長江水資源保護與利用技術方略

吳志廣?王永強

摘 要：水利科學技術發展和創新是長江大保護與長江經濟帶高質量發展的重要引擎。本文剖析了新時期長江水資源保護與利用科技發展面臨的機遇和挑戰，建立長江水資源保護與開發技術評價方法，評估現有關鍵技術水平并追蹤當前熱點和未來發展趨勢。從水資源節約保護、水環境改善優化、水生態保護修復和水災害風險防控等多目標協同治理角度，梳理相關研究成果及其應用前景，篩選和集成適用于未來長江經濟帶高質量發展的長江水資源保護與利用技術，研究未來10年、20年、30年不同發展階段的長江水資源保護與開發的科技發展規劃、基礎研究和技術研發目標和主要任務，制定“四水”問題系統治理技術體系框架、技術路線圖，提出基于“四水”多目標協同治理的長江水資源保護與利用技術方略，為長江大保護與長江經濟帶高質量發展提供支撐。

關鍵詞：長江;水資源;保護與利用;技術體系;管理機制;技術路線圖

中圖法分類號：TV213? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0601

科學技術是第一生產力，創新是引領發展的第一動力，水利科技發展更是長江經濟帶高質量發展的重要驅動力[1-2]。水資源是水環境、水生態的載體，水資源量的多與少也是洪澇和干旱等災害發生的直接因素[3]，故而，用廣義的水資源保護與利用涵蓋水資源、水環境、水生態和水災害等新老水問題。水資源與土地、能源一樣，是影響經濟發展的基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源[4-5]。隨著全球經濟社會的持續快速發展，當前長江流域處于工業文明向生態文明轉變的過渡時期，處于高質量發展與保護階段，雖然近些年，我國在長江治理與保護方面取得了顯著成效，但由于在工業階段形成的水資源需求慣性和污染累積負荷難以在短期內得到根本改善，長江水資源保護與利用仍然面臨諸多技術難題[6-8]。

長江水資源保護與利用技術方略，是在遵循水科學發展規律的基礎上，結合新時期長江大保護與長江經濟帶高質量發展目標，針對潛在的約束性水問題和流域專項規劃，提出來的水利科學技術發展規劃[9-10]。相關學者和專家研究了不同治水階段的水利科技發展狀況和存在的相關問題[11-16]，從宏觀整體以及各個專業方向給出了發展建議和展望[17]，為水利事業發展提供了戰略支撐，隨著社會經濟的高速發展，尤其是在習近平總書記發表關于長江經濟帶發展的系列重要講話之后，長江水資源保護與利用相關的水利科技發展邁入新的階段，迫切需要進行更為深入的研究和規劃[18-19]，從宏觀、全局角度，深入探討長江水資源保護與利用相關水利科技發展的戰略問題，凝練發展方向、關鍵技術體系與技術路線圖，具有重要的科學意義和戰略價值。

1? 長江水資源保護與利用科技發展的機遇、挑戰和趨勢

1.1? ?面臨的機遇和挑戰

實事求是地理清長江水資源保護利用科技發展中面臨的機遇和挑戰，對從戰略高度制定科技中長期發展規劃是水利科技發展至關重要的核心，對于支撐長江大保護與長江經濟帶發展這一國家戰略的實施，具有重要的科學價值和現實意義。

2016年以來，習近平總書記三次視察長江，主持召開座談會并發表重要講話，擘畫了長江大保護與長江經濟帶高質量發展的藍圖，強調要把全社會的思想統一到“生態優先、綠色發展”和“共抓大保護、不搞大開發”上來，在堅持生態環境保護的前提下，推動長江經濟帶科學、有序、高質量發展，對長江水資源開發保護提出了新的、更高的要求。2021年3月1日，《中華人民共和國長江保護法》正式實施，要求把保護和修復長江流域生態環境放在壓倒性位置，堅持更高的保護標準、更嚴格的保護措施，統籌資源、生態、環境保護與治理，將長江流域資源與生態環境的相關要素、多種價值和服務功能進行綜合平衡。長江水資源保護與利用的相關科技發展受到重點關注，面臨著前所未有的歷史機遇。

變化環境下的長江水資源保護與利用是一個涉及到水與氣候、水與生態、水與環境、水與社會及其聯系的復雜局系統。雖然現階段，長江流域防洪減災體系基本建立，水資源綜合利用體系初步形成，水資源與水生態環境保護體系逐步構建，綜合管理體系不斷加強，長江治理與保護方面取得了顯著成效，且在長江大保護和長江經濟帶高質量發展的背景下，近些年長江流域水生態環境得到較大改善。但是長期以來，由于水資源需求慣性和污染累積負荷難以在短期內得到根本改善，導致經濟社會發展與資源環境承載力失衡和失調，長江水資源保護與利用仍然面臨的諸多技術難題，成為制約長江經濟帶高質量發展的關鍵瓶頸。

1.2? ?研究現狀與發展趨勢

近年來，國內外專家學者圍繞水資源、水環境、水生態、水災害等方面開展了大量研究，提出了解決“四水”問題的關鍵技術，形成了針對不同地域特征和成因的水問題治理模式和技術手段。圖1給出了2006—2020年，國內外關于水系統理論方法、水庫調度、水資源配置、水生態修復、防洪保障、水環境治理以及“四水”協同治理方面的研究論文數量，發現“四水”問題相關研究論文數量逐年上升，特別是水環境治理和水系統理論方法方面。為了評估現有技術的適用性，針對已有技術評價方法存在的偏重于效益和單項技術的問題，從成熟度、先進性和可行性等三個方面構建相應的技術評價指標體系，采用綜合評價方法開展多維度評估，得到結果如表1所示。現有的“四水”治理技術基本可行，但是其成熟度和先進性還有待進一步提升。

通過對中國知網、Web of Science中近15年來收錄的水資源、水環境、水生態和水災害相關文獻進行統計，分析國內外四水治理方面的研究重點和熱點。從“四水”問題研究主題分布圖可知，水資源方面研究重點是承載能力評價技術、水資源優化配置、雨洪資源利用技術和節水技術等;水環境方面研究重點是水污染治理技術、水環境綜合治理、治理對策措施建議等;水生態方面研究重點是生態修復技術、生態環境保護、人工濕地修復等;水災害方面研究重點是暴雨洪水、山洪災害、預警預報等。

與此同時，為保障“維護健康長江，促進人水和諧”的目標，在加強節水和實施重大節水供水工程同時，還必須準確把握經濟規律、自然規律、生態規律，統籌水的全過程治理，有效保護水資源。只有維持了水系的完整性和通暢性、水質的良好性、生態的多樣性，才能提供品質良好的水源和維持人類賴以生存的生態環境，保障經濟社會可持續發展。對于“四水”問題并存且交織耦合的長江流域，“就問題論問題”的單要素、單過程的治理模式，無法根除長江水問題的癥結，往往會出現“按下葫蘆又起瓢”的現象。根據對當前治水思路的理解，對長江水資源保護與利用的相關科學技術發展趨勢進行歸納如下：

（1）單一水問題治理向“四水”綜合治理轉變。需要以山水林田湖草沙為有機整體，統籌全流域水資源、水環境、水生態、水災害，從多專業領域、多時段、多空間尺度來創建長江“四水”問題多維系統治理體系。

（2）單一技術創新向綜合技術集成創新發展。長江治理與保護技術創新正從單點突破走向融合發展，如洪澇災害防御的監測、預報、預警、調控全鏈條技術體系的創新發展。

（3）水利科學技術體系的適用廣度和精度要求更高。更多的治江水利科技要面向全流域、多要素、多過程、全周期，且指標要求更加準確、及時、可靠。

（4）傳統水利科技向數字化智能化轉變。信息技術產業的發展帶動了水利科技的數字化、智能化轉變，通過整合流域數據資源，綜合應用物聯網、虛擬現實與交互式模擬等技術向數字孿生流域方向發展。

2? ?技術框架體系與技術路線圖

深入貫徹習近平總書記視察長江、黃河重要講話精神，學習關于治水、科技創新重要論述，準確把握治水主要矛盾的深刻變化，加快轉變治江科技創新思路，以支撐水利改革發展為目標，以提升水利科技創新能力為主線，堅持“四個面向”，提出技術框架體系與技術路線圖，為“安瀾、綠色、和諧、美麗”四個長江建設提供更加強大的科技支撐和保障。

2.1? ?分類技術框架

長江水系統是由以水循環為紐帶的物理過程、生物與生物地球化學過程和人文過程所構成的有機整體，一方面受到自然和人為兩類驅動因子的外界影響;另一方面，系統內各過程之間也存在著復雜的多向反饋作用。近些年來，在全球氣候變化影響下，隨著長江流域大型水利工程的建成投運，以及長江經濟帶國家戰略的實施，必然導致長江水資源、水環境、水生態和水災害等“四水”問題呈現出新的變化，且“四水”問題之間交織程度日趨復雜，需針對“四水”問題提出相應的技術研發目標和主要任務。

（1）水資源節約與利用技術

長江作為國家水資源配置的戰略水源地，對水資源綜合利用提出了新的要求。為繼續深化和加強對變化環境下水資源演化規律與調控機理等基礎理論問題及相關技術問題的探索和研究，未來時期長江流域需重視的主要關鍵技術方略研究包括：氣候變化條件下的多尺度流域水文氣象預報技術;基于廣義水資源理念的長江流域藍綠水循環演化規律研究技術;長江流域地下水保護與應急利用關鍵技術;長江流域水資源承載風險評估與優化配置;基于新時期水利信息技術優化的水資源利用動態監測、綜合評價與實時調控技術;流域區域節水潛力評估及節水減排關鍵技術;面向水資源全過程精細化管理的長江流域城鄉智慧節水技術;大規模水資源開發利用及跨區域調水等重大工程對長江水資源累積影響與對策;長江流域水資源—糧食—能源耦合協調演化機制;長江流域控制性水工程聯合調度及區域水資源優化配置技術;新形勢下長江河道采砂管理及泥沙資源化利用等方面。

（2）水環境治理與改善技術

水環境健康是水可持續利用和水生態安全的前提與基礎，保持高的活力、有益的組分和強大的恢復力是實現水環境健康的基本內容。為響應國家在新時期“把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護、不搞大開發”的重要方針，促進長江流域水環境健康目標的實現，未來時期需重視的主要關鍵技術方略研究包括：深化發展新時期流域水功能區與水源地保護區的劃分技術體系研究;長江流域典型污染物的輸移規律及防治關鍵技術、流域水環境健康的監控技術及相關標準制定研究;長江流域河湖庫水生態環境健康保障關鍵技術、飲用水水源地水質安全保障關鍵技術;高原河湖治理與保護關鍵技術、變化環境下兩湖綜合治理與保護;新水沙條件下長江干流河道演變規律與綜合治理、長江中下游岸線與洲灘綜合治理修復技術、長江口灘槽長期演化過程及綜合治理等方面。

（3）水生態保護與修復技術

長江流域是魚類資源和珍稀瀕危水生野生動物的天然寶庫，確保長江流域水生態安全對促進人類社會可持續發展，實現自然資源在經濟、社會和生態環境系統的協調、穩定和永續利用至關重要。為促進水生態安全，未來時期需要重視的主要關鍵技術方略研究包括：長江源河湖生態環境演變規律及保護對策、長江流域水土保持關鍵技術;流域開發對水生態環境影響及減緩技術、長江流域河湖生態流量保障體系及關鍵技術、流域控制性水庫群聯合生態調度技術;生態化水利血防關鍵技術、江河湖庫水系連通與生態通道修復關鍵技術;長江流域重要水生生物增殖放流管理及效果評估技術、長江流域多目標魚類洄游通道恢復及關鍵技術、長江源區珍稀特有魚類水生生境保護關鍵技術等方面。

（4）水災害防御技術

隨著全球氣候變暖趨勢的加劇和經濟社會的持續快速發展，旱澇災害突發、多發、頻發的趨勢明顯增強，仍是長江流域水安全保障過程中不可忽視的關鍵問題。為促進防災減災，圍繞旱災防治、洪澇防治、應對氣候變化、環境水文地質災害防治等發展目標，未來時期需重視的主要關鍵技術方略研究包括：長江洪水管理、長江“四水”問題作用機制及演變趨勢、變化環境下多尺度水文氣象預報技術;長江上游堰塞湖災害風險區劃與對策、氣候變化背景下極端洪旱災害及對策、三峽水庫防洪庫容保持及長江中下游防洪布局調整;長江流域大范圍洪旱監測預報技術以及城市洪澇監測預警關鍵技術、極端干旱條件下長江流域應急水源調控技術、流域控制性水工程聯合防洪調度技術;堤岸險情探測預警及智慧防汛與應急搶險技術、流域突發性洪水防治措施與技術體系、長江流域山洪災害監測預警預報關鍵技術及防御對策等方面。

（5）綜合管理機制

為適應未來長江經濟社會高質量發展，解決日益復雜的水資源環境問題，不僅需要系統性的技術支撐，也需要完善的水資源保護利用管理體制機制。流域綜合管理發展主要包括：跨省河湖長制協調監督機制，提出跨不同省級行政區域河湖管理保護的協調管理、技術指標和監督考核制度;流域區域多層級聯合監管機制，建立流域機構與省市相關行政主管部門之間的上下聯動機制和聯席會議制度，信息共享機制，提高長江流域水資源、水環境和水生態等領域的監管能力和水平;流域水生態開發空間管控機制，健全水生態空間開發保護制度，約束和引導城鎮發展布局和產業布局，促進水生態格局優化，探索建立具有南方豐水地區特色的水資源剛性約束制度，建立實施區域差別化環境準入機制;多元化生態補償機制，建立東、中、西部地區水資源水生態保護補償與損害賠償的雙向責任機制，以及跨行政區的糾紛調節機制;流域水資源環境保護市場機制，推動水權交易制度建設，完善水權轉讓運行機制，探索建立河湖廠網一體化機制，實行流域內污水處理廠、污水系統和雨水系統統一運營維護。

2.2? ?顛覆性技術與系統集成技術

全球氣候變化和強人類活動不可避免地改變了流域水循環狀況，導致全球流域水文情勢的急劇改變，給未來水安全帶來了極大的不確定性和區域差異性，傳統地表水資源大規模開發利用以大壩截流、跨流域調水、地下水開采為主要手段，成本高、建設周期長，對自然環境影響較大，且本質上，這些開發手段并未增加區域內地表水資源總量，水資源的開源節流關鍵技術提升受到制約，長江流域發展理念、人水矛盾、治水思路和生態保護意識也發生了顯著變化，亟待研究前瞻性和顛覆性技術以保障未來水資源安全可持續性發展，如可大范圍推廣的，具有地區適應性的節水技術;具有顛覆性且成本低、靈活性高的大規模非常規水資源開發利用技術;應對洪澇風險、適應社會經濟發展的流域生態防洪與洪水資源化利用技術;具有前瞻性的面向中遠期大尺度的“三水”（水資源、水環境、水生態）融合綜合調控技術等。

解決長江“四水”問題，需要綜合考慮單項技術成熟度、適應性和差異化，以及集成技術的綜合效益等方面，對當前單項的水資源節約保護、水環境改善、水生態保護修復和水災害風險防控等多類型技術進行集成，從而形成整體保護、系統修復、綜合整治技術體系，多要素、多尺度、多層次有序推進長江“四水”問題的系統治理與保護。結合已開展的重點專項研發成果，以長江干支流為經脈，以山水林田湖為有機整體，從上中下游統籌和江湖聯動角度，統籌水資源、水環境、水生態、水災害，統籌產業布局、資源開發與生態環境保護，遵循山水林田湖草沙復合系統的整體性、系統性和內在規律性，明晰流域內各相關要素功能聯系及空間影響范圍，考慮現有單項技術的成熟度和集成技術的綜合效益，融合管理、技術、政策、法規、經濟及人文等多學科，從“四水”問題的要素維度、空間維度、時間維度等系統治理角度進行長江流域系統技術集成。

2.3? ?區域需求與科技布局

長江源區地處青藏高原腹地，是氣候變化的敏感響應區和生態環境脆弱區;該區域應以原生態保護為主，重點保護河流、沼澤等高原魚類和水生生物的自然生境，加強流域內沿江城鎮河段水污染治理。長江上游區域水能、礦產、生物資源豐富，但水利基礎設施相對落后，防汛和抗旱問題突出，資源性和工程性缺水問題并存;該區域應把維護良好的生態環境放在突出位置，以水源涵養和生物多樣性保護為重點，加快干支流重點河段、中小河流和山洪災害治理與上游干支流控制性水庫統一調度。長江中、下游（包含兩湖地區）區域水利基礎設施能力強，但經濟發展累積性水資源短缺、水環境惡化、水生態損壞等新老水問題復雜交織;該區域應重點以系統治理長江流域“四水”問題為突破口，加強水工程聯合調度、加強重要江段與河湖等水環境綜合治理、水生態系統修復等技術研究。

2.4? ?總體技術路線圖

長江水資源保護與利用科技發展總體目標是，經過30年的研究，構建適應長江經濟帶高質量發展和長江大保護要求的水資源保護與利用技術體系。具體而言，在水資源、水環境、水生態、水災害、水管理等方面系統認知的基礎上，堅持目標導向、問題導向和需求導向，針對長江治理與保護重點領域的重大核心問題開展研究，以強有力的科技支撐，促進長江大保護工作全面快速向前發展。經全面梳理與科學分析，治江重大科技問題研究分為水旱災害防御、水資源高效利用與節約保護、水生態環境保護、河湖治理與保護、水工程聯合調度、流域綜合管理、水工程建設與運行管理、水利信息技術等八大領域。

目標是至2030年前后，基本解決流域水生態環境治理與修復基本科學問題，重點突破突發性重大水災害綜合防治、水資源優化配置與高效利用、河流環境流量與調控等關鍵技術，形成建立長江流域水資源管理體系的科學基礎。至2040年前后，建成流域天空地一體化全覆蓋感知系統，在水資源精準預測、水安全風險防控、水生生物多樣性恢復、水生態系統管理等關鍵技術有所突破。至2050年前后，解決全球變化下的長江流域水循環演化規律科學問題，在水—生態—經濟復合系統多維調控、水生態系統完整性保護等方面取得突破性進展，實現數字孿生流域的智慧應用。

3? ?保障機制

3.1? ?制定基礎科學研究支持計劃

基礎研究是整個科學體系的源頭，是所有技術問題的總機關。加強基礎研究統籌布局，以應用研究帶動基礎研究，加強重大科學目標導向、突出問題導向、注重方法創新，堅持基礎研究整體性思維，把握基礎研究與應用研究日趨一體化的發展趨勢，注重解決實際問題。優化基礎研究投入結構，依托國家重點實驗室和國家科技計劃等，對關系長遠發展的基礎前沿領域加大穩定支持力度，努力取得重大原創性成果和關鍵核心技術突破。

3.2? ?建立跨學科水系統技術研究平臺

加快支撐系統和平臺建設，流域系統的全要素、全周期、全天候、高精度科學數據是水資源保護與發展研究的依托與支撐，建立長江水系統科學觀測網、長江流域全覆蓋水監測系統，實現流域一體化科學觀測。建立高層次長江實驗室，開發長江流域水系統治理與保護研究平臺，實現集全要素監測、室內模擬、原位實驗及數字模擬一體化的長江流域水系統治理與保護。充分利用這些系統和平臺，開展高水平的研究工作。

3.3? ?建立數字孿生流域科學與應用平臺

為實現對流域的數字化管理與智能決策，建立數字孿生流域科學與應用平臺。通過流域全要素數字化和虛擬化、流域狀態實時化和可視化、流域管理決策協同化和智能化，實現物理流域與數字流域全要素動態實時暢通信息交互和深度融合，以滿足流域水資源保護利用的應用模擬需求，實現流域水系統綜合問題解決從局部到流域系統尺度、從子過程向全過程、全周期、全要素的轉變，為流域水資源保護與利用的科學研究提供科學模擬平臺，為流域水資源管控提供決策支持平臺。

3.4? ?加強創新團隊和創新人才培養

提出經費支持和項目資助措施，合理配置科技創新資源，鼓勵人才自主選擇科研方向、組建科研團隊、開展原創性基礎研究和面向需求的應用研發。注重發揮高層次人才在創新團隊中的核心引領作用，注重學科交叉，提升科技研發、自主創新和解決治江重大關鍵技術問題的能力，探索創新人才培養機制，創建具有國內一流水平的創新團隊和創新人才培養示范基地。

3.5? ?改革和完善科技創新評價制度

進一步深化科技體制改革，探索建立科技創新規劃評估制度，加快科技管理部門由項目管理向科技創新服務的職能轉變。不斷優化創新人才及創新團隊工作機制和培養環境，支持探索完善科研人員薪酬制度、分類考核制度、激勵政策以及人才流動制度，鼓勵創新人才從事科研攻關的工作熱情。依托重大科技問題研究、國家及省（部）級科技獎勵培育申報，培養國際化、多層次、復合型人才，積極推進國家和省（部）級科技創新團隊、人才創新示范基地建設。不斷完善“政—產—學—研—用”協同創新運行機制，努力形成科研機構間合力創新、合作共贏的良好局面。

4? ?結語

近些年，我國圍繞長江水資源保護利用開展了大量的研究和管理工作，取得了顯著的成效，但也必須清醒地認識到面臨的形勢依然嚴峻復雜。長江水資源保護與利用不僅需要解決區域性或單方面水問題的治理技術，更需要整體系統性的戰略對策和技術集成體系研究，并需要完善的管理體制機制作為保障。長江水利科技創新要“頂天立地”，“頂天”就是要有先進的原創科研成果，“立地”就是要讓科研成果走出實驗室，從科學技術到管理模式全方位創新，使得科技與生產真正融合，期望所提長江水資源保護與利用技術方略，可為長江治理與保護提供支撐。由于研究時間有限，長江水問題涉及面廣又異常復雜，仍有較多問題未能充分論述，所面臨未來態勢亦存在不確定性，需要今后開展更為深入的研究。

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收稿日期：2021-12-18

基金項目：國家重點研發計劃項目資助（項目編號：2019YFC04008900）;

中央級公益性科研院所基本科研業務費（CKSF2021486/SZ）

作者簡介：吳志廣，男，正高級工程師，主要從事流域水資源戰略規劃研究。E-mail：wuzhiguang@mail.crsri.cn

Technical strategy of Changjiang River water resources protection and utilization

WU Zhiguang1，2，3? ? ?WANG Yongqiang1，2，3

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;2.Research Center on the Yangtze River Economic Belt Protection and Development Strategy，Wuhan 430010，China;

3. Hubei Key Laboratory of Water Resources and Eco-Environmental Sciences，Wuhan 430010，China）

Abstract：The development and innovation of water conservancy science and technology is an important engine for the conservation of the Yangtze River and high-quality development of Yangtze River Economic Belt. Firstly，the opportunities and challenges faced by the development of science and technology in the protection and utilization of the Yangtze River water resources in the new era were analyzed. And the current key technology level was assessed based on the evaluation method of water resources protection and development technology of the Yangtze River. Then，from the perspective of multi-objective collaborative governance such as water resources conservation and protection，water environment improvement and optimization，water ecological protection and restoration，and water disaster risk prevention and control，the protection and utilization technologies of the Yangtze River water resources suitable for the high-quality development of the Yangtze River Economic Belt in the future were filtered and integrated. Lastly，the technical system framework and technical roadmap for the systematic governance of the four water problems were formulated，and a technical strategy for the protection and utilization of the Yangtze River water resources based on the multi-objective coordinated governance was proposed. The above research can provide support for the protection of the Yangtze River and the high-quality development of the Yangtze River Economic Belt.

Key words：Changjiang River;Water resources;Protection and utilization;Technical system;Management mechanism;Technical roadmap