長三角地區(qū)水安全保障技術(shù)集成與應(yīng)用

李云*，周杰，范子武

（水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

長三角地區(qū)水安全保障技術(shù)集成與應(yīng)用

李云*，周杰，范子武

（水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

1 前言

長江三角洲（簡稱長三角）是中國河網(wǎng)密度最高的地區(qū)，通江達(dá)海，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，城鎮(zhèn)化率高。在復(fù)雜變化環(huán)境下，洪澇、水資源供給、水生態(tài)環(huán)境等方面的問題突出。如1999 年太湖流域性強(qiáng)暴雨洪澇災(zāi)害，2007 年太湖藍(lán)藻暴發(fā)引發(fā)無錫等城市供水危機(jī)，2015年上海市、南京市、常州市等城市暴雨洪澇，均產(chǎn)生了極大的社會(huì)影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失；隨著城市的快速發(fā)展，平原河網(wǎng)區(qū)城市水環(huán)境惡化已經(jīng)成為一個(gè)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(yōu)化調(diào)度水資源、改善河湖水生態(tài)環(huán)境、提高供水保障率，是保障長三角地區(qū)水安全的現(xiàn)實(shí)需求和戰(zhàn)略研究課題。

2 研究目標(biāo)

項(xiàng)目圍繞長三角地區(qū)防洪、水資源供給、水生態(tài)環(huán)境三個(gè)安全，開展保障水安全的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、集成應(yīng)用示范三個(gè)層面的研發(fā)。在防洪安全方面，揭示強(qiáng)人類活動(dòng)區(qū)域產(chǎn)匯流機(jī)理、風(fēng)浪潮多因子耦合作用機(jī)理，結(jié)合防洪調(diào)度，研發(fā)并提交具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商品化水循環(huán)模擬工具。在水資源供給安全方面，研發(fā)水資源聯(lián)合調(diào)度技術(shù)和河口徑潮關(guān)系預(yù)報(bào)模型，通過水利工程多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度和水源地水庫避咸蓄淡調(diào)度提高供水保障率，研發(fā)一體化移動(dòng)式海島節(jié)能型海水淡化成套裝備和雨洪利用技術(shù)，形成覆蓋長三角地區(qū)河網(wǎng)、湖泊、河口及海島水資源供給成套技術(shù)與示范，實(shí)現(xiàn)枯水季節(jié)供水保障率提高10%的考核指標(biāo)。在水生態(tài)環(huán)境安全方面，研發(fā)水網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，重點(diǎn)提高太湖、河網(wǎng)、城市水網(wǎng)等水體流動(dòng)性，突破城市暢流水質(zhì)提升技術(shù)、多尺度分級(jí)智能模擬技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，滿足河網(wǎng)水體流動(dòng)性提高10%以上的考核指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)以上“三個(gè)安全”的保障目標(biāo)，項(xiàng)目重點(diǎn)提出10 項(xiàng)系統(tǒng)性技術(shù)解決方案及配套技術(shù)。其中服務(wù)于防洪安全的有風(fēng)浪潮作用下潮位動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)等4 項(xiàng)技術(shù)，服務(wù)于水資源供給安全的有基于多目標(biāo)協(xié)同的水資源聯(lián)合調(diào)度等3 項(xiàng)技術(shù)，服務(wù)于水生態(tài)環(huán)境安全的有城市河網(wǎng)智能聯(lián)合調(diào)度與水質(zhì)提升等3 項(xiàng)技術(shù)。

3 研究內(nèi)容及技術(shù)路線

項(xiàng)目擬從防洪、水資源供給、水生態(tài)安全三個(gè)方面展開研究，并形成一套商品化模擬平臺(tái)：

（1）針對(duì)防洪安全面臨的城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、強(qiáng)人類活動(dòng)干預(yù)水循環(huán)過程進(jìn)一步發(fā)展、河口海岸多因子耦合作用下風(fēng)暴潮威脅增大等新問題，重點(diǎn)研究產(chǎn)匯流機(jī)理、多因子耦合作用下綜合潮位效應(yīng)及水安全影響。

（2）針對(duì)水資源供給安全面臨的部分水源地水質(zhì)困擾、枯水季節(jié)供水保障率有待提高等問題，開展多尺度水資源聯(lián)合調(diào)度理論、海島海水淡化與雨洪資源利用技術(shù)、河口水源地避咸蓄淡預(yù)報(bào)技術(shù)等方面的研究。

（3）針對(duì)水生態(tài)環(huán)境安全面臨的河網(wǎng)水體污染、湖泊富營養(yǎng)化等突出問題，平原河網(wǎng)和淺水湖泊水動(dòng)力與水環(huán)境響應(yīng)機(jī)制、城市水網(wǎng)、平原河網(wǎng)、太湖等重要水體改善水體流動(dòng)性、提高自凈能力和提升水環(huán)境的科技需求非常迫切。

（4）根據(jù)項(xiàng)目的整體需要，制定一系列軟件開發(fā)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化模型接口、方法和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水文、水力學(xué)、水網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度等各專業(yè)模型間的無縫鏈接和系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商品化水循環(huán)模擬平臺(tái)并應(yīng)用，為防洪、水資源調(diào)度提供技術(shù)支撐。

項(xiàng)目實(shí)施的技術(shù)路線如下：

擬采用“基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、集成示范”全鏈條設(shè)計(jì)的研發(fā)思路，以太湖為中心，從山丘區(qū)、平原河網(wǎng)、河口海岸到海島，通過原型觀測、理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、信息技術(shù)等手段，圍繞研究重點(diǎn)開展攻關(guān)，構(gòu)建長三角地區(qū)水安全保障技術(shù)，提高河網(wǎng)水體流動(dòng)性和枯水季節(jié)供水保障率，在太湖流域典型區(qū)等地應(yīng)用示范。

4 預(yù)期創(chuàng)新性成果和效益

4.1 理論方面的創(chuàng)新

開展強(qiáng)人類活動(dòng)區(qū)及高度城鎮(zhèn)化地區(qū)的水文過程模擬研究，改進(jìn)現(xiàn)有水文模擬方法。探明變化環(huán)境下的水循環(huán)演變機(jī)理及新型洪災(zāi)影響機(jī)制，填補(bǔ)我國強(qiáng)人類活動(dòng)區(qū)以及（城鎮(zhèn)化群）流域水文和防洪減災(zāi)研究的不足。

4.2 技術(shù)方面的創(chuàng)新

創(chuàng)立一套定量評(píng)價(jià)長三角地區(qū)城鎮(zhèn)化對(duì)水文過程與水安全影響的分析方法，定量分析下墊面變化對(duì)水文過程的影響。

完善大型淺水湖泊風(fēng)生環(huán)流模擬相似理論和測控技術(shù)，并建立太湖全湖區(qū)物理模型，開展太湖水動(dòng)力特性研究?；诙喑叨确旨?jí)思想和水雨工情等多源數(shù)據(jù)同化技術(shù)，融合人工智能和多線程并行等新算法，提出國際先進(jìn)的平原河網(wǎng)水動(dòng)力多尺度分級(jí)智能模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長三角地區(qū)平原河網(wǎng)多尺度分級(jí)水動(dòng)力全過程快速、精準(zhǔn)、自適應(yīng)模擬。

以自動(dòng)分潮優(yōu)化技術(shù)、優(yōu)化臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)模型、超級(jí)集合化技術(shù)為基礎(chǔ)，以河口海岸多因子耦合作用下綜合潮位預(yù)報(bào)技術(shù)和變化環(huán)境下咸潮入侵預(yù)報(bào)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、多模型復(fù)用與集成。

基于水利工程調(diào)度及管理現(xiàn)狀，提出太湖流域、區(qū)域、城市不同層次的水資源聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)體系，構(gòu)建基于水資源安全保障的太湖流域水資源聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化決策模型，以目標(biāo)實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，集成長三角流域、區(qū)域、城市多層次復(fù)雜江河湖水資源協(xié)同聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)滿足的多種調(diào)度方案的自動(dòng)決策優(yōu)選。

綜合運(yùn)用現(xiàn)有工程，統(tǒng)籌安排，通過截污控源、河道活水、強(qiáng)化凈化、生態(tài)修復(fù)、運(yùn)行管理等綜合措施，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)暢流活水和水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)改善的良性循環(huán)，形成典型城市河網(wǎng)水動(dòng)力智能調(diào)控、暢流活水與水質(zhì)提升成套技術(shù)。

4.3 集成方面的創(chuàng)新

針對(duì)海島地理分散、規(guī)模不一等特點(diǎn)，以100%國產(chǎn)化關(guān)鍵部件及設(shè)備為核心，開發(fā)集裝箱式的節(jié)能型一體式海水淡化成套裝備，建立占地節(jié)省、運(yùn)輸方便、應(yīng)用靈活、操作簡單的制水系統(tǒng)，并在典型海島進(jìn)行示范應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)各專業(yè)模型間的無縫鏈接和系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性，基于山丘區(qū)水文模型、平原水網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型和區(qū)域水資源調(diào)度模型，集成開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水循環(huán)模擬商品化軟件，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水循環(huán)的完整模擬，并在長三角地區(qū)開展示范應(yīng)用。

4.4 預(yù)期成果和效益

項(xiàng)目擬投資6150萬元，其中中央財(cái)政專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)4000萬元。通過項(xiàng)目的實(shí)施，提交商品化的水循環(huán)模擬平臺(tái)1 套，提出長三角地區(qū)水資源安全保障系統(tǒng)性技術(shù)方案及配套技術(shù)10 項(xiàng)，研發(fā)出適用海島的一體式海水淡化成套裝備，形成示范區(qū)和示范工程5 個(gè)，修訂標(biāo)準(zhǔn)1 部，申請(qǐng)國家專利和軟件著作權(quán)50 項(xiàng)，發(fā)表論文100篇，培養(yǎng)研究生與技術(shù)骨干50 名。預(yù)期實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)、成套裝備和商品化軟件推廣每年約2000萬元直接經(jīng)濟(jì)效益，形成15 億立方米的水資源當(dāng)量效益。

5 推廣應(yīng)用前景

項(xiàng)目抓住長三角地區(qū)河網(wǎng)水系復(fù)雜、城鎮(zhèn)化率高的特點(diǎn)，突破城鎮(zhèn)化背景下防洪、城市河道治理、平原河網(wǎng)與湖泊水動(dòng)力改善等方面的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合河口、海島水安全關(guān)鍵技術(shù)和理論，構(gòu)建一套平原三角洲地區(qū)水安全保障的關(guān)鍵技術(shù)和理論，不僅預(yù)期效益高，而且具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)路線圖

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.04.115

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0401500）。

*責(zé)任作者： 李云（1962—），教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，主要從事環(huán)境水力學(xué)、通航水力學(xué)研究，E-mail: yli@nhri.cn。