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 水库大坝的风阻效应 - 人造地形对气候的影响暨中国水资源战略调整 ZT 重构 |
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邢国鑫
[个人文集]
加入时间: 2004/02/20
文章: 7501
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作者：邢国鑫 在 罕见奇谈 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
人造地形对气候的影响暨中国水资源战略调整
[重构] 于 2006-08-21 14:25:47上贴
人造地形对气候的影响暨中国水资源战略调整
自从生命诞生之后，生物活动就开始对自然环境产生影响。在各种生物中，以人类活动对自然环境的影响最大。这是因为，人是唯一能够使用火并大规模改变地形地貌的动物（参阅笔者新著《揭开生命的最高秘密：一种全新的进化理论》一书）。近几百年，人类使用越来越多的煤、石油、天然气等不可再生能源，建造越来越多的高楼大厦和水库大坝，上述人类活动已经深刻的改变了地球的自然环境，其主要标志就是气温增高使地球表面温度提高，以及大气环流的区域性变化导致的水资源分布变化。本文重点讨论人造地形对我国气候的影响，以及相应的中国水资源战略决策。
一 、我的研究过程
1970年我从中国科学技术大学近代物理系原子核反应堆工程专业毕业，来到河北坝上。20世纪70年代初，我读到竺可桢先生的《中国五千年气候变迁的初步研究》一文，联想到后羿射日、女娲补天、夸父逐日、共工撞到不周山可能记录了远古的自然环境变迁，从此开始了对《山海经》和远古神话传说长达数十年的研究，并陆续发表出版有关研究文章和专著，特别是与画家孙晓琴合作，在历史上首次绘制出42平方米巨画《帝禹山河图》，出版了全彩绘的《经典图读山海经》（上海辞书出版社2003年）和《图说山海经》（台湾尖端出版有限公司2006年）。与此同时，对天文、气候、地形与人类文明活动进行了广泛的多学科相关研究，并陆续出版了20余部著作。
我在《气候变迁及其原因》（科学出版社1976年，张家诚等人著）一书中注意到，新安江水库的修建导致当地的降水量发生可以观察到的若干变化。此后（20世纪80年代），笔者家乡（河北唐县，太行山脚下）在山区修了水库后，山里的降水量减少，水库常常蓄不上水，乡亲抱怨水库大坝压住了龙脉。在这种情况下，笔者开始注意到人造地形特别是水库大坝的风阻效应，以及它们对降水分布和降水量的影响。
1992年我在撰写《宇宙的重构》一书时（中国国际广播出版社1997年），深入讨论了结构与功能、功能与效应的关系，指出人们为了追求结构的功能，往往忽视结构可能产生的负效应。在该书中特意写了“旱涝保收策略导致地下水枯竭”、“水库的多种效应”、“长城与水库大坝的风阻效应”等小节；而且首次提出“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，特别使不要在风口之处修建水库大坝。
2000年我在强国论坛发表空中南水北调文章并主持了网上讨论，同年人民日报海外版、地图杂志、科学新闻周刊、武汉科技报、中国人口报、中国科技产业等报刊发表我的相关内容文章，从而引起社会各界广泛关注。同年10月，林之光先生赠送其著作《地形降水气候学》给笔者，该书是当时国内外专门论述地形与降水关系的大部头著作（科学出版社1995年，可惜仅印600册，说明学术界对这个问题的关注严重不够）。尽管该书没有涉及人造地形与降水关系，但是仍然有着重要的借鉴价值。例如，地形对水汽的抬升作用，以及地形对降水的“超前作用”（即降雨量变化可以在距离迎风山脉前一二百公里出现）。特别令笔者感兴趣的是，该书91页指出，“即使一二百米高度的岗坡丘陵”，也能使降雨量发生变化；243页指出，地形对降水的影响，第一类是大、中地形，“第二类是小地形以致微地形的影响，尺度可以小至几十米至几米”。
此后，我继续关注中国水资源的变化趋势，特别是沙尘暴、荒漠化，以及我国水资源逐渐呈现枯竭现象等问题，并为此陆续撰写数十篇文章，进一步探讨中国水资源对策。2006年4月17日中午，我在北京率先测量沙尘暴的降尘量，得出一夜降尘33万吨的测量结果，并立即公开发表在互联网上。
二 、水库大坝的风阻效应
事实上，我国半个世纪以来最大的地形地貌变化之一，就是8万余座大中小型水库（大型水库460座，中型水库2877座，小型水库82000座），如此众多的数十米至数百米高的水库大坝，有如一道道挡风的墙竖立在大大小小的天然水汽通道上（根据有关研究，人造地形对空气流动的影响范围是该建筑物高度的四至五倍），使来自下游的水汽团严重受阻，其总体效应便是减少了太平洋水汽和印度洋水汽向我国北方（主要指华北平原、黄土高原、西北荒漠等地区）的输送量。应当指出的是，这些水库大坝几乎全部建在天然水汽通道上，而水库大坝在蓄水后的风阻具有“气流二极管”效应（即上游向下游的风阻小，下游向上游的风阻大），这就使其负作用更为显著。
这里以三峡大坝的风阻效应为例。1994年三峡水库大坝开工建设，2006年三峡大坝主体工程封顶。三峡大坝的物理尺寸，坝长1600米，坝底厚120米，坝顶厚40米（135米高程），坝顶海拔高度185米。三峡水库的物理尺寸，水库长度663公里，平均宽度1600米，水深100余米。
三峡大坝建设前，该地长江水面海拔高度120米，江水行至宜昌时水面海拔高度逐渐下降为59米。三峡大坝建成后相当于在当地长江峡谷上竖起一道海拔185米的高墙，与出水口相对高度约100米，对下游空气向上游流动（亦即水汽通道）的影响高度约400米～500米（可达到海拔700米左右）。
假设水汽通道每立方米空气年输水量平均为20克（夏季潮湿空气含水量为50克，这是仅指气态含水量，并不包括液态即云雾的含水量），空气流速平均为每秒5米由东向西流动（准确说这是水汽团由东向西输送水汽的一种效应折算值，它包括水汽团的移动和水分子的扩散双重效应，有待实测验证）。
据此，长江三峡在修建三峡大坝之前的水汽通道年输水量＝每立方米空气含水量（20克）×风速（每秒5米）×水汽通道宽度（2000米）×水汽通道高度（假设为2000米）×每年的秒数（31557600秒）＝126亿吨。也就是说，下游水汽通过三峡每年向四川盆地输送的水汽量为126亿吨。
三峡大坝建成之后，其影响的水汽通道年输水量＝每立方米空气含水量（20克）×风速（每秒5米）×水汽通道宽度（2000米）×水汽通道高度（500米）×每年的秒数（31557600秒）＝31亿吨。也就是说，三峡大坝建成后，从三峡下游向三峡上游输送的水汽量将减少31亿吨。
需要说明的是，由于三峡地区云雾非常丰富，从三峡下游向三峡上游输送的水汽主要由云雾承担，因此三峡水汽通道的实际水汽输送量，可能要比上述计算值高出许多。
应当指出的是，上述参数值需要进行多年实测，可惜笔者没有找到相关资料（这本应该是国家有关科研部门必须做的工作），而笔者也不具备亲自实测的条件和经费。在这种情况下，本文得到的数字仅仅是一种参考值，而且可能有着相当大的出入。
这里还有必要指出的是，大江大河相当人的大血脉，水库大坝对水汽流动的效应，存在着连锁效应、整体效应、不可逆效应，甚至也可能存在着放大效应。事实上，这里有着太多的自然奥秘和未解之谜，需要我们进行认真的对待和艰苦的探索。有鉴于此，如果气象学家津津乐道“一只蝴蝶煽动翅膀，就能够引起大洋彼岸一场风暴”的现象存在，那么水库大坝的风阻效应当然也就没有任何理由被忽略。
三 、立即冻结南水北调工程，重新审议中国水资源战略
由于黄河流域水资源半个世纪以来呈现出明显而又严重的枯竭趋势（原因见下文），我国政府采纳的水资源战略是南水北调，即从长江流域引水补充黄河流域水资源量。目前我国正在进行南水北调的东线工程和中线工程施工，西线工程（又分为小西线和大西线）也在积极准备开工建设。但是，由于我国水资源形势已经发生重大变化，笔者建议中央政府立即冻结南水北调工程施工，重新审议中国水资源发展战略。
2006年夏季，我国重庆、四川、湖北（北部）发生持续一个多月的高温干旱，长江及其重要支流（嘉陵江、荆江等）水位在汛期大幅度下降，这是历史上极其罕见的，甚至是从未发生过的。笔者认为，除了全球气温上升、大气环流改变等笼统的因素之外，还需要认真研究三峡大坝和怒江、澜沧江、金沙江等横断山脉水系上新建水库大坝的风阻效应，此外还涉及到重庆的热岛效应和沿海城市带的热岛风阻效应，以及印度洋、孟加拉湾的相关变化（例如2004年底的印度洋大海啸的后续效应）。有必要指出的是，横断山脉三江峡谷乃是印度洋水汽经由孟加拉湾北上输送我国内陆的重要通道，黄河、长江、怒江、澜沧江的水资源主要依赖于此（黄河中下游、长江中下游的水资源可从太平洋获得补充，其中激烈的方式就是台风登陆）。
需要从战略高度警惕的是，如果今年的长江中游地区大旱仅仅是一种偶然发生的情况，那么南水北调今后或许尚有水可调。但是，如果这不是偶然现象，而是预示着长江水资源也进入逐渐枯竭期，那么现在采取的南水北调工程就会由于无水可调而变得毫无意义。不仅如此，如果长江水资源一旦进入枯竭期（黄河水资源已经进入枯竭期），势必危及到中国的国家安全和中华民族的基本生存条件，这是必须严肃认真对待的事情。
在这种情况下，笔者建议中央政府有必要立即冻结南水北调东线和西线工程的施工，暂停西线南水北调的工程筹备工作，深入广泛征求各界学者和研究者的意见，重新审议中国水资源发展战略，这项工作应当成为当前中国的头等大事，决不可得过且过，把危机当成儿戏。大自然不相信谎言！面对大自然，科学家不应该说谎话，政府也不应该听信谎话。
具体来说，南水北调东线工程，本来就不应该上马，因为其调水成本太高，不如采取海水淡化、污水处理再用等新技术手段来解决北方沿海省市的缺水问题。中线工程需要进一步增加丹江口水库大坝的高度，势必将进一步减少汉水上游的水资源量，造成更大的水资源短缺。西线工程，无论是小西线还是大西线，都需要新建水库大坝，这势必进一步减少印度洋水汽向我国内陆地区的输送量，造成进一步的水资源枯竭。有鉴于此，所有的陆路南水北调工程和方案都是不可取的，都应当立即停下来。中国的水资源战略，必须另谋出路。
四 、开辟新的水汽通道（空中南水北调）
众所周知，太阳对地球辐射的23％被用于海洋和陆地的水蒸发，大约每年共计蒸发掉577000立方千米的水，占地球总水量的万分之四；其中从海洋上蒸发505000立方千米的水，从陆地上蒸发72000立方千米的水。这些水汽最终又都变成降水回落地球表面，并在陆地上形成大大小小的江河。影响水汽流动的主要因素是大气环流，影响大气环流的主要因素涉及到天文因素（包括日照、地球公转、地球自转，以及月球引潮力和木星引潮力）、地形地貌因素（包括海底地形地貌）、地热因素（包括地震、火山等）、洋流因素和人类活动因素。
如果为了开发利用水利资源，我们有时候不得不建造水库大坝。那么为了减少水库大坝的风阻效应，我们有必要对自然进行补偿（类似心脏搭桥手术对血液输送的作用），其主要手段就是在适当的地方开辟新的水汽通道，以及通过改变地貌等技术手段引导更多的水汽到我们需要的地方，并使之形成有效的降水，笔者把这种手段形象地称之为“空中南水北调”，以区别于常规的陆路南水北调。
空中南水北调的技术手段之一是开辟人工水新汽通道，其主体工程是搬开若干座山，它的工程量与水汽通道的设计或预期输水量紧密相关，而输水量的计算又涉及到大量水文气象资料的采集与分析，例如山脉迎风面与背风面不同高度的空气含水量，以及相关的风速、空气摩擦系数、水汽扩散速率等等参数。由于我们目前尚缺少对上述有关数据的采集和研究，笔者这里只能进行一种粗略的估算，并假设水汽通道每立方米空气输水量平均为20克（夏季潮湿空气含水量为50克，这是指气态含水量，不包括液态即云雾的含水量），空气流速平均为每秒5米由南向北流动（准确说这是水汽团由南向北输送水汽的一种效应折算值，它包括水汽团的移动和水分子的扩散双重效应，有待实测验证）。据此，水汽通道年输水量＝每立方米空气含水量（20克）×风速（每秒5米）×水汽通道宽度（假设总宽度为10000米，可充分利用现有自然峡谷，在分水岭的若干处开凿风口）×水汽通道高度（假设为2000米，应尽量利用较深的峡谷）×每年的秒数（31557600秒）＝631亿吨。也就是说，如上规模的人造水汽通道每年可以向北方缺水地区上空输送631吨水量，若其中90％的空气含水量转化为降雨，则可形成降水量571亿吨；熟悉中国水资源分布现状的人都知道，该数值正是黄河一年的总流量，其价值与意义自不待言。
空中南水北调的技术手段之二是，通过改变地貌引导水汽资源向需要的地方流动。众所周知，我国西部的水资源主要来源于夏季印度洋水汽沿青藏高原南北向峡谷向内陆地区的输送和渗透，这种大气环流的驱动力主要是赤道地区高温与北半球高纬度地区低温之间的温差及其空气压力差。在这种情况下，如果我们能够把青藏高原北部、柴达木盆地、祁连山、黄土高原和西北荒漠地区的夏季地表温度降低2～5摄氏度（可采取的办法包括，铺撒或者铺设反光强的材料，增加地表反光率，减少地表吸热率），就有可能把印度洋水汽资源更多的吸引到柴达木盆地、祁连山、黄土高原和西北荒漠地区的上空。
空中南水北调的技术手段之三是，采取各种新技术提高水汽资源转化成为可利用降水资源的比例。除了已在使用的人工增雨技术之外，还可以进一步开发电磁波增雨技术、物理结构（例如在高山上架设水汽凝结装置，以及人工增加山脉高度等等）增雨技术。
无庸讳言，上述研究目前仍然停留在理论分析的阶段，而进一步的深入研究则需要国家承担责任，列入国家重大科研项目，组织各学科学者（包括民间独立研究学者）进行科研攻关和科学论证（包括可行性论证和不可行性论证两个方面），开展小规模、中规模、大规模实验，直至正式立项施工。
五 、沿海城市带的风阻效应
笔者老家在太行山东侧的河北省唐县，20世纪60年代，村里有好几个池塘，井水只有一扁担多深，并亲身经历了华北平原七天七夜的暴雨。此后，雨水越来越少，井水越来越深，表层水枯竭了，深水井已经打到二三百米深。与此同时，黄河下游原本最担心的泛滥灾害也被黄河断流或者黄河细流景观所取代。
笔者认为，导致黄河流域水资源逐渐萎缩枯竭的因素，除了全球性的大气环流变化之外，还应当考虑如下因素：黄河水系的水库大坝的风阻效应，旱涝保收政策的水资源失衡效应（旱时抽地下水，涝时把水排走），以及北方沿海城市带的风阻效应。
众所周知，20世纪70年代日本列岛经济起飞，80年代朝鲜半岛南部经济起飞，90年代中国沿海城市带经济起飞。上述经济起飞地区发生了历史上从来没有的巨大变化，其一是城市高楼大厦拔地而起，新兴城市不断出现并形成城市带，这种人造城市地形与自然山脉地形一样会造成风阻效应；其二是城市及其工业大量消耗能源，出现城市热岛和城市带“热墙”，这种热岛和热墙属于“无形地形”，它们同样对水汽流动造成风阻效应。
2005年8月8日，气象部门预报麦莎台风将袭击北京，结果是劳民伤财虚惊一场。笔者在《麦莎与空中南水北调》一文中指出，风云有自己的路，一看风压，二看风阻，麦莎台风长途跋涉，遇到北京、天津的城市热墙，只能转走胶莱平原低地向渤海而去（风阻较小）。
由于日本列岛、朝鲜半岛的地理纬度与我国华北平原、黄土高原大体相同，因此日本列岛经济起飞形成的热墙效应，在20世纪70年代开始阻挡并减少西太平洋水汽向我国北方的输送量，20世纪80年代朝鲜半岛的经济起飞（北朝鲜也存在着某种程度的城市热岛效应）进一步阻挡并减少西太平洋水汽向我国北方的输送量，20世纪90年代我国沿海地区经济起飞更加剧了上述效应，其对应的现象就是华北平原、黄土高原水资源逐渐枯竭，黄河断流或者细流，沙尘暴愈演愈烈，东风化雨已成历史。
事实上，2004年全世界每天生产8200万桶石油，其中消耗石油最多的八大国依次是美国（2040万桶）、中国（570万桶）、日本、俄国、德国、印度、韩国、巴西，它们共计每天消耗4740万桶。此外，加上天然气（约占能源消耗总量的五分之一）、煤炭的消耗（世界平均占能源消耗总量的四分之一强，而中国约占能源消耗总量的三分之二），地球已经出现许多人造热岛和人造热墙，并对大气环流产生了越来越显著的影响。
六 、人造地形气候学暨中国水资源战略调整
综上所述，笔者认为我国政府有必要重新审议并调整中国的水资源战略，改变长期以来实行的地面水资源调配的办法，转而从水资源的源头水汽资源抓起。具体来说，我国迫切需要开展如下工作：
1 、开展人造地形气候学研究
人造地形对气候的影响，是一个比较新的课题，需要投入足够多的力量去研究。
大自然不相信谎言，科学界要客观地研究人造地形对气候的作用，既要说有利的方面，也要说有害的方面；政府及其官员要克服自己的喜好，既要听人造地形对气候的有利方面，也要听有害的方面，并根据全面的情况采取相应的对策。
2 、减少人造地形对气候的不利影响
首先，经济发展要严格限制高耗能行业。其次，城市规划和建设，要把尽可能减少城市热岛效应和城市带热墙效应列入议事日程。城市建设要减少热岛效应，需要从节能开始（特别是政府要节能，减少公务用车、减少办公室面积），建筑物和广场尽可能采取反光好的材料和颜色（例如白色）。城市布局要科学合理，以便尽可能避免形成城市带热墙效应。与此同时，城市建筑物的高度要有严格限制，以减少城市建筑物的风阻效应。
在大江大河等水汽通道峡谷上建设水库大坝要慎之又慎，对已建水库大坝所产生的风阻效应，要积极采取补救和补偿措施。
3 、积极开展空中南水北调研究和工程实验
空中南水北调，实际上就是通过人造地形地貌来调动水汽资源的分布，让人造地形地貌对气候特别是水资源分布对我国产生有利的变化。其实，人工增雨、人工防雹、人工避雷都是在人工干预气候并使之产生有利的变化，只不过这些手段的影响范围和影响程度都比较小而已。
4 、对气象战要有足够的准备和相应的对策
人工干预气候的技术手段被应用到军事目的和国际关系，就称之为气象战。世界上的军事大国都在秘密或者半公开地进行气象战研究，我国为了13亿国民的安全当然也不能对此掉以轻心。
重构（王红旗）电话010－51843850 信箱
北京山海文化企划苑•重构文集060820ZL46－8000
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功成洪水退，帝禹定九州，
踏勘海内外，千古一图收。
《帝禹山河图》局部
回复关系：
1. 人造地形对气候的影响暨中国水资源战略调整(重构: 2006-08-21 14:25:47)14476 Bytes(0/607/17)
o 水汽扩散与输送(气候: 2006-08-21 20:11:36)10617 Bytes(0/12/0)
o 支持本文观点,地形肯定是影响气候的.我们爬峨嵋山时,就常常是山脚出太阳,半山腰就在下雨.(雨雪飘飘: 2006-08-21 19:48:29)0 Bytes(0/6/0)
o 这种努力只是精神可嘉而意义不大。布什一句话就撕毁了“东京议定书”，西瓜都丢了捡芝麻有用吗？(可以商量: 2006-08-21 18:37:33)0 Bytes(0/13/0)
o 其实，人类在好些地方都自以为是！(西南蛮: 2006-08-21 17:39:29)0 Bytes(0/10/0)
o 不修水库气候也要变化。水库的高度就能挡住水汽吗？(淅汉: 2006-08-21 17:28:41)0 Bytes(0/15/0)
o 您没有得到重视，原因在于“以人为本”思想在作怪。(jingqx: 2006-08-21 17:21:44)0 Bytes(0/21/0)
o 水下行，风上行。风带水而上，水调节着气温，温差才有了风向，自然也。(jingqx: 2006-08-21 17:13:39)0 Bytes(0/21/0)
o 心中之自然也，天地之自然也，自然为本科教兴国。万物在循环着，由表及理不易也。(jingqx: 2006-08-21 17:08:51)0 Bytes(0/24/0)
o 这个问题，涉及到国家安全和民族生死存亡，要求版主置顶(重构: 2006-08-21 16:36:26)18 Bytes(0/29/0)
o 气候的恶化与人们的无知有关。利用潮汐能减慢地球自转，利用了风能则影响了大气环流(张贞阳a: 2006-08-21 15:08:43)0 Bytes(0/38/0)
o 为什么这么好的思路一直没有得到官方响应？你的空中南水北调是否真的可行？(欢喜禅: 2006-08-21 15:07:30)0 Bytes(0/34/2)
这个问题，你应该去问官方(重构: 2006-08-21 16:32:23)64 Bytes(0/29/0)
自然之道，理应可行。(张贞阳a: 2006-08-21 15:45:21)0 Bytes(0/29/0)
o “水库大坝的风阻效应”，客观讲，三峡论证的时候没有任何人提出过这个概念(老学究上强坛: 2006-08-21 14:59:21)0 Bytes(0/42/3)
我在1992年提出，但是我的书在1997年才出版(重构: 2006-08-21 15:26:40)38 Bytes(0/43/2)
验证过吗？可行性有多少？(老学究上强坛: 2006-08-21 15:54:51)0 Bytes(0/26/1)
这需要国家立项投入才能进行(重构: 2006-08-21 16:34:04)44 Bytes(0/28/0)
作者：邢国鑫 在 罕见奇谈 发贴, 来自 http://www.hjclub.org |
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