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        長三角地區(qū)水安全保障技術(shù)集成與應(yīng)用

        2017-09-07 03:08:49李云周杰范子武
        中國環(huán)境管理 2017年4期
        關(guān)鍵詞:河網(wǎng)水循環(huán)防洪

        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(xué)研究院,南京 210029)

        長三角地區(qū)水安全保障技術(shù)集成與應(yīng)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(xué)研究院,南京 210029)

        1 前言

        長江三角洲(簡稱長三角)是中國河網(wǎng)密度最高的地區(qū),通江達海,經(jīng)濟發(fā)達,人口稠密,城鎮(zhèn)化率高。在復(fù)雜變化環(huán)境下,洪澇、水資源供給、水生態(tài)環(huán)境等方面的問題突出。如1999 年太湖流域性強暴雨洪澇災(zāi)害,2007 年太湖藍藻暴發(fā)引發(fā)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(chǎn)生了極大的社會影響和巨大的經(jīng)濟損失;隨著城市的快速發(fā)展,平原河網(wǎng)區(qū)城市水環(huán)境惡化已經(jīng)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(yōu)化調(diào)度水資源、改善河湖水生態(tài)環(huán)境、提高供水保障率,是保障長三角地區(qū)水安全的現(xiàn)實需求和戰(zhàn)略研究課題。

        2 研究目標

        項目圍繞長三角地區(qū)防洪、水資源供給、水生態(tài)環(huán)境三個安全,開展保障水安全的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、集成應(yīng)用示范三個層面的研發(fā)。在防洪安全方面,揭示強人類活動區(qū)域產(chǎn)匯流機理、風(fēng)浪潮多因子耦合作用機理,結(jié)合防洪調(diào)度,研發(fā)并提交具有自主知識產(chǎn)權(quán)的商品化水循環(huán)模擬工具。在水資源供給安全方面,研發(fā)水資源聯(lián)合調(diào)度技術(shù)和河口徑潮關(guān)系預(yù)報模型,通過水利工程多目標優(yōu)化調(diào)度和水源地水庫避咸蓄淡調(diào)度提高供水保障率,研發(fā)一體化移動式海島節(jié)能型海水淡化成套裝備和雨洪利用技術(shù),形成覆蓋長三角地區(qū)河網(wǎng)、湖泊、河口及海島水資源供給成套技術(shù)與示范,實現(xiàn)枯水季節(jié)供水保障率提高10%的考核指標。在水生態(tài)環(huán)境安全方面,研發(fā)水網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度技術(shù),重點提高太湖、河網(wǎng)、城市水網(wǎng)等水體流動性,突破城市暢流水質(zhì)提升技術(shù)、多尺度分級智能模擬技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),滿足河網(wǎng)水體流動性提高10%以上的考核指標。

        為實現(xiàn)以上“三個安全”的保障目標,項目重點提出10 項系統(tǒng)性技術(shù)解決方案及配套技術(shù)。其中服務(wù)于防洪安全的有風(fēng)浪潮作用下潮位動態(tài)預(yù)報等4 項技術(shù),服務(wù)于水資源供給安全的有基于多目標協(xié)同的水資源聯(lián)合調(diào)度等3 項技術(shù),服務(wù)于水生態(tài)環(huán)境安全的有城市河網(wǎng)智能聯(lián)合調(diào)度與水質(zhì)提升等3 項技術(shù)。

        3 研究內(nèi)容及技術(shù)路線

        項目擬從防洪、水資源供給、水生態(tài)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(zhèn)化進程加快、強人類活動干預(yù)水循環(huán)過程進一步發(fā)展、河口海岸多因子耦合作用下風(fēng)暴潮威脅增大等新問題,重點研究產(chǎn)匯流機理、多因子耦合作用下綜合潮位效應(yīng)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(zhì)困擾、枯水季節(jié)供水保障率有待提高等問題,開展多尺度水資源聯(lián)合調(diào)度理論、海島海水淡化與雨洪資源利用技術(shù)、河口水源地避咸蓄淡預(yù)報技術(shù)等方面的研究。

        (3)針對水生態(tài)環(huán)境安全面臨的河網(wǎng)水體污染、湖泊富營養(yǎng)化等突出問題,平原河網(wǎng)和淺水湖泊水動力與水環(huán)境響應(yīng)機制、城市水網(wǎng)、平原河網(wǎng)、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(huán)境的科技需求非常迫切。

        (4)根據(jù)項目的整體需要,制定一系列軟件開發(fā)的統(tǒng)一標準,標準化模型接口、方法和數(shù)據(jù),實現(xiàn)水文、水力學(xué)、水網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度等各專業(yè)模型間的無縫鏈接和系統(tǒng)的開放性和可擴展性,開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的商品化水循環(huán)模擬平臺并應(yīng)用,為防洪、水資源調(diào)度提供技術(shù)支撐。

        項目實施的技術(shù)路線如下:

        擬采用“基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、集成示范”全鏈條設(shè)計的研發(fā)思路,以太湖為中心,從山丘區(qū)、平原河網(wǎng)、河口海岸到海島,通過原型觀測、理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗、信息技術(shù)等手段,圍繞研究重點開展攻關(guān),構(gòu)建長三角地區(qū)水安全保障技術(shù),提高河網(wǎng)水體流動性和枯水季節(jié)供水保障率,在太湖流域典型區(qū)等地應(yīng)用示范。

        4 預(yù)期創(chuàng)新性成果和效益

        4.1 理論方面的創(chuàng)新

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

        4.2 技術(shù)方面的創(chuàng)新

        創(chuàng)立一套定量評價長三角地區(qū)城鎮(zhèn)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(fēng)生環(huán)流模擬相似理論和測控技術(shù),并建立太湖全湖區(qū)物理模型,開展太湖水動力特性研究?;诙喑叨确旨壦枷牒退旯で榈榷嘣磾?shù)據(jù)同化技術(shù),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(wǎng)水動力多尺度分級智能模擬技術(shù),實現(xiàn)長三角地區(qū)平原河網(wǎng)多尺度分級水動力全過程快速、精準、自適應(yīng)模擬。

        以自動分潮優(yōu)化技術(shù)、優(yōu)化臺風(fēng)預(yù)報模型、超級集合化技術(shù)為基礎(chǔ),以河口海岸多因子耦合作用下綜合潮位預(yù)報技術(shù)和變化環(huán)境下咸潮入侵預(yù)報技術(shù)為核心,實現(xiàn)多系統(tǒng)、多模型復(fù)用與集成。

        基于水利工程調(diào)度及管理現(xiàn)狀,提出太湖流域、區(qū)域、城市不同層次的水資源聯(lián)合調(diào)度多目標體系,構(gòu)建基于水資源安全保障的太湖流域水資源聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化決策模型,以目標實現(xiàn)為導(dǎo)向,集成長三角流域、區(qū)域、城市多層次復(fù)雜江河湖水資源協(xié)同聯(lián)合調(diào)度技術(shù),實現(xiàn)基于多目標滿足的多種調(diào)度方案的自動決策優(yōu)選。

        綜合運用現(xiàn)有工程,統(tǒng)籌安排,通過截污控源、河道活水、強化凈化、生態(tài)修復(fù)、運行管理等綜合措施,實現(xiàn)河網(wǎng)暢流活水和水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)改善的良性循環(huán),形成典型城市河網(wǎng)水動力智能調(diào)控、暢流活水與水質(zhì)提升成套技術(shù)。

        4.3 集成方面的創(chuàng)新

        針對海島地理分散、規(guī)模不一等特點,以100%國產(chǎn)化關(guān)鍵部件及設(shè)備為核心,開發(fā)集裝箱式的節(jié)能型一體式海水淡化成套裝備,建立占地節(jié)省、運輸方便、應(yīng)用靈活、操作簡單的制水系統(tǒng),并在典型海島進行示范應(yīng)用。

        實現(xiàn)各專業(yè)模型間的無縫鏈接和系統(tǒng)的開放性和可擴展性,基于山丘區(qū)水文模型、平原水網(wǎng)水動力學(xué)模型和區(qū)域水資源調(diào)度模型,集成開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水循環(huán)模擬商品化軟件,實現(xiàn)區(qū)域水循環(huán)的完整模擬,并在長三角地區(qū)開展示范應(yīng)用。

        4.4 預(yù)期成果和效益

        項目擬投資6150萬元,其中中央財政專項經(jīng)費4000萬元。通過項目的實施,提交商品化的水循環(huán)模擬平臺1 套,提出長三角地區(qū)水資源安全保障系統(tǒng)性技術(shù)方案及配套技術(shù)10 項,研發(fā)出適用海島的一體式海水淡化成套裝備,形成示范區(qū)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(quán)50 項,發(fā)表論文100篇,培養(yǎng)研究生與技術(shù)骨干50 名。預(yù)期實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)、成套裝備和商品化軟件推廣每年約2000萬元直接經(jīng)濟效益,形成15 億立方米的水資源當量效益。

        5 推廣應(yīng)用前景

        項目抓住長三角地區(qū)河網(wǎng)水系復(fù)雜、城鎮(zhèn)化率高的特點,突破城鎮(zhèn)化背景下防洪、城市河道治理、平原河網(wǎng)與湖泊水動力改善等方面的關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合河口、海島水安全關(guān)鍵技術(shù)和理論,構(gòu)建一套平原三角洲地區(qū)水安全保障的關(guān)鍵技術(shù)和理論,不僅預(yù)期效益高,而且具有廣闊的推廣應(yīng)用價值。

        圖1 項目技術(shù)路線圖

        10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.04.115

        國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0401500)。

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

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