南水北调总体布局包括从宏观构想到局部引水方案，是对水源、供水对象、线路和工程措施等进行具体研究逐步形成的。南水北调分东、中、西三条调水线，与长江、淮河、黄河、海河构成“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局，形成中国的大水网，基本可以安全、经济地解决北方缺水地区的需水和供水矛盾。三条调水线路并行不悖，有各自的主要任务和供水范围，可互相补充，但不能互相代替，最终目标是实现长江、淮河、黄河、海河和内陆河水资源的合理配置。各调水线路方案根据社会生产力布局的现状和发展要求，充分利用已有的工程条件，制定出向干旱缺水地区供水的合理的工程措施。
（第一节）东线布局
南水北调东线工程的特点是多级提水，水往高处流。主要优势在于从长江下游直接取水，水源可以保证；可充分利用江苏已建的江水北调工程及大运河等水道，工程量和投入较少，技术不复杂且见效快。东线的难点是沿线水质污染较严重，治理污染成本较高；黄河以南需用电力泵站扬水，运行费用较高；因与江苏省江水北调工程共用输水河道、泵站和湖泊，运行管理比较复杂。
南水北调东线工程利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并向北延伸。东线工程从长江下游的扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出东平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河；另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。全线最高处东平湖水位与长江水位差约40米，抽水总扬程65米，规划设13级泵站；在山东省位山附近的黄河河底建设倒虹隧道，江水穿过黄河；在黄河以北，地势是南高北低，可顺大运河或新扩建河道自流到天津，沿线新建、扩建千顷洼、大屯、大浪淀、浪洼、北大港五处平原水库以调蓄来水。从长江到天津北大港水库输水主干线长约1135千米，其中黄河以南625千米，穿黄段17千米，黄河以北493千米；分干线总长约767千米，其中黄河以南601千米，黄河以北166千米。此外，为了向胶东供水，需从东平湖向西开辟胶东输水分干线，向济南、青岛、烟台、威海等胶东城市供水，输水干渠干线、支线总长989千米。图1-9是南水北调东线工程线路示意图。
东线工程供水范围分为黄河以南、山东半岛和黄河以北三片。主要供水目标是补充沿线城市生活环境和工业用水，并适当兼顾农业和其他用水。主要目标是提供沿线和山东半岛的城镇居民生活和工业用水；提高现有灌区的供水保证率，改善淮北地区的农业供水条件；结合输水，恢复和提高京杭运河的通航能力；利用调水工程设施，提高沿线易涝地区的排涝能力，并在北方需要时提供农业和生态环境用水。根据东线工程供水目标和预测的当地来水量及需调水量，考虑受水区缺水形势的发展和对水量、水质的要求，经多方案比较，确定东线工程先通后畅，逐步扩大规模，分三期实施。各期调水规模如下：
第一期工程：主要向江苏和山东两省供水。抽引江水500立方米/秒，过黄河50立方米/秒，送山东半岛50立方米/秒，改善苏北、鲁西南农业用水条件。规划2002~2007年实施，按照南水北调东线一期工程可行性研究总报告批复，东线一期工程静态总投资383亿元，其中主体工程静态投资260亿元，治污工程投资123亿元。目前，根据南水北调工程建设委员会确定的最新目标，调整东线一期工程2013年底通水。
第二期工程：供水范围扩大至河北、天津。抽引江水规模扩大到600立方米/秒，过黄河100立方米/秒，到天津50立方米/秒，送山东半岛50立方米/秒。规划2011~2014年实施，主体工程投资124亿元，治污工程投资100亿元，共计224亿元。
第三期工程：增加北调水量，以满足供水范围内2030年水平年国民经济发展对水的需求。工程规模扩大到抽引江水800立方米/秒，过黄河200立方米/秒，到天津100立方米/秒，向胶东地区供水90立方米/秒。规划2031~2036年实施，主体工程投资116亿元。南水北调东线工程总计投资660亿元。表1-5为东线各期工程增调水量表。图1-10为南水北调东线各期工程抽引江水水量。
（第二节）中线布局
南水北调中线工程具有自身独特的优势，一是适时供水调度安全可靠。丹江口水库具有巨大的调节能力，主汛期除保证防洪外，调节库容达98亿立方米，汛后达190亿立方米，可以承担“充蓄”调节和“补偿”调节的任务，确保供水调度安全可靠。二是中线具有得天独厚的地理条件。总干渠位于平原的西部，居高临下，全线自流输水，能控制华北广大平原，线路与交叉河流全部采用立交工程，水质优，能保证城市生活和工业用水要求。中线工程的难点是一次建成，投资大，丹江口水库加坝工程安置移民多，难度大。同时丹江口水库难以进行多年调节，当南北方同丰同枯，或北丰南枯时，运作上有困难，年内供水也不能持续。
一千几百千米长的专用渠道上，无大水库与之直接相连，调蓄、运行不太灵活。
南水北调中线工程从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿规划线路开挖渠道输水，沿唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。南水北调中线主体工程由水源区工程和输水工程两大部分组成。水源区工程为丹江口水利枢纽后期续建和汉江中下游补偿工程；输水工程即引汉总干渠和天津干渠。
在丹江口水库后期规模完建，正常蓄水位170米的条件下，考虑2020年发展水平在汉江中下游适当做些补偿工程，保证调出区工农业发展、航运及环境用水后，中线工程多年平均可调出水量141.4亿立方米，一般枯水年(保证率75%)，可调出水量约110亿立方米。供水范围主要是唐白河平原和黄淮海平原的西中部，供水区总面积约15.5万平方千米。因引汉水量有限，不能满足规划供水区内的需水要求，只能以供京、津、冀、豫、鄂五省市的城市生活和工业用水为主，兼顾部分地区农业及其他用水。中线工程可缓解京、津等华北地区水资源危机，并大大改善供水区生态环境和投资环境，推动中部地区的经济发展。
南水北调中线工程分两期实施。第一期工程以解决沿线主要城市供水为目标，从长江支流汉江上的丹江口水库引水，沿伏牛山和太行山山前平原开渠输水，终点北京。工程包括：丹江口大坝加高，分期分批安置移民，每年调水量达95亿立方米，汉江中下游补偿项目和局部航道整治等。规划2003~2010年实施。
按照南水北调中线一期工程可行性研究总报告批复，中线一期工程静态投资1435亿元，其中主体工程投资1365亿元，配套工程投资70亿元。目前，根据南水北调工程建设委员会确定的最新目标，中线一期工程2013年主体工程完工，2014年汛后通水。
二期工程在一期工程完工后开始建设，规划在一期工程主渠道旁开挖一条输水渠道，供农业生产用水，总调水量达到130亿立方米左右。规划2011~2030年实023施，主体工程投资244亿元。中线主体工程投资总计1161亿元。中线各期工程供水量见表1-6。
（第三节）西线布局
南水北调西线工程的主要特点是调水量直接进入黄河，由于其高程高、覆盖面积大，加上黄河上游有足够的调节能力，所调入的水量与黄河上游原有水量进行统一调度，优化配置，从而以缓解黄河流域及其邻近地区缺水的矛盾。西线工程的难点是地形、地质条件复杂，工程十分艰巨，在高寒地区施工和管理的难度很大。同时，由于西线是调水进入黄河干流河道，而并非直接送到受水区，因此水量的经济效益分析和水价计算十分困难。
南水北调西线工程在长江上游大渡河、雅砻江、通天河上筑坝建水库，通过隧洞引水穿过巴颜喀拉山，向黄河上游补水。
巴颜喀拉山南侧长江上游各引水河段的水面高程比黄河的水位低80~450米。在大渡河、雅砻江、通天河上调水，需要修建150~300米的高坝和开凿30~289千米的超长隧洞，穿过长江与黄河的分水岭。西线工程的可调水量与引水坝址的位置有关，坝址越往下游，海拔越低，水量越大，而离黄河越远，工程规模越大。经研究，大渡河在海拔2900米附近，雅砻江、通天河在海拔3500~3600米，三条河的径流总量约221亿立方米。初步规划三条河年平均可调水量为120亿~170亿立方米，其中大渡河30亿~50亿立方米，雅砻江35亿~40亿立方米，通天河为55亿~80亿立方米。
南水北调西线工程的供水目标，主要是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等六省（区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。同时，随着我国经济建设重心向中西部地区转移，黄河上中游流域水资源的开发利用、水土保持生态环境建设步伐的加快和集雨工程的发展，势必减少入黄河干流的水量。西线工程除补充这部分水量外，还可解决干流扬黄、自流引黄、黄河冲沙输沙和生态环境用水。因此，西线工程的重点是补水干流，解放支流，可以基本解决黄河流域的缺水矛盾。此外，还可结合在黄河上计划兴建的大柳树水库的调节作用，抬高黄河水位，向河西走廊供水。
南水北调西线工程规划按三期建设。第一期工程调水40亿立方米，规划2020年完成，主体工程投资469亿元。调水量主要优先供给工业、生活以及区域生态环境建设的需水。第二期工程调水50亿立方米，规划2030年完成，主体工程投资641亿元，至此对黄河水量和西线调水量已有足够的调节能力。第三期工程调水80亿立方米，规划2050年完成，主体工程投资1930亿元。西线各期工程主体工程总投资达3040亿元。西线各期工程供水量见表1-7。
（第四节）相互利流
南水北调工程的目的是从地处我国南部丰水的长江流域调出一部分水资源到干旱缺水的北部地区，以改善北方干旱地区的工业、农业、生产及生活供水条件，改善北方的生态环境。从长江下、中、上游调水的东线、中线和西线三条调水线路，是经过近50年的勘测、规划和研究工作，在分析比选了50多种规划方案的基础上逐步形成的。三条线将长江、黄河、淮河、海河四大江河联系起来，形成“四横三纵”的总体布局，以利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局，协调北方地区东、中、西部可持续发展对水资源的需求。
南水北调东线、中线和西线三条线路的总体布局，可利用黄河由西向东贯穿我国北方的天然优势，通过工程和非工程措施，实现南水北调工程和黄河之间的水量调配。东线工程可利用现有的东平湖退水闸或穿黄工程的南岸输水渠退水闸向黄河补充长江水，又可通过位山引黄渠道、胶东地区输水工程置换部分山东的引黄水量。中线工程一方面在穿黄工程南岸设置了退水闸，遇汉江、淮河丰水年，在黄河枯水时可向黄河补水；另一方面规划了将黄河与中线总干渠的连接渠，遇汉江特枯年份，可引黄河水进入中线总干渠应急补水，提高黄河以北受水区的供水保证程度。
西线工程建成后，除向黄河上中游和西北内陆河部分地区补水外，也可通过黄河向东线和中线的输水渠道补水。随着东线和中线配套工程的不断完善以及黄河与淮河、海河各河系之间水量联系的逐步畅通，将逐渐形成北方黄淮海流域水资源配置骨干网络。“四横三纵”之间通过建设控制建筑物和采用现代化的测报预报和通信、监控设施，将有可能实行实时优化调度，较大幅度提高南水北调工程的供水保证程度。
综上所述，南水北调工程东线、中线和西线三条调水线路，各有其合理的供水范围和供水目标，并与四大江河形成一个有机整体，可相互补充，缺一不可。东线或中线工程的兴建，可置换出黄河下游的30亿~40亿立方米引黄水量，增加黄河中上游供水量，暂时代替西线工程的部分供水；同样，西线工程实施后，当汉江、淮河出现严重缺水，中线、东线供水不足时，由国家统筹安排，西线工程的调水量也可通过黄河向华北补水。东线、中线也都可向白洋淀供水，补充海河流域生态用水。要解决黄淮海流域、胶东地区和西北内陆河部分地区的缺水问题，三条调水线路都需要建设，才可以实现“四横三纵”的总体布局，充分发挥多水源供水的综合优势，相互弥补不足，共同提高供水保证程度。
南水北调三条调水线路如图1-12所示。
（第五节）意义重大
实施南水北调具有重大的现实意义和深远的历史意义，惠及当代，造福子孙。水资源短缺是我国的基本国情，这个问题已经严重制约我国经济、社会和生态环境协调发展。南水北调是解决北方地区水资源紧缺的一个重大战略措施。利用南方地区水资源相对丰富的优势，给北方地区调水，有利于提高受水区的水资源承载能力，增强经济发展的后劲，改善人民生活水平。南水北调工程东、中、西三线全面实施后，将在全国范围内形成“四横三纵”的大水网，与已经或将要建成的道路网、电力网、信息网一道，构成我国经济社会可持续发展的基本保障体系，是一项具有重要意义的伟大工程。
一、解决北方缺水
我国北方地区长期干旱缺水，尤其是黄淮海地区人均水资源量仅为全国平均水平的22%，是我国水资源供求矛盾最突出的地区。黄河是中国西北、华北地区的重要水源，但如今已难以见到当年大诗人李白所赞颂的“黄河之水天上来，奔流到海不复回”的壮观景象了。近年来，黄河源区干旱趋势加重，中小型湖、塘干涸，草场大面积退化和荒漠化，多年冻土层出现萎缩。