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時間：2021-04-24來源：
李 云
南京水利科學研究院、長江保護與綠色發展研究院副院長
長江三角洲（簡稱長三角）是中國河網密度最高的地區，通江達海，經濟發達，人口稠密，城鎮化率高。在復雜變化環境下，洪澇、水資源供給、水生態環境等方面的問題還很突出。如 1999年太湖流域性強暴雨洪澇災害，2007 年太湖藍藻暴發引發無錫等城市供水危機，2015 年上海市、南京市、常州市等城市暴雨洪澇，均產生了極大的社會影響和巨大的經濟損失；隨著城市的快速發展，平原河網區城市水環境惡化已經成為一個亟待解決的民生問題。因此，如何在確保防洪安全的前提下，優化調度水資源、改善河湖水生態環境、提高供水保障率，是保障長三角地區水安全的現實需求和戰略研究課題。 長三角是“一帶一路”與長江經濟帶的重要交匯地帶，是我國經濟發展最活躍、開放程度最高、創新能力最強的區域之一，在國家現代化建設大局和全方位開放格局中具有舉足輕重的戰略地位。隨著《長三角城市群發展規劃》與長江經濟帶發展戰略的提出，長三角一體化發展也上升為國家戰略。2019年5月國務院印發了《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》，明確提出要在長三角“提升防洪（潮）和供水安全保障能力。強化水資源保護與水生態修復”，對長三角的水安全保障提出了更高要求，凸顯了長三角一體化發展對于長三角水安全保障國家戰略需求。 為落實《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》，水利部組織開展了《長三角區域一體化發展水安全保障規劃》的編制工作，明確指出“要建立高標準水安全保障體系，支撐區域高質量發展。要深化區域水利合作，統籌流域區域水利發展，促進區域一體化協調發展。要統籌解決好區域新老水問題。加快完善聯防聯治的洪澇災害防御體系，推動建立互聯互通的水資源保障體系，大力推進水生態環境保護修復”。體現了長三角水安全保障的重點、難點及問題，也表明長三角水安全保障是水利行業的迫切需求。 長三角地區屬平原與丘陵交錯地帶，但河湖水系多位于平原區，城鎮化發展迅速，水網密集，受地勢平緩與閘壩阻隔等因素影響，地區河湖水網水勢平緩、動力不足，加之區域防洪排澇工程能力不足、水污染負荷嚴重以及水資源調配調度能力仍顯欠缺等原因，地區在水循環演變機理與調控、水資源多目標聯合調度、工程影響下水環境變化機理與調控、水生態修復與工程調控等多項理論與技術難題亟待解決，也在一定程度上制約了長三角水安全保障的效果。開展長三角水安全保障理論技術及應用研究，可有效推動長三角水安全保障相關學科的交叉與融合，將為解決上述理論與技術問題提供重要支撐。 綜上，通過本項目的研究，以提升長三角水資源安全保障的科技支撐能力為總目標，夯實高城鎮化率地區水循環過程理論，突破復雜河網區水資源聯合調度、太湖水生態環境改善、重點城市水質提升等關鍵性技術，形成長三角地區水資源安全保障系統性技術解決方案及配套技術并示范應用，提出水循環模擬平臺，實現枯水季節供水保障率提高10%、河網水體流動性提高10%以上，支撐中國最大經濟體的可持續發展。
項目以提升長三角地區水資源安全保障的科技支撐能力為總目標，夯實高城鎮化率地區水循環基礎理論，突破復雜河網區水資源聯合調度、太湖水生態環境改善、重點城市水質提升等方面的關鍵性技術，形成長三角地區防洪安全、水資源供給安全、水生態環境安全系統性技術解決方案及配套技術。以提高水體水環境承載能力，長三角地區水安全保障能力顯著提升，培育和發展水安全產業，支撐經濟可持續發展。提高國家在水資源高效利用方面的創新能力，獲得一批知識產權成果，培育一支產學研用創新團隊。其考核指標為提交商品化水循環模擬工具，提出長三角地區水資源安全保障系統性技術方案及配套技術，集中在長三角地區開展示范，枯水季節供水保障率提高10%，河網水體流動性提高10%以上。
針對長三角地區水安全保障面臨的問題，國家重點研發計劃項目“長三角地區水安全保障技術集成與應用”（2016YFC0401500）以提升長三角水資源安全保障的科技支撐能力為總目標，由南京水利科學研究院牽頭，聯合河海大學、南京大學、上海勘測設計研究院有限公司、太湖流域管理局水利發展研究中心等15家單位，歷時四年，圍繞長三角地區防洪、水資源供給、水生態環境三大安全目標，從理論方法、技術體系、平臺裝備和示范應用層面開展研究，主要研究內容包括：
（1）針對防洪安全面臨的城鎮化進程加快、強人類活動干預水循環過程進一步發展、河口海岸多因子耦合作用下風暴潮威脅增大等新問題，重點研究產匯流機理、多因子耦合作用下綜合潮位效應及水安全影響。 （2）針對水資源供給安全面臨的部分水源地水質困擾、枯水季節供水保障率有待提高等問題，開展多尺度水資源聯合調度理論、海島海水淡化與雨洪資源利用技術、河口水源地避咸蓄淡預報技術等方面的研究。 （3）針對水生態環境安全面臨的河網水體污染、湖泊富營養化等突出問題，平原河網和淺水湖泊水動力與水環境響應機制、城市水網、平原河網、太湖等重要水體改善水體流動性、提高自凈能力和提升水環境的科技需求非常迫切。 （4）根據項目的整體需要，制定一系列軟件開發的統一標準，標準化模型接口、方法和數據，實現水文、水力學、水網聯合調度等各專業模型間的無縫鏈接和系統的開放性和可擴展性，開發自主知識產權的商品化水循環模擬平臺并應用，為防洪、水資源調度提供技術支撐。
為實現長三角地區水安全保障技術集成與應用，項目研究采用“基礎理論、關鍵技術、集成示范”全鏈條設計的研發思路，以太湖為中心，擬覆蓋山丘區、平原河網、河口、海島等不同類型地貌地區，以資料收集、理論研究、技術攻關、集成開發、示范應用為主線，圍繞防洪安全、水資源供給安全、水生態環境安全三個方面開展研究。 采用原型觀測、現場調研的方式完成氣象水文、社會經濟、基礎地理、水生態環境、工程調度等基礎資料的收集，支撐基礎理論研究，通過數值模擬、物理模型試驗、系統分析、理論分析等手段，開展變化環境下水循環演變機理和效應，平原河網和淺水湖泊水動力與水環境響應機制，河口海岸多致災因子聯合作用機理，多尺度水資源協同調度方面的理論研究。在此基礎上，利用 3S（GPS/GIS/RS）、數據同化、GPU 計算、云計算、人工智能等信息技術，對不同時空尺度的水文-水動力-水資源聯合調度模型融合、復雜水網異構模型數據同化、多尺度多層分級智能模擬、大型淺水湖泊全湖區水動力模擬、河口海岸風浪潮作用下水安全保障動態預報、基于多目標協同的水資源聯合調度、提高太湖流域供水保障率的水利工程體系聯合調度、城市河網智能聯合調度與水質提升等關鍵技術開展技術攻關。 采用標準化模型接口、異構模型耦合技術將山丘及城鎮地區水文預報模型、河網水動力多尺度分級模型、太湖三維生態水動力模型、河口海岸風浪潮預報模型、江河湖水資源聯合調度模型等異構模型耦合，完成長三角地區水循環模擬系統的研發，實現長三角地區水安全保障技術集成。 結合變化環境下水循環演變機理及關鍵技術成果，以提升長三角地區水資源安全保障的科技支撐能力為總目標，在長三角水資源調度、城市河網暢流與水質提升、國產化設備的海水淡化成套裝備研制方面開展示范應用，達到指南要求的提交商品化水循環模擬平臺、枯水季節供水保障率提高10%、河網水體流動性提高 10%等目標。項目的技術路線見圖1。
圖一
五
本項目創新了長三角地區水循環演變、平原河網和淺水湖泊水動力與水環境響應機制及復雜江河湖多尺度水資源協同等3個理論，攻克了聯合調度模型融合、異構模型數據同化、多尺度分級智能模擬、大型淺水湖泊模擬等10項關鍵技術，自主研發了水循環模擬平臺和一體化海島海水淡化成套裝備，形成了長三角水安全保障系統性解決方案，為長三角山丘區、平原區、湖泊、河口海岸帶、海島不同空間區域的水安全問題解決提供了理論、技術、平臺、裝備。
提出了山丘區基于關鍵帶結構相似的流域水文分類與模型參數確定方法，創建了站網優化的面雨量計算方法，提高了無資料地區水循環過程模擬精度；識別了高城鎮化下土地利用及河流水系變化，量化了城鎮化發展對下墊面與暴雨洪澇的影響；基于多個水文試驗區，建立了圩區內外水量交換、內澇積水退水模擬方法，揭示了城鎮化下水文效應及產匯流機制，提高了高城鎮化復雜下墊面的水文-水動力模擬精度。 提出了大型淺水湖泊風生流物理模型相似率與參數優化方法，構建了一套適用于太湖流域特征的（長系列、大尺度）水系水環境綜合治理措施評價方法；提出了維持河道透明度適宜流速及敏感因子，探明了水動力與水質因子間作用機制與響應關系，創建了河道水體透明度計算方法，確定了河網水動力調控閾值，為水環境提升聯控聯調平臺構建奠定了理論基礎。 提出了復雜水系水資源多目標協同準則。剖析了其調度內涵，提出了集合時間與空間的協同策略，構建了聯合調度決策指標體系，在理論層面解決多尺度、多目標、多對象的水資源協同調度難題；提出了太湖流域復雜江河湖地區基于可拓物元的優選方法，開發了多目標優選算法，提升了調度決策效率，提高了防洪、供水、水生態環境效益以及經濟效益等。
創新研發了斷面式風生系統及精細測控系統，建成了首個大尺度太湖全湖區物理模型，創建原型觀測-數學模型-物理模型聯合模擬技術，模擬了太湖湖區全湖區風生流場；基于物理水槽模型試驗，提出了風拖曳系數通用表達式；實現了非定常、非均勻、高精度、長歷時風場條件下太湖三維風生流數值模擬，提升了太湖水動力數學模型的精確性、可靠性。 突破了模型滾動計算的實時數據同化技術，實現河網初始場自動校正；創建了改進遺傳算法的參數動態校正智能辨識技術，提出了基于河網節點分類的水位迭代求解方法，提高了模擬速度與效率；深入剖析平原河網河道特性，制定了多尺度分級模型構建標準；發明了蓄水關系近似一致的復雜平原河網概化方法，創建了流域-區域-城市-圩區不同時空尺度模型雙向嵌套耦合模擬技術；建立了長三角典型區域業務化應用的精細化河網模型；開發了系統整體封裝流程、對外服務標準接口，開發了平原水網水動力多尺度分級智能模擬系統，實現基于云平臺的模型不同尺度定制服務。 提出了臺風路徑和風場預報新方法、“預估偏差”集合化技術，提高了臺風路徑的預報精度；基于合成孔徑雷達SAR影像，發展了臺風參數（臺風中心、最大風速半徑等）自動提取方法，為優化臺風風場預報模式提供依據；采用特征函數分析法（EOF），分析了洪水、天文潮、風暴潮、臺風浪等多因子耦合致災機理；研發了河口海岸多模式協同作業實時預報云平臺，推廣應用于長三角地區的水安全保障業務化預報。 構建了水資源多目標協同聯合調度模型， 研發了聯合調度決策系統，支持調度方案集的自動決策優選，破解了復雜江河湖多層面、多對象、多目標協同的水資源聯合調度方案優選難題；創建了“情景驅動-方案模擬-多目標協同決策優選”新模式，提出了保障水安全的水利工程體系常規、應急調度技術方案，優化了已建、新建工程調度方案，突破了人工決策存在的局限性。 建立了典型水系格局的水量分配響應關系，建立了滿足水質目標的動態需水量計算方法，破解了河網動力驅動控制節點尋優難題；研發了多源互補的城市河網水質長效保障技術。創建了流域-區域-城區多尺度生態補水模式，提高了補水水源時空適配性與保障能力；研發了閘泵樞紐原位凈化-環流分散布水的成套技術，實現高沙水、高藻水、微污染水的高效利用；提出了河網動力重構與水系連通工程調控技術。發明了精準控制水位的活動溢流堰，提出活動溢流堰過流能力公式，實現水動力精細化調控，解決了河網水動力重構難題，統籌了防洪、航運、景觀等功能；創建了滯流水體河道底泥穩定與水體修復聯動的水質提升技術。揭示了水體有機污染物、溶解氧水平及水體擾動對底泥污染物釋放的影響規律，優化了生物激發劑-生物過濾對污染河道修復技術參數，確定最佳停留時間，解決了平原河網半封閉水體的治理難題；建立了閘、泵、堰等復雜水利工程調度控制模型，形成模型調度邏輯庫；創建了水質提升調度方案智能優選與自動干預技術，在工控基礎上，實現平臺調度方案與工程間信息智能交互；自主開發了多要素實時監測-精準模擬-智能互饋的聯控聯調系統，以實時監測與預報數據為驅動，以模型為核心，以遠程控制為手段，科學精準調度，在進博會、常州、蘇州落地應用。
優化了設備模塊化布置、工藝集成和智能控制技術，突破了高脫硼海水淡化膜制備技術，研發了轉子式能量回收技術；研發了國產化中空超濾膜組件、反滲透海水膜元件、轉子式能量回收裝置，研制了海島節能一體式反滲透海水淡化成套裝備。
研發了具有自主知識產權的水循環模擬WebGIS操作平臺，制定了標準化異構模型接口與耦合技術；全面集成了山丘及城鎮地區水文預報模型、河網水動力多尺度分級模型、太湖風生流水動力模型、河口海岸風浪潮預報模型、江河湖水資源聯合調度模型等，實現了不同時空尺度水文-水動力-水質模型的無縫鏈接與水安全保障技術應用。
本項目成果已在長三角地區成功應用，建成水環境提升、水資源調度和海水淡化利用共7個示范區，實現了枯水季節供水保障率提高10%、河網水體流動性提高10%以上，形成約15億立方米水資源當量效益，直接經濟效益23億元，社會與生態環境效益達百億元以上，顯著提升了長三角地區水生態環境和區域綜合競爭力，成果已應用推廣到長三角上海（嘉定、臨港）、南京、無錫、徐州、紹興、湖州等以及珠三角的廣州、深圳、佛山、中山等地區，支撐了長三角區域一體化發展國家戰略，應用前景廣闊。
