“空中调水”的天河工程：如何利用“空中河流”
来调水？
须臾千秋 清华大学土木工程博士
五千年来，困扰中华民族发展的最重大难题是什么？没错，就是水。
在这片大地上，水资源的分布在时间和空间上都极度不均。在我们的农耕核心区黄河流域，旱灾与涝灾交替发生。
从五千年前的大禹治水开始，中国人民就始终在与水做着斗争，而那些带领人们兴修水利、治理水患的人也都被奉为了民族英雄。直到如今，在黑河腾冲线以西以北，有中国近60%的国土却只支撑了6%的人口和5%的GDP，归根结底还在于水资源的约束。
中国最宝贵的水利遗产之一都江堰
如果能将中国南方充足的水资源调到干旱的北方和西部，既可以减轻南方的洪涝，又可以缓解北方的缺水困境，让世上多出无数的鱼米之乡。为此，从新中国建国以来，我们就提出了著名的举国工程“南水北调”。
这项旷世工程总投资超过2500亿元，土石方总量16亿立方米，其中一期工程每年可以为北京输送10.5亿立方米的水。
南水北调固然有效地缓解了北方的缺水困境，但是相比起调水量而言，工程的投资实在太过于巨大。一千多公里的线路，中间要经过几次人为的水头抬升，还要经过特殊的引水隧道穿越黄河。这当中的任何一个步骤出了点岔子，调水工程都会受到影响。
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（一）地上调水不容易，可以考虑从天上调
正是考虑到陆地输水的成本高、效率低，中国著名水利工程专家王光谦院士提出了“天河工程”：既然陆地调水难，能否考虑天上调水呢？
大气中水蒸气的流动是整个水循环的重要组成部分，它的径流量不可小视。每年输入中国的水汽总量大约为20万亿立方米，远大于降水总量和地表径流量。如果能将这部分水输送利用起来，无异于是利用了一条天然的“空中运河”来实现南水北调，简直是一本万利。
水循环示意图
乍看起来，空气中的水汽分布很分散，不容易利用。但实际上，大气中存在与其它区域相较而言水汽通量更高的区域，它们的存在与多种行星尺度大气环流有关，同时也会受到局部气候环境的影响。 例如，中国的长江、黄河、澜沧江三江源区就存在三条输入的水汽输送带。这些输送带内部水汽非常密集，在特定的气象条件诱导下就可以在特定位置形成降水，这样就形成了一次空中的水分调运。这样的条带状水汽输送带被科学家们称为“对流层河流”或“大气河流”。
这一依靠大气层中的“对流层河流”来进行水分运输的构想看起来十分天才。但实际上，天空河流实施起来可没有那么容易。
原来，变化多端的大气环境毕竟不同于稳定的地表。这些高通量条带的发生、发展和衰亡都与中小尺度的天气过程存在明显的关系。
众所周知，气象系统是一类典型的“混沌问题”，一只蝴蝶煽动一下翅膀，在大气系统奇妙的作用下，就可能在一周后引发一场飓风。研究表明，这些“大气河流”的平均寿命只有20小时，它们随时都可能因为未知的、细小的气候变化而发生改变。
然而，如果想要进行调水作业，那就必须维持一个比较稳定的水量，这样的输水才有意义，否则仍然是旱涝不定，靠天吃饭。也正因为如此，对于“大气河流”的研究和利用始终无法深入。
那么，究竟如何才能利用起这些“朝生暮死”的空中小河呢？
（二）调水必须水量稳定，需要借助统计学手段完成
尽管这些空中小河变化多端，具有很强的随机性，但它们的时空分布同时也具有一定的规律性。 统计学家们发现，水汽高通量条带在某些区域上具有稳定的高度重合特性。将这些高通量条带看作一个系统的话，就可以计算出它们的分布及演化规律。
全球高通量水汽带
打一个简单的比方，就像是一条不稳定的河流，它的河道经常发生改变，但持续的观察之后就会发现，它的流向总体而言具有一定的规律，河床也有大致的边界。只要控制了这条大致的河床，就能够很好地利用这条河流。
河道可能变化多端，但河床却有大致的边界
从这个角度讲，天河工程中所提到的“天空河流”，与以往研究中所涉及的“大气河流”是有本质区别的。
天空河流是诸多大气河流所共同形成的一个系综，是通过统计学手段让人可以理解、利用的。
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利用天河进行输水，本质上就是要知道天河中的水汽从哪里来、到哪里去、输送量有多少，而研究天河工程，本质上不仅需要研究每一条大气河流的瞬态过程，更要研究较长历史时期内这些大气河流的变化规律，以及它们与水文过程、水资源变化、地表河流变迁等在较长时间内的耦合效应。 这样，才能真正系统地了解整个水循环的过程，进而利用天河。
（三）“天空河流”存在了几亿年，如何利用它？
天空河流已经在地球上存在了几亿年，每天都在按照它自己的规律运行着。人们该如何利用它们呢？ 其实原理说来很简单，就是一个高大上版本的“人工降雨”。只不过，这样的人工降雨需要精密计算，选择合适的时间和地点。
王光谦院士所主张的，实际上就是在中国的三江源地区实现空中调水，尤其是向黄河流域中补水。 黄河流域处于中国北方半干旱区，年仅370亿m的可用水量要支撑沿途9省超过1亿人口的社会经济发展，水量时常捉襟见肘，有时甚至会发生断流。
实际上，黄河源区每年空中水汽输入量约为8 700亿m3，其中约3 700亿m3为空中水资源，区域降水量约为 680亿m3，空中水资源的降水转化率约为 16.3%，这一转化率有很大的提升空间。 因此，合理适度地利用空中水资源来补充黄河流域的水量是完全可行的。
时常发生断流的黄河
在长江和黄河两大水系上游段还十分靠近的时候，将本该注入长江流域的降水注入黄河流域。经过计算，如果能够将青海三江源地区的天河利用起来，有望每年增加降水25亿立方米，这相当于整个地面南水北调工程的调水量的26%。
青海三江源
人工降雨的技术事实上已经非常成熟。
自从1948年美国科学家文森特谢福发现人工降雨的关键技术之后，人类靠自己的力量影响气候，“呼风唤雨”就不再是遥不可及的梦想了。只要空气中含有充足的水汽，那么人工增加空中的凝结核，让空气中的小液滴迅速凝结，体积增大成雨滴，就可以形成降雨。
对于“天河工程”而言，核心的技术难点还是正确掌握人工降雨的位置和时机。它并不像普通的人工降雨那样，只是在干旱地区进行补水，而是需要对整个地区的水汽输入、输出、流向进行统一的研究，从而改变一片较大区域内的水资源分布。
人工降雨
目前，“天河工程”团队已经开展了云监测卫星及卫星星座初步论证、地面实施系统初步构想，针对云水资源监测需求完成了有效载荷需求分析及卫星初步方案，开展了采用火箭、导弹实现中远程人工降雨实施方案的研究。
从宏观尺度上，将人工降雨作为跨区域调水的一部分，让水汽从湿润的区域输送过来后，在特定的需水位置降落下来，而非随意地在空气中流到了另一个不太需要水的地方。
结语
从2024年开始，在总面积30余万平方公里的三江源地区，每年通过人工降雨增加了降水约40亿立方
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米，相当于300个西湖水体的容量，“天河工程”要达到的增水目标是可以实现的。
未来，随着天空河流的研究更加深入，空中调水将不仅仅局限在三江源地区，而将会推广到各地，为水资源的科学分布做出更好的贡献。
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鲁教版高中地理必修一第二单元第3节《水圈与水循环》素材
