南水北调工程重大科技问题立项建议书.doc

南水北调工程南水北调工程 重大科技问题立项建议书重大科技问题立项建议书 河 海 大 学 20012001 目目 录录 概 述.1 南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究.6 南水北调生态环境研究.17 南水北调工程中复杂地质与岩土工程问题的研究.21 南水北调工程重要水工建筑物结构和工程力学问题.27 南水北调工程长距离输水系统的泥沙和水力学问题.36 南水北调工程的可靠性研究及风险决策分析.40 南水北调工程安全监测与反馈分析系统.45 南水北调工程管理信息系统研究.49 南水北调水权、水市场及有关技术经济问题研究.53 南水北调法律问题研究.61 南水北调工程重大科技项目（建议）一览表.64 - 1 - 概概 述述 21 世纪将是人类面临来自人口、资源和环境三大严竣挑战的年代。近代社 会经济的发展和人类活动的加剧，出现了许多国家水资源与社会经济发展的不 相适应、水资源供需矛盾日益尖锐化的局面，据今年 2 月 8 日英国泰晤士报 报导，英国国防部一份题为“未来国防战略情况”报告中称：“全世界将会有 2/3 人口是生活在水资源吃紧的环境之下” 。我国北方地区、尤其黄、淮、 海平原地区业已出现了大范围区域性区的严重缺水，据统计，该地区现已缺水 100 亿 m3，预测到 2050 年缺水将超过 300 亿 m3。伴随发生的现象，如河道断流、 地下水超采、水质污染等比比皆是，这不仅导致生态环境问题，也严重制约了 京津、华北心脏地区的经济社会发展。 我国政府十分关注水资源问题的解决，早在半个世纪以前，就开始着手进 行跨流域调水工程的勘测、规划和研究，通过 50 多种规划方案的比较分析，确 定了南水北调、东西互济的“四横三纵”网络的优化水资源配置格局。对此项 跨地区、跨流域、多目标、多功能的水资源调配工程的建设方针，我国政府在 公开发表的中国 21 世纪人口、环境与发展白皮书中明确表明，中国可持续 发展建立在资源的可持续利用和良好的生态环境基础上；并认为，相对来说， 水资源的持续利用是所有自然资源保护与可持续利用中最重要的一个问题。 南水北调的工程规模巨大，无论是东线、中线或西线，每一条输水工程均 是我国继三峡枢纽工程之后最大的超大型水利工程，每条输水线的流量为 500- 800m3/s，年调水量为 100-150 亿 m3。东线和中线的输水线路长度均在 1000km 以上；西线的输水线路总长度虽不足 1000km 但其开凿的深埋超长隧洞长度超过 100km，另外还要建造 300m 高坝。由此看来，无论是调水的规模，或是调水线 路的长度均超过目前世界上已建的最大调水工程，如此空前硕大的战略性基础 设施工程，要考虑的因素很多，涉及范围很广，面临的耗资、耗时和风险都是 很大的，必须慎重研究，通过立项科研进行充分论证，作出科学的决策和周密 的安排。 南水北调工程不仅规模空前、历时较长，而且尚有大量技术难题有待攻关， 其中有些问题的难度还是前所未有的，涉及到水资源可持续利用与优化配置， 生态环境与水质保护，区域性地质构造与特殊土性态，跨河越岭输水建筑物的 结构、材料、工艺与安全性、可靠性和耐久性，长距离巨型输水系统的水力学 与泥沙问题，安全监控与反馈分析，风险分析以及纷繁复杂的社会、经济与法 律等方面的问题。此外，高新技术开发及其在南水北调工程中多方面的应用也 - 2 - 是一个至关重要的涉及面宽而深的新课题，例如计算机仿真和信息网络系统等 方面技术开发就是一组内容极为丰富、水平很高、意义重大的课题。 根据前一时期我校参加南水北调工程部分课题的科研实践，凭着对当今科 学技术发展水平的了解和认识，以及身为水利工程科研重要力量单位的责任感， 抱着抛砖引玉的态度，提出南水北调工程有关科技关键问题的认识和科研立项 建议书。 一、南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究一、南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究 南水北调水资源管理系统是个典型的多水源、多用户、多目标的大规模动 态系统，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、多因素、高维、非线性、时变 和不确定性等方面的特征。面临如此复杂的特征，水资源调度系统（即确定整 个系统整个运行期的决策过程）必须依赖水文科学与计算机科学、信息科学、 环境工程学和数学等学科的交叉综合研究来建立。首先要建立调水系统在线仿 真模型，然后进行系统的实时优化调度、可持续发展协调、综合风险评估，最 后提出水资源管理决策的支持系统，实现水资源的高效利用与优化配置。 二、南水北调生态环境影响和水质保护研究二、南水北调生态环境影响和水质保护研究 调水工程必然会引起调出区、输水沿线和调入区的生态环境问题，如长江 口海水倒灌和渔业资源变化问题，引水口下游河床和沿岸建筑物的变形稳定问 题，输水沿线和华北地区地下水位的变化对土地盐渍化的影响，渠道渗漏的影 响等。此外水质达标输送保障技术也是十分重要的课题，东线利用京杭运河为 输水干渠向北送水，其淮安以北运河段的水质指标已超过类，如何治理污染 和拦截污水就成为急需攻克的课题，沿线跨省区的平交河道也同样存在水质污 染问题。另一方面，在对南水北调沿线城镇进行大量治污的同时，也将产生大 量的治污尾水（又称中水） ，如何综合利用中水，做到既节约水资源，又减轻污 染，是十分必要的研究课题。为此，必须开展水质达标输送保障技术、污水资 源化技术研究，建立水质自动预警模拟系统，制定环境保护管理体制及法规与 政策。 三、南水北调工程复杂地质与岩土工程问题及其对策研究三、南水北调工程复杂地质与岩土工程问题及其对策研究 南水北调工程地质条件复杂，中线存在有特殊土质问题，如膨胀土段有 140km，黄土段 240km，还有软岩段和采空区；西线存在有区域稳定性、高地应、 高地温等问题；中线又遇有高寒地区的冻土地段等，严重影响渠道的安全施工 和运行。为此必须对上述所列地段的工程地基基础、渡槽或枢纽建筑物基础以 及隧道或高边坡的稳定问题开展研究。 - 3 - 四、南水北调工程重要水工建筑物结构和工程力学问题研究四、南水北调工程重要水工建筑物结构和工程力学问题研究 南水北调工程包含的大型建筑物很多，而且有些是跨越或穿过河道和山体， 如跨过黄河的大跨度渡槽或穿过黄河饱和砂土长距离大直径的隧洞，丹江口大 坝的加高工程，西线高寒地区高达 300m 的大坝等，这些建筑物的基础和工作环 境、结构形式、材料性能以及施工技术均很复杂。为了确保工程的安全、耐久 性和优化，必须专门立项开展关键技术和计算机仿真技术问题的研究。 五、南水北调工程长距离巨型输水系统的泥沙和水力学问题研五、南水北调工程长距离巨型输水系统的泥沙和水力学问题研 究究 南水北调输水线很长，长距离输水必然跨越很多河道，建立交叉建筑物在 所难免，这些交叉建筑物与原有河道之间的相互影响是不可低估的。此外，总 干渠的闸控河道的控制模式及其对河势的影响，长距离输水沿线的渗漏及其影 响等均是不容忽视的问题。为使输水工程能够确保南水北调的输水目标，宜对 输水系统有关水力学和泥沙问题和治导措施，交叉建筑枢纽布置与水沙运动的 相互影响与治导，闸控河道输水能力与治导，长距离巨型输水系统渗漏问题和 防渗措施，降雨入渗对岩土高边坡稳定性的影响等问题专门立项攻关。 六、南水北调工程可靠性研究及风险分析六、南水北调工程可靠性研究及风险分析 鉴于南水北调工程是一项千秋大业、造福子孙的宏伟工程，对输水系统的 可靠性分析和设防标准、风险分析、评估和工程决策优化以及重要复杂建筑物 的抗震可靠分析等问题开展深入分析和研究，以确保工程万无一失。 七、南水北调工程安全监测与反馈分析系统七、南水北调工程安全监测与反馈分析系统 现代大型的水利工程建筑物除了精心设计、施工和科学管理运行外，还必 备一套有效的一流监测系统，该系统应当具有实时、高精度和快速反应等多方 面功能。为此，宜基于神经网络原理建立“在线”和“离线”实时整体式智能 监测和反馈分析系统，以高效和快速监测和评判南水北调主要建筑物的安全状 况，及时发现不安全因素，提出决策措施，防患于未然。确保工程的安全运行 和最佳效益。此外还可为设计、施工及时反馈信息，改善设计和施工的质量和 效益。 八、南水北调工程管理信息系统研究八、南水北调工程管理信息系统研究 巨大的水利工程在建筑及运行中，必将产生庞大的海量数据和资料，需要 精心整理、合理存储和有效使用，这对工程的建设、运行和管理至关重要。为 此，研究借助计算机图形技术、虚拟现实技术进行“实景”仿真，谋求管理有 序、投资省、见效快的研究是很有必要的。如调水工程数据库的建立，施工管 - 4 - 理信息系统的开发与应用研究对南水北调工程就极具现实和经济意义。 九、九、南南水水北北调调工工程程涉涉及及的的水水权权、水水市市场场及及有有关关技技术术经经济济问问题题研研究究 水权和水权市场问题目前在世界上还处在探索和完善阶段，对水权的内在 机理、具体可行方法还缺乏系统的研究，关于水权市场的政府调控机制还是空 白。为了确保南水北调水资源优化配置，必须引入市场经济的基本理论，通过 调水水权的确立和交易，确保输水工程的良性运行以及利益相关者的福利增进。 因此对水权问题和跨流域调水市场体系的研究是迫在眉急的课题。此外，新土 地管理法的实施对南水北调工程投资需求有很大的影响，也需专门立项研究。 十、有关的法律和政策问题十、有关的法律和政策问题 南水北调工程涉及的法律问题很宽，当务之急是水权及相关的水市场、水 价问题、环境法问题、移民安置问题、建设和运营的公司法和合同法以及水资 源和工程管理中的行政执法等问题。 河海大学是以水利为特色，工科为主，文、理、经、管、法等各学科协调 发展的全国重点大学，是首批被列入国家“211 工程”建设的高校之一，多年 来承担以水利工程为主的各类科研任务。自 80 年代以来，结合南水北调东、中、 西线工程课题开展了多学科的综合交叉研究，提供了一批具有工程价值的成果。 此外，通过“七五” 、 “八五”和“九五”国家科技攻关实践，极大地提高了科 研攻关的水平，充实了现代的研究手段，壮大了多学科交叉联合攻关的科研攻 关群体，所出的科研成果多次获得国家级和省部级科技进步奖，发挥了“水文 学及水资源” 、 “岩土工程”国家重点学科和“水资源开发利用国家专业实验室” 的国家级作用， “教育部水电工程安全工程研究中心” 、 “水工结构与工程力学” 、 “水力学及河流动力学” 、 “计算机及其应用”等 9 个部省级重点学科的行业部 门使用。为使下一步我校能够更好地参与南水北调工程的科研攻关工作，学校 专门成立河海大学服务南水北调工程领导小组和工作组办公室，充分发挥院士、 资深的和中青年专家教授领头的各学科群体梯队的优势，群策群力为南水北调 工程提供优质服务多作贡献。 - 5 - 南水北调工程南水北调工程 重大科技问题立项建议书重大科技问题立项建议书 南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究 - 6 - 河河 海海 大大 学学 南水北调在线仿真模型南水北调在线仿真模型 及可持续利用系统研究及可持续利用系统研究 一、必要性一、必要性 1. 南水北调势在必行南水北调势在必行 我国北方地区水资源与土地、矿产等资源组合不协调，水资源与社会经济 发展布局不相适应，随着国民经济的快速发展，缺水现象日益突出，已经成为 制约国民经济与社会发展的瓶颈。北方地区缺水突出表现为京津冀鲁地区水资 源严重不足和西北地区绿洲经济发展与生态环境保护难以协调等。 我国北方地区人均水资源占有量只有 737m3，明显低于出现严重缺水的警戒 线（少于 1000m3） ，特别是海滦河流域人均占有水资源量仅为 358m3，是全国平 均数的 15%，比 1997 年全国的人均用水量还低近 100m3。人均占有水资源量的 不足，使北方地区的用水紧张情况将长期存在。 根据对我国水资源 2030 年和 2050 年的供需平衡分析，黄淮海流域特别是 黄河下游的黄淮海平原地区，是我国最缺水的地区。在过去的年代，这里的许 多地方，特别是黄河以北的海河流域，通过超采地下水和利用未经处理的污水 维持了经济的增长。据海河水利委员会统计，海河平原 1998 年超采地下水 55 亿 m3，全流域废污水排放量 63 亿 t，除排放入海 5 亿 t 外，其余或被利用或蒸 发渗入地下。据不完全统计，约有 20 多亿 t 废污水被用于灌溉。地下水超采最 严重的是沧州、衡水和津浦铁路沿线地区，该区的浅层地下水绝大部分为不可 利用的咸水和微咸水，多年来超采的是很难再生的含氟的深层地下水，据 2000 年有关方面的分析，深层地下水耗竭的时间将为 1015 年。太行山麓的京广铁 路沿线，由于城市和工业大量抽取地下水，也造成浅层地下水的大面积区域性 漏斗。由于水资源的过度开发和污染不加防治，许多地方有河无水，有水皆污， 洼淀枯竭，造成严重的环境问题。预测到 2030 年，经充分挖潜和利用当地水资 源，采用节水和污水回用等多种措施和考虑了目前引黄和引江的水量后，在地 下水不再超采的情况下，黄淮海平原地区缺水量仍将达到 150 亿（平水年） 300 亿（枯水年）m3。考虑到生态环境的用水，缺水量将在 300 亿以上。南水 北调势在必行。 - 7 - 2.2. 系统管理空前复杂系统管理空前复杂 南水北调水资源管理系统是一典型的多水源、多用户、多目标的大规模系 统，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、因数众多、高维、非线性、时变、 和不确定性等特征。 从实际系统管理内涵的属性来看，主要有以下特点： 首先是两类用水户的不同要求。一类用水户是城市和工业，它们实际需要 的供水量并不很大，但要求很高的供水保证率，其供水工程属于非公益性；另 一类用水户是农业，以及生态环境用水，它们需要的供水量较大，但对供水保 证率的要求不严格，其供水工程应为半公益性（农业）和公益性（生态环境） 。 其次是来水和需水匹配的不够稳定。如水源区汉江的水量有限，年际水量 差别很大，丹江口水库即使加高大坝也不能做到多年调节；而受水区海河平原 属于干旱的半湿润区，年际降水的差别很大。两区的水文资料表明，大约一半 年份需水和供水很匹配或比较匹配；其它年份有时来水多而需水少，有时需求 大而来水不足。 三是两类水源联合利用的要求。一是当地水资源，另一是调水资源，两类 水源应如何进行互补，实现联合利用，以最大程度实现受水区的持续发展。 四是东线、中线和西线工程的互补运行。考虑到目前分给黄河上游的用水 指标偏低，在东线和中线起作用后和西线工程完成前，作为过渡性措施，可以 利用东线和中线的增补水量，适当取代黄河下游灌区的部分用水，以增加黄河 上游的分水指标。长期来看，要对南水北调与北方水资源实现整体配置与管理。 从实际系统管理方法的属性来看，主要有以下特点： （1）南水北调水资源管理系统是一个复杂的动态大系统，具有规模宏大、 时变或动态、多阶段等特征。水资源调度的根本任务是要决定整体系统整个运 行期的决策过程，系统内任何地点任何工程措施的运用，都有可能影响整个系 统的情势和效益。 （2）水资源调度系统的实时性。南水北调系统的实时性很强，因为只有充 分掌握现时的和预报出未来的来水、需水过程，才有可能利用工程措施来改变 天然来水的时空分布、及时做出科学合理的调水指令。因此必须利用不断更新 的预报信息、前期预报调度的反馈信息、和专家知识，来作出调度决策。 （3）水资源调度系统面临的不确定性和风险性。水资源调度决策面临着众 多不确定性因素的影响，例如来水过程的不确定性、各种不同预见期水文预报 结果的不精确性导致的不确定性、需水情势的不确定性等客观事物本身所包含 的本体论层次的不确定性（即随机性）等。调度决策的结果对国民经济发展和 - 8 - 生态环境的长期安全影响往往很大。 （4）水资源调度决策的多目标特性。水资源调度决策的目标一般包含区域 经济发展和生态环境保护，局部利益和整体利益等诸多方面。这些目标通常存 在着矛盾和竞争，需要在高层次上进行协调，才能保证整体的效益。 （5）水资源调度系统是一个半结构柔性决策问题。水资源调度决策的正确 与否，不但与实时的水情、工情等（定量和定性的、不同属性的）信息直接有 关，还与决策者（或决策集团）的经验、知识、偏好等因素密切相关。这些经 验、知识、偏好和定性信息，具有模糊性和“柔性” （ 例如，决策者对一些目 标的追求和一些约束的要求可能具有模糊性和“柔性” ，允许决策的目标和约束 在一定范围内取值，且不宜被量化。 ） ，从而决定了水资源调度系统是一个定量 与定性、结构与非结构决策相结合的半结构柔性决策问题。 南水北调水资源系统所固有的以上特征决定了对复杂调水系统的运行研究 具有重大意义，是一项需要进行跨学科综合科学技术研究的项目。 二、研究基础二、研究基础 河海大学“水文学及水资源”学科，是在该领域设立的唯一的一个国家重 点学科，设有水利系统唯一的国家级实验室“水资源开发利用国家专业实验室” 。 着重于应用基础研究和高新技术开发，与我国现代化建设紧密结合，对水资源 开发利用、水环境保护、水旱灾害防治与社会经济可持续发展问题展开综合性 研究，对全球变化、数字水文、人类活动影响等问题开展前沿性研究。使水资 源开发利用与人口增长、经济发展和环境保护相协调，为国家现代化建设提供 有关的科学依据。 在基本规律研究方面，创建流域蓄满产流理论，建立新安江流域水文模型， 经过数以千计的实测雨洪验证，在国际上享有较高声誉，1987 年获国家教委科 技进步一等奖。在国内较早提出河道实时洪水预报的水文学方法、水力学方法 相结合的思想，建立了比较完整的包含蓄滞洪区实时洪水预报的方法，并把滤 波技术应用到实时洪水预报之中。建立水文自动化测报系统，并在全国范围内 得到应用。近年来开展大尺度水文模型研究，数字流域与数字水文模型研究， 完成“八五”国家攻关项目，获水利部科技进步二等奖。 在水旱灾害防治研究方面，从 80 年代初开始防洪风险分析与决策的研究。 受南水北调办公室委托，承担了“南水北调中线风险分析”研究。主持水利部 科技基金项目“洪水保险研究” ，取得一批具有开创性的研究成果。参加国家 “七五”攻关专题：长江中下游防洪效益风险分析研究，获水利部科技进步三 等奖。参加国家“八五”攻关专题：长江防洪决策支持系统研究，获国家科技 进步二等奖和水利部科技进步一等奖。 - 9 - 在水资源系统理论研究方面，从大系统观点研究水资源规划管理，更深刻 地揭示水资源系统的本质属性，体现资源开发利用的整体观念，达到资源开发 与生态环境改善与保护的协调。所提出的水资源大系统背景分解协调技术、多 目标非劣解生成方法与最佳协调解获取技术，在科研与应用领域具有较广泛的 指导意义，达到国际先进水平。系统开展了水库防洪调度、发电调度、供水与 灌溉调度、水库航道冲沙、河道防凌，以及综合利用水库调度的基本理论与方 法研究，并在实际工作中得到成功应用。研究了灌区地表水、地下水的水量水 质联合模拟方法，灌区防治土壤次生盐碱化的地表水地下水联合运用方式，在 国内外首次把地下水与包气带盐分运动方程嵌入到灌区水资源管理模型之中， 通过地表水、地下水利用量与利用方式的调控，达到既满足灌区需水量要求， 又防止土壤次生盐碱化的目的，研究成果获内蒙古自治区科技进步奖。目前正 在进行 “江苏省江水北调在线仿真模型与实时优化调度”研究。 在节水灌溉技术研究上，进行水稻节水高产灌溉技术试验研究与应用。通 过调节水分在水稻关键生育期的科学分配，探究水稻控制灌溉情况下的群体特 征和生理生态反应，进一步优化灌溉制度，实现大幅度节约灌溉水量，同时达 到不同程度的增产增收。经长期实验和理论研究，创造性地提出了水稻控制灌 溉技术，并大面积地推广应用于山东、江苏、上海、北京、安徽、湖南、海南、 宁夏等省市区的水稻灌区，累计推广面积 3000 万亩。有关成果引起国内外专家 广泛重视，先后获国家科技进步三等奖、水利部科技进步二等奖，列为国家级 科技成果重点推广计划。承担国家“九五”攻关专题“节水农业技术研究与示 范” ，结合当前我国西北缺水地区主要农作物缺水以及落后的灌溉管理方式的现 状，借助国际先进的研究手段和科学的管理理念，提出非充分供水情况下不同 农作物的节水高效灌溉模式。成果在 1998 年验收时总分居前列，受到有关专家 的一致认可和好评。在水稻、小麦、玉米等主要农作物的灌溉技术和节水农业 技术研究与推广应用领域作出成果。 在国内率先开展了城市水资源研究，通过剖析超前发展的城市地区自然环 境的演变，及其与水文过程的相互作用，来提高该学科研究的前瞻性。在北京 和南京多次主办全国城市水资源研习班，同时编译了一批出版物。如“城市水 文译文集” （1987） ；“城市水文学” （1990） ；“城市发展与水” （1991） ；“美 国城市雨洪模型概要” （1991）等。为我国城市水资源研究作出了贡献。 在水信息技术研究方面，利用 GPS（全球定位仪）和 DFS（双频测深仪）构 成野外平面位置和水深信息采集系统，采用 Arc/Info 地理信息系统分析野外采 集的三维数据，并进行成图和库容计算及断面切割等分析工作，该成果已广泛 用于库容测量、河道监测。在应用遥感数据提取水体分布信息、下垫面植被指 - 10 - 数分布等方面取得了一定的成果，如利用卫星遥感技术进行河南省灌溉面积调 查。近年来紧追学科发展前沿,探索高新技术在水文水资源领域的应用，尤其在 数字化、信息化方面做了一些研究探讨。1996-1998 年在研究西北水资源形成 演变机理时，提出流域数字化水文模型。1995-1997 年研究黄河流域干流水量 联合运用、探索防止黄河断流的运行策略时产生了进行流域水系统一体化模拟 的想法。在研究过程中发现数字技术会给水流模拟技术和防洪系统运用决策带 来新的突破，主要表现在可对多种信息源进行集成利用，能够更深入的描述系 统的细部情况。 三、主要研究内容三、主要研究内容 1.1. 调水系统在线数字仿真模型研调水系统在线数字仿真模型研 信息时代出现的数字技术正促使水资源科学经历一场前所未有的革命，描 述流域面上降雨不均匀性、水资源分布不均匀性和水资源需求空间分布不均匀 性的技术日趋完善，水文科学与计算机科学、信息科学等的交叉促进了水资源 管理的技术进步。 南水北调面临的水问题将涉及一个巨型的水系统。这个系统具有多维集成 性和多层次嵌套性。多维性包括自然水系统的要素维，过程维，社会水系统的 需求维，管理维。各种维之间是互相联系的，必须相互耦合，形成有机整体。 多层次性包括时间尺度层次，空间尺度层次和行政权力层次，各层次之间互相 依赖，必须相互嵌套，形成等级体系。这样的多维多层次系统必然涵盖庞大的 数据集，它们来自不同的信息源，具有不同的属性，不同的时空分辨率。要使 这些数据有效运行，发挥作用，必须要有科学的管理系统，数字化形式的数据 同化系统将是这种系统的主要特征。 （1）数字仿真环境研究 区域径流的产汇流过程、水需求过程，主要受制于下垫面具有空间分布特 征的各种地理、地质、地貌因素和生产布局的制约。在以往的模型中，之所以 对这些方面研究不多，主要是缺乏对这些空间分布信息的采集、分析和处理的 有力工具。在数字区域环境下，充分利用各种因素的空间分布信息，进一步完 善对区域径流及需水过程的模拟，提高预报的精度、增长预见期。同时，把区 域的输水工程、蓄水工程、人口、社会经济等空间分布信息，利用数字技术进 行整合，建立数字仿真环境。 （2）在线水量水质仿真模型研究 在数字仿真环境基础上，基于网络模拟和水动力学原理对南水北调系统的 水文水力状况进行总体模拟，将主干线及其主要支渠、湖泊、水库、涵闸、泵 - 11 - 站等连接起来，直观形象地模拟系统中各种情景下水利工程的运行过程，实现 水位、水量、水质等动态实时监控，为实时调度和可持续利用研究提供基础支 撑。 （3）分布式水资源模拟模型研究 基于数字流域，研究受水区空间分布式的水资源模拟模型，分析当地水资 源可利用量及空间分布。地形是流域模拟的基础，数字高程模型(DEM)是描述 地形的有力工具，由 DEM 可自动推求各种级别的支流和分水岭，可计算出流域 坡面的坡度、河道坡度、河网密度、坡面形心到河网的平均距离等。 （4）分布式需水预测模拟模型研究 重点是对时间、空间上水量分布不均的农业需水量进行预测分析。作物、植被 和土壤等信息源可采用遥感的方法获取，用地理信息系统的方法进行分析和处 理。 2.2. 调水系统实时优化调度技术研究调水系统实时优化调度技术研究 建立多水源、多用户、多目标联合优化调度模型，在来水需水预测的基础 上，进行整体系统联合实时优化调度。充分利用数字环境的技术支撑，建立考 虑复杂水资源管理系统所具有的多目标、不确定性和风险、实时性等特征，并 考虑决策的实时反馈机制、决策者的偏好和专家经验的半结构柔性决策数学模 型。利用数字地形数据、土地利用与土地覆盖数据、社会经济数据等，对多种 方案进行仿真和虚拟；采用动态（多阶段）贝叶斯决策的思想，考虑不断更新 的各种预报信息、实时工情信息、和调度结果反馈信息；选择效益最大、负面 影响最小的方案。 （1）大规模复杂调水系统建模技术研究 研究如何建立大规模复杂水资源管理系统所具有的多目标、不确定性和风 险、实时性等特征，并考虑决策的实时反馈机制、决策者的偏好和专家经验的 半结构柔性决策数学模型。如调度期多站径流过程描述方法。径流过程预报的 特点是，短期即面临时期的过程预报较准确，而由中长期水文气象预报作出的 余留时期即面临时期以后的部分，其精度相对较低。关键问题是如何综合利用 历史信息、短期预报信息、中长期水文气象预报信息、和领域专家知识等各种 信息，对未来调度期径流过程进行描述；如何利用不断更新的各种层次的水情 信息来更新对未来调度期径流过程的描述。再如管理目标的选择和度量指标， 建立多指标综合评价递阶结构体系，使之能反映出南水北调综合运用的效果， 能反映出局部利益和整体利益、社会安定、生态环境等方面的要求。 （2）大规模调水模型的转化和分解优化技术研究 由于在模型中考虑了各种不确定性，特别是径流过程的不确定性等，最终 - 12 - 必须将之转化为某种确定性模型求解。其传统的求解方法是，估计不确定性因 子或随机变量的完全可知概率分布，然后转化成概率平均值意义上的模型求解。 概率平均值法将低概率高损失与高概率低损失等同起来，将决策者对待风险的 态度处理为中立，这在大多数情况下是不合适的。并且，实时调度决策模型中 涉及的不确定性因子，在大多数情况下不能求出完全可知的概率分布，这就需 要寻找新的转化方法。由于是多目标模型，且决策者对其中的一些目标的追求 和一些约束的要求可能具有模糊性和“柔性” ，即决策者允许柔性目标和柔性约 束在一定范围内取值，且不宜被量化，这样，就给多目标决策赋予了“柔性决 策”的新含义。采用大系统分解协调的理论和方法，将复杂的整个调水系统 分解成若干个相对简单的子系统后分别优化，再对各个子系统协调。 （3）大规模调水系统的实时反馈机制研究 开发具有智能化的知识推理和反馈机制的复杂调水系统管理技术。采用动 态（多阶段）贝叶斯决策的思想，考虑不断更新的各种实时信息，实现整体系 统的在线优化。 3.3. 南水北调系统可持续发展协调研究南水北调系统可持续发展协调研究 南水北调所涉及的区域范围大，在利用南水北调工程改变调出区和调入区 水资源条件时，必须以实现区域的长期稳定发展为前提。一个区域是由各种资 源和生产要素组成的多样化的自然、经济综合体，区域发展要充分利用各类资 源，包括自然资源、经济资源、科技人才等，在综合开发中取得生态效益、经 济效益和社会效益的统一。区域开发不只是单纯的水资源利用，而是一个多种 资源相互匹配、多目标反复权衡的综合开发过程。 另外，区域开发总是先集中于若干个生长点大中城市，它们一方面通 过中小城镇向周围的广大农村扩散渗透，另一方面，大中城市之间的经济联系 和相互作用往往又通过交通线而联结成轴线，轴线经纬交织，构成经济网络。 区域中各地区在开发条件、经济技术基础等方面往往存在较大的差异，因而其 开发治理的方向、重点、目标和措施也不尽相同，这就要求区域开发要因地制 宜，实行分区开发，充分利用各地区的优势资源、优势条件建立起类型不同、 各具特色、互相补充的经济格局。 区域开发的目的是社会的繁荣发展。而资源的有效持续利用，自然环境的 稳定与改善，经济的发展（国力的增强，人民安居乐业）是社会发展的主要标 志。大自然给予人类的资源不是无限的，对自然资源的有效综合利用，是对子 孙后代负责的大事；对自然生态环境的保护和治理是关系到人类的生活与生存 环境的重要问题。 （1） 受水区水资源利用与社会经济可持续发展关系研究 - 13 - 用可持续发展的观点，采用系统动力学理论，分析受水区社会经济发展的 长期效应，研究区域发展对水资源的需求和水资源对经济发展的制约关系。分 析工业发展结构、农业种植结构、节水措施等，提出未来社会发展模式，使区 域朝着节水型社会发展。以区域协调发展为基础，协调系统内各地区、各部门 之间的用水矛盾，提出区际分水依据。 （2） 受水区水资源利用与生态环境维护关系研究 生态环境恶化是北方缺水地区面临的主要问题之一，研究生态系统维持和 改善的临界阈值。利用生态经济学、环境经济学等方法原理，研究生态环境效 益的定量计算方法，以便能够在经济价值与生态价值之间进行权衡。 （3） 调出区水资源变化与生态环境维护关系研究 研究调出区水资源保证情况、变化情况及其对生态环境的影响，研究生态 系统维持和改变的临界阈值。 （4） 南水北调系统可持续发展预警系统研究 按系统的复杂性和目前的认识水平，要给出一个可持续发展的模式几乎是 不现实的。但是应该而且可能分析影响南水北调系统可持续发展的因素，选择 关键因子，设计定量指标，建立监控制度，提出评价方法。在此基础上建立南 水北调系统可持续发展的预警指标体系，进行跟踪监控，为保持系统的良好运 行管理提供科学依据。 4.4. 南水北调综合风险评估研究南水北调综合风险评估研究 南水北调系统属于自然因素与非自然因素复合的复杂系统。其中，自然因 素涉及地理特性、河道水系、气象水文等；非自然因素包括输水、分蓄水等工 程系统和非工程措施、社会因素、经济因素等。在此系统中，存在众多不确定 性因子及其相互作用，如水文因子、水流因子、工程因子、 社会经济因子、人 为因子等，影响和决定系统的综合风险。因此，综合风险的评估较简单系统的 风险评估复杂得多。 （1）调水系统风险因子辩识与转化关系研究 在风险辨识和估计的基础上，着重解决各类风险之间相互影响和转化的定 量关系。包括不同风险因子之间的转换(替代)关系，地区之间的风险转换(替代、 补偿)关系等。 （2）长距离输水系统遭遇洪水破坏机遇及综合风险分析研究 南水北调系统穿越我国主要水系，输水路线长、沿线地形和水文情势复杂， 需要分析遭遇洪水破坏的机遇及综合风险。 （3）调水系统风险分析模型研究 南水北调系统的一个突出特点是各种风险因素的关系难于用解析式表达， - 14 - 因此随机模拟技术成为解决这类非结构化问题一种有效途径。在水情、工情的 模拟生成和成灾过程的情景模拟基础上，集成为调水系统风险分析模型，分析 调水系统的风险程度，提出降低风险的途径。 5.5. 南水北调水资源管理决策支持系统研究南水北调水资源管理决策支持系统研究 决策过程包括发现问题、分析问题、制订对策（方案） 、选择方案和实施方 案等阶段。调水决策问题是结构化问题、半结构化问题和非结构化问题的综合。 建立决策支持系统、对决策进行支持的基本策略是支持决策过程，而不是代替 决策或完成决策。 （1）决策支持系统结构体系研究 对决策问题在结构化程度方面进行划分是进行人机任务分解的基础。原则 上，结构化问题可交由计算机完成，这些问题包括信息接收处理、模型计算、 统计分析等。而半结构化问题和非结构化问题则要人机共同完成。这些问题包 括预报制作、对策拟定、方案选择等。对半结构化问题和非结构化问题，系统 应创建决策支持环境，在此环境下系统提供决策所需的信息，提供分析计算的 手段，提供历史范例和经验，启发决策者发现问题，帮助寻求问题的可能解决 途径，辅助制定方案，并对方案后果进行模拟仿真和评价。 （2）决策支持系统软件集成策略研究 对系统软件进行集成，实现运行效率要求，实现各类业务分析处理结果的 精度要求。 四、预期研究成果四、预期研究成果 1.1. 调水系统在线数字仿真模型研究调水系统在线数字仿真模型研究 建立数字仿真环境 建立在线水量水质仿真模型 建立分布式水资源模拟模型 建立分布式需水预测模拟模型 2.2. 调水系统实时优化调度技术研究调水系统实时优化调度技术研究 建立大规模复杂调水系统优化模型 提出大规模调水模型的转化和分解优化技术 提出大规模调水系统的实时反馈机制 3.3. 南水北调可持续发展协调研究南水北调可持续发展协调研究 揭示受水区水资源利用与社会经济可持续发展关系 揭示受水区水资源利用与生态环境维护关系 - 15 - 揭示调出区水资源变化与生态环境维护关系 提出南水北调系统可持续发展预警指标体系和监控系统 4.4. 南水北调综合风险评估研究南水北调综合风险评估研究 揭示调水系统风险因子辩识与转化关系 分析输水系统遭遇洪水破坏机遇 建立调水系统风险分析模型 5.5. 南水北调水资源管理决策支持系统研究南水北调水资源管理决策支持系统研究 提出决策支持系统结构体系 提出决策支持系统软件集成策略 - 16 - 南水北调工程南水北调工程 重大科技问题立项建议书重大科技问题立项建议书 南南水水北北调调生生态态环环境境研研究究 - 17 - 河河 海海 大大 学学 南南水水北北调调生生态态环环境境研研究究 一、开展生态环境研究的必要性一、开展生态环境研究的必要性 南水北调工程是一项跨地区、跨流域、多目标、多功能的水资源调配工程。 中国政府发表的中国 21 世纪人口、环境与发展白皮书已明确表明：中国可 持续发展建立在资源的可持续利用和良好的生态环境基础上。并认为，相对来 说，水资源的持续利用是所有自然资源保护与可持续利用中最重要的一个问题。 因此，水资源保护与可持续利用应是在维护和改善生态环境的前提下开展，使 得经济建设与水资源保护同步发展。 朱镕基总理对南水北调工程强调指出：务必做到先节水后调水、先治污后 通水、先环保后用水。 依据上述指导意见，并结合南水北调工程中线与东线的实际情况，提出以 下生态环境方面需要开展科研的内容。 1.1. 南水北调工程对生态环境影响及减免技术研究南水北调工程对生态环境影响及减免技术研究 不论是水法还是环境保护法，均要求在开发资源的同时，应采取措施保护 生态环境。鉴于南水北调是大流量调水并高位运行，据对东线工程江苏段水质 保护的前期工作以及近 20 多年来对南水北调工程环境影响的研究，我们认为对 调水水源地长江河口区、输水沿线及受益区仍需要开展涉及生态环境问题的研 究，确保工程的可持续利用，惠及子孙后代。 2.2. 南水北调水质达标输送保障技术研究南水北调水质达标输送保障技术研究 依照国家规定，南水北调东线的北调水质应达到地面水环境质量类。近 期对东线江苏段水质现状了解，京杭运河除扬州段基本属类外，淮安、宿迁 和徐州段均已不能满足要求，徐州段则更为严重，多项水质指标超过类。造 成水质超标的主要原因，是大量未经处理或处理未达标的污水任意排入京杭运 - 18 - 河。水质是东线工程的关键问题，也是中线工程必须密切重视的问题。而治理 污染和拦截污水为其症结。 3.3. 南水北调污水资源化技术研究（节水技术研究）南水北调污水资源化技术研究（节水技术研究） 中国可持续发展白皮书指出，水资源保护与可持续利用的总体目标之一， 是积极开发利用水资源和实行全面节约用水。并又指出，城市污水资源化既可 缓解水供需矛盾，又可减轻水污染。所以对南水北调沿线城镇进行大量治污的 同时，也将产生大量的治污尾水（又称中水） 。综合利用中水，既可节约水资源， 又可减轻水污染，开展此项内容研究显然也是十分必要的。 二、工作基础和主要成果二、工作基础和主要成果 河海大学是国内水资源开发利用保护方面专业设置齐全，师资力量雄厚， 设备条件完善的重点大学之一。研究基础好，有长期从事环境水利、水资源保 护、水质监测、环境规划评价和管理以及江河湖库水资源开发利用保护方面研 究的丰富经验，对水环境模拟及预测评价进行过大量工作。项目组完成的有关 课题摘要举例如下：（1）国家“六五” 、 “七五”科技攻关项目“苏州河水污染 综合整治规划” 、 “苏南运河水污染综合整治规划” 、 “运河及典型河网水量、水 质调控研究” ；（2）国家“七五”科技攻关项目“城市污水河口处置技术及管 理信息系统的研究” ；（3）国家“八五”科技攻关项目“感潮江河水质模型及 排污特性研究” ；（4）国家“九五”科技攻关项目“平原河网水系污染物排放 总量控制理论及技术研究” ；通过对太湖流域、长江流域及淮河流域数条河流水 量、水质监测和模拟计算取得了许多重要资料和研究经验。近年来，又开展了 长江流域江苏段水环境容量、江苏排污交易政策、环境经济理论与应用技术等 方面的研究。已建立了有关水资源保护、环境水文、水环境规划评价和管理及 决策支持系统，开发了一系列成熟的水量、水质模型应用软件包。多项成果经 鉴定达到国际先进水平，先后获国家、水利部及江苏省科技进步奖多项。并是 国家环境评价甲级证书持证单位。 对南水北调生态环境研究则早在 70 年末就做了南水北调东线全线水质评价， 又在 90 年代做了汉江下游的水文及生态影响研究。最近正在进行东线江苏段水 质保护对策及治污规划等研究工作。 三、主要研究内容三、主要研究内容 1.1. 南水北调工程对生态环境影响及减免技术研究南水北调工程对生态环境影响及减免技术研究 （1）长江下游河口海水倒灌及其对长江口生态环境影响； （2）长江口渔业资源的影响； - 19 - （3）引水口下游河床稳定性及沿岸水利工程建筑物的影响； （4）长江下游沿岸取水水源地环境影响； （5）调水工程对自然水系系统及沿线地下水环境的影响； （6）华北地区地下水位变化对土地盐渍化的影响及输水渠沿线农田盐渍化 风险分析； （7）用水量增加带来的污水量增加对生态环境影响； （8）渠道外坡及隔离带水土保持研究； （9）调蓄湖泊（洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖）渔业养殖的影响。 2.2. 南水北调水质达标输送保障技术研究南水北调水质达标输送保障技术研究 （1）南水北调沿线治污、截污工程规划 沿线城镇生活污水及工业废水治理工程规划； 沿线农村面源污染治理及管理规划； 沿线水上船舶流动污染源治理及管理规划； 南水北调沿线平交河道水质控制与截污方案 有部分跨省区的平交河道，污染严重，极大影响输水河道的水质，如邳苍 分洪道，卫运河等。至于一般的平交河道仅江苏省就有几十条。这些平交河道 都可能对输水线的水质产生影响。 （2）南水北调沿线区域尾水远距离输送通道（导污工程）必要性及可行性 研究 （3）南水北调沿线治污尾水处理技术研究 上述 2 个问题是考虑在综合利用治污尾水（也即中水）的前提下，对多余 尾水应采取的处置措施。因尾水的水质与类水水质仍有很大差别，如将尾水 再排入输水线，对输水水质可能会产生不利影响。 （4）淮河突发污染对洪泽湖影响及防治技术研究 （5）南水北调输水线路水质保障监控体系研究 水质水环境自动监测系统 本系统采用国际上先进的水质传感器，结合国内先进成熟的无线遥测技术， 构成水质自动监测系统，实现对水质参数的连续监测，中心站计算机在水质超 过污染标准时作出告警。实现流域内大范围河道水域、污水源点的水质污染程 度和排污过程的实时自动监测、报警和洪水预警报。 水质事故预警模拟及系统 该系统主要是针对输水线路发生突发污染事故而建立的，及时对地点、时 间、强度和危害性提出警告。 （6）水质突发事故减免措施研究。 - 20 - 3.3. 南水北调污水资源化技术研究（节水技术研究）南水北调污水资源化技术研究（节水技术研究） （1）污水治理尾水（中水）再利用必要性与可行性研究 （2）中水农田灌溉技术研究 （3）中水作为景观水或其它用途技术研究 （4）中水回用规划 南水北调工程南水北调工程 重大科技问题立项建议书重大科技问题立项建议书 南水北调工程中复杂地质与岩土工程问题的研究南水北调工程中复杂地质与岩土工程问题的研究 - 21 - 河河 海海 大大 学学 南水北调工程中复杂地南水北调工程中复杂地 质与岩土工程问题的研质与岩土工程问题的研 究究 一、研究目的与意义一、研究目的与意义 南水北调工程无论东线、中线，还是西线，都存在不少复杂的岩土工程问 题。这些问题关系到工程的成败，工程的投资，工程的施工进展。不解决这些 问题，工程是无法开展的。这主要有： 1.1. 特殊土问题特殊土问题 南水北调干渠，有相当长的区段通过特殊土地段。以中线为例，膨胀土段 140 多公里，黄土段 240 多公里，还有软岩段。这些土在浸水后会发生显著的 变形和强度降低。渠道通过这些地段，即使采取较好的防渗措施，也难以避免 水的入渗，易于引起渠道的破坏。70 年代，在中线渠首的陶岔，膨胀土上建渠， 渠坡很缓，为 1：6，仍发生了 14 处滑坡。可见渠坡稳定性是这类渠段上的十 分特出的问题。如果这样的渠段都用 1：6 的边坡，不仅工程投资大，也占用大 面积的农田，浪费是很大的，而且还不能保证稳定。那么，这类特殊土究竟有 些什么性质，受力、浸水、变形等方面有些什么规律，如何设计渠道，采取何 措施来防止滑坡和变形破坏等，是工程中必须研究和解决的课题。至于在软岩 地基的地区，浸水会使软岩软化，且随时间增加，强度显著降低，对渠道的稳 定也有显著的影响。 2.2. 高边坡问题高边坡问题 渠道的某些区段切过山岗，要作深开挖，则