600多万，超过纽约而成为美

14、国人口最多的州。截止2003年，加州人口达到3 548万。目前，加州约2/3的人口居住在旧金山、洛杉矶和圣地亚哥等沿海地区。其中，奥伦奇至文图拉之间的大洛杉矶地区约居住1 583万多人口；旧金山湾地区的人口接近700万；加州第二大城市圣地亚哥地区的人口近120万3。根据加州人口统计和预测结果，加州2030年的人口有望达到4 800万。图6所示为加州1850年至2030年的人口数量变化情况。  图6 加州1850-2030年的人口数量 2.2 调水工程建设 加州水利工程的建设历史最早可追溯到1848年。最初，淘金者为了引水洗砂，因地制宜地挖掘了数百公里长的水道和沟渠。1854年之后，随

15、着获得金子日益艰难；同时，由于人口的不断增加，粮食的需求量也大幅增加，灌溉农业的规模也开始不断扩大2(如图5所示)。绝望的淘金者们为了生存，开始引水农耕和大力发展农业，并结合城镇供水需要，初步建立了规模很小的地方水利系统。这种小规模地方水利系统的初步建设，基本体现了加州人早期对水资源管理的认识和实践。 至20世纪初，洛杉矶和旧金山等城市已经发展到相当的规模。伴随着商业的迅速发展、人口的快速膨胀，耕地面积不断扩大，房地产业加速开发，水资源供给日趋紧张，地下水位也大幅度下降，人们开始认识到：仅仅依赖当时的水利资源远不能满足社区未来的发展需要。为了从根本上缓解加州南部地区水资源严重不足的问题，需要从

16、水量丰沛的加州北部长距离调水至南部，为地方经济的持续发展提供可靠的水源。于是，为了解决城市供水问题，洛杉矶市于1908年开始修建第一条洛杉矶水道，从内达华山脉东部的欧文斯(Owens)河谷向洛杉矶市引水。 由于优越的气候和地理条件，很多往日的淘金者定居在旧金山湾地区。至1910年左右，旧金山湾东部地区的人口已达15万之多，其中包括旧金山1906年大地震时的近5万移民。当时，该地区主要由几家私营公司负责供水，供水保证率不高。为了满足东部地区不断增长的用水需求，同时保证该区的用水安全，加州政府于1923年组建了旧金山湾东部市政管理区(EBMUD)，负责东部地区的供水问题。1924年，EBMUD开始

17、实施莫凯勒米(Mokelumne)水道工程计划，从圣华金河右岸支流莫凯勒米河向旧金山湾东部地区调水。 在旧金山湾东部出现用水危机的同期，旧金山市及周围县区也面临严重的供水不足。为此，旧金山市政府于1914年着手修建了奥沙赫里舍(O'Shaughnessy)坝，并于1924年开始新建赫齐赫齐(Hetch Hetchy)输水系统，从圣华金河支流图奥勒米 (Tuolumne)河调水。 英佩瑞尔(Imperial)河谷和考契拉(Coachella)河谷地处加州南部，这里耕地资源丰富，但降水量稀少。考契拉河谷的农业用水主要依靠开采地下水供给，由于地下水的资源量有限，无法满足大面积农业灌溉用水的需

18、求。20世纪初期，英佩瑞尔灌区的灌溉用水主要通过一条名为阿拉姆(Alamo)的引水渠供给。由于阿拉姆引水渠经常发生运行故障，灌溉供水保证率较低。为此，英佩瑞尔河谷地区的农场主们希望重新修建一条新的供水渠。1934年，经美国国会立法授权后，联邦垦务局开始兴建全美灌溉系统，计划从科罗拉多河引水供给上述两个灌区农业之用，同时向圣地亚哥等地区提供部分城市用水。 自第一条洛杉矶水道开始通水后，洛杉矶市的用水保证率显著提高。但是，洛杉矶地区人口一直处于高速增长状态。为保证该地区未来供水的需求，同时解决洛杉矶南部城市的缺水问题，南加州市政水管区(MWD)于1933年开始兴建一项新的调水工程，从科罗拉多河引水。 中央河谷地区是加州耕地资源最丰富的地区。但是，由于无法提供充足的农业灌溉用水，该区宝贵的农业资源一直未能充分利用。为给中央河谷地区农业灌溉提供必需的水资源条件，加州政府计划通过发行债券的方式修建一项大型调水工程，从加州北部的萨克拉门托河向中央河谷地区实施调水。但由于美国当时正处于经济萧条时期，所发行的工程债券未能售出，不得不向联邦政府申请资金援助。1937年，美国联邦政府通过立法，授权由垦务局主管中央河谷工程的建设和管理工作。同年10月，中央河谷工程开工建设。 加州优越的气候环境和工作机遇在二战结束后吸引了大批的美国本土及国外移民，加州迎来了她金矿淘