水利前沿技术

水利水电工程技术及学科前沿 摘要：改革开放30 多年，现代化的发展趋势明显加快，先进的施工方法与技术得到前所未有的发展，施工企业迎来了黄金时机。在当今倡导的建筑节能大环境下，施工企业只有对建筑施工方法和技术进行革新，并将其运用到各类建筑项目中去，才能抓住机遇，在激烈的竞争中生存下去。但随着经济的发展，水利施工不仅在技术方面不断成熟，在水科学领域，也越来越重视水资源的可持续利用、重视保护生态环境、重视人与自然的和谐相处。本文分析了我国水电科学发展现状，选取了水资源可持续发展、南水北调工程等相关内容，阐述了它们的现状、问题和进一步研究方向，并列举了与其相关的一些技术，浅略探讨我国水电施工技术和水电学科的发展方向。

关键词：水利水电工程；水力学科发展趋势；水利施工技术

一、水利水电工程学科发展的总趋势

1 国际社会公认的可持续发展的原则是水利科技发展的指导思想

在水科学领域，高度重视水资源的可持续利用，高度重视保护生态环境，高度重视人与自然的和谐是水科学发展追求的目标。可持续发展水利，首先是理念与观念的突破，继之是制度与技术支撑下的实践，最根本的是坚持人与自然和谐相处。破解我国水资源的问题，具体针对四大水问题，又对应四个核心要点：

1）给洪水以出路，给河流以空间，科学调控洪水，合理利用洪水资源，从洪水控制转向洪水管理，以解决我国洪涝自灾害严重的问题。

2）建设节水型社会，着力于水资源管理的制度建设，强化水资源合理配置和需水管理，提高水资源的利用效率与效益，从根本上解决我国水资源短缺的问题。

3）充分利用大自然的自我修复能力，人工治理与生态修复相结合，生态、经济和社会效益统筹兼顾，加快水土保持建设，以解决我国水土流失等生态问题。

4）发展绿色经济，严格排污管理，加强水资源保护，维护河流健康，以解决我国水污染的问题。

十年来，可持续发展水利已经取得明显成效，具体体现在：构建长江防洪体系、缓解黄河断流、规划实施南水北调工程、修订实施新的水法、建设节水型社会、维护河流健康、推进民生水利建设、实施最严格的水资源管理制度（用水量控制与排污总量控制）等。新的可持续发展治水思路与水利发展框架已初步确定，今后的主要任务是在新的时代背景下不断丰富、深化、完善和落实。

2 水利科技的发展，更加重视宏观问题的探索，在更大的空间尺度和时间尺度上研究水的迁移、演变规律，特别是水与生态系统及社会经济之间的相互关系。

对于河流的研究已经不仅仅是水文学或者水力学意义上的河流，而是一个具有生命的流动的的生态系统。河流也不仅仅是孤立的自然河流，而是与人类社会经济交织在一起的自然－社会－经济复合生态系统的一部分。

3 、学科间的交叉、融合、渗透，新的边缘学科的产生，将是当今水利科技发展的重要特征。

由于水既具有自然属性，又具有经济属性和社会属性，单纯研究水的自然属性，就水论水，已经难以解决水科学领域中的复杂问题。仅仅就水论水，难有重

大突破。

1）自然科学与社会科学的交叉，科学与技术的融合已经成为科技发展趋势。在水科学中，广泛吸收生态学、环境科学、气象学、农学以及社会学、经济学、法学和管理学的知识，发展新的边缘学科和交叉学科，鼓励多种技术的开发集成，将极大加快水利科技的发展。

2）水问题本质上是综合性的，涉及水的自然属性和经济、社会以及人文属性，因而水问题的解决也应该是综合性的，研究范畴包括水问题、水系统和水管理三个核心问题。

3）水问题是指人类社会与经济发展进程中出现的人水关系不和谐现象及其对社会经济与生态环境的影响。水问题的科学基础是指导致水问题形成与发展的人文因素与自然因素相互作用的模式、机理、过程和效应。水利则是调整人水关系进而解决水问题的理论、技术和实践的综合。

4）水系统是指流域地表水、地下水、土壤水、大气水和生态系统的水，通过水循环动态地联系在一起，形成的流域水系统。洪水与干旱是流域水系统的极端变化，流域缺水、水体污染和水生态系统退化三大水问题本质上也是大规模人类活动引起的流域水循环及其伴生过程的异样变化，水利工程是人类开发活动对流域水系统的作用与扰动。

5）水管理是指对水系统实施科学管理，旨在研究流域水系统的历史演变规律、现代变化特征和未来变化趋势，揭示引起变化的原因，探讨实施适度调控的理论与策略，构建水资源高效利用的政策体系、管理机制和技术系统，实现水资源的可持续管理。

4 高新技术的应用将极大改变水利科技的面貌。

20世纪 70年代末开始的计算机应用，使水利科技的研究手段大为提高。预计未来10年，信息技术和其它高新技术的应用，会使水利科技的认知能力、调控能力和辅助决策能力发生质的变化。

5 创新是水利科技发展的动力

面对严重的全球水危机，各国都在立足创新，发展新理论，创立新模型，开发新技术。水科学发展日新月异

我国的水问题的难度在世界上是独一无二的，因此要在学习借鉴发达国家的

科技成果的同时，更加注重我国的国情、水情，创造符合我国国情的水科学理论体系和水工程技术体系，拥有更多的自主知识产权和原始创新成果。

二、主要内容

1水资源的可持续利用

1）问题背景及其重要性

水既是基础性的自然资源和战略性的经济资源，又是生态环境的控制性要素。水资源短缺和时空分布不均是我国的基本国情。我国水利发展的现状与经济社会可持续发展的要求还有很大的差距。

2）研究现状与存在问题

水文学研究，在科学层面，已从水文循环的单个孤立环节向多尺度耦合过程发展，这是系统观点在水文学中的反映。面向可持续发展的水资源价值观和方法论的提出与初步形成，标志着水资源学科开始步入其初步成熟阶段。我国水文水资源研究取得了很大成就，但与世界先进水平相比，仍有一定差距。

3）水资源持续利用与社会持续发展的战略思考

首先要建立节流-建立型社会、节水型农业、节水型工业、节水型城市；其次要进行开源：一是调水，进行跨流域调水，改变中间地带水分布不均匀的状态比如进行南水北调工程。二是蓄水。三是雨洪资源化，将雨水资源化、洪水资源化、咸水资源化等。

2防洪、抗旱与减灾

1）现状及问题

水旱灾害历来是威胁中华民族生存与发展的最为严重的自然灾害。20世纪的防洪以控制洪水为主要目标，取得了巨大成绩。

但1998年大洪水及其后连年的干旱仍然暴露出我国防洪抗旱体系中的一些薄弱环节。与国外相对比，我国防洪抗旱减灾体系建设、科研计划投入等方面，存在很大差距。

到了21世纪，全社会强调以人为本、可持续发展、人与自然和谐等，人们对防洪工程体系合理布局、科学调度运用、更可靠的风险分担模式等要求大为提高，治水理念也由“控制洪水”转向“洪水管理”，逐步规范人类自身调控洪水的行为，并且努力增强自身适应及承担洪水风险的能力。

今天，在防洪减灾领域，人们思考的问题与追求的目标，已经不在局限于局部地区如何保障防洪安全，减少生命财产损失，维护社会安定与经济的平稳发展，而是深入探讨如何更为合理地处理区域之间、人与自然之间基于洪水风险的厉害关系，争取整体与长远的更大利益，在保障生命安全、减轻财产损失的前提下，通过承受适度分险与洪水资源化等途径来保障供水安全、粮食安全与水生态环境安全，促进经济、社会、环境的协调和可持续发展。

2）战略思考

新时期，人类治水活动，既要遵循自然规律，又要遵循经济社会的发展规律： ✧ 人类的人类治水活动如果违背了自然规律，必将遭致大自然的报复；

✧ 人类的人类治水活动如果违背了经济社会的发展规律，同样将付出沉重的代

价。

水旱灾害是自然与人为因素交互作用的结果：

✧ 水旱灾害的风险特性不仅取决于特定的自然地理环境与极端天气情势的出

现，而且与人类活动密切相关；

✧ 随着经济社会的发展，一方面在洪水与干旱风险区中，人口与资产密度不断

提高及其脆弱性日益显现，导致灾害损失的不断增长，而无节制与盲目的人类开发行为还会危及生态环境，认为加剧水旱灾害的风险；

✧ 另一方面，洪水与干旱具有一定程度的可调控性，这是水旱灾害区别于地震、

火山、飓风、海啸等其它自然灾害的重要特点；

✧ 防御与减轻自然灾害历来是水利建设的重要任务。

3）相关的前沿技术

①防洪抗旱决策支持技术：洪水灾害的形成有孕育、发生、发展、消退的过程, 相应的人类的防洪减灾活动也有预防、预报、预警、抗洪、抢险、救灾与灾后恢复重建等各个环节。在此过程中有许多风险与不确定因素会对决策产生影响。为配合国家防汛指挥系统的建设, 防洪减灾研究所成立之初就设立了“防洪决策支持技术研究室”。该室与相关研究室及外围合作单位协作, 承担完成了一批不同层次的决支持系统的研发, 并形成了相应的技术体系。

②防洪工程安全技术：防洪减灾研究所成立之初, 就设立了“防洪减灾工程技术研究室”，涉及堤防工程除险加固、防洪抢险、工程管理与安全评价等关键技[1]

术、防洪工程建设规范与标准, 以及与生态景观相结合的防洪工程建设新技术等研究方向。a) 堤基管涌机理和防治关键问题研究。开展了单层、双层堤基管涌砂槽模型试验, 提出了管涌发展动态模拟的概化数学模型, 开发了相应的有限元计算程序, 实现了管涌发展的动态模拟; 通过国内外相关设计规范和研究现状的分析评述, 对管涌抢险的合理范围和盖重合理宽度等提出了建议; 对悬挂式防渗墙的作用和合理设计进行了研究, 分析和评价了垂直防渗的效果; 推导并给出了双层堤基盖重设计的理论公式, 对盖重设计准则进行了比较研究, 并提出了建议。该项目取得的部分研究成果已在《堤防工程设计规范》的修订中采用。水利部国科司组织的鉴定b) 崩岸防治技术。我国的河、湖岸线崩塌现象十分普遍, 严重威胁防洪大堤和人民生命财产的安全。护岸新技术在科研、设计、施工和新材料等方面都开展了创造性工作, 包括室内模型试验、数值模拟等。c) 护坡新技术。护坡是保证堤防安全的重要单元, 也是堤防除险加固工程中的重要内容。我国许多河道堤防护坡工程存在安全隐患, 或在完建后不久就发生塌滑等问题。通过成因分析, 探讨了护坡结构中垫层与反滤层设计以及波浪作用下护坡整体抗滑稳定计算方法, 对国内外堤防结构设计理念与技术标准、设计规范进行了比较。d) 防洪工程风险评价技术。我国已形成以水库大坝、堤防等工程措施构成的防洪工程体系。但是这些工程有一定的防洪标准, 也会因为自身的安全性给下游造成洪水灾害。工程安全评价是近几十年来的综合评价大坝、堤防等工程措施的安全性及其对下游威胁程度的方法。在水利部重大项目“防洪减灾重大技术问题研究”中, 提出了防洪工程风险评价的内容框架, 对失事概率的估算方法、可靠度计算中随机性的描述及参数获取、防洪工程系统中的风险度的计算、可靠性估算及风险评价的应用、风险标准的制定等关键技术问题进行了探讨, 特别强调了在借鉴发达国家经验的同时, 必须根据我国实际, 制定相应的风险标准。

3 农村水利

1）问题背景及其重要性

农业水利是农村水利的主要内容，它是以农业增产为目的的水利工程设施，包括对农业发展有利的各种水利问题。研究与农业水利工程有关的地表水、地下水、土壤水分的转化、运移过程和溶质转化迁移规律，通过灌溉排水工程设施改善农田水分状况和调节区域水情分布，促进生态环境的良好循环，消除水旱灾害，

利用现代信息化工具和先进的管理方法，科学合理地利用和保护水土资源，为发展农业生产和改善生态环境服务的综合性学科。

2）现状及问题

农业用水一直是我国用水大户，其用水量占国民经济总用水量的70%，长期由于技术与管理水平落后、灌溉设施老化失修、农业用水科技含量与用水效率地下，全国农业灌溉用水率为40－50％，与发达国家80％利用率相差甚远。

3）战略研究重点与重大课题

农业节水方面：

✧ 农田尺度水分高效利用的应用基础研究

✧ 不同尺度节水效果关系研究

✧ 区域水土环境改善及农业用水优化配置技术

✧ 非常规水利用－劣质水资源化灌溉利用技术

✧ 雨养农业区水分的高效利用旱作农业节水体系

✧ 现代高效节水灌溉技术与设备升级

✧ 节水新材料与制剂研制

✧ 作物高效用水的生理学与分子生物学基础

农田排水及农业水环境

✧ 合理协调防洪与排涝的关系研究

✧ 涝渍综合防御工程技术体系研究

✧ 信息技术应用于洪涝渍防御

✧ 盐碱地治理

✧ 田间化肥流失对水体污染的影响及其防治措施研究

灌区现代化

✧ 灌区现代化管理体制机制研究

✧ 灌区用水管理测控技术及设备研究

✧ 数字灌区关键技术研究

✧ 灌区用水实时调度决策支持系统的开发

农村供水

✧ 农村供水工程规模指标体系研究

✧ 工程管理模式及供水水价研究

✧ 农村饮用水卫生技术模式研究和设备开发

牧区水利

✧ 水草畜平衡与草原生态环境容量研究

✧ 牧区水资源合理开发科学配置安全利用关键技术研究

✧ 不同类型草地区域生态需水综合节水关键技术

✧ 牧区人畜供水指标体系及用水安全保障技术研究

✧ 草原生态保护与草地水土保持综合治理关键技术研究

4）相关的前沿技术

“节能型自由侧翻式拍门”技术[2]

目前国内外中小型泵站采用的拍门主要是自由起落式, 这些拍门铰轴多位于管口上方或其附近一般都不能摆脱重力的直接干扰。国内个别泵站也有将拍门安装在出水管口侧壁上的。虽然避开了重力影响, 但在停泵闭门时需要外力配合而且难以做到适时、适度由武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室和湖南力威液压设备有限公司共同研发的一种新型拍门-自由侧翻式拍门较好地解决了这些问题。

4 南水北调工程

1）调水工程宏观决策和长远发展的关键技术研究

✧ 为满足国家长远发展的需求，全国范围跨流域调水、优化配置水资源的研究 ✧ 跨流域调水量与受水区当地水资源及水利设施联合补偿调度、提高供水保证

率的研究

✧ 水源地可调水量、对生态环境影响及补偿机制的研究

✧ 节水与调水合理结合和配置的研究

✧ 解决南水北调受水区农业缺水和地下水严重超采问题的研究

✧ 南水北调实施后，黄河流域水资源重新配置的研究

✧ 南水北调工程水价管理制度和价格体系研究

✧ 南水北调水权制度及水市场开发和宏观调控研究

2）东线工程防污治理与安全运行问题

东线工程水污染防治技术及对策研究

东线工程水质水量监测及预警预报系统研究

东线工程运行管理研究

3）南水北调中线工程关键技术问题

✧ 中线工程输水系统风险分析及对策研究

✧ 长距离输水系统水力学研究

✧ 中线调水工程对生态环境的影响研究

✧ 长距离输水系统通信及自动化监控研究

4）西线工程重大关键技术问题

✧ 西线调水对生态环境和社会经济影响研究

✧ 西线特殊环境下的地质勘察技术研究

✧ 深埋超长输水隧洞关键技术问题研究

✧ 高原寒冷缺氧地区工程设计、施工技术研究

✧ 西线调水管理机制和经济评价研究

5）施工过程中的一些前沿技术

“地球物理综合勘探技术”

南水北调西线深埋藏隧洞围岩结构探测工程, 由于工区地处高原, 地形起伏大, 隧洞埋深比较大, 给地球物理勘测工作带来了很大难度。这就需要地球物理工作者找出适合的地球物理方法。对于南水北调西线工程而言, 首先应该考虑的地球探测指标是探测深度。CSAMT 技术探测深度可达1 ～2 km , 并且可灵敏地发现断层, 这有利于解决南水北调西线一期工程中的深埋藏大隧洞的工程地质勘探中所面临的工程技术问题。例如, 可以探测深部构造的发育特征且探测结果具有较高的准确性, 为分析工程地质问题提供基础性资料, 从而很好地指导钻探等勘探手段的野外工作布置, 具有很好的应用前景。

5长江黄河开发治理与生态保护

1）现状与问题

黄河治理与生态保护中的突出问题：

✧ 洪水威胁依然是心腹之患

✧ 水资源供需矛盾十分突出

✧ 黄土高原水土流失严重 [3]

✧ 水环境恶化尚未得到有效遏制

2）指导思想

黄河治理的指导思想是：坚持全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理的原则，实行兴利除害结合、开源节流并重、防洪抗旱并举。把防洪作为黄河治理开发的一项长期而艰巨的任务，把水资源的节约和保护摆到突出位置，把水土保持作为改善农业生产条件、生态环境和治理黄河的一项根本措施。以黄河堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高和努力维系黄河健康生命为战略目标。

3）相关的前沿技术

建立“六水”循环系统的水分运动规律和调控技术，系统研究大气降水与土壤水，引黄灌溉水与土壤水，土壤水与植物水，植物水与大气水，土壤水与地表水，土壤水与地下水等水分运动规律和调控机理，提高水分利用效率。 6水环境与流域生态的保护和修复

1）我国水环境与水生态现状

✧ 江河湖库污染日趋严重

✧ 河湖湿地萎缩、生态功能衰退

✧ 地下水超采与污染严重

✧ 水土流失问题突出

2）本领域水利科技存在的主要问题

✧ 在水环境与流域生态的保护和修复方面缺乏基础性、战略性和原创性研究。 ✧ 在水环境治理的应用技术方面，大多数是引进和消化国外的技术，自主创新

技术能力较差。

✧ 尚未形成完整的水域生态环境监测体系和信息共享机制。

3）对科技发展的需求

✧ 应用基础研究方面：不同流域河流生态恢复目标和任务的确定，水利水电工

程生态环境效应及评价方法研究，城市化发展对土地利用方式的改变所引起的水环境与生态问题的研究，洪水资源利用、防洪减灾与生态保护有机结合，水环境与水生态价值等涉及生态经济学方面的研究。

✧ 技术方法方面：区域和流域尺度上水污染防治体系的建立，城镇生活污水治

理技术、农业非点源污染控制技术及地下水污染治理技术，水资源与土壤资[4]

源的同步高效合理利用与保护，水土保持科学技术体系的建立，生态环境友好的水利水电工程的规划设计方法和调度运行模式，水域生态监测系统技术研究与开发。

4）战略研究重点与重大课题

✧ 流域水生态系统状况分析及发展趋势预测

✧ 与生态友好的水利水电工程技术

✧ 流域水环境保护与生态建设规划方法研究

✧ 水土保持

✧ 流域水污染控制及生态修复的技术与管理

✓ 水管理随着水资源开发利用水平的提高、对水环境的重视，不断进行改

革、发生变化。

✓ 重视地下水的管理，控制对地下水的超采，开展人工回灌地下水；

✓ 推广节水技术，重视提高用水效率；重视废污水的回收利用；

✧ 注重水的生态环境价值与美学价值；重视水利工程对环境造成的负面影响，

并努力恢复生态环境

5）相关的前沿技术

基于河流平衡的技术集成

研究河流的水流、物质流、能量流、生物信息流对生态系统平衡的耦合作用，分析水工程建设的影响和干扰，探讨变化水资源与水工程的水文再调控对生态影响和修复的途径与技术。通过大数据、系统分析及地理信息技术应用，开展河湖工程建设的环境水文和河流生态影响的变化模拟、影响途径和干扰途径识别、耦合影响判定与修复控制体系研究，构建水动力与多介质环境综合模型，全面提升水功能保护和修复的技术支撑水平；借助遥感方法、地理信息技术、景观生态学方法等，研究水干扰影响下的生态系统演变趋势，研究影响的综合性压力-胁迫-结果及反作用等系统评价技术，构建水工程干预、水变化诱导的生态系统影响与调控管理技术；开展敏感目标生物栖息地水干扰及水文关键驱动要素影响途径与作用的研究，重视传统生物学、生态学、水文学、地貌学与现代景观生态的理论融合和学科联合，实现技术和方法创新。

7大坝的环境影响与安全问题 [5]

1）大坝工程的环境问题

截至目前我国已建各类大坝8.5万座，水库总库容近4580亿m 3，这些工程设施在国家社会经济发展中发挥着巨大的保障作用。但是也对生态与环境带来一些负面影响。如何趋利避害，处理好开发与保护的关系，建设与生态友好的水利水电工程，运用已建的水库设施既谋经济效益又兼顾生态效益服务，成为我国水利水电建设面临的紧迫重要课题

2）大坝工程的安全问题

由于建设大坝的历史因素，我国大坝工程存在着大量质量隐患，据1999年统计，我国病险水库约占水库总数的36.3%。亟需建立并完善一套完备的水库大坝风险管理体系。

我国目前对大坝运行的管理已逐渐形成初步、有效的制度。但是，由于我国大坝数量巨大，为数众多的中小型大坝工程并未纳入上述办法的管理范围。病险水库的整治工作重点主要放在工程措施上。大坝安全风险管理研究处于起步阶段。

3）战略研究重点与重大课题

✧ 大坝工程环境评估方法研究

✧ 筑坝河流的生态补偿技术研究

✧ 大坝建设生态补偿机制研究

✧ 大坝风险分析技术研究

✧ 大坝风险处理

8水资源水环境监控系统与信息共享平台

1）发展现状：

在信息采集与工程监控方面，全国水利系统已有50％雨量监测数据和近50％的水位监测数据采集实现了数字化长期自动记录，部分重要水利工程实现了自动监控和远程监控。

在数据库建设方面，在全国范围内基本建成了国家水文数据库系统。

在信息处理方面，流域水资源调度等复杂运算工作已能在计算机上实现，GIS 技术在数据分析与表达方面也有了一定程度的应用。

2）存在的主要问题：

✧ 信息资源不足

✧ 信息共享困难

✧ 信息采集和更新的技术相对落后

✧ 决策支持系统尚待完善

3）战略研究重点与重大课题

✧ 水资源水环境数据共享管理研究

✧ 水资源水环境数据中心建设与发展

✧ 水资源水环境信息网络服务平台建设

✧ 水资源水环境管理决策支持平台与通用软件开发

✧ 水资源环境监测网络优化及信息采集处理关键技术研究

✧ 水利水电工程物联网运计算计算研究

三、结论

1．大力发展水利科技是应对我国水资源与水环境面临危机的必然选择。

2．国家需求是水利科技发展的动力，创新是科技发展的灵魂。

3．在水利水电工程学科发展总趋势是：

1）高度重视水资源的可持续利用

2）高度重视保护水域生态环境

3）高度重视人与自然的和谐

4）当今水利水电工程学科发展的重要特征是学科间的交叉、融合、渗透，新的边缘学科的产生。

5）在新世纪，我国水利水电工程学科立足国家需求，追踪国际科技发展前沿，将有跨越式的发展。

四、参考文献

[1]程晓陶. 防洪抗旱减灾研究进展[J].中国水利水电科学研究院学报，2008，6

（3）：191-198.

[2] 张意. 膜片式可调减压阀[J].中国水利，2007 ：28-29.

[3] 陶波，伍法权，底青云，郭改梅，茅均标. 地球物理综合勘探技术在南水北调工程中的应用[J].中国石油大学学报(自然科学版) ，2006，30（3）：31-35.

[4]房用，蹇兆忠，孙蕾，孟振农，王力，焦其宏，郝广州，梁玉. 黄河故道生态环境综合治理技术研究展望[J].河北林业科技，2005，1：26-28.

[5]连煜，廖文根，石岳峰. 黄河水资源保护前沿技术展望[J].人民黄河，2016，10:93-95.

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