健康水平衡構(gòu)建與國土高質(zhì)量保護(hù)利用戰(zhàn)略
高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的思考與建議
- 鈕新強(qiáng) 1, 2 ,
- 吳永妍 1, 2 ,
- 王磊 1, 2 ,
- 顏天佑 1, 2 ,
- 李建賀 1, 2
作者信息 +
Thoughts and Suggestions on High-Quality Construction of National Water Network Project
- Xinqiang Niu 1, 2 ,
- Yongyan Wu 1, 2 ,
- Lei Wang 1, 2 ,
- Tianyou Yan 1, 2 ,
- Jianhe Li 1, 2
Author information +
History +
摘要
實(shí)施國家水網(wǎng)重大工程，加快構(gòu)建國家水網(wǎng)，對全面提升我國水安全保障水平，支撐經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。本文從我國水安全形勢出發(fā)，論述了高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的重大意義，以南水北調(diào)中線一期工程、引江補(bǔ)漢工程和渝西水資源配置工程為例，從規(guī)劃、建造、運(yùn)行3個方面總結(jié)了國家水網(wǎng)重大工程的技術(shù)成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；探討了高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，提出了未來高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向，包括國家水網(wǎng)工程體系構(gòu)建與功效評價、國家水網(wǎng)工程安全智能建造與運(yùn)營維護(hù)、國家水網(wǎng)工程智能調(diào)控等。研究建議，加快推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程建設(shè)，完善國家水網(wǎng)主骨架和大動脈；加快完善區(qū)域水網(wǎng)工程布局，支撐國家重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略建設(shè)；推進(jìn)多網(wǎng)融合示范工程建設(shè)，提升工程綜合效益；推進(jìn)重大水網(wǎng)工程全過程數(shù)字化建設(shè)，提升水網(wǎng)服務(wù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力，助力高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程，為保障我國未來水安全奠定基礎(chǔ)。
Abstract
Developing major projects concerning the national water network and shoring up the construction of the national water network has strategic significance in comprehensively improving China's capacity to guarantee its water security and supporting its high-quality economic and social development. This study first discusses the necessity and urgency of constructing national water network projects based on China's water security situation. Consequently, it summarizes the technical achievements and practical experience regarding the construction from the aspects of planning, construction, and operation, drawing from the examples of the first stage of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project, the water diversion project from the Three Gorges Reservoir to the Hanjiang River, and the water resource allocation project in the west region of Chongqing. Moreover, it explores the challenges in the high-quality construction of national water network projects and proposes several key technological research directions, including the construction principles and effectiveness evaluation systems, intelligent construction and performance maintenance, and intelligent regulation of the national water network projects. Furthermore, the following suggestions are proposed to promote high-quality construction of national water network projects and to guarantee future water security: (1) accelerating the construction of the follow-up projects of the South-to-North Water Diversion Project to complete the main framework of the national water network, (2) optimizing the regional layout of the water network project to support China's major regional development strategies, (3) promoting the demonstration projects that integrate the development of water network with other networks so as to enhance comprehensive benefits, and (4) promoting the application of digital technologies throughout the entire process of the construction and enhancing the water network's ability to serve social and economic development.
關(guān)鍵詞
國家水網(wǎng)工程 / 水資源均衡配置 / 智能建造 / 智能調(diào)控 / 水安全保障
Keywords
national water network project / balanced allocation of water resources / intelligent construction / intelligent regulation / water security guarantee
引用本文
導(dǎo)出引用
一 前言
水安全是國家安全的重要組成部分，關(guān)系到糧食安全、生態(tài)安全、能源安全、產(chǎn)業(yè)安全[1~3]，對促進(jìn)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障居民幸福生活等具有重要意義。2023年，我國發(fā)布的《國家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》提出，加快構(gòu)建國家水網(wǎng)，建設(shè)現(xiàn)代化高質(zhì)量水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步增強(qiáng)水資源調(diào)控能力和供給能力，統(tǒng)籌解決水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害問題，在更高水平上保障國家水安全。
國家水網(wǎng)是具有復(fù)合功效、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由天然河湖水系和水網(wǎng)工程體系組成[4]。按水網(wǎng)在水資源調(diào)配方面發(fā)揮的功能作用，國家水網(wǎng)工程體系可劃分為骨干水網(wǎng)工程和區(qū)域水網(wǎng)工程兩個層次。骨干水網(wǎng)工程主要解決國家水資源宏觀調(diào)控和流域防洪減災(zāi)問題，重點(diǎn)指南水北調(diào)工程；區(qū)域水網(wǎng)工程主要解決區(qū)域性水安全保障問題，如引漢濟(jì)渭工程、引江濟(jì)淮工程、珠江三角洲水資源配置工程、渝西水資源配置工程、鄂北地區(qū)水資源配置工程等。我國已經(jīng)建立起明晰的國家水網(wǎng)總體系統(tǒng)框架、分級實(shí)施路徑[5~8]，在不同層級水網(wǎng)方面因地制宜開展水網(wǎng)建設(shè)，積累了水網(wǎng)工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[9~12]，為構(gòu)建現(xiàn)代化國家水網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，我國國家水網(wǎng)在水平衡健康評價、應(yīng)對變化環(huán)境影響、水資源高效利用、智慧管理等方面[16~18]仍有較大提升空間和諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要從國家水網(wǎng)的整體視角出發(fā)，深入開展重大水網(wǎng)工程建設(shè)研究，提升水網(wǎng)工程體系的整體效能。
實(shí)施國家水網(wǎng)重大工程是完善國家水網(wǎng)總體格局的根本措施，也是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展、經(jīng)濟(jì)體系優(yōu)化升級的重要手段。本文從我國基本水情特征和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求出發(fā)，剖析高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的重大意義；以骨干水網(wǎng)工程中的南水北調(diào)中線一期工程、引江補(bǔ)漢工程以及區(qū)域水網(wǎng)工程中的渝西水資源配置工程為例，從規(guī)劃、建造、運(yùn)行3個方面，總結(jié)國家水網(wǎng)重大工程技術(shù)成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程面臨的主要挑戰(zhàn)，提出建設(shè)國家水網(wǎng)重大工程的重點(diǎn)攻關(guān)方向和發(fā)展建議，為新形勢下國家水網(wǎng)工程體系的科學(xué)構(gòu)建提供參考。
二 高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的重大意義
（一） 緩解水資源時空分布不均，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)均衡
我國水資源短缺且時空分布極不均勻，與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局不匹配。全國近70%的城市群、90%以上的能源基地、60%以上的糧食主產(chǎn)區(qū)位于水資源緊缺地區(qū)。北方地區(qū)以全國19%的水資源量支撐了46%的人口、64%的耕地和45%的經(jīng)濟(jì)總量。我國地表水水資源開發(fā)利用程度已達(dá)42%，其中，海河流域和黃河流域的地表水水資源開發(fā)利用程度甚至超過了70%。近年來，受氣候變化與人類活動等影響，我國水資源演變形勢愈加復(fù)雜[19~21]，如東北沿黃渤海諸河，黃河中游的北洛河，海河區(qū)的灤河、大清河、滏陽河等流域水資源總量減少了20%以上，局部水資源供需緊張形勢更加嚴(yán)峻。我國南方地區(qū)水資源總量較為豐富，但干旱依然頻發(fā)。1991—2020年，西南地區(qū)南部、江南地區(qū)南部、華南地區(qū)東部等的干旱情況呈增強(qiáng)趨勢[22]；2021年，東南沿海地區(qū)的旱情持續(xù)時間長，廣東省、福建省的部分城鎮(zhèn)被迫采取限時、限量、限壓等應(yīng)急供水措施[23]；2022年，長江流域、珠江流域、太湖流域等豐水地區(qū)的氣象水文干旱嚴(yán)重，尤其是長江流域在汛期發(fā)生極端干旱，多達(dá)10個省份的人畜飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水受到影響，長江航道航運(yùn)承載能力減少近20%[24]。我國因干旱造成的年均直接經(jīng)濟(jì)損失超過1000億元[25]。我國水資源時空分布不均、水資源短缺等問題將降低居民生活質(zhì)量，限制地方工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，制約區(qū)域協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施[26~28]，迫切需要高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程，促進(jìn)水資源分布與人口經(jīng)濟(jì)布局、國土資源格局相匹配[29]，全面提升水資源安全保障能力。
（二） 解決生態(tài)環(huán)境累積欠賬，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展
我國北方地區(qū)的地表水資源匱乏，過去長期通過超采地下水、擠占生態(tài)環(huán)境用水等方式來支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造成水生態(tài)環(huán)境的歷史欠賬多，區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)壓力大。根據(jù)第三次全國水資源評價結(jié)果，我國北方地區(qū)的地下水超采量超過1.86×1010 m3。華北平原地區(qū)已形成規(guī)模巨大的地下水位降落漏斗，且近年來局部存在漏斗范圍擴(kuò)大等問題[30]；東北平原作為我國重要的商品糧基地，近20年來地下水開采量有所增加，已引發(fā)土地荒漠化、鹽漬化等生態(tài)環(huán)境問題[31]。
生態(tài)流量是維持河湖生態(tài)系統(tǒng)健康的基本要求之一[32]。然而，目前我國河道內(nèi)生態(tài)流量占比低于40%的河流流域面積約占國土總面積的21.6%，主要位于海河、遼河、西北諸河等流域。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，1980年以來，在流域面積為1000 km2及以上的天然常年有水河流中，有169條河流發(fā)生過斷流，斷流總長度約為1.2×104 km，占相應(yīng)河流總長度的24%。在生態(tài)文明建設(shè)的推動下，我國迫切需要進(jìn)一步完善國家水網(wǎng)工程建設(shè)，加強(qiáng)水系連通，有序?qū)嵤┖雍鷳B(tài)補(bǔ)水、地下水回補(bǔ)等，解決生態(tài)環(huán)境的累積性、長期性欠賬問題，同時防控潛在的生態(tài)風(fēng)險。
（三） 全面提升水安全風(fēng)險防控能力，以更高標(biāo)準(zhǔn)筑牢國家安全屏障
當(dāng)前，受全球氣候變化和人類活動的影響，水災(zāi)害呈現(xiàn)突發(fā)性、極端性、反常性愈加明顯的特征[33]，迫切需要全面提升水安全風(fēng)險防控能力，筑牢國家安全屏障。2021年鄭州市發(fā)生的特大暴雨事件、2023年海河流域發(fā)生的流域性特大洪水等均嚴(yán)重威脅到南水北調(diào)中線工程向京津冀地區(qū)的供水安全。在大江大河流域防洪體系基本建成的背景下，我國重要城市群在應(yīng)對極端降水事件方面，仍然存在工程體系短板、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系不完善、管理能力待提高等問題，亟需通過高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程，構(gòu)建更高標(biāo)準(zhǔn)、更強(qiáng)韌性的水安全保障體系，為中國式現(xiàn)代化發(fā)展提供堅實(shí)支撐。
三 國家水網(wǎng)工程建設(shè)的代表性技術(shù)成果
目前，我國國家水網(wǎng)工程建設(shè)取得顯著成效，已建成世界上規(guī)模范圍最大、受益人口最多的水利基礎(chǔ)設(shè)施體系。本文以南水北調(diào)中線一期工程、引江補(bǔ)漢工程、渝西水資源配置工程為例，總結(jié)國家水網(wǎng)工程在規(guī)劃、建造、運(yùn)行方面的代表性技術(shù)成果。
（一） 南水北調(diào)中線一期工程
南水北調(diào)工程是國家水網(wǎng)的主骨架和大動脈，是實(shí)現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程。2002年批復(fù)的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》中提到，到2050年，南水北調(diào)工程多年平均調(diào)水量將為4.48×1010 m3，其中東線、中線、西線工程的調(diào)水規(guī)模分別為1.48×1010 m3、1.3×1010 m3和1.7×1010 m3[34]。目前，南水北調(diào)中線一期工程已建成通水10年，為沿線26座大中城市、200多個縣（市、區(qū)）經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展提供了有力的水資源支撐和水安全保障，直接受益人口達(dá)1.14×108人。在工程實(shí)踐過程中，南水北調(diào)中線一期工程采用了多流域復(fù)合調(diào)水系統(tǒng)的水資源統(tǒng)籌配置方法、工程運(yùn)行全過程多目標(biāo)精細(xì)化調(diào)控技術(shù)，攻克了工程在不同時空范圍的配水和輸水難題，有效支撐了工程效益的發(fā)揮。
1 多流域復(fù)合調(diào)水系統(tǒng)的水資源統(tǒng)籌配置方法
南水北調(diào)中線一期工程由水源工程、輸水工程、漢江中下游治理工程3個部分組成。在工程規(guī)劃階段，重點(diǎn)研究了從漢江丹江口水庫調(diào)水和從長江調(diào)水兩類水源方案。經(jīng)過生態(tài)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比選，研究提出了近期引漢、遠(yuǎn)期引江的水源工程布局，即近期從大壩加高后的丹江口水庫引水；遠(yuǎn)期根據(jù)漢江流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r、水資源利用程度以及華北平原水資源短缺形勢，相機(jī)實(shí)施從三峽水庫引水的南水北調(diào)中線后續(xù)水源工程。當(dāng)前，南水北調(diào)中線一期工程從丹江口水庫陶岔引水，以城市生活、工業(yè)供水為主，適當(dāng)兼顧生態(tài)與農(nóng)業(yè)用水，多年平均北調(diào)水量為9.5×109 m3；既滿足了不同水平年的供水需求，也滿足水源區(qū)可調(diào)水量的限制要求，兼顧了水源區(qū)生態(tài)安全的水資源需求。
為降低工程調(diào)水對漢江中下游產(chǎn)生的不利影響，南水北調(diào)中線一期工程的研究人員分析了漢江中下游水資源利用特點(diǎn)和河流水動力特性，耦合不同河段的河道外社會經(jīng)濟(jì)用水需求、河道內(nèi)生態(tài)航運(yùn)用水需求等，基于水量平衡原理構(gòu)建了漢江中下游水資源利用的多目標(biāo)優(yōu)化決策模型，提出了“蓄補(bǔ)相濟(jì)”的水資源調(diào)控策略，建立了長江反補(bǔ)漢江的江湖聯(lián)調(diào)方法；通過“以干補(bǔ)支”方式，活化區(qū)域水系，在進(jìn)一步增加丹江口水庫外調(diào)水量的同時，實(shí)現(xiàn)了漢江中下游供水、生態(tài)、航運(yùn)、防洪等多目標(biāo)的聯(lián)合調(diào)控，有效支撐了興隆水利樞紐、引江濟(jì)漢工程、部分閘站改造及局部航道整治4項(xiàng)治理工程的實(shí)施。
2 工程運(yùn)行全過程多目標(biāo)精細(xì)化調(diào)控技術(shù)
南水北調(diào)中線一期工程的科學(xué)調(diào)度是充分發(fā)揮漢江流域優(yōu)質(zhì)水資源效益、提高北調(diào)水對京津冀地區(qū)等受水區(qū)供水保障能力的核心。南水北調(diào)中線一期工程總干渠自陶岔渠首引水至北京團(tuán)城湖，線路總長度為1432 km，沿線布置的輸水建筑物有159座、控制建筑物有295座，其中分水口有97座、節(jié)制閘63座、泵站1座。工程具有水源供水目標(biāo)多，輸水總干渠無調(diào)蓄、控制嚴(yán)、滯后明顯等特點(diǎn)，現(xiàn)階段全天候輸水且運(yùn)行工況復(fù)雜多變，調(diào)度安全保障難度極大。為此，研究人員研發(fā)了南水北調(diào)中線一期工程從水量調(diào)度分配到工程運(yùn)行控制的全過程調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)了水量精確、精準(zhǔn)調(diào)度和工程輸水安全保障。① 通過統(tǒng)籌防洪與興利、流域與工程、水源與用戶的關(guān)系（見圖1），以丹江口水源水庫為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，建立了漢江流域 ‒ 丹江口水源水庫 ‒ 中線總干渠 ‒ 分水口 ‒ 用戶的多對象調(diào)度機(jī)制，研發(fā)了水量多目標(biāo)調(diào)度模型，在漢江來水豐枯變化大、用戶對供水保障要求高的復(fù)雜供水形勢下，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)中線一期工程年度、月度等不同時間尺度的水量精細(xì)化分配。② 考慮用戶的多樣化需求，確定了閘前目標(biāo)區(qū)間水位控制的運(yùn)行方式，形成了復(fù)雜輸水系統(tǒng)水力模擬與運(yùn)行調(diào)度理論，研發(fā)了南水北調(diào)中線一期工程總干渠自動控制模型，構(gòu)建了工程水量調(diào)度系統(tǒng)，解決了閘群精準(zhǔn)調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)時自動化調(diào)度和水資源高效利用，有效保障了受水區(qū)供水安全和工程輸水運(yùn)行安全。
（二） 引江補(bǔ)漢工程
引江補(bǔ)漢工程于2022年7月開始建設(shè)，從長江三峽庫區(qū)引水入漢江，可以提高漢江流域的水資源調(diào)配能力，增加南水北調(diào)中線工程的北調(diào)水量，并為引漢濟(jì)渭工程達(dá)到遠(yuǎn)期調(diào)水規(guī)模、向工程輸水線路沿線地區(qū)城鄉(xiāng)生活和工業(yè)補(bǔ)水創(chuàng)造條件。引江補(bǔ)漢工程隧洞穿越地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜的山嶺地區(qū)，具有超長深埋、地質(zhì)復(fù)雜、超大斷面、有壓輸水的特點(diǎn)，工程建造面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，工程人員研發(fā)了大埋深軟巖隧洞圍巖 ‒ 支護(hù)體系安全控制技術(shù)、隧洞突泥涌水災(zāi)害防控技術(shù)、過活動斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)適應(yīng)性技術(shù)等深埋長大輸水隧洞地質(zhì)災(zāi)害防控成套技術(shù)，有效支撐了工程安全建造。
1 大埋深軟巖隧洞圍巖 ‒ 支護(hù)體系安全控制技術(shù)
在引江補(bǔ)漢工程建設(shè)過程中，工程人員基于隧洞圍巖 ‒ 支護(hù)協(xié)同承載理論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對鉆爆法和敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工的極嚴(yán)重變形洞段，設(shè)置全封閉雙層初期支護(hù)；第一層初期支護(hù)采用讓壓拱架+預(yù)應(yīng)力讓壓錨索等讓壓支護(hù)體系，允許圍巖適度變形，以降低支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載；并擇機(jī)增設(shè)第二層箱型混凝土加強(qiáng)型拱架支護(hù)，提高被動支護(hù)強(qiáng)度。護(hù)盾式TBM采用“預(yù)應(yīng)力錨索+高強(qiáng)管片”措施（見圖2），以解決隧洞開挖營建過程中的巖大變形工程難題。
2 高壓富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克揽丶夹g(shù)
在引江補(bǔ)漢工程建設(shè)過程中，工程人員針對隧洞突泥涌水問題，提出地表灌漿和洞內(nèi)灌漿、常規(guī)超前灌漿和定向鉆灌漿相結(jié)合的綜合處理方案，降低了工程安全、工期和投資風(fēng)險。研發(fā)的地表定向鉆“低壓成孔灌漿+高壓加固灌漿”的兩階段灌漿新工藝，解決了高壓富水?dāng)鄬又袀鹘y(tǒng)定向鉆灌漿工藝灌漿阻塞和升壓的技術(shù)難題。研發(fā)的適用于軟巖破碎帶的泄水減壓裝置（見圖3），解決了破碎帶排水孔易塌孔、反濾土工布易淤堵、反濾性能下降快等問題，整體反濾效果和排水量可顯著提升。
3 過活動斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)適應(yīng)性技術(shù)
針對輸水隧洞過活動斷裂帶，工程人員提出了適應(yīng)斷裂帶錯斷工程特性的“區(qū)域 ‒ 工程”跨尺度評價技術(shù)，獲得了活動斷裂帶的空間展布、分帶特性、位錯特征等基本工程設(shè)計要素；研制了高應(yīng)力區(qū)域隧洞跨活動斷裂物理試驗(yàn)裝置，剖析了跨活斷裂隧洞變形破壞機(jī)制；提出了“緩沖+鉸接”新型抗錯斷結(jié)構(gòu)及其設(shè)計參數(shù)優(yōu)化方法，解決了隧洞結(jié)構(gòu)抗錯斷設(shè)計中缺少定量依據(jù)的難題，為穿越活斷裂帶輸水隧洞的安全建造提供了重要技術(shù)支撐。
（三） 渝西水資源配置工程
渝西地區(qū)位于成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈主軸線上，是重慶市新增產(chǎn)業(yè)和人口的重要聚集區(qū)域。渝西水資源配置工程所在區(qū)域受地理環(huán)境制約，自產(chǎn)水資源短缺，天然河流大多源短流小、生態(tài)脆弱，水資源開發(fā)利用的難度大、成本高；原有取水水源分散，輸配水網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，當(dāng)?shù)仉m已“建蓄引提”了各種規(guī)模水源工程多達(dá)46 837處，但僅有大型水庫1座、中型水庫17座，遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求。渝西水資源配置工程是納入國家“十四五”規(guī)劃綱要的重大水利工程，于2020年12月開工建設(shè)，從長江、嘉陵江提水，向重慶市西部的11個區(qū)縣供水，是重慶市歷史上投資最大、涉及面最廣、受益人口最多的大型調(diào)水工程。渝西水資源配置工程通過創(chuàng)新水資源配置理念和工程運(yùn)用方案，有效支撐了工程規(guī)劃實(shí)施。
1 “以干補(bǔ)支、江庫互濟(jì)”的水資源配置理念
渝西周邊即為長江、嘉陵江、涪江，多年平均過境水資源總量達(dá)3.281×1011 m3。工程人員在規(guī)劃渝西水資源配置工程的過程中，轉(zhuǎn)變過去以新建水庫為主來開發(fā)利用區(qū)內(nèi)自產(chǎn)水資源的思路，提出了充分利用區(qū)域過境水資源豐富的優(yōu)勢，新建長江、嘉陵江骨干提水工程，配合當(dāng)?shù)厮畮煺{(diào)蓄以解決生活工業(yè)用水的方案，將受水區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)先用于滿足生態(tài)環(huán)境用水，通過水量置換實(shí)現(xiàn)“以干補(bǔ)支”，破解渝西地區(qū)工程性缺水難題，支撐區(qū)域綠色發(fā)展。
2 “兩江互備、新老結(jié)合”的多水源運(yùn)用技術(shù)方案
考慮渝西地區(qū)被長江、嘉陵江兩江環(huán)繞的地理特點(diǎn)，通過原水管道連通，實(shí)現(xiàn)“兩江互備”；新建圣中調(diào)蓄水庫作為應(yīng)急水源，兼顧沉沙和生態(tài)調(diào)度，改善工程布置條件。新建水源泵站工程在布局時，綜合考慮長江航道的遠(yuǎn)期航運(yùn)要求、自然環(huán)境、水文條件、泥沙淤積、穿越鐵路交叉建筑物、銜接圣中水庫等因素，保證了工程設(shè)計安全、運(yùn)營維護(hù)方便。統(tǒng)籌長江、嘉陵江等域外水源，新建提水工程以及受水區(qū)當(dāng)?shù)匾呀ā⒃诮�、已�?guī)劃的各類水源工程等要素，構(gòu)建了多水源、多用戶拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見圖4），建立了水資源聯(lián)合配置模型，對1960—2016年水文系列進(jìn)行長系列水資源調(diào)節(jié)計算，最終確定了工程年供水量為1.012×109 m3，在全面保障區(qū)域供水安全的同時，兼顧了工程方案的經(jīng)濟(jì)合理性。
四 高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程面臨的挑戰(zhàn)
（一） 如何科學(xué)有效地發(fā)揮國家水網(wǎng)工程綜合效益
國家水網(wǎng)工程體系覆蓋全國、流域、省、市、縣等不同空間尺度，涉及水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)、糧食生產(chǎn)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、能源生產(chǎn)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系，具有防洪、供水、生態(tài)、航運(yùn)、發(fā)電、文化等多功能特征（見圖5），工程影響巨大且深遠(yuǎn)。目前，國家水網(wǎng)工程體系的頂層設(shè)計仍有待完善；水資源、水生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)、能源等用水保障間的協(xié)調(diào)仍存在不足，亟需完善相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，科學(xué)優(yōu)化國家水網(wǎng)工程體系總體布局，更加有效應(yīng)對水安全風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)、安全效益相統(tǒng)一。此外，在重大水網(wǎng)工程決策方面，尚缺乏科學(xué)確定國家水網(wǎng)工程的功能定位、工程規(guī)模和布局，以及評價工程全生命周期的社會經(jīng)濟(jì)效益和工程建設(shè)的長遠(yuǎn)生態(tài)環(huán)境影響的通用理論方法。例如，當(dāng)前南水北調(diào)西線工程眾多比選方案的路線、規(guī)模、影響差異顯著[35,36]，工程建設(shè)方案久議難決。因此，亟需進(jìn)一步創(chuàng)新水網(wǎng)工程規(guī)劃理論、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和評價體系，支撐南水北調(diào)后續(xù)工程等重大水網(wǎng)工程的實(shí)施。
（二） 如何實(shí)現(xiàn)國家重大水網(wǎng)工程安全智能建造
我國地形地貌復(fù)雜多樣，氣候特征的區(qū)域性差異明顯。目前，重大水網(wǎng)工程布局逐漸由東部平原、丘陵地區(qū)向西部高寒、高海拔地區(qū)發(fā)展，面臨著“高地震烈度、高斷層活動性、高地應(yīng)力、高地溫、高外水、高危氣體”的難題。例如，南水北調(diào)西線工程輸水線路位于西南構(gòu)造板塊活動區(qū)，最大埋深超2000 m；引江補(bǔ)漢工程輸水隧洞跨兩個一級構(gòu)造單元，隧洞穿越軟質(zhì)巖總長度占比約為25%，斷層規(guī)模大、數(shù)量多，主洞穿越區(qū)域性深大斷裂7條[37]，工程安全建造難度極大。目前，長大深埋輸水隧洞的有關(guān)理論研究滯后于工程實(shí)踐需求。工程建造面臨的多場非平衡演化與重構(gòu)機(jī)制認(rèn)識尚不清晰，工程設(shè)計未有效融合圍巖 ‒ 支護(hù)體系的長期性能演化機(jī)制，不足以支撐服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)安全保障和使用功能發(fā)揮�，F(xiàn)有施工技術(shù)與裝備應(yīng)對各種復(fù)雜條件的適應(yīng)性不足，綠色化、智能化程度偏低。亟待完善復(fù)雜地貌和地質(zhì)條件下的重大水網(wǎng)工程安全設(shè)計理論，突破工程全生命周期安全建造技術(shù)及綠色智能建造裝備。
（三） 如何實(shí)現(xiàn)國家水網(wǎng)工程的智慧調(diào)度
重大水網(wǎng)工程通常具有跨流域、跨區(qū)域的特點(diǎn)，工程規(guī)模大、覆蓋范圍廣、調(diào)控節(jié)點(diǎn)多，涉及不同的利益主體，同時需要兼顧防洪、供水、灌溉、生態(tài)、發(fā)電、航運(yùn)等多種需求。提升水網(wǎng)工程的調(diào)度管理智能化水平是充分發(fā)揮水網(wǎng)綜合效益、實(shí)現(xiàn)智慧發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，國家水網(wǎng)工程的智慧化調(diào)度管理受監(jiān)測數(shù)據(jù)精確度、專業(yè)模型理想概化等因素限制[38]，工程精準(zhǔn)調(diào)控能力不足，關(guān)鍵環(huán)節(jié)經(jīng)常需要人工干預(yù)，存在調(diào)度效率不高、經(jīng)濟(jì)性不佳等問題。水網(wǎng)工程聯(lián)成網(wǎng)后，內(nèi)部耦合關(guān)系更復(fù)雜，外部影響因素更多、不確定性增強(qiáng)，調(diào)度難度將成倍增加，亟需創(chuàng)新超大范圍水網(wǎng)工程系統(tǒng)多要素變化過程的高效模擬方法，突破跨流域的水網(wǎng)工程系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度、水網(wǎng)工程實(shí)時智能控制技術(shù)，為國家水網(wǎng)工程的安全運(yùn)行、效益發(fā)揮提供有力支撐。
五 高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向
（一） 國家水網(wǎng)工程的體系構(gòu)建與功效評價
面向高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的重大需求，需深化應(yīng)用基礎(chǔ)研究，開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。針對國家重大水網(wǎng)工程的規(guī)劃決策問題，亟需開展水資源時空均衡理論與優(yōu)化配置方法、水網(wǎng)工程多層級互饋機(jī)理與結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建、水網(wǎng)工程收益 ‒ 風(fēng)險評價與經(jīng)濟(jì)論證模式3個方面的研究，為南水北調(diào)后續(xù)工程等重大水網(wǎng)工程項(xiàng)目實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)，為國家水網(wǎng)工程的總體布局優(yōu)化奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。
1 水資源時空均衡理論與優(yōu)化配置方法
基于全國水資源、水生態(tài)環(huán)境的長期演變規(guī)律及未來趨勢，研究符合氣候地理、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社發(fā)展的水平衡條件及可調(diào)水量閾值，支撐戰(zhàn)略水源的開發(fā)利用；研究全國不同區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)和社會高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)環(huán)境功能維持對水資源需求的定量化表達(dá)方法與標(biāo)準(zhǔn)；研究水資源與糧食安全、生態(tài)安全、能源安全等的聯(lián)動機(jī)制；構(gòu)建基于韌性提升的水資源優(yōu)化配置理論，支撐國家水網(wǎng)工程體系優(yōu)化。
2 水網(wǎng)工程多層級互饋機(jī)理與結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建
基于全國水平衡狀態(tài)和水網(wǎng)“水量 ‒ 水質(zhì) ‒ 水位”的空間特征，研究自然水網(wǎng)與人工水網(wǎng)的耦合機(jī)理，探討水網(wǎng)工程供水、防洪、生態(tài)、航運(yùn)等多功能目標(biāo)的互饋關(guān)系；研究區(qū)域 ‒ 流域 ‒ 國家各層級水網(wǎng)的協(xié)同作用機(jī)制，提出多層級水網(wǎng)工程體系的空間架構(gòu)方法，為國家水網(wǎng)工程整體功能最大化提供實(shí)現(xiàn)路徑。
3 水網(wǎng)工程收益 ‒ 風(fēng)險評價與經(jīng)濟(jì)論證模式
結(jié)合重大水網(wǎng)工程的功能定位和目標(biāo)要求，綜合考慮直接效益和間接效益，建立包含生態(tài)環(huán)境、社會、健康價值等評價因素的經(jīng)濟(jì)評價理論及評價體系。研究水網(wǎng)工程收益 ‒ 風(fēng)險的長期漲落關(guān)系，建立水網(wǎng)工程功效綜合評價方法，提出基于水網(wǎng)工程損益影響和轉(zhuǎn)移模式分析的補(bǔ)償措施，支撐重大水網(wǎng)工程的科學(xué)決策。
（二） 國家水網(wǎng)工程的安全智能建造與運(yùn)營維護(hù)
針對高寒、高海拔、高地震烈度等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的國家水網(wǎng)工程建造與運(yùn)營維護(hù)問題，亟需開展復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下水網(wǎng)工程災(zāi)變機(jī)制與設(shè)計理論、水網(wǎng)工程智能建造關(guān)鍵技術(shù)與裝備、水網(wǎng)工程智能運(yùn)營維護(hù)與效能提升3個方面的研究，為南水北調(diào)西線等重大水網(wǎng)工程建造及工程服役性能維護(hù)提供理論技術(shù)和裝備支撐。
1 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下水網(wǎng)工程災(zāi)變機(jī)制與設(shè)計理論
未來水網(wǎng)工程將更多地分布于西部地區(qū)高寒、高海拔、高地震烈度等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，建設(shè)條件趨于復(fù)雜，在工程技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、征地移民等方面需開展重大問題研究（見圖6）。在國家水網(wǎng)工程規(guī)劃和建設(shè)時，需進(jìn)一步探究強(qiáng)震區(qū)的地震特性及作用機(jī)制，創(chuàng)新超高壩結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方法，研發(fā)提升結(jié)構(gòu)抗震能力的高性能材料，完善高壩極限抗震能力評價方法和抗震措施；建立深厚覆蓋層筑壩的壩基安全控制理論，研發(fā)防滲系統(tǒng)智能施工方法與裝備；完善水源工程開發(fā)的環(huán)境影響減緩措施和征地移民影響應(yīng)對策略。
輸水工程在穿越高山峽谷地區(qū)時，面臨高海拔、高烈度、高應(yīng)力、高外水、高地溫等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境問題，亟待研究深埋長輸水隧洞工程地質(zhì)災(zāi)害（如涌水突泥、軟巖大變形、巖爆、高外水壓力、高地溫、活動斷裂蠕滑、有毒有害氣體等）孕災(zāi)機(jī)制與防控技術(shù)、多場耦合作用機(jī)制與模擬方法；研究長期服役條件下水網(wǎng)工程的變形及破壞機(jī)理，完善水網(wǎng)工程結(jié)構(gòu)安全評估理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，研發(fā)高架大跨度輸水工程的新型結(jié)構(gòu)體系及抗震減震技術(shù)等，填補(bǔ)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計方法和規(guī)范空白。
2 水網(wǎng)工程智能建造關(guān)鍵技術(shù)與裝備
研發(fā)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下水網(wǎng)工程安全高效建造的針對性裝備與智能管控技術(shù)，提升重大裝備對復(fù)雜環(huán)境下的施工適應(yīng)性，推進(jìn)水網(wǎng)工程智能建造領(lǐng)域的施工技術(shù)及裝備創(chuàng)新。先期重點(diǎn)開展超大直徑多功能、多模式TBM集群施工技術(shù)及裝備研究，提出復(fù)雜地質(zhì)條件下超大直徑TBM集群針對性選型理論與功能配置方法，構(gòu)建TBM智能掘進(jìn)及不良地質(zhì)體超前應(yīng)對設(shè)備搭載技術(shù)，以克服超大直徑TBM施工過程中面臨的諸多不確定因素，支撐重大水網(wǎng)工程智能化建設(shè)。
3 水網(wǎng)工程智能運(yùn)營維護(hù)與效能提升
研究國家水網(wǎng)工程長期服役條件下的性能演變機(jī)理，研發(fā)水網(wǎng)工程提質(zhì)增效的新技術(shù)、新材料、新裝備并開展工程應(yīng)用；研發(fā)水網(wǎng)工程在不斷水條件下的綠色養(yǎng)護(hù)技術(shù)與智能運(yùn)營維護(hù)裝備，突破深埋長隧洞智能巡檢技術(shù)及裝備，推動水網(wǎng)工程運(yùn)營維護(hù)水平提升和效能長效發(fā)揮。
（三） 國家水網(wǎng)工程的智能調(diào)控
在國家水網(wǎng)工程的調(diào)度管理方面，亟需開展水網(wǎng)工程系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)控過程的高效精準(zhǔn)仿真、基于多目標(biāo)協(xié)同的水網(wǎng)工程系統(tǒng)實(shí)時調(diào)度、國家水網(wǎng)工程智慧調(diào)度平臺3個方面的研究，為國家水網(wǎng)工程的精準(zhǔn)高效調(diào)度與調(diào)度管理智能化水平提升提供有力支撐。
1 水網(wǎng)工程系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)控過程的高效精準(zhǔn)仿真
考慮水動力 ‒ 水生態(tài)環(huán)境耦合機(jī)理，研究多層級水網(wǎng)工程系統(tǒng)的多要素精細(xì)化模擬方法，研究基于人工智能技術(shù)的復(fù)雜調(diào)控過程高效推演及溯源分析，揭示人工調(diào)控下的不同層級水網(wǎng)工程響應(yīng)規(guī)律，為水網(wǎng)工程科學(xué)調(diào)度和決策提供智慧化仿真手段。
2 基于多目標(biāo)協(xié)同的水網(wǎng)工程系統(tǒng)實(shí)時調(diào)度
研究國家水網(wǎng)工程體系整體效益最大化的調(diào)度規(guī)則，研發(fā)耦合預(yù)報的水網(wǎng)工程群協(xié)同優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，建立高度不確定條件下的水網(wǎng)工程精準(zhǔn)控制理論和實(shí)時控制模型，提出兼顧多主體利益的安全、高效、經(jīng)濟(jì)的調(diào)度方案，助力水網(wǎng)工程的運(yùn)行調(diào)度效率和效益提升。
3 國家水網(wǎng)工程智慧調(diào)度平臺
融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等先進(jìn)信息技術(shù)手段，研究國家水網(wǎng)工程的新型感知體系建設(shè)方案；研究國家水網(wǎng)工程涉及的海量信息高效存儲與傳輸方法、信息安全共享機(jī)制，研發(fā)通用化的國家水網(wǎng)工程數(shù)字孿生平臺敏捷搭建技術(shù)，構(gòu)建基于知識圖譜的智能調(diào)度管理模型庫，創(chuàng)建自主可控的國家水網(wǎng)工程智慧調(diào)度平臺，實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理水平的跨越式發(fā)展。
六 高質(zhì)量建設(shè)國家水網(wǎng)工程的建議
（一） 加快推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程建設(shè)，完善國家水網(wǎng)主骨架和大動脈
基于2050年甚至更長遠(yuǎn)時間尺度，結(jié)合水資源供需態(tài)勢演變趨勢、經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展要求等，謀劃南水北調(diào)工程頂層布局，完善工程功能定位和規(guī)模，從全國層面統(tǒng)籌優(yōu)化調(diào)配水資源，以保障國家糧食安全、能源安全、生態(tài)安全等。加快推進(jìn)南水北調(diào)中線一期工程總干渠挖潛工程實(shí)施；啟動南水北調(diào)中線后續(xù)水源工程方案研究，同步推進(jìn)中線總干渠擴(kuò)能工程的前期工作，充分發(fā)揮三峽水庫、丹江口水庫的國家戰(zhàn)略水源作用，解決華北平原及西北內(nèi)陸地區(qū)的長遠(yuǎn)水資源需求問題，為南水北調(diào)工程全面保障國家水安全創(chuàng)造條件。
（二） 加快完善區(qū)域水網(wǎng)工程布局，支撐國家重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略建設(shè)
聚焦京津冀、長江三角洲（長三角）、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)的國家級城市群建設(shè)，加快完善區(qū)域水網(wǎng)工程體系，為國家重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施提供堅實(shí)的水安全保障。川渝毗鄰地區(qū)是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈北翼振興的戰(zhàn)略支點(diǎn)，建議推進(jìn)川渝東北一體化水資源配置工程的論證實(shí)施，以保障區(qū)域耕地灌溉和供水安全，進(jìn)一步支撐成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈和國家戰(zhàn)略腹地建設(shè)。環(huán)太湖地區(qū)是長三角地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐和推動力量，建議加快推進(jìn)長三角西水東調(diào)工程的相關(guān)前期工作，實(shí)現(xiàn)皖南浙北山區(qū)優(yōu)質(zhì)水資源的優(yōu)水優(yōu)用，提升區(qū)域內(nèi)供水品質(zhì)和應(yīng)對突發(fā)性風(fēng)險能力，支撐長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施。
（三） 推進(jìn)多網(wǎng)融合示范工程建設(shè)，提升綜合效益
統(tǒng)籌考慮防洪、供水、灌溉、生態(tài)、航運(yùn)等功能，推進(jìn)多網(wǎng)融合示范工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)融合發(fā)展。加強(qiáng)平陸運(yùn)河工程的重大技術(shù)研究，高質(zhì)量推進(jìn)工程建設(shè)。強(qiáng)化平陸運(yùn)河建設(shè)與經(jīng)濟(jì)、資源、產(chǎn)業(yè)等多目標(biāo)的協(xié)同發(fā)展，突破平陸運(yùn)河江海聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)組織管理模式，充分發(fā)揮其作為西部陸海新通道骨干工程的綜合效益。加快推進(jìn)荊漢運(yùn)河生態(tài)航運(yùn)工程的深化論證與實(shí)施，破解長江中游荊江河段礙航問題，充分發(fā)揮長江“黃金水道”在航運(yùn)、水利、生態(tài)等方面的綜合效益，助力長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。
（四） 推進(jìn)重大水網(wǎng)工程全過程數(shù)字化建設(shè)，提升水網(wǎng)服務(wù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力
按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，推進(jìn)重大水網(wǎng)工程規(guī)劃 ‒ 建造 ‒ 運(yùn)行全過程的數(shù)字化建設(shè)。充分利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及區(qū)塊鏈等信息技術(shù)，以落地應(yīng)用為目標(biāo)，深化水利專業(yè)模型和智能模型研發(fā)，為重大水網(wǎng)工程規(guī)劃、建造、管理提供前瞻性、科學(xué)性的決策支持。推進(jìn)重大設(shè)備和設(shè)施的國產(chǎn)化替代，提升水網(wǎng)工程建造管理的自主可控水平。構(gòu)建水網(wǎng)工程建設(shè)全過程數(shù)據(jù)資產(chǎn)的集約管理體系，深度挖掘數(shù)據(jù)的使用價值，為行業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水利新質(zhì)生產(chǎn)力。
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基金
中國工程院咨詢項(xiàng)目“‘荊楚安瀾’現(xiàn)代水網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢”(2023-DFZD-44); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52394235)
