關(guān)煒

摘要：“十一五”以來，國家科技支撐計劃就南水北調(diào)東中線一期工程安排了一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題。介紹了關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展情況、主要成果并做出了展望。通過分析研究各課題的成果報告及其部分文獻(xiàn)資料，梳理總結(jié)與提煉了在工程設(shè)計與施工、設(shè)備與材料、水資源配置與輸水調(diào)度、管理與安全運行、風(fēng)險管理與病害防治、水質(zhì)安全及影響評估等方面獲得的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果。隨著一期工程建成運行，新的關(guān)鍵技術(shù)問題又相繼出現(xiàn)，為此提出仍需從工程運行安全檢測、水資源集約節(jié)約、提高工程綜合效益等方面繼續(xù)開展相關(guān)攻關(guān)研究。

關(guān) 鍵 詞：國家科技支撐計劃; 關(guān)鍵技術(shù); 南水北調(diào)后續(xù)工程; 南水北調(diào)工程

中圖法分類號： TV213 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.026

0 引 言

南水北調(diào)工程是緩解中國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺、優(yōu)化國家水資源配置格局、保障經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。經(jīng)過長達(dá)半個世紀(jì)的規(guī)劃設(shè)計和科學(xué)論證，2002年國務(wù)院批復(fù)了《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，明確建設(shè)東、中、西線工程的總體布局，其中南水北調(diào)東、中線一期工程于2002年12月開工，分別于2013年11月、2014年12月建成通水，期間國家科技支撐計劃提供了有力的技術(shù)支撐。本文跟蹤分析國家科技支撐計劃項目安排的南水北調(diào)工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題，系統(tǒng)梳理提煉取得的研究成果，對于掌握攻關(guān)科研進(jìn)展、整體集成重大水利工程創(chuàng)新技術(shù)、推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程從長江下游三江營引水，由泵站逐級提水向北，利用京杭大運河以及與其平行的河道，和高郵湖、洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖輸水，提水進(jìn)入東平湖后，一路沿黃河南岸向東經(jīng)新辟的膠東輸水干線接引黃濟(jì)青渠道，向沿線和膠東地區(qū)供水;另一路穿過黃河向北供水，具備向天津應(yīng)急供水的能力。東線輸水干線長1 467 km，全線共設(shè)立13個梯級泵站、22處樞紐、34座泵站，總揚程65 m。南水北調(diào)中線一期工程從漢江丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿線興建渠道，經(jīng)唐白河西部過長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿黃淮海平原西部邊緣，在鄭州市以西孤柏咀處穿過黃河，沿太行山東麓山前平原及京廣鐵路西側(cè)的條形地帶北上，至河北省唐縣以北進(jìn)入低山丘陵區(qū)和拒馬河沖積扇，終點為北京團(tuán)城湖。中線輸水總干線工程全長1 432 km，全線設(shè)分水口門、退水閘、渡槽、倒虹吸、暗渠、隧洞鐵路和公路交叉建筑物等共計2 387座。

南水北調(diào)東中線一期工程是由眾多泵站、渠道、渡槽、隧洞、管涵（PCCP）、倒虹吸等大型輸水建筑物與河湖系統(tǒng)組成的長距離、大流量復(fù)雜動態(tài)的調(diào)水工程系統(tǒng)，工程跨越多個流域、多個省份、多種地質(zhì)帶、眾多條河流，橫穿不同地形地質(zhì)、水文氣象、生態(tài)環(huán)境等條件地區(qū)，影響地區(qū)多、涉及面廣、關(guān)系領(lǐng)域多，工程建設(shè)與運行條件差異變化較大。東線工程的大型低揚程大流量泵站和水質(zhì)保障，中線工程的隧洞穿越黃河、膨脹土渠道邊坡處理、渡槽設(shè)計與施工等，存在眾多復(fù)雜工況和關(guān)鍵技術(shù)難點，建設(shè)管理十分復(fù)雜，運行存在安全風(fēng)險，面臨各種技術(shù)挑戰(zhàn)，一系列關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)和項目管理難題需要通過科研攻關(guān)解決。

2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研課題

2.1 攻關(guān)科研計劃安排

“十五”以來，圍繞南水北調(diào)東中線一期工程，國家科技支撐計劃和國家重大技術(shù)裝備研制計劃安排了一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研課題。由于“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目正在實施過程中，本文重點分析“十一五”“十二五”國家科技支撐計劃攻關(guān)科研成果，對于“十五”“十三五”僅簡要介紹關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)計劃安排情況。

（1） “十五”期間，水利部會同中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會共同設(shè)置“十五”國家重大技術(shù)裝備研制計劃“南水北調(diào)工程成套裝備研制”項目，對“大型低揚程水泵及裝置研制”“大型渠道施工成套裝備研制”“大型渡槽現(xiàn)澆施工成套裝備”等5個課題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

（2） 2006年，科學(xué)技術(shù)部設(shè)置“十一五”國家科技支撐計劃“南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項目（2006BAB04A00），對“丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究”等14個課題開展科研攻關(guān)（見表1）。

（3） 2011，2015年，科學(xué)技術(shù)部分別設(shè)置“十二五”國家科技支撐計劃“南水北調(diào)中東線工程運行管理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”（2015BAB07B00）和“南水北調(diào)中線工程膨脹土和高填方渠道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2011BAB10B00）項目，對“施工期膨脹土開挖邊坡穩(wěn)定性預(yù)報技術(shù)”等17個課題開展科研攻關(guān)。

（4） 2018年，科學(xué)技術(shù)部安排確定“十三五”國家重點研發(fā)計劃“南水北調(diào)工程運行安全檢測技術(shù)研究與示范”“南水北調(diào)工程應(yīng)急搶險和快速修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”2個項目展開科研攻關(guān)。

2.2 攻關(guān)科研計劃安排特點

（1） 依據(jù)國家建設(shè)宏觀布局安排攻關(guān)?？茖W(xué)技術(shù)部依據(jù)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展五年規(guī)劃目標(biāo)任務(wù)與戰(zhàn)略部署，確定五年規(guī)劃期國家科技支撐計劃的方向與重點，將南水北調(diào)工程作為國家五年規(guī)劃科學(xué)技術(shù)發(fā)展重點，支持開展工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究。

（2） 根據(jù)南水北調(diào)工程實施進(jìn)展組織攻關(guān)。水利部（含原國務(wù)院南水北調(diào)辦）根據(jù)工程建設(shè)進(jìn)展情況組織課題申報與攻關(guān)研究，“十一五”是南水北調(diào)中東線一期工程建設(shè)的初期，重點圍繞工程規(guī)劃設(shè)計與施工開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān);“十二五”期間，重點圍繞工程建設(shè)、管理與運行的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題開展攻關(guān)研究。

（3） 按照工程建設(shè)需求開展攻關(guān)。在中線干渠施工建設(shè)過程中，針對當(dāng)時膨脹土渠道施工的突出問題，在“十一五”開展相關(guān)課題研究基礎(chǔ)上，“十二五”首批緊急安排了7個膨脹土關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題。

3 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)主要科研成果

水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計管理局（含原南水北調(diào)工程設(shè)計管理中心）跟蹤南水北調(diào)工程關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研，收集了各課題科研成果及技術(shù)報告，配合有關(guān)單位開展了成果整理存檔工作?，F(xiàn)根據(jù)掌握的資料情況，對“十一五”“十二五”關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研成果進(jìn)行分類梳理總結(jié)。

3.1 工程設(shè)計與施工

3.1.1 丹江口大壩加高工程

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院等單位，針對丹江口大壩加高工程存在的新老混凝土結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)難題，以理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗、原形觀測相結(jié)合，對新老混凝土結(jié)合狀態(tài)與安全評價、新老混凝土結(jié)合面工程措施及灌漿措施、大壩抗震安全問題評價、初期工程帷幕耐久性及高水頭下帷幕補(bǔ)灌等技術(shù)進(jìn)行研究[1]。采用三維有限元非線性仿真技術(shù)，研究了大壩在水壓、變化溫度場、加高附加荷載等作用下的壩體受力和安全狀態(tài)，分析了新老壩體結(jié)合面開合隨時間的變化過程及壩體的應(yīng)力變化過程;研究了不同灌漿時間、不同灌漿壓力、不同庫水位灌漿和不同灌漿措施對結(jié)合面接觸狀態(tài)的影響，以及灌漿措施、縫面接觸灌漿對壩踵應(yīng)力的影響等問題[2]。據(jù)此得出結(jié)合面狀態(tài)與加高大壩安全度變化規(guī)律，提出了滿足大壩安全度要求的設(shè)計參數(shù)技術(shù)指標(biāo)，并直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計文件應(yīng)用于工程設(shè)計與施工[3]，為保證工程建設(shè)質(zhì)量及施工進(jìn)度提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

3.1.2 大流量預(yù)應(yīng)力渡槽設(shè)計與施工

武漢大學(xué)、河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司等單位，研究提出了大斷面預(yù)應(yīng)力大跨度“U”形預(yù)制預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)建了大型“U”形渡槽空間預(yù)應(yīng)力體系，研發(fā)了大型渡槽粘結(jié)加壓板新型接縫止水結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輸水梁式渡槽在流量、跨度、輸水?dāng)嗝?、預(yù)制架槽重量等綜合技術(shù)指標(biāo)的突破，創(chuàng)新發(fā)展了大型渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法，提出了渡槽結(jié)構(gòu)局部受壓穩(wěn)定性分析的半解析柱殼有限條元法和整體受壓穩(wěn)定分析的結(jié)構(gòu)側(cè)彎扭穩(wěn)定性總勢能泛函數(shù)表達(dá)式，解決了大斷面簿殼渡槽受壓穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)難題[4]。除此之處，還提出了千噸級特大型“U”形渡槽采用地面預(yù)制、槽上運送、架機(jī)施工的新型工法，成功實現(xiàn)了單榀1 200 t “U”形槽架槽施工工廠化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、流程化作業(yè)，創(chuàng)建了“U”形預(yù)制渡槽施工質(zhì)量控制成套技術(shù)措施及指標(biāo)體系[5]。

3.1.3 中線穿黃隧洞設(shè)計與施工

鈕新強(qiáng)等針對穿黃工程（有壓水工隧洞）需要解決游蕩性河段、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震威脅等技術(shù)難題，研發(fā)了“結(jié)構(gòu)聯(lián)合、功能獨立”的“盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌”新型輸水隧洞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計理論方法，并建立了相應(yīng)的設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)體系，以解決工程穿越黃河多相復(fù)雜軟土地層高壓輸水隧洞結(jié)構(gòu)受力，高壓內(nèi)水外滲導(dǎo)致圍土失穩(wěn)破壞難題;研發(fā)了豎井井壁設(shè)置弧形始發(fā)反力座的新型雙層襯護(hù)豎井結(jié)構(gòu)及雙層結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力的動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，提出了飽和砂土地層超深豎井工程結(jié)構(gòu)及防滲成套技術(shù)，解決了飽和砂土地層結(jié)構(gòu)安全和防滲難題;研發(fā)了黃土抽水技術(shù)，提出了通過降水提高黃土強(qiáng)度，實現(xiàn)軟黃土高邊坡施工期及運行期穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析方法和設(shè)計方法;揭示了受卸荷與動水壓力控制的黃土過飽和機(jī)制及地下洞室突泥發(fā)展規(guī)律，提出了洞內(nèi)控制卸荷邊界效應(yīng)、洞周控制卸荷向外擴(kuò)展，阻斷黃土過飽和發(fā)展進(jìn)程的綜合處理技術(shù)[6-8]。

3.1.4 膨脹土地段渠道施工處理

“十一五”期間，蔡耀軍等探討了膨脹土工程特性、破壞機(jī)理、處理技術(shù)、施工工藝，建立了大型膨脹土渠道穩(wěn)定控制技術(shù)體系[9]?！笆濉逼陂g根據(jù)當(dāng)時工程建設(shè)的實際需要，相關(guān)單位開展了施工期膨脹土開挖邊坡穩(wěn)定性預(yù)報等7項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)：明確了深挖方膨脹土渠基抬升變形的主要機(jī)理和控制因素，提出了土體一維卸荷回彈變形理論及膨脹土膨脹模型和反映裂隙空間分布穩(wěn)定分析方法;通過分析膨脹土邊坡破壞主要模式，揭示了膨脹土強(qiáng)度的非線性特性，確定了膨脹土開挖邊坡穩(wěn)定性預(yù)報的主因子、輔助因子，建立了預(yù)報流程（方法）與預(yù)報模型，提出了膨脹土等級現(xiàn)場快速判別的定性與半定量方法;研究了深挖方膨脹土渠道淺層滑坡和深層結(jié)構(gòu)面滑坡的治理抗滑措施及作用機(jī)理，膨脹土坡頂防護(hù)措施、排水體出口控制技術(shù)、飽和膨脹土基礎(chǔ)快速施工技術(shù)，以及土工格柵加筋、土工袋、土工膜封閉覆蓋、水泥改性等處理方法的優(yōu)化參數(shù)，通過系統(tǒng)研究提出了膨脹土水泥改性處理施工技術(shù)[10-11]。李青云等選擇南陽膨脹土渠道和新鄉(xiāng)膨脹巖渠道，分區(qū)研究不同處理措施的穩(wěn)定狀態(tài)和破壞模式，比較驗證其他膨脹土（巖）段渠坡處理方案的合理性與可行性[12]，優(yōu)選了各膨脹土渠段的處理方案。

3.1.5 大型渠道設(shè)計與施工

羅輝等針對南水北調(diào)工程長距離輸水，渠道沿線穿越復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件，水文、氣象以及運行條件差異變化大的特點，研究提出了大型渠道邊坡穩(wěn)定與優(yōu)化技術(shù)、高水頭側(cè)滲深挖方渠道邊坡穩(wěn)定、大型渠道新型結(jié)構(gòu)型式，開發(fā)了適應(yīng)不同設(shè)計條件、不同地質(zhì)條件、不同施工方法、不同運行工況下渠道邊坡穩(wěn)定的優(yōu)化理論和計算軟件，提出了高水頭側(cè)滲深挖方渠道邊坡穩(wěn)定與安全技術(shù)以及渠道防滲漏、防凍脹、防揚壓的新型材料和結(jié)構(gòu)型式，開發(fā)了基于探地雷達(dá)和聲波探測技術(shù)的渠道混凝土襯砌施工無損檢測技術(shù)[13]。

3.1.6 高填方渠道建設(shè)

倪錦初等針對高填方渠道施工中穿渠建筑物與渠道之間易形成差異沉降，結(jié)合部位易出現(xiàn)滲水通道等安全隱患問題，開展了穿渠建筑物對渠道安全的影響分析，提出了設(shè)計、施工控制要素與技術(shù)要求;研究了渠道沉降隨填筑時間的變化過程[14]，提出了填方渠道質(zhì)量控制措施技術(shù);完成了填方渠道的風(fēng)險分析及應(yīng)急預(yù)案措施技術(shù)研究，提出了采取水泥攪拌樁防滲墻、加厚鋼筋混凝土襯砌、ECC 纖維混凝土襯砌、加厚復(fù)合土工膜、渠堤外坡增設(shè)水泥攪拌樁及樁間設(shè)置排水體、防浪墻加大超高、水泥土鋪蓋貼坡截滲、河渠交叉建筑物閘門改造等成套措施技術(shù)，研發(fā)了高填方碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 設(shè)備與材料

3.2.1 東線大型燈泡貫流泵

馮旭松等研究提出了燈泡貫流泵機(jī)組傳動方式選用原則和方法、機(jī)組工況調(diào)節(jié)方式定量選擇方法、機(jī)組電機(jī)過濾清潔通風(fēng)方式和電機(jī)通風(fēng)方式優(yōu)化設(shè)計方法，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型燈泡貫流泵站靜動力及流固耦合有限元分析軟件;提出了泵型選擇評價方法和指標(biāo)體系，建立了標(biāo)準(zhǔn)化的泵模型特性選型數(shù)據(jù)庫，經(jīng)濟(jì)性、可靠性和穩(wěn)定性分析方法和綜合評判泵型選擇方法，提出了貫流泵裝置多工況設(shè)計方法與貫流泵裝置自動優(yōu)化技術(shù)，研發(fā)了4套不同燈泡貫流泵裝置[15]。

3.2.2 混凝土新材料及超大口徑PCCP結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制 ?王東黎等開展了高性能混凝土新材料、超大口徑PCCP（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制研究，研發(fā)了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管設(shè)計和仿真分析軟件，建立了考慮預(yù)應(yīng)力鋼絲纏絲過程和剛度貢獻(xiàn)的PCCP 預(yù)應(yīng)力損失模擬分析斷絲模型，提出了PCCP 承載能力全過程的數(shù)值分析方法和PCCP管道糙率測算方法，開展了超大口徑PCCP制造工藝試驗、管道結(jié)構(gòu)原型試驗、現(xiàn)場運輸安裝試驗、管道防腐試驗，克服了超大口徑PCCP 管道無法利用水力試驗獲取糙率系數(shù)的難題，解決了超大口徑PCCP 結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制的一系列設(shè)計、制造、安裝等關(guān)鍵技術(shù)問題[16-17]。

3.2.3 大型渠道及建筑物施工裝備

李典基等研究提出了斜坡混凝土布料、振動碾壓成型、振搗滑模襯砌成型、層密實成型、自動找正等技術(shù)與襯砌成套設(shè)備的控制技術(shù)體系，以及大型渠道機(jī)械化成型技術(shù)裝備設(shè)計制造和工程技術(shù)，研發(fā)了大型渠道機(jī)械化襯砌綜合施工工藝、大型渠道機(jī)械化襯砌系列成套設(shè)備，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的長斜振搗滑模和振動碾壓襯砌成型機(jī)及其配套設(shè)備[18]，以及大型“U”形預(yù)制渡槽施工及質(zhì)量控制成套設(shè)備[5]，填補(bǔ)了中國當(dāng)時大型渠道及建筑物機(jī)械化成型技術(shù)裝備和大型渡槽機(jī)械化裝備的空白。王江濤等研究了全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）主機(jī)主參數(shù)間的內(nèi)在規(guī)律，結(jié)合穿黃泥水工況，完成了主要部件、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)、控制和導(dǎo)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化設(shè)計，研制了鉆機(jī)超前地質(zhì)預(yù)報儀和TBM施工短期預(yù)報儀，形成了TBM主機(jī)設(shè)計技術(shù)體系、配套系統(tǒng)設(shè)計方案，開發(fā)了計算機(jī)輔助設(shè)計和輔助決策系統(tǒng)[19-20]。

3.3 水資源配置與輸水調(diào)度

3.3.1 水資源綜合配置

王建華等針對南水北調(diào)龐大供水系統(tǒng)，整體識別黃淮海三大流域之間、流域生態(tài)與經(jīng)濟(jì)之間、流域內(nèi)區(qū)域之間、區(qū)域內(nèi)城市與農(nóng)村之間的全口徑水資源需求，提出了缺水識別技術(shù)和方法，形成了涵蓋“三生”的全口徑缺水識別的整體技術(shù);提升配置決策機(jī)制、配置目標(biāo)和配置技術(shù)，提出基于5個統(tǒng)籌的五維水資源配置理論與方法;基于宏觀經(jīng)濟(jì)水資源模型和長系列供需分析模擬模型，構(gòu)建了多種自然要素和經(jīng)濟(jì)社會要素的二元水資源系統(tǒng)，耦合生態(tài)模塊和水環(huán)境保護(hù)模塊，動態(tài)連接各個模塊變量，形成了超大泛流域水資源合理配置整體模型[21]。

3.3.2 中線水資源調(diào)度

蔣云鐘等針對水源區(qū)和受水區(qū)不同水文分布及來水系列組合、受水區(qū)多目標(biāo)需求矛盾協(xié)調(diào)、多水源配置優(yōu)化等難題，深刻分析南北方水文分布組合特征和用水需求特征，提出了水資源配置協(xié)調(diào)技術(shù)。他建立了南水北調(diào)中線受水區(qū)分布式水文模型EasyDHM模型，進(jìn)行了長系列水文過程模擬，并基于二元水循環(huán)模式、耦合動態(tài)水資源調(diào)度模型、多目標(biāo)群決策理論和多準(zhǔn)則自適應(yīng)控制理論，提出了漢江流域及中線受水區(qū)二元水循環(huán)模擬技術(shù)，建立了涵蓋水源區(qū)、漢江中下游、干線和受水區(qū)全范圍的水資源調(diào)度體系。通過與市場相耦合，提出了“宏觀總控、長短相嵌、實時決策、滾動修正”的干線調(diào)度模式，建立了中線水資源調(diào)度模型及其調(diào)度決策支持系統(tǒng)[22]。

3.3.3 東線輸水河渠湖庫聯(lián)合調(diào)控

高學(xué)平等研究提出了東線工程河渠湖庫復(fù)雜水網(wǎng)的輸水控制技術(shù)，包括東線山東段復(fù)雜水網(wǎng)閉環(huán)輸水控制技術(shù)、軟硬件一體的自流渠道輸水控制技術(shù)和梯級泵站群優(yōu)化運行及控制技術(shù)，提高了輸水響應(yīng)時間速度、減少閘門啟閉次數(shù)，構(gòu)建了河渠湖庫復(fù)雜系統(tǒng)聯(lián)合同步調(diào)控調(diào)度技術(shù)體系。將采用“同步控制自適應(yīng)平衡”的調(diào)度控制技術(shù)與采用傳統(tǒng)的人工調(diào)度控制方式相比較發(fā)現(xiàn)，完成一個調(diào)度方案的時間和開動閘門次數(shù)可降低7%左右，提高了輸水效率，降低了輸水成本。提出的同步指令同時滿足自動化與人工執(zhí)行方式要求，大大降低了全線統(tǒng)一調(diào)度風(fēng)險[23-24]。

3.3.4 中線工程冰期輸水

劉之平等系統(tǒng)研究了工程輸水能力和穩(wěn)定性問題，以及閘前常水位輸水模式實現(xiàn)方式，提出了包含前饋、反饋與解耦環(huán)節(jié)的控制思想和控制算法，系統(tǒng)解決了長距離輸水系統(tǒng)穩(wěn)定時間長、水位波動大和渠池間耦合強(qiáng)等問題，實現(xiàn)了復(fù)雜輸水系統(tǒng)的自適應(yīng)建模，建立了南水北調(diào)中線工程輸水模擬平臺、長距離輸水渠道控制模型和冰期輸水模型;通過建立中線工程冬季輸水全過程仿真模型，定量論證了冰期輸水能力，提出了安全、高效的冰期運行方式和控制方法，確定了中線工程冰期運行控制方式，優(yōu)化了攔冰索結(jié)構(gòu)型式。此外，還進(jìn)行了真冰條件下的物理模型試驗，確定了典型輸水建筑物防冰害臨界水位，提出了防冰攔冰措施技術(shù)和大型調(diào)水工程超高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[25]。

3.4 管理與安全運行

3.4.1 工程建設(shè)與調(diào)度管理

張陽等研究提出了南水北調(diào)工程項目群規(guī)劃、管理技術(shù)及其決策技術(shù)，設(shè)計了突發(fā)狀況應(yīng)急處置方案，從信息系統(tǒng)建設(shè)、決策管理、優(yōu)化與控制、風(fēng)險管理4個維度構(gòu)建了南水北調(diào)工程建設(shè)與調(diào)度管理的技術(shù)體系;完成了以項目群管理和項目組合管理為主的工程建設(shè)多項目管理理論、方法及技術(shù)體系研究，提出了數(shù)據(jù)建模、分析方法、挖掘技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘分析算法，構(gòu)建了工程建設(shè)與調(diào)度管理群決策支持系統(tǒng)，提出了南水北調(diào)工程運營初期的管理技術(shù)、調(diào)度決策體系;建立了統(tǒng)一的信息分類和編碼體系，制定了數(shù)據(jù)采集、處理和仿真機(jī)制，研發(fā)了工程建設(shè)與調(diào)度管理信息采集、處理、仿真與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)體系，最終形成應(yīng)急處置支持平臺[26]。

3.4.2 東線泵站（群）優(yōu)化運行

程吉林等以泵站單機(jī)組葉片全調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)優(yōu)化運行為研究單元，將大系統(tǒng)理論與東線工程大規(guī)模、長距離、多目標(biāo)、多功能梯級泵站群緊密結(jié)合，建立了聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度大系統(tǒng)復(fù)雜理論體系和一系列數(shù)學(xué)模型的求解方法，從理論上突破解決了單機(jī)組、多機(jī)組（水泵同型號、不同型號）、并聯(lián)泵站和梯級泵站的優(yōu)化運行數(shù)學(xué)問題，建立了泵站群優(yōu)化模型并給出了求解方法，且成功應(yīng)用于東線江蘇段梯級泵站群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度[27]。張仁田等集成創(chuàng)新泵站工程（單機(jī)組、站內(nèi)多級機(jī)組、并聯(lián)站群、梯級站群）優(yōu)化調(diào)度理論方法和優(yōu)化調(diào)度準(zhǔn)則，開發(fā)了一整套優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)軟件，形成了規(guī)格化技術(shù)體系，建立了跨部門異構(gòu)的信息系統(tǒng)協(xié)同與信息共享平臺，編制完成了《南水北調(diào)東線工程泵站（群）運行數(shù)據(jù)規(guī)格化規(guī)范》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[28-29]。

3.4.3 水庫運行健康診斷及防護(hù)

岳強(qiáng)等針對東線山東受水區(qū)調(diào)蓄水庫多、易出現(xiàn)安全隱患等問題，分析安全隱患影響及識別因子，建立了平原水庫運行期健康診斷技術(shù)體系[30]。通過制定適用南水北調(diào)東線的平原水庫風(fēng)險劃分等級及評價標(biāo)準(zhǔn)，提出了不同風(fēng)險等級的應(yīng)急預(yù)案技術(shù)指標(biāo);揭示出運行條件下平原水庫膜下非飽和土地基中的水氣運移規(guī)律和土工膜氣脹破壞機(jī)理，提出了平原水庫圍壩與穿壩涵管接觸面滲漏監(jiān)測、防護(hù)和處治成套技術(shù)，以及基于光纖傳感技術(shù)的平原水庫圍壩滲流監(jiān)測技術(shù)方案;通過建立平原水庫波浪力分析模型，揭示了下臥土層水分運移機(jī)理和凍脹變形對護(hù)坡的破壞機(jī)理，形成了混凝土護(hù)坡施工與防護(hù)技術(shù)，研發(fā)了環(huán)保防凍融護(hù)坡材料，提出了平原水庫護(hù)坡凍融凍脹修復(fù)技術(shù)。

3.4.4 工程安全

王浩等提出了應(yīng)急工況下閘門現(xiàn)地自動控制方法和渠道運行集中控制技術(shù)，開發(fā)了渠道水量水質(zhì)耦合模擬模型，進(jìn)行各種工況下水力學(xué)水質(zhì)過程的精細(xì)模擬，研發(fā)了中線應(yīng)急運行調(diào)度控制平臺，實現(xiàn)了應(yīng)急監(jiān)測、故障診斷、應(yīng)急調(diào)控、模擬評價、應(yīng)急控制方案編制等功能[31]。劉漢東等通過構(gòu)建采空區(qū)渠道變形預(yù)測模型，提出了南水北調(diào)東線煤礦采空區(qū)渠道運行安全標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了渠道安全運行預(yù)警系統(tǒng)與渠道及建筑物破壞應(yīng)急處理技術(shù)[32-33]。謝向榮等研究提出了膨脹土渠道全鏈條安全監(jiān)測技術(shù)體系，研制了變位式分層沉降監(jiān)測系統(tǒng)和水平雙向變形監(jiān)測系統(tǒng)，提出了集成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時通訊傳輸技術(shù)以及數(shù)據(jù)管理技術(shù)、膨脹土渠道安全監(jiān)測可視化技術(shù)、三維漫游技術(shù)，形成了一套完整的膨脹土安全實時監(jiān)測、預(yù)報分析與處理技術(shù)[34]。

3.5 工程風(fēng)險與病害防治

3.5.1 運行風(fēng)險管理

劉恒等圍繞工程運行過程中可能出現(xiàn)的工程風(fēng)險、水文風(fēng)險和生態(tài)與環(huán)境風(fēng)險等，研究風(fēng)險識別因子，分析風(fēng)險響應(yīng)機(jī)理，用工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定等各類風(fēng)險因素的組合概率評價預(yù)測工程運行風(fēng)險，用水源區(qū)與受水區(qū)不同水文概率分布評估預(yù)測水文風(fēng)險，用水質(zhì)風(fēng)險和生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)風(fēng)險、突發(fā)性和非突發(fā)性風(fēng)險評估預(yù)測生態(tài)與環(huán)境風(fēng)險，完成了對復(fù)雜調(diào)水工程系統(tǒng)的多層次時空風(fēng)險預(yù)測與模擬，提出了工程運行風(fēng)險控制標(biāo)準(zhǔn)。此外，以系統(tǒng)控制理論為指導(dǎo)，結(jié)合運行管理特點和風(fēng)險控制技術(shù)，研究風(fēng)險控制機(jī)制與方法，提出了南水北調(diào)工程運行系統(tǒng)風(fēng)險管理的綜合策略技術(shù)和調(diào)水工程運行風(fēng)險分析的理論框架，建立了安全控制和運行風(fēng)險度的定量分析模型，制定了南水北調(diào)工程運行風(fēng)險調(diào)度技術(shù)體系及預(yù)案[35]。

3.5.2 混凝土病害防治

楊穩(wěn)華等針對渠道和渡槽混凝土結(jié)構(gòu)病害的預(yù)防問題，研究提出了混凝土性態(tài)變化監(jiān)測評估技術(shù)、混凝土表面改性技術(shù)、混凝土表面防護(hù)材料、止水密封防老化涂料以及渠道混凝土襯砌防冰蓋破壞技術(shù)，有效防止或減緩了病害的發(fā)生，提高了輸水工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。針對渠道混凝土襯砌破裂、表面破損、渠道表面糙率過大、渠坡失穩(wěn)等，研發(fā)了水下混凝土快速修復(fù)/修補(bǔ)材料、渠道糙率恢復(fù)技術(shù)、渠道滑坡應(yīng)急處理技術(shù)、病害及時快速整治技術(shù)[36-37]。

3.5.3 建筑物運行風(fēng)險識別和預(yù)警

韓迅等通過集成建筑物風(fēng)險評價模型、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與風(fēng)險診斷模型、流域洪水模型以及區(qū)域水沙運動模型，綜合考慮工程質(zhì)量信息和洪水、沖刷、采砂等復(fù)雜外部不利條件，給出了跨（穿）河建筑物的綜合風(fēng)險因子，系統(tǒng)集成跨（穿）河建筑物風(fēng)險評價模型，采用模糊評價和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，計算出建筑物的靜態(tài)風(fēng)險[38]，通過構(gòu)建南水北調(diào)中線大型跨（穿）河建筑物運行風(fēng)險識別和預(yù)警系統(tǒng)平臺可及時預(yù)報流域雨情和河道水情，準(zhǔn)確識別建筑物在不同運行工況下的危險部位。

3.5.4 地震災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警

饒為勝等研究提出了基于GPS和BDS組合定位的形變監(jiān)測方法，獲得了毫米級的監(jiān)測精度，建立了自動化GNSS形變監(jiān)測系統(tǒng)，提高了監(jiān)測的時間分辨率;基于模糊概率方法，建立了平原水庫與堤壩工程的震害評估模型，提出了水庫堤壩震害預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警判據(jù)的確定方法;將概率地震需求模型和易損性分析理論引入到泵站樞紐的震害評估中，獲得了泵站樞紐的結(jié)構(gòu)需求和地震動強(qiáng)度之間的關(guān)系，研究了泵站樞紐在不同強(qiáng)度地震作用下達(dá)到或超過各性能水準(zhǔn)的概率，構(gòu)建了不同概率水準(zhǔn)地震作用下泵站的震害評估模型;針對水庫堤壩及泵站樞紐兩類工程，建立了相應(yīng)的基礎(chǔ)信息庫，構(gòu)建了震害預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)，集成研發(fā)了震害預(yù)警系統(tǒng)[39-40]。

3.6 水質(zhì)安全及影響評估

3.6.1 調(diào)水工程水質(zhì)差異應(yīng)對

陳永燦等將現(xiàn)場觀測與試驗相結(jié)合，深入研究了中線水源區(qū)、受水區(qū)水質(zhì)的差異特征、化學(xué)變化反應(yīng)過程，以及管網(wǎng)材料對水質(zhì)的影響，揭示了沉積物金屬離子釋放規(guī)律和釋放后管垢物化性質(zhì)變化，不同主客水調(diào)配比例下金屬離子的釋放規(guī)律，確定了各受水區(qū)水質(zhì)差異的定量評估方法，研究建立了水質(zhì)差異的監(jiān)測系統(tǒng)，提出了應(yīng)對水質(zhì)差異的技術(shù)手段[41-42]。

3.6.2 丹江口水源區(qū)黃姜加工新工藝

為了維持庫區(qū)良好水質(zhì)，程鵬等開發(fā)了“催化-溶劑法”黃姜皂素清潔生產(chǎn)工藝，通過有機(jī)溶劑和催化劑/助劑的耦合，實現(xiàn)了皂甙和纖維、淀粉等的有效分離;開發(fā)了基于SMRH工藝的循環(huán)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，黃姜資源綜合利用率和皂素收率大幅提高，污染負(fù)荷大幅削減;開發(fā)了基于直接分離法黃姜清潔生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了黃姜淀粉與纖維回收利用;開發(fā)了兼有脫硫功能的兩相厭氧和以G-BAF為主的好氧處理工藝，高效去除黃姜加工廢水中的COD、氨氮等污染物，實現(xiàn)加工廢水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放[43]。

3.6.3 河道疏浚泥堆場綜合處置

馮旭松等針對南水北調(diào)東線輸水河道疏浚泥堆場等問題，揭示了疏浚泥排水淤堵機(jī)理及負(fù)壓作用下影響疏浚泥固結(jié)排水效果的主要因素;提出了防堵可控真空快速固結(jié)技術(shù)，以及防堵、高效節(jié)能真空設(shè)備與環(huán)保排水材料為一體的疏浚泥堆場快速加固處理等綜合處置關(guān)鍵技術(shù);研發(fā)了可降解排水材料，解決了工程施工排水材料長期埋于地下持續(xù)產(chǎn)生污染的問題[44]。

3.6.4 區(qū)域生態(tài)影響評估

甘泓等深入研究了與南水北調(diào)工程建設(shè)相配套、與生態(tài)保護(hù)恢復(fù)目標(biāo)相協(xié)調(diào)的節(jié)水、地下水調(diào)控和河流湖泊沼濕地恢復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)，以及生態(tài)水文效應(yīng)與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，提出了由水循環(huán)調(diào)控技術(shù)、水質(zhì)調(diào)控技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)評估技術(shù)等組成的調(diào)水工程受水區(qū)生態(tài)環(huán)境影響評估技術(shù)體系，建立了典型城市節(jié)水模型、外調(diào)水-當(dāng)?shù)厮?lián)合調(diào)配模型、平原區(qū)地下水模型、區(qū)域分布式流域水循環(huán)模型等評估模型，從物理模型和計算機(jī)實體仿真兩方面提出了調(diào)水工程直接生態(tài)效應(yīng)的有效分析模式[45]。

4 主要結(jié)論與展望

4.1 主要結(jié)論

（1） “十一五”以來，科學(xué)技術(shù)部圍繞南水北調(diào)東中線一期工程，設(shè)置國家科技支撐計劃項目課題，支持開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，其中“十一五”關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研課題14項，“十二五”科研課題17項。攻關(guān)科研在工程設(shè)計與施工、設(shè)備與材料、水資源配置與輸水調(diào)度、管理與安全運行、工程風(fēng)險與病害防治、水質(zhì)安全及影響評估等方面取得了關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果，為南水北調(diào)工程順利建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐，保證了工程順利建成通水、安全運行，最優(yōu)化發(fā)揮工程效益。

（2） 攻關(guān)科研取得的主要創(chuàng)新成果包括：丹江口大壩加高、大流量預(yù)應(yīng)力渡槽、中線穿黃隧洞、膨脹土地段渠道、大型高填方渠道等工程設(shè)計與施工方面關(guān)鍵技術(shù);東線大型燈泡貫流泵、高性能混凝土新材料及超大口徑PCCP 、大型渠道及建筑物施工裝備等設(shè)備與材料方面關(guān)鍵技術(shù);水資源綜合配置、中線水資源調(diào)度、輸水河渠湖庫聯(lián)合調(diào)控、冰期輸水等水資源配置與輸水調(diào)度方面關(guān)鍵技術(shù);工程建設(shè)與調(diào)度管理、東線泵站（群）優(yōu)化運行、水庫運行健康診斷、工程安全運行等管理與安全運行方面關(guān)鍵技術(shù);運行風(fēng)險管理、混凝土病害防治、建筑物運行風(fēng)險識別和預(yù)警、地震災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警等工程風(fēng)險與病害防治方面關(guān)鍵技術(shù);調(diào)水工程水質(zhì)差異應(yīng)對、丹江口水源區(qū)黃姜加工工藝、河道疏浚泥堆場綜合處置、區(qū)域生態(tài)影響評估等水質(zhì)安全及影響評估方面關(guān)鍵技術(shù)。

（3） 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研緊密結(jié)合不同時期、不同階段南水北調(diào)工程的實際，根據(jù)工程對關(guān)鍵技術(shù)的需求，充分利用當(dāng)時各相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)，逐步展開關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，并將成果直接用于工程建設(shè)，很多創(chuàng)新成果及時轉(zhuǎn)化成了生產(chǎn)力。目前，南水北調(diào)東中線一期工程已運行數(shù)年，進(jìn)入了正常運行提質(zhì)增效期，后續(xù)工程正在抓緊論證。針對攻關(guān)科研進(jìn)展不平衡的問題，面對綠色、高質(zhì)量發(fā)展新要求，若要滿足一期工程長期安全穩(wěn)定高效運行和后續(xù)工程建設(shè)新需求，仍然面臨諸多關(guān)鍵技術(shù)需要開展攻關(guān)研究。

4.2 展 望

（1） 通過南水北調(diào)“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目的實施，將研究提出工程運行隱患早期識別技術(shù)、風(fēng)險診斷方法、檢測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，形成南水北調(diào)工程運行安全檢測成套技術(shù)，研發(fā)配套專用檢測裝備，為保障南水北調(diào)工程安全運行提供技術(shù)支撐。

（2） “十四五”期間，將從推進(jìn)南水北調(diào)高質(zhì)量發(fā)展方面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，深入分析南水北調(diào)工程面臨的新形勢、新任務(wù)，深入分析南水北調(diào)工程高質(zhì)量發(fā)展基本要求和技術(shù)體系，提出推進(jìn)工程高質(zhì)量運行管理、提質(zhì)增效、更好發(fā)揮工程效益的技術(shù)措施與方法，以及數(shù)字南水北調(diào)工程技術(shù)、智能精細(xì)化調(diào)度技術(shù);從立足流域整體和水資源空間均衡配置、科學(xué)推進(jìn)后續(xù)工程、提高水資源集約節(jié)約利用水平等方面，提出高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略舉措、相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，為推進(jìn)南水北調(diào)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

（3） 圍繞南水北調(diào)后續(xù)工程開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合前期論證和方案比選，開展工程技術(shù)與難題的攻關(guān)研究，包括東線二期穿黃關(guān)鍵技術(shù)、東線泵站選型模型試驗、東線后續(xù)工程生態(tài)治理及水質(zhì)保障、中線補(bǔ)源深埋超長隧洞關(guān)鍵施工技術(shù)、加大流量輸水關(guān)鍵技術(shù)、在線調(diào)蓄水源建設(shè)運行技術(shù)、西線工程供水需求及建設(shè)影響、超長距離深埋超長隧洞與復(fù)雜工況施工等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為后續(xù)工程的論證、規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)提供技術(shù)支撐。

（4） 今后，將在深化南水北調(diào)水資源調(diào)度與風(fēng)險管控等方面繼續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，根據(jù)極端氣候影響、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水需求等新變化新情況，結(jié)合南水北調(diào)工程運行實踐經(jīng)驗和暴露出來的新問題，以及新時代發(fā)展戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和供水保障程度提升等新要求，研究提出進(jìn)一步優(yōu)化水資源配置格局，以及確保工程長期安全運行、不斷提高工程綜合效益的關(guān)鍵技術(shù)，為確保南水北調(diào)供水、工程和水質(zhì)安全提供堅實技術(shù)支撐。

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（編輯：胡旭東）