長三角地區水安全保障技術集成與應用

李云*，周杰，范子武

（水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，南京 210029）

長三角地區水安全保障技術集成與應用

李云*，周杰，范子武

（水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，南京 210029）

1 前言

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。

2 研究目標

項目圍繞長三角地區防洪、水資源供給、水生態環境三個安全，開展保障水安全的基礎理論、關鍵技術、集成應用示范三個層面的研發。在防洪安全方面，揭示強人類活動區域產匯流機理、風浪潮多因子耦合作用機理，結合防洪調度，研發并提交具有自主知識產權的商品化水循環模擬工具。在水資源供給安全方面，研發水資源聯合調度技術和河口徑潮關系預報模型，通過水利工程多目標優化調度和水源地水庫避咸蓄淡調度提高供水保障率，研發一體化移動式海島節能型海水淡化成套裝備和雨洪利用技術，形成覆蓋長三角地區河網、湖泊、河口及海島水資源供給成套技術與示范，實現枯水季節供水保障率提高10%的考核指標。在水生態環境安全方面，研發水網聯合調度技術，重點提高太湖、河網、城市水網等水體流動性，突破城市暢流水質提升技術、多尺度分級智能模擬技術等關鍵技術，滿足河網水體流動性提高10%以上的考核指標。

為實現以上“三個安全”的保障目標，項目重點提出10 項系統性技術解決方案及配套技術。其中服務于防洪安全的有風浪潮作用下潮位動態預報等4 項技術，服務于水資源供給安全的有基于多目標協同的水資源聯合調度等3 項技術，服務于水生態環境安全的有城市河網智能聯合調度與水質提升等3 項技術。

3 研究內容及技術路線

項目擬從防洪、水資源供給、水生態安全三個方面展開研究，并形成一套商品化模擬平臺：

（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。

項目實施的技術路線如下：

擬采用“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，從山丘區、平原河網、河口海岸到海島，通過原型觀測、理論分析、數值模擬、模型試驗、信息技術等手段，圍繞研究重點開展攻關，構建長三角地區水安全保障技術，提高河網水體流動性和枯水季節供水保障率，在太湖流域典型區等地應用示范。

4 預期創新性成果和效益

4.1 理論方面的創新

開展強人類活動區及高度城鎮化地區的水文過程模擬研究，改進現有水文模擬方法。探明變化環境下的水循環演變機理及新型洪災影響機制，填補我國強人類活動區以及（城鎮化群）流域水文和防洪減災研究的不足。

4.2 技術方面的創新

創立一套定量評價長三角地區城鎮化對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水文過程的影響。

完善大型淺水湖泊風生環流模擬相似理論和測控技術，并建立太湖全湖區物理模型，開展太湖水動力特性研究。基于多尺度分級思想和水雨工情等多源數據同化技術，融合人工智能和多線程并行等新算法，提出國際先進的平原河網水動力多尺度分級智能模擬技術，實現長三角地區平原河網多尺度分級水動力全過程快速、精準、自適應模擬。

以自動分潮優化技術、優化臺風預報模型、超級集合化技術為基礎，以河口海岸多因子耦合作用下綜合潮位預報技術和變化環境下咸潮入侵預報技術為核心，實現多系統、多模型復用與集成。

基于水利工程調度及管理現狀，提出太湖流域、區域、城市不同層次的水資源聯合調度多目標體系，構建基于水資源安全保障的太湖流域水資源聯合調度優化決策模型，以目標實現為導向，集成長三角流域、區域、城市多層次復雜江河湖水資源協同聯合調度技術，實現基于多目標滿足的多種調度方案的自動決策優選。

綜合運用現有工程，統籌安排，通過截污控源、河道活水、強化凈化、生態修復、運行管理等綜合措施，實現河網暢流活水和水環境生態系統改善的良性循環，形成典型城市河網水動力智能調控、暢流活水與水質提升成套技術。

4.3 集成方面的創新

針對海島地理分散、規模不一等特點，以100%國產化關鍵部件及設備為核心，開發集裝箱式的節能型一體式海水淡化成套裝備，建立占地節省、運輸方便、應用靈活、操作簡單的制水系統，并在典型海島進行示范應用。

實現各專業模型間的無縫鏈接和系統的開放性和可擴展性，基于山丘區水文模型、平原水網水動力學模型和區域水資源調度模型，集成開發具有自主知識產權的水循環模擬商品化軟件，實現區域水循環的完整模擬，并在長三角地區開展示范應用。

4.4 預期成果和效益

項目擬投資6150萬元，其中中央財政專項經費4000萬元。通過項目的實施，提交商品化的水循環模擬平臺1 套，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10 項，研發出適用海島的一體式海水淡化成套裝備，形成示范區和示范工程5 個，修訂標準1 部，申請國家專利和軟件著作權50 項，發表論文100篇，培養研究生與技術骨干50 名。預期實現關鍵技術、成套裝備和商品化軟件推廣每年約2000萬元直接經濟效益，形成15 億立方米的水資源當量效益。

5 推廣應用前景

項目抓住長三角地區河網水系復雜、城鎮化率高的特點，突破城鎮化背景下防洪、城市河道治理、平原河網與湖泊水動力改善等方面的關鍵技術，結合河口、海島水安全關鍵技術和理論，構建一套平原三角洲地區水安全保障的關鍵技術和理論，不僅預期效益高，而且具有廣闊的推廣應用價值。

圖1 項目技術路線圖

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.04.115

國家重點研發計劃項目（2016YFC0401500）。

*責任作者： 李云（1962—），教授級高工，博士生導師，項目負責人，主要從事環境水力學、通航水力學研究，E-mail: yli@nhri.cn。