水利水电工程技术及学科前沿

水利水电工程技术及学科前沿

摘要：改革开放30数年，现代化的发展趋势明显加紧，先进的施工措施与技术

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措施和技术进行革新，并将其运用到各类建筑项目

中去，才能抓住机遇，在剧烈的竞争中生存下去。但伴随经济的发展，水利施工

不仅在技术方面不停成熟，在水科学领域，也越来越重视水资源日勺可持续运用、

重视保护生态环境、重视人与自然的友好相处。本文分析了我国水电科学发展现

实状况，选用了水资源可持续发展、南水北调工程等有关内容，论述了它们的现

实状况、问题和深入研究方向，并列举了与其有关日勺某些技术，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，高度重视水资源日勺可持续运用，高度重视保护生态环境，高

度重视人与自然的友好是水科学发展追求的目日勺。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「日勺实践，最主线的是坚持人与自然友好

相处。破解我国水资源的问题，详细针对四大水问题，又对应四个关键要点：

1）给洪水以出路，给河流以空间，科学调控洪水，合理运用洪水资源，从

洪水控制转向洪水管理，以处理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，提高水资源的运用效率与效益，从主线上处理我国水资源短缺的问

题。

3）充足运用大自然日勺自我修复能力，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，加紧水土保持建设，以处理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，以处

理我国水污染日勺问题。

十年来，可持续发展水利已经获得明显成效，详细体目前：构建长江防洪体

系、缓和黄河断流、规划实行南水北调工程、修订实行新日勺水法、建设节水型社

会、维护河流健康、推进民生水利建设、实行最严格日勺水资源管理制度（用水量

控制与排污总量控制）等。新的可持续发展治水思绪与水利发展框架已初步确定,

此后的重要任务是在新的时代背景下不停丰富、深化、完善和贯彻。

2水利科技的发展，愈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，尤其是水与生杰系统及社会经济之间的互相关系。

对于河流日勺研究已经不仅仅是水文学或者水力学意义上日勺河流，而是一种具

有生命日勺流动日勺的生态系统。河流也不仅仅是孤立日勺自然河流，而是与人类社会

经济交错在一起的自然一社会一经济复合生态系统日勺一部分。

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

展的重要特性。

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，已经难以处理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，科学与技术日勺融合已经成为科技发展趋势。

在水科学中，广泛吸取生态学、环境科学、气象学、农学以及社会学、经济学、

法学和管理学日勺知识，发展新日勺边缘学科和交叉学科，鼓励多种技术日勺开发集成,

将极大加紧水利科技的发展。

2）水问题本质上是综合性日勺，波及水的自然属性和经济、社会以及人文属

性，因而水问题日勺处理也应当是综合性的，研究范围包括水问题、水系统和水管

理三个关键问题。

3）水问题是指人类社会与经济发展进程中出现日勺人水关系不友好现象及其

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日勺

人文原因与自然原因互相作用的模式、机理、过程和效应。水利则是调整人水关

系进而处理水问题日勺理论、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

过水循环动态地联络在一起，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行科学管理，意在研究流域水系统的历史演变规

律、现代变化特性和未来变化趋势，揭示引起变化日勺原因，探讨实行适度调控日勺

理论与方略，构建水资源高效运用的政策体系、管理机制和技术系统，实现水资

源时可持续管理。

4高新技术的应用将极大变化水利科技的面貌。

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。估

计未来23年，信息技术和其他高新技术日勺应用，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日勺变化。

5创新是水利科技发展的动力

面对严重日勺全球水危机，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

我国日勺水问题的难度在世界上是独一无二日勺，因此要在学习借鉴发达国家日勺

科技成果日勺同步，愈加重视我国的国情、水情，发明符合我国国情的水科学理论

体系和水工程技术体系，拥有更多日勺自主知识产权和原始创新成果。

二、重要内容

1水资源的可持续运用

1）问题背景及其重要性

水既是基础性日勺自然资源和战略性日勺经济资源，又是生态环境日勺控制性要素。

水资源短缺和时空分布不均是我国日勺基本国情。我国水利发展日勺现实状况与经济

社会可持续发展的规定尚有很大的差距。

2）研究现实状况与存在问题

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应。面向可持续发展日勺水资源价值观和措施

论时提出与初步形成，标志着水资源学科开始步入其初步成熟阶段。我国水文

水资源研究获得了很大成就，但与世界先进水平相比，仍有一定差距。

3）水资源持续运用与社会持续发展的战略思索

首先要建立节流-建立型社会、节水型农业、节水型工业、节水型都市；另

一方面要进行开源：一是调水，进行跨流域调水，变化中间地带水分布不均匀日勺

状态例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）现实状况及问题

水旱灾害历来是威胁中华民族生存与发展日勺最为严重的自然灾害。20世纪

日勺防洪以控制洪水为重要目的，获得了巨大成绩。

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某些

微弱环节。与国外相左比，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。

到了二十一世纪，全社会强调以人为本、可持续发展、人与自然友好等，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规定大为

提高，治水理念也由“控制洪水”转向“洪水管理”，逐渐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日勺能力。

今天，在防洪减灾领域，人们思索日勺问题与追求的目的，已经不在局限于局

部地区怎样保障防洪安全，减少生命财产损失，维护社会安定与经济的平稳发展,

而是深入探讨怎样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，增进经济、社会、环境的协调和可持续发展。

2）战略思索

新时期，人类治水活动，既要遵照自然规律，又要遵照经济社会的发展规律：

令人类日勺人类治水活动假如违反了自然规律，必将遭致大自然的报复；

＜人类日勺人类治水活动假如违反了经济社会日勺发展规律，同样将付出沉重的代

价。

水旱灾害是自然与人为原因交互作用日勺成果：

◊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，并且与人类活动亲密有关；

今伴随经济社会的发展，首先在洪水与干旱风险区中，人口与资产密度不停提

高及其脆弱性日益显现，导致灾害损失日勺不停增长，而无节制与盲目日勺人类

开发行为还会危及生态环境，认为加剧水旱灾害的风险；

令另首先，洪水与干旱具有一定程度日勺可调控性，这是水旱灾害区别于地震、

火山、飓风、海啸等其他自然灾害的重要特点；

e防御与减轻自然灾害历来是水利建设日勺重要任务。

3）有关日勺前沿技术

①防洪抗旱决策支持技术卬：洪水灾害的形成有孕育、发生、发展、消退日勺过

程，对应的人类日勺防洪减灾活动也有防止、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原因会对决策产生影响。

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置了“防洪决策

支持技术研究室”。该室与有关研究室及外围合作单位协作，承担完毕了一批

不一样层次的决支持系统日勺研发，并形成了对应的技术体系。

②防洪工程安全技术：防洪减灾研究所成立之初，就设置了“防洪减灾工程技

术研究室”，波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

术、防洪工程建设规范与原则，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，开发了对应的有限元

计算程序，实现了管涌发展的动态模拟;通过国内外有关设计规范和研究现实状

况日勺分析评述，对管涌抢险的合理范围和盖重叠涯宽度等提出了提议；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日勺理论公式，对盖重设计准则进行了比较研究，并提出

了提议。该项目获得的部分研究成果已在《堤防工程设计规范》日勺修订中采用。

水利部国科司组织日勺鉴定b）崩岸防治技术。我国的河、湖岸线倒塌现象十分普

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发明性工作，包括室内原型试验、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，或在完建后很快就发生塌滑等问

题。通过成因分析，探讨了护坡构造中垫层与反滤层设计以及波浪作用下护坡整

体抗滑稳定计算措施，对国内外堤防构造设计理念与技术原则、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。不过这些工程有一定的防洪原则，也会由于自身的安全性给下

游导致洪水灾害。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日勺措施。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，对失事概率的估算措施、可

靠度计算中随机性日勺描述及参数获取、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荒、风险原则的制定等关键技术问题进行了探讨，尤其强调

了在借鉴发达国家经验的同步，必须根据我国实际，制定对应日勺风险原则。

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重要内容，它是以农业增产为目的的水利工程谀施,

包括对农业发展有利的多种水利问题。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，通过浇灌排水工程设施改

善农田水分状况和调整区域水情分布，增进生态环境日勺良好循环，消除水旱灾害,

运用现代信息化工具和先进的管理措施，科学合理地运用和保护水土资源，为发

展农业生产和改善生态环境服务的综合性学科。

2）现实状况及问题

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乳长期

由于技术与管理水平落后、浇灌设施老化失修、农业用水科技含量与用水效率地

下，全国农业浇灌用水率为40—50%,与发达国家80%运用率相差甚远。

3）战略研究重点与重大课题

农业节水方面：

个农田尺度水分高效运用的应用基础研究

令不一样尺度节水效果关系研究

令区域水土环境改善及农业用水优化配置技术

＜非常规水运用一劣质水资源化浇灌运用技术

令雨养农业区水分日勺高效运用旱作农业节水体系

。现代高效节水浇灌技术与设备升级

◊节水新材料与制剂研制

令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

令合理协调防洪与排涝日勺关系研究

令涝渍综合防御工程技术体系研究

令信息技术应用于洪涝渍防御

＜盐碱地治理

令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

令灌区现代化管理体制机制研究

今灌区用水管理测控技术及设备研究

令数字灌区关键技术研究

令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

令工程管理模式及供水水价研究

令农村饮用水卫生技术模式研究和设备开发

牧区水利

令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运用关键技术研究

＜不一样类型草地区域生态需水综合节水关键技术

令牧区人畜供水指标体系及用水安全保障技术研究

令草原生态保护与草地水土保持综合治理关键技术研究

4）有关的前沿技术

,（21

“节能型自由侧翻式拍门”技术

目前国内外中小型泵站采用的拍门重要是自由起落式，这些拍门较轴多位

于管口上方或其附近一般都不能挣脱重力的直接干扰。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

并且难以做到适时、适度由武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室和湖

南力威液压设备有限企业共同研发的一种新型拍门-自由侧翻式拍门很好地处理

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

令为满足国家长远发展的需求，全国范围跨流域调水、优化配置水资源日勺研究

令跨流域调水量与受水区当地水资源及水利设施联合赔偿调度、提高供水保证

率的研究

令水源地可调水量、对生态环境影响及赔偿机制日勺研究

＜节水与调水合理结合和配置的研究

令处理南水北调受水区农业缺水和地下水严重超采问题日勺研究

。南水北调实行后，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

令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

令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

e中线调水工程对生态环境的影响研究

令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

令西线调水对生态环境和社会经济影响研究

令西线特殊环境下的地质勘察技术研究

令深埋超长输水隧洞关键技术问题研究

令高原寒冷缺氧地区工程设计、施工技术研究

令西线调水管理机制和经济评价研究

5）施工过程中的某些前沿技术

“地球物理综合勘探技术’

南水北调西线深埋藏隧洞围岩构造探测工程，由于工区地处高原，地形起伏

大，隧洞埋深比较大，洽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措施。对于南水北调西线工程而言，首先应当考虑的

地球探测指标是探测深度。CSAMT技术探测深度可达1〜2km,并且可敏捷地

发现断层，这有助于处理南水北调西线一期工程中日勺深埋藏大隧洞的工程地质

勘探中所面临日勺工程技术问题。例如，可以探测深部构造日勺发育特性且探测成果

具有较高的精确性，为分析工程地责问题提供基础性资料，从而很好地指导钻

探等勘探手段日勺野外工作布置，具有很好的应用前景。

5长江黄河开发治理与生态保护

1）现实状况与问题

黄河治理与生态保护中的突出问题：

令洪水威胁仍然是心腹之患

令水资源供需矛盾十分突出

令黄土高原水土流失严重

令水环境恶化尚未得到有效遏制

2）指导思想

黄河治理日勺指导思想是：坚持全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合治理日勺

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

开发日勺一项长期而艰巨的任务，把水资源日勺节省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主线措施。以黄河堤防不

决口、河道不停流、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

叽

3）有关的前沿技术

建立“六水”循环系统的水分运动规律和调控技术⑷，系统研究大气降水

与土壤水，引黄浇灌水与土壤水，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，提高水分运用效率。

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实状况

。江河湖库污染日趋严重

令河湖湿地萎缩、生态功能衰退

令地下水超采与污染严重

令水土流失问题突出

2）本领域水利科技存在的重要问题

令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。

令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：不一样流域河流生态恢复目的和任务确实定，水利水电

工程生态环境效应及评价措施研究，都市化发展对土地运用方式的变化所

引起的水环境与生态问题的研究，洪水资源运用、防洪减灾与生态保护有

机结合，水环境与水生态价值等波及生态经济学方面的研究。

令技术措施方面：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，水资源与二壤

资源日勺同步高效合理运用与保护，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措施和调度运行模式，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

令与生态友好日勺水利水电工程技术

◊流域水环境保护与生态建设规划措施研究

。水土保持

令流域水污染控制及生态修复的技术与管理

/水管理伴随水资源开发运用水平的提高、对水环境日勺重视，不停进行改

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；重视废污水的回收运用；

。重视水的生态环境价值与美学价值；重视水利工程对环境导致的负面影响，

并努力恢复生态环境

5）有关的前沿技术

基于河流平衡的技术集成⑸

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

工程建设日勺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

合影响鉴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，全面提高

水功能保护和修复日勺技术支撑水平；借助遥感措施、地理信息技术、景观生态学

措施等，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-

成果及反作用等系统评价技术，构建水工程干预、水变化诱导日勺生态系统影响与

调控管理技术；开展敏感目日勺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，重视老式生物学、生态学、水文学、地貌学与现代景观生态日勺理论

融合和学科联合，实现技术和措施创新。

7大坝的环境影响与安全问题

1）大坝工程的环境问题

截至目前我国已建各类大坝&5万座，水库总库容近4580亿一,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。不过也对生态与环境带来某

些负面影响。怎样趋利避害，处理好开发与保护的关系，建设与生态友好日勺水利

水电工程，运用已建日勺水库设施既谋经济效益又兼顾生态效益服务，成为我国水

利水电建设面临日勺紧迫重要课题

2）大坝工程的安全问题

由于建设大坝的历史原因，我国大坝工程存在着大量质量隐患，据1999年

记录，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日勺管理已逐渐形成初步、有效的制度。不过，由于我国

大坝数量巨大，为数众多日勺中小型大坝工程并未纳入上述措施日勺管理范围。病险

水库日勺整改工作重点重要放在工程措施上。大坝安全风险管理研究处在起步阶段。

3）战略研究重点