「空中調水」的天河工程：如何利用「空中河流」來調水？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　五千年來，困擾中華民族發展的最重大難題是什麼？沒錯，就是水。

　　在這片大地上，水資源的分布在時間和空間上都極度不均。在我們的農耕核心區黃河流域，旱災與澇災交替發生。

　　從五千年前的大禹治水開始，中國人民就始終在與水做著鬥爭，而那些帶領人們興修水利、治理水患的人也都被奉為了民族英雄。直到如今，在黑河騰衝線以西以北，有中國近60%的國土卻只支撐了6%的人口和5%的GDP，歸根結底還在於水資源的約束。

　　如果能將中國南方充足的水資源調到乾旱的北方和西部，既可以減輕南方的洪澇，又可以緩解北方的缺水困境，讓世上多出無數的魚米之鄉。為此，從新中國建國以來，我們就提出了著名的舉國工程「南水北調」。

　　這項曠世工程總投資超過2500億元，土石方總量16億立方米，其中一期工程每年可以為北京輸送10.5億立方米的水。

　　南水北調固然有效地緩解了北方的缺水困境，但是相比起調水量而言，工程的投資實在太過於巨大。一千多公里的線路，中間要經過幾次人為的水頭抬升，還要經過特殊的引水隧道穿越黃河。這當中的任何一個步驟出了點岔子，調水工程都會受到影響。

（一）地上調水不容易，可以考慮從天上調

　　正是考慮到陸地輸水的成本高、效率低，中國著名水利工程專家王光謙院士提出了「天河工程」：既然陸地調水難，能否考慮天上調水呢？

　　大氣中水蒸氣的流動是整個水循環的重要組成部分，它的徑流量不可小視。每年輸入中國的水汽總量大約為20萬億立方米，遠大於降水總量和地表徑流量。如果能將這部分水輸送利用起來，無異於是利用了一條天然的「空中運河」來實現南水北調，簡直是一本萬利。

　　乍看起來，空氣中的水汽分布很分散，不容易利用。但實際上，大氣中存在與其它區域相較而言水汽通量更高的區域，它們的存在與多種行星尺度大氣環流有關，同時也會受到局部氣候環境的影響。

　　例如，中國的長江、黃河、瀾滄江三江源區就存在三條輸入的水汽輸送帶。這些輸送帶內部水汽非常密集，在特定的氣象條件誘導下就可以在特定位置形成降水，這樣就形成了一次空中的水分調運。這樣的條帶狀水汽輸送帶被科學家們稱為「對流層河流」或「大氣河流」。

　　這一依靠大氣層中的「對流層河流」來進行水分運輸的構想看起來十分天才。但實際上，天空河流實施起來可沒有那麼容易。

　　原來，變化多端的大氣環境畢竟不同於穩定的地表。這些高通量條帶的發生、發展和衰亡都與中小尺度的天氣過程存在明顯的關係。

　　眾所周知，氣象系統是一類典型的「混沌問題」，一隻蝴蝶煽動一下翅膀，在大氣系統奇妙的作用下，就可能在一周後引發一場颶風。研究表明，這些「大氣河流」的平均壽命只有20小時，它們隨時都可能因為未知的、細小的氣候變化而發生改變。

　　然而，如果想要進行調水作業，那就必須維持一個比較穩定的水量，這樣的輸水才有意義，否則仍然是旱澇不定，靠天吃飯。也正因為如此，對於「大氣河流」的研究和利用始終無法深入。

　　那麼，究竟如何才能利用起這些「朝生暮死」的空中小河呢？

（二）調水必須水量穩定，需要藉助統計學手段完成

　　儘管這些空中小河變化多端，具有很強的隨機性，但它們的時空分布同時也具有一定的規律性。

　　統計學家們發現，水汽高通量條帶在某些區域上具有穩定的高度重合特性。將這些高通量條帶看作一個系統的話，就可以計算出它們的分布及演化規律。

　　打一個簡單的比方，就像是一條不穩定的河流，它的河道經常發生改變，但持續的觀察之後就會發現，它的流向總體而言具有一定的規律，河床也有大致的邊界。只要控制了這條大致的河床，就能夠很好地利用這條河流。

　　從這個角度講，天河工程中所提到的「天空河流」，與以往研究中所涉及的「大氣河流」是有本質區別的。

　　天空河流是諸多大氣河流所共同形成的一個系綜，是通過統計學手段讓人可以理解、利用的。

　　利用天河進行輸水，本質上就是要知道天河中的水汽從哪裡來、到哪裡去、輸送量有多少，而研究天河工程，本質上不僅需要研究每一條大氣河流的瞬態過程，更要研究較長歷史時期內這些大氣河流的變化規律，以及它們與水文過程、水資源變化、地表河流變遷等在較長時間內的耦合效應。

　　這樣，才能真正系統地了解整個水循環的過程，進而利用天河。

（三）「天空河流」存在了幾億年，如何利用它？

　　天空河流已經在地球上存在了幾億年，每天都在按照它自己的規律運行著。人們該如何利用它們呢？

　　其實原理說來很簡單，就是一個高大上版本的「人工降雨」。只不過，這樣的人工降雨需要精密計算，選擇合適的時間和地點。

　　王光謙院士所主張的，實際上就是在中國的三江源地區實現空中調水，尤其是向黃河流域中補水。

　　黃河流域處於中國北方半乾旱區，年僅370億m的可用水量要支撐沿途9省超過1億人口的社會經濟發展，水量時常捉襟見肘，有時甚至會發生斷流。

　　實際上，黃河源區每年空中水汽輸入量約為8 700億m3，其中約3 700億m3為空中水資源，區域降水量約為 680億m3，空中水資源的降水轉化率約為 16.3%，這一轉化率有很大的提升空間。

　　因此，合理適度地利用空中水資源來補充黃河流域的水量是完全可行的。

　　在長江和黃河兩大水繫上游段還十分靠近的時候，將本該注入長江流域的降水注入黃河流域。經過計算，如果能夠將青海三江源地區的天河利用起來，有望每年增加降水25億立方米，這相當於整個地面南水北調工程的調水量的26%。

　　人工降雨的技術事實上已經非常成熟。

　　自從1948年美國科學家文森特謝福發現人工降雨的關鍵技術之後，人類靠自己的力量影響氣候，「呼風喚雨」就不再是遙不可及的夢想了。只要空氣中含有充足的水汽，那麼人工增加空中的凝結核，讓空氣中的小液滴迅速凝結，體積增大成雨滴，就可以形成降雨。

　　對於「天河工程」而言，核心的技術難點還是正確掌握人工降雨的位置和時機。它並不像普通的人工降雨那樣，只是在乾旱地區進行補水，而是需要對整個地區的水汽輸入、輸出、流向進行統一的研究，從而改變一片較大區域內的水資源分布。

　　目前，「天河工程」團隊已經開展了雲監測衛星及衛星星座初步論證、地面實施系統初步構想，針對雲水資源監測需求完成了有效載荷需求分析及衛星初步方案，開展了採用火箭、導彈實現中遠程人工降雨實施方案的研究。

　　從宏觀尺度上，將人工降雨作為跨區域調水的一部分，讓水汽從濕潤的區域輸送過來後，在特定的需水位置降落下來，而非隨意地在空氣中流到了另一個不太需要水的地方。

結語

　　從2013年開始，在總面積30餘萬平方公里的三江源地區，每年通過人工降雨增加了降水約40億立方米，相當於300個西湖水體的容量，「天河工程」要達到的增水目標是可以實現的。

　　未來，隨著天空河流的研究更加深入，空中調水將不僅僅局限在三江源地區，而將會推廣到各地，為水資源的科學分布做出更好的貢獻。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

歡迎關注《了不起的中國製造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國製造》網易號

編輯| 史文慧