【专家视点】李云：长三角地区水安全保障技术研究与应用-k8凯发官网

一、研究必要性

长江三角洲（简称长三角）是中国河网密度最高的地区，通江达海，经济发达，人口稠密，城镇化率高。在复杂变化环境下，洪涝、水资源供给、水生态环境等方面的问题还很突出。如 1999年太湖流域性强暴雨洪涝灾害，2007 年太湖蓝藻暴发引发无锡等城市供水危机，2015 年上海市、南京市、常州市等城市暴雨洪涝，均产生了极大的社会影响和巨大的经济损失；随着城市的快速发展，平原河网区城市水环境恶化已经成为一个亟待解决的民生问题。因此，如何在确保防洪安全的前提下，优化调度水资源、改善河湖水生态环境、提高供水保障率，是保障长三角地区水安全的现实需求和战略研究课题。

长三角是“一带一路”与长江经济带的重要交汇地带，是我国经济发展最活跃、开放程度最高、创新能力最强的区域之一，在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位。随着《长三角城市群发展规划》与长江经济带发展战略的提出，长三角一体化发展也上升为国家战略。2019年5月国务院印发了《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》，明确提出要在长三角“提升防洪（潮）和供水安全保障能力。强化水资源保护与水生态修复”，对长三角的水安全保障提出了更高要求，凸显了长三角一体化发展对于长三角水安全保障国家战略需求。

为落实《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》，水利部组织开展了《长三角区域一体化发展水安全保障规划》的编制工作，明确指出“要建立高标准水安全保障体系，支撑区域高质量发展。要深化区域水利合作，统筹流域区域水利发展，促进区域一体化协调发展。要统筹解决好区域新老水问题。加快完善联防联治的洪涝灾害防御体系，推动建立互联互通的水资源保障体系，大力推进水生态环境保护修复”。体现了长三角水安全保障的重点、难点及问题，也表明长三角水安全保障是水利行业的迫切需求。

长三角地区属平原与丘陵交错地带，但河湖水系多位于平原区，城镇化发展迅速，水网密集，受地势平缓与闸坝阻隔等因素影响，地区河湖水网水势平缓、动力不足，加之区域防洪排涝工程能力不足、水污染负荷严重以及水资源调配调度能力仍显欠缺等原因，地区在水循环演变机理与调控、水资源多目标联合调度、工程影响下水环境变化机理与调控、水生态修复与工程调控等多项理论与技术难题亟待解决，也在一定程度上制约了长三角水安全保障的效果。开展长三角水安全保障理论技术及应用研究，可有效推动长三角水安全保障相关学科的交叉与融合，将为解决上述理论与技术问题提供重要支撑。

综上，通过本项目的研究，以提升长三角水资源安全保障的科技支撑能力为总目标，夯实高城镇化率地区水循环过程理论，突破复杂河网区水资源联合调度、太湖水生态环境改善、重点城市水质提升等关键性技术，形成长三角地区水资源安全保障系统性技术k8凯发官网的解决方案及配套技术并示范应用，提出水循环模拟平台，实现枯水季节供水保障率提高10%、河网水体流动性提高10%以上，支撑中国最大经济体的可持续发展。

二、研究目标

项目以提升长三角地区水资源安全保障的科技支撑能力为总目标，夯实高城镇化率地区水循环基础理论，突破复杂河网区水资源联合调度、太湖水生态环境改善、重点城市水质提升等方面的关键性技术，形成长三角地区防洪安全、水资源供给安全、水生态环境安全系统性技术k8凯发官网的解决方案及配套技术。以提高水体水环境承载能力，长三角地区水安全保障能力显著提升，培育和发展水安全产业，支撑经济可持续发展。提高国家在水资源高效利用方面的创新能力，获得一批知识产权成果，培育一支产学研用创新团队。其考核指标为提交商品化水循环模拟工具，提出长三角地区水资源安全保障系统性技术方案及配套技术，集中在长三角地区开展示范，枯水季节供水保障率提高10%，河网水体流动性提高10%以上。

三、研究内容

针对长三角地区水安全保障面临的问题，国家重点研发计划项目“长三角地区水安全保障技术集成与应用”（2016yfc0401500）以提升长三角水资源安全保障的科技支撑能力为总目标，由南京水利科学研究院牵头，联合河海大学、南京大学、上海勘测设计研究院有限公司、太湖流域管理局水利发展研究中心等15家单位，历时四年，围绕长三角地区防洪、水资源供给、水生态环境三大安全目标，从理论方法、技术体系、平台装备和示范应用层面开展研究，主要研究内容包括：

（1）针对防洪安全面临的城镇化进程加快、强人类活动干预水循环过程进一步发展、河口海岸多因子耦合作用下风暴潮威胁增大等新问题，重点研究产汇流机理、多因子耦合作用下综合潮位效应及水安全影响。

（2）针对水资源供给安全面临的部分水源地水质困扰、枯水季节供水保障率有待提高等问题，开展多尺度水资源联合调度理论、海岛海水淡化与雨洪资源利用技术、河口水源地避咸蓄淡预报技术等方面的研究。

（3）针对水生态环境安全面临的河网水体污染、湖泊富营养化等突出问题，平原河网和浅水湖泊水动力与水环境响应机制、城市水网、平原河网、太湖等重要水体改善水体流动性、提高自净能力和提升水环境的科技需求非常迫切。

（4）根据项目的整体需要，制定一系列软件开发的统一标准，标准化模型接口、方法和数据，实现水文、水力学、水网联合调度等各专业模型间的无缝链接和系统的开放性和可扩展性，开发自主知识产权的商品化水循环模拟平台并应用，为防洪、水资源调度提供技术支撑。

四、技术路线

为实现长三角地区水安全保障技术集成与应用，项目研究采用“基础理论、关键技术、集成示范”全链条设计的研发思路，以太湖为中心，拟覆盖山丘区、平原河网、河口、海岛等不同类型地貌地区，以资料收集、理论研究、技术攻关、集成开发、示范应用为主线，围绕防洪安全、水资源供给安全、水生态环境安全三个方面开展研究。

采用原型观测、现场调研的方式完成气象水文、社会经济、基础地理、水生态环境、工程调度等基础资料的收集，支撑基础理论研究，通过数值模拟、物理模型试验、系统分析、理论分析等手段，开展变化环境下水循环演变机理和效应，平原河网和浅水湖泊水动力与水环境响应机制，河口海岸多致灾因子联合作用机理，多尺度水资源协同调度方面的理论研究。在此基础上，利用 3s（gps/gis/rs）、数据同化、gpu 计算、云计算、人工智能等信息技术，对不同时空尺度的水文-水动力-水资源联合调度模型融合、复杂水网异构模型数据同化、多尺度多层分级智能模拟、大型浅水湖泊全湖区水动力模拟、河口海岸风浪潮作用下水安全保障动态预报、基于多目标协同的水资源联合调度、提高太湖流域供水保障率的水利工程体系联合调度、城市河网智能联合调度与水质提升等关键技术开展技术攻关。

采用标准化模型接口、异构模型耦合技术将山丘及城镇地区水文预报模型、河网水动力多尺度分级模型、太湖三维生态水动力模型、河口海岸风浪潮预报模型、江河湖水资源联合调度模型等异构模型耦合，完成长三角地区水循环模拟系统的研发，实现长三角地区水安全保障技术集成。

结合变化环境下水循环演变机理及关键技术成果，以提升长三角地区水资源安全保障的科技支撑能力为总目标，在长三角水资源调度、城市河网畅流与水质提升、国产化设备的海水淡化成套装备研制方面开展示范应用，达到指南要求的提交商品化水循环模拟平台、枯水季节供水保障率提高10%、河网水体流动性提高 10%等目标。项目的技术路线见图1。

图1 项目技术路线图

五、主要创新成果

本项目创新了长三角地区水循环演变、平原河网和浅水湖泊水动力与水环境响应机制及复杂江河湖多尺度水资源协同等3个理论，攻克了联合调度模型融合、异构模型数据同化、多尺度分级智能模拟、大型浅水湖泊模拟等10项关键技术，自主研发了水循环模拟平台和一体化海岛海水淡化成套装备，形成了长三角水安全保障系统性k8凯发官网的解决方案，为长三角山丘区、平原区、湖泊、河口海岸带、海岛不同空间区域的水安全问题解决提供了理论、技术、平台、装备。

图2 项目主要研究成果

项目取得的主要创新成果如下：

1、理论创新方面

（1）揭示了变化环境下山丘区与高城镇化地区水循环演变机理及新型洪涝影响机制

提出了山丘区基于关键带结构相似的流域水文分类与模型参数确定方法，创建了站网优化的面雨量计算方法，提高了无资料地区水循环过程模拟精度；识别了高城镇化下土地利用及河流水系变化，量化了城镇化发展对下垫面与暴雨洪涝的影响；基于多个水文试验区，建立了圩区内外水量交换、内涝积水退水模拟方法，揭示了城镇化下水文效应及产汇流机制，提高了高城镇化复杂下垫面的水文-水动力模拟精度。

（2）创新了平原河网和浅水湖泊水动力与水环境响应机制

提出了大型浅水湖泊风生流物理模型相似率与参数优化方法，构建了一套适用于太湖流域特征的（长系列、大尺度）水系水环境综合治理措施评价方法；提出了维持河道透明度适宜流速及敏感因子，探明了水动力与水质因子间作用机制与响应关系，创建了河道水体透明度计算方法，确定了河网水动力调控阈值，为水环境提升联控联调平台构建奠定了理论基础。

（3）提出了多层面-多对象-多目标的水资源调度协同调控理论

提出了复杂水系水资源多目标协同准则。剖析了其调度内涵，提出了集合时间与空间的协同策略，构建了联合调度决策指标体系，在理论层面解决多尺度、多目标、多对象的水资源协同调度难题；提出了太湖流域复杂江河湖地区基于可拓物元的优选方法，开发了多目标优选算法，提升了调度决策效率，提高了防洪、供水、水生态环境效益以及经济效益等。

2、技术创新方面

（1）创建了太湖全湖区物理模型与浅水湖泊非定常风流耦合模拟技术

创新研发了断面式风生系统及精细测控系统，建成了首个大尺度太湖全湖区物理模型，创建原型观测-数学模型-物理模型联合模拟技术，模拟了太湖湖区全湖区风生流场；基于物理水槽模型试验，提出了风拖曳系数通用表达式；实现了非定常、非均匀、高精度、长历时风场条件下太湖三维风生流数值模拟，提升了太湖水动力数学模型的精确性、可靠性。

（2）创建了平原河网数据同化与多尺度分级智能模拟技术

突破了模型滚动计算的实时数据同化技术，实现河网初始场自动校正；创建了改进遗传算法的参数动态校正智能辨识技术，提出了基于河网节点分类的水位迭代求解方法，提高了模拟速度与效率；深入剖析平原河网河道特性，制定了多尺度分级模型构建标准；发明了蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，创建了流域-区域-城市-圩区不同时空尺度模型双向嵌套耦合模拟技术；建立了长三角典型区域业务化应用的精细化河网模型；开发了系统整体封装流程、对外服务标准接口，开发了平原水网水动力多尺度分级智能模拟系统，实现基于云平台的模型不同尺度定制服务。

（3）创建了河口海岸风-浪-潮作用下防洪安全预警预报技术

提出了台风路径和风场预报新方法、“预估偏差”集合化技术，提高了台风路径的预报精度；基于合成孔径雷达sar影像，发展了台风参数（台风中心、最大风速半径等）自动提取方法，为优化台风风场预报模式提供依据；采用特征函数分析法（eof），分析了洪水、天文潮、风暴潮、台风浪等多因子耦合致灾机理；研发了河口海岸多模式协同作业实时预报云平台，推广应用于长三角地区的水安全保障业务化预报。

（4）提出了多目标复杂江河湖水资源协同联合调度技术

构建了水资源多目标协同联合调度模型， 研发了联合调度决策系统，支持调度方案集的自动决策优选，破解了复杂江河湖多层面、多对象、多目标协同的水资源联合调度方案优选难题；创建了“情景驱动-方案模拟-多目标协同决策优选”新模式，提出了保障水安全的水利工程体系常规、应急调度技术方案，优化了已建、新建工程调度方案，突破了人工决策存在的局限性。

（5）平原城市河网水动力智能调控的畅流活水水质提升成套技术

建立了典型水系格局的水量分配响应关系，建立了满足水质目标的动态需水量计算方法，破解了河网动力驱动控制节点寻优难题；研发了多源互补的城市河网水质长效保障技术。创建了流域-区域-城区多尺度生态补水模式，提高了补水水源时空适配性与保障能力；研发了闸泵枢纽原位净化-环流分散布水的成套技术，实现高沙水、高藻水、微污染水的高效利用；提出了河网动力重构与水系连通工程调控技术。发明了精准控制水位的活动溢流堰，提出活动溢流堰过流能力公式，实现水动力精细化调控，解决了河网水动力重构难题，统筹了防洪、航运、景观等功能；创建了滞流水体河道底泥稳定与水体修复联动的水质提升技术。揭示了水体有机污染物、溶解氧水平及水体扰动对底泥污染物释放的影响规律，优化了生物激发剂-生物过滤对污染河道修复技术参数，确定最佳停留时间，解决了平原河网半封闭水体的治理难题；建立了闸、泵、堰等复杂水利工程调度控制模型，形成模型调度逻辑库；创建了水质提升调度方案智能优选与自动干预技术，在工控基础上，实现平台调度方案与工程间信息智能交互；自主开发了多要素实时监测-精准模拟-智能互馈的联控联调系统，以实时监测与预报数据为驱动，以模型为核心，以远程控制为手段，科学精准调度，在进博会、常州、苏州落地应用。

3、集成创新方面

（1）研发了新型反渗透膜材料与海岛节能型海水淡化成套装备

优化了设备模块化布置、工艺集成和智能控制技术，突破了高脱硼海水淡化膜制备技术，研发了转子式能量回收技术；研发了国产化中空超滤膜组件、反渗透海水膜元件、转子式能量回收装置，研制了海岛节能一体式反渗透海水淡化成套装备

（2）研制了具有自主知识产权的商品化水循环模拟平台

研发了具有自主知识产权的水循环模拟webgis操作平台，制定了标准化异构模型接口与耦合技术；全面集成了山丘及城镇地区水文预报模型、河网水动力多尺度分级模型、太湖风生流水动力模型、河口海岸风浪潮预报模型、江河湖水资源联合调度模型等，实现了不同时空尺度水文-水动力-水质模型的无缝链接与水安全保障技术应用。

本项目成果已在长三角地区成功应用，建成水环境提升、水资源调度和海水淡化利用共7个示范区，实现了枯水季节供水保障率提高10%、河网水体流动性提高10%以上，形成约15亿立方米水资源当量效益，直接经济效益23亿元，社会与生态环境效益达百亿元以上，显著提升了长三角地区水生态环境和区域综合竞争力，成果已应用推广到长三角上海（嘉定、临港）、南京、无锡、徐州、绍兴、湖州等以及珠三角的广州、深圳、佛山、中山等地区，支撑了长三角区域一体化发展国家战略，应用前景广阔。