虞邦義，袁先江，蔣尚明，孫小冉

（安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 合肥 233088）

伴隨著 “一定要把淮河修好”的偉大歷史號召，安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院應運而生，從1951年創(chuàng)建伊始的治淮委員會土工實驗室，到新中國早期興建的6個綜合性水利科研院所之一的 “淮河水利科學研究所”，歷經70載的不懈努力和艱苦創(chuàng)業(yè)，逐漸發(fā)展成為學科門類齊全的綜合性水利科研院所，有力支撐了治淮事業(yè)的推進與安徽水利事業(yè)的發(fā)展。1998年成立水利水資源安徽省重點實驗室，搭建了支撐安徽水利科技進步與水利行業(yè)發(fā)展的重要科研平臺，緊密圍繞安徽省和淮河流域經濟、社會發(fā)展新形勢下綜合治水的創(chuàng)新需求，瞄準水利科技發(fā)展前沿，針對水資源開發(fā)利用與水環(huán)境保護、節(jié)水減排控污與農田水利綜合治理、水土保持與水生態(tài)修復保護、防災減災及河湖治理與保護、水工結構與材料性能、巖土力學與滲流基礎理論等方向，開展了基礎性、應用性和前瞻性研究。解決了淮河流域及安徽省面臨的一系列重大水科學問題，對安徽省水利事業(yè)發(fā)展和治淮工作的推進起到了關鍵支撐與引領作用，為經濟社會發(fā)展和人民安居樂業(yè)提供了重要保障。

1 巖土力學與滲流計算理論研究

1．1 土體性能指標測定理論、方法與儀器研發(fā) 液性限度和塑性限度是黏性土的重要評價指標，常用搓條法測定，該法耗時長，易因土樣運轉或長期存放導致試驗誤差。針對黏性土的物理力學性質與圓錐入土深度有著密切的關系，聶守智［1-2］在分析圓錐沉入土體時的力學平衡條件的基礎上，提出了采用圓錐儀同時測定黏性土的液性限度和塑性限度的聯(lián)合測定法，揭示了土的抗剪強度與圓錐重量、入土深度及內摩擦角的定量關系，繪制了圓錐入土深度與抗剪強度、內摩擦角之間的關系曲線，為迅速、可靠的測定黏性土各項性能指標參數(shù)奠定理論基礎，被列入《土工試驗規(guī)程》沿用至今。

聶守智［1-2］假定試驗時錐面涂油十分光滑，與土體接觸面上無黏結力和摩阻力，錐體和土體極限平衡之間的土重和錐重相比甚小，可忽略不計。在錐重P作用下，圓錐入土深度為hs時，有：

式中：cu為不排水抗剪強度，kg/cm2；P為圓錐重，kg；hs為慢放圓錐入土深度，mm；α為圓錐頂角，°；?為內摩擦角，°；θ為軸對稱剖面線與水平線的夾角，°。

當?＝0時

計算結果顯示當α＝30°、θ＝55．5°時，式（2）的cu最大，把α＝30°和θ＝55．5°代入式（2），得

則無側限抗壓強度為：

為了便于應用，聶守智計算了式（1）中θ值，并繪制hs和cu、?的關系圖，見圖1。得知hs和cu值后即可查出?值。

圖1 圓錐入土深度h s和土的c u、?的關系［2］

振動三軸儀是研究土體在雙向（軸向及水平方向）動荷載作用下動力特性的一種試驗儀器。在國內尚無同類型儀器的時候，為了更好地模擬土體的受力狀態(tài)，滿足對尾礦壩砂土進行振動液化試驗的需要，聶守智等［3］研制了慣性力式雙向振動三軸儀。通過雙向振動臺及動力設備對壓力室內土體施加軸向荷載，動態(tài)模擬土體的受力狀態(tài)，測定土體在雙向動荷載作用下的動態(tài)孔隙水壓力、應力、應變等指標，填補了土工建筑物和地基在地震荷載下的振動液化測量儀器的空白，是我國最先采用、目前仍廣泛應用的土動力特性測試儀器。

1．2 水工結構與力學性能 在大壩抗震性能研究中，大壩模態(tài)參數(shù)（自振頻率、振型及阻尼）反映了大壩結構的動力特性，是人們關心的一類基本參數(shù)。大壩原型動力試驗是確定大壩模態(tài)參數(shù)和研究大壩動力特性及抗震性能的重要手段，因為只有原型結構才能準確反映結構的工作特性、邊界條件以及各種介質之間的相互作用。在原型動力試驗中，振動激發(fā)方式可分為強迫振動、自由振動及脈動三類。由于強迫振動和自由振動激發(fā)方式存在對穩(wěn)頻精度要求高、須借助大型起振設備、適用范圍有限等局限性，因此利用脈動分析結構的動力特性得到了較大發(fā)展。在結構原型試驗中，采用脈沖激振技術，以不同形式的激勵函數(shù)作為輸入，以響應作為輸出，并利用傳遞函數(shù)分析結構的模態(tài)參數(shù)，可以較方便地得到結構的多階頻率、振型及較為精確的模態(tài)阻尼系數(shù)。針對壩體原型動力試驗及模態(tài)識別的技術難題，1986年路觀平等［4-6］在借鑒航空航天技術的基礎上，結合水工結構的特點，首次利用自制的可以產生40 k N的三角脈沖荷載的小火箭作為激發(fā)手段，開展了壩體結構原型動力試驗研究。

現(xiàn)場原型動力試驗的程序是：將反沖激振器設置在某一壩段并靠近壩的頂部，產生一個方向向著徑向下游的三角形脈沖；在壩體上設立若干個測站，接收輸出的位移響應信號；把現(xiàn)場記錄的綜合反映結構因素的動態(tài)特性信息輸入信號分析器，求取傳遞函數(shù)，進而識別壩體模態(tài)參數(shù)。實驗模態(tài)分析方法為：設激振力為f（t），系統(tǒng)上某點的位移響應為x（t），用頻域表示并作Fourier變換：

式中：F（ω）、X（ω）分別為Fourier變換后的激振力和位移；ω、j分別為角頻率和虛數(shù)單位。

單點輸入時，位移頻響函數(shù)H（ω）定義為：

設激振力FP（ω）在P點激振，l點測振，則l點位移頻響函數(shù)：

式中：φli、φpi分別為第i階模態(tài)的振型向量；Mi、Ci和Ki分別為系統(tǒng)的質量、阻尼和剛度矩陣。式（6）即為模態(tài)參數(shù)與頻響函數(shù)的關系式。當試驗測出足夠數(shù)量的頻響函數(shù)后便能計算出模態(tài)參數(shù)。

該項試驗研究應用了信號處理及模態(tài)識別技術，為大體積水工結構提供了一種有效的模型識別方法，研究成果居國內領先地位，經濟社會效益顯著。在此基礎上，分別采用爆破、起振機和隨機脈動等試驗手段，先后對安徽省的響洪甸、佛子嶺等不同混凝土壩型的多座水庫進行了動力特性的試驗研究與原型觀測，取得了豐富成果。

水工結構中的另一個難題是如何消除大型水工金屬結構中超厚焊接金屬構件的殘余應力。水工金屬結構的焊接是不均勻的加熱和冷卻過程，構件經過焊接后，內部會產生殘余應力。殘余應力的存在會極大影響構件的尺寸穩(wěn)定性、剛度、強度、疲勞壽命和機械加工性能，甚至會導致裂紋和應力腐蝕，因此需對構件進行消除應力處理。振動時效是利用構件的共振給構件施加交變應力或變形，使構件發(fā)生微觀或宏觀黏彈塑性變化，從而降低和均化構件內的殘余應力，并使其尺寸精度達到穩(wěn)定。由于金屬結構是由多條縱橫焊縫焊接而成，為了使焊縫區(qū)取得更好的時效效果，激振力所產生的正弦波應沿著焊縫的方向進行處理，采用多激振點、多頻率段、多激振力段進行時效處理，并根據工件固有頻率和共振狀態(tài)，調整振動時效工藝。針對支鉸鋼梁的具體結構形式，采用四點支撐方式，各支撐點在距兩端長度2/9處進行支撐。此外，在水工起重設備中，鋼絲繩作為起重、運輸、提升及承載的重要構件被大量應用，由于使用環(huán)境一般較為復雜、惡劣，在使用過程中會產生斷絲、磨損等各種缺陷。

對此類水工金屬結構安全檢測的技術規(guī)范和標準中，尚未規(guī)定如何對承力鋼絲繩內部質量進行檢測和評定。為解決大型水工焊接結構殘余應力消除及水工金屬結構內部質量探傷問題，姚亮等［7-8］開展了高壓閘門振動故障診斷、弧形閘門支鉸鋼梁振動時效消應、水工設備內部質量探傷等方面的技術研究，成功解決了超厚鋼板箱型焊接構件的振動時效技術難題，并提出了一套完整的基于弱電磁法的水工設備鋼絲繩內部質量無損檢測與評價新方法。該方法通過對鋼絲繩進行弱磁加載，根據各種缺陷的形態(tài)及其對磁力線的影響，提取和分析已施加磁載的鐵磁性材料上弱磁能勢分布差異信息，便能完成對鋼絲繩內外部各種缺陷的定位、定性和定量識別。

1．3 水工滲流計算理論與滲流控制 針對長江、淮河兩岸以雙層或多層地基為主，堤基汛期受承壓水的頂托，易在堤后出現(xiàn)流土和管涌等險情的難題，吳世余等［9-10］提出 “多層地基和減壓溝井的滲流計算理論”，通過本奈特假定分析多層滲流問題，分別采用保角交換法、折合距離法和等效完整窄溝法求解無限單層域中淺長溝、雙層域中長溝和多層域中長溝的解，根據單層域中長列完整井解的一般法則——正、反對稱流態(tài)解的疊加原理，求出單層域中淺井、半球面井和不完整井的理論解和多層域中單井、長列井、群井的解；論述了堤防、涵閘上下游多層地基中地下水的運動規(guī)律，計算地基在設置減壓井前后的水頭分布、流量和出逸坡降，為堤防、涵閘的穩(wěn)定分析、滲漏量計算和防滲方案比較提供資料，拓展了非均勻介質的滲流計算理論。根據多年水文地質參數(shù)，繪出各個時期的流態(tài)，分析和估計堤壩滲透穩(wěn)定的現(xiàn)狀，提出了滲流控制處理方案，應用于蚌埠閘、同馬大堤、無為大堤、鳳凰頸樞紐等淮河與長江在安徽境內的水利工程，為堤壩設計和管理提供重要的技術支撐。

對于概化的半無限雙層地基中的單口完整井情況，如圖2所示，x軸為河岸，下部砂層在河岸出露，水位為0，上部覆蓋層頂板的水位也為0，注水井為源點，注水量為Q，井水位為H。與源點對稱位置設置一匯點，出水量也為Q，以疊加法可得任一點ρ（x，y）的水位h為

圖2 河岸單口井示意圖［10］

式中：K0為第二類零階虛變元柱函數(shù)；A為層間值，K、K′、T和T′分別為砂層和覆蓋層的滲透系數(shù)和層厚；x為任一點ρ的橫坐標；y為任一點ρ的縱坐標；l1為源點和匯點到河岸的距離。

以h＝H，γ＝γ0代入式（7），得

1．4 基坑滲流穩(wěn)定計算理論與地基質量評價 建筑物地基內如果存在承壓水層，基坑降水常規(guī)計算方法是先求影響半徑，將該半徑對應的圓周作為補給邊界，再進行井群干擾計算，或者將基坑當作一個等效半徑的大口井代入單井公式計算。當建筑物在江河附近或者基坑長度遠遠大于寬度等出現(xiàn)直線補給邊界情況下，該法的計算結果與實際情況嚴重不符。針對存在直線補給邊界的基坑承壓水分布難題，葛孝椿等［11-12］提出了直線補給邊界基坑降水滲流分析方法，通過鏡像反射迭代使其解能夠滿足邊界條件，分析了不考慮地基內潛水與承壓水之間越流補給和考慮越流補給的計算方法，以直線補給邊界影響距離代替影響半徑，提出直線補給邊界影響距離的計算方法，并成功應用于蚌埠閘擴建等工程。

對于直線補給邊界有抽水井的情況，上游直線補給邊界水位為H上，下游直線補給（或被補給）邊界水位為H下，L為上、下游直線補給邊界間距。設有n孔井，其流量用Q1i表示。Q1i中下標1表示實井（非鏡像井）流量，以便區(qū)別于鏡像井流量，下標i表示井的序號，i＝1，2，3，…，n。圖3為設置無窮多組鏡像井的一部分。為了便于編寫計算程序，在圖3中取上游直線邊界為y軸，x軸過y軸上任意點，方向向右（指向下游）。將相鄰兩下游直線邊界（包括其鏡像）所包圍的區(qū)域用k值編號，k＝1，2，…，∞，k＝1為y軸兩側的區(qū)域；其余k為偶數(shù)時，在x正的區(qū)域，k為奇數(shù)時，在x負的區(qū)域；左右交替編號（見圖3，該圖略去了k≥7的區(qū)域）。對于x≤L的情況，每個k的區(qū)域又用上游直線邊界（或其鏡像）劃分兩個小區(qū)，以j＝0表示上游直線邊界（或其鏡像）右側小區(qū)，j＝1表示其左側小區(qū)。對于x＞L的情況則相反，詳見圖3。

圖3 鏡像反射示意圖［11］

（xi，yi）為i號實井坐標。各個小區(qū)鏡像井的x坐標可由k與j用下式表示：

式中：k為偶數(shù)時k′＝0；k為奇數(shù)時k′＝1。

依據k取1，2，3，…，NK來推導，以NK為偶數(shù)分析，設第I號井（實井）的井壁外側水位為h0I，則

式中：K為承壓水層滲透系數(shù)，cm/s；T為承壓水層厚度，m。i′＝i＋［j＋2（k-1）］n，i＝1，2…，n。

反拱底板是將單拱或連拱倒置于地基之上，建筑物的荷載主要由墩墻傳到拱腳，再通過拱與墩的共同作用傳入地基；最初的設計方法把地基反力當作均勻分布，參照實際工程觀測結果假定邊上3孔的左右拱腳相對豎向變位值及邊上2～3個墩基的轉角值，首先按無鉸圓拱計算內力，再對連拱用彎矩分配法分配使力矩平衡。該法的墩基與拱腳變位值計算結果變化大，甚至出現(xiàn)方向相反的情況。葛孝椿［13］分析了反拱內力與變位、墩基與地基變位、地基反力、結構與地基土層性質、各種荷載作用、溫度變化等因素之間的內在聯(lián)系，通過力的平衡和墩與拱、墩拱與地基變形協(xié)調，求解反拱內力及墩與拱的有關變位，提出一種反拱底板計算方法并編制了相應的計算程序。該法在多座船閘上得到應用，節(jié)省大量的材料，又避免了塢式底板的裂縫，獲得巨大的經濟效益。

2 水文統(tǒng)計理論與水文實驗

2．1 水文統(tǒng)計理論、方法與應用 水文統(tǒng)計分析是水利規(guī)劃、設計和工程建設的基礎。新中國成立后，為了適應水利事業(yè)發(fā)展的需要，我國水文統(tǒng)計分析工作發(fā)展迅速，金光炎［14］針對我國實際情況，在國內最先對水文統(tǒng)計進行了卓有成效的研究，1964年著 《水文統(tǒng)計原理與方法》，在水利規(guī)劃設計中首次推廣使用水文頻率計算的方法和圖表，奠定了我國水文統(tǒng)計理論、方法與應用的基礎。《水文統(tǒng)計原理與方法》《水文統(tǒng)計計算》 《水文水資源隨機分析》 《工程數(shù)據統(tǒng)計分析》［15-17］等學術著作，系統(tǒng)歸納總結了水文頻率線型選擇、參數(shù)估計和誤差分析等水文統(tǒng)計基礎理論和方法，在全國水利院校、水文部門以及水利水電規(guī)劃設計單位得到廣泛采用。

2．2 流域水文循環(huán)實驗與四水轉化機理研究 建國初期，淮北平原地區(qū)內澇極為嚴重，農田除澇水文計算亟待開展，而淮北地區(qū)特定的降水與下墊面條件又無相似地區(qū)水文資料可以借鑒，為解決淮北坡水區(qū)除澇水文計算問題，治淮委員會于1953年設立了青溝徑流實驗站（為五道溝水文實驗站前身）。五道溝水文實驗站自1953年建站以來，系統(tǒng)刊發(fā)了60多年安徽省淮北平原水文觀測實驗資料年鑒，該資料系列之長，在國內同類實驗站中居首位。以五道溝實驗站為平臺，在流域水文循環(huán)實驗與四水轉化機理等方面取得了一系列突出成果。趙家良等［18］以徑流實驗為基礎，提出的平原農田排水模數(shù)、除澇水文計算方法、 “三溝兩田”工程排水模式等一系列成果，在淮北平原農田灌溉排水工程設計、低產土改良和農業(yè)除澇防旱中得到廣泛應用；張朝新等［19］以多年潛水蒸發(fā)觀測實驗資料，總結提出了潛水蒸發(fā) “張朝新公式”，為我國當時通用的四大潛水蒸發(fā)計算公式之一；王振龍等［20-21］利用地中蒸滲儀研究的農作物需水規(guī)律和適宜地下水埋深等成果，對于指導農業(yè)灌溉和農田節(jié)水管理作出了重要貢獻；王發(fā)信等［22］結合半濕潤半干旱且地下水埋藏較淺的平原區(qū)產匯流特性，基于蓄滿產流的基本原理研發(fā)了五道溝水文模型，被應用于農田除澇水文計算、產匯流分析、水資源評價等領域，推動了我國平原區(qū)水文模型研究的發(fā)展。

3 河湖演變與綜合整治

3．1 河湖水沙輸配與河床演變 掌握淮河的水沙輸移特性，剖析河道演變機理，進而對河床形態(tài)的變化進行合理預測是治淮亟需解決的重大科技問題［23］。毛世民等［24］根據長系列水沙資料，分析了淮河流域來水來沙變化趨勢（圖4）、河湖演變、干流河道的水位流量關系及洪水的造床作用等基本規(guī)律，并認識到淮河河床相對比較穩(wěn)定。隨著研究的深入，虞邦義等［25-30］通過輸沙平衡計算，得出干流河道的沖淤沿程分布規(guī)律為 “兩頭淤積，中間沖刷”，并揭示了來沙系數(shù)、洪水漲落及行蓄洪區(qū)使用等因素對河道沖淤的影響；通過斷面法和數(shù)字高程模型，得出來沙趨減和強人類活動的影響下，干流沖刷加劇，洪澤湖淤積減弱，人工采砂引起局部下切使河湖的地貌格局發(fā)生劇烈變化（圖5）。倪晉等［23，31-37］分析了自然要素和人類活動在不同時空尺度上對淮河演變的影響，實現(xiàn)了從現(xiàn)象描述到定量表達的過渡。綜合集成來水來沙、沖淤分布、造床流量、河相關系、挾沙能力等成果，出版專著 《淮河中游河道特性及整治研究》，對淮河的河性進行了較為系統(tǒng)的總結，揭示了淮河的水沙輸移特性，剖析了河湖演變機理，預估了淮河床面形態(tài)的變化趨勢，為進一步科學治淮奠定理論基石。

圖4 吳家渡站徑流量、輸沙量及含沙量逐年變化［32］

圖5 淮河干流王家壩至老子山河床縱剖面［38］

3．2 河道、樞紐實體模型與數(shù)學模型及綜合整治工程 實體模型和數(shù)學模型是解決水利工程規(guī)劃、設計、建設和運行中關鍵問題的重要手段。早在1960年代，蔣玉璽等［39］利用梅山高速水流實驗室，解決了樞紐布置和高壩泄洪消能的問題，探索了摻氣減蝕的方法和措施，為我國高速水流學科的發(fā)展作出了貢獻。陳先樸等［40］和虞邦義等［41］先后開展了淮河干流淮濱水文站至正陽關段、正陽關至渦河口段、蚌埠至方邱湖段等大型河工模型試驗研究，以及蚌埠閘擴建、臨淮崗洪水控制工程等大型控制樞紐模型試驗。其中，淮河干流正陽關至渦河口段模型（平面比尺1∶300，垂直比尺1∶60）是迄今淮河最大的非恒定流河工模型，采用了先進的量測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了模型內、外邊界的自動控制和水力參數(shù)的自動檢測。利用上述水工、河工模型優(yōu)化了大型水閘樞紐的整體布局，預測了河道疏浚、切灘、退堤等工程措施下洪水位及流場變化，提出了淮河干流治理的優(yōu)化方案，為治淮19項骨干工程、進一步治淮38項工程提供了重要的決策依據。

在數(shù)學模型建立和應用方面，構建了淮河中游一、二維嵌套水流模型（圖6）、重點河段的二維水流模型及樞紐建筑物三維水流模型，并應用于淮河干流整治及引江濟淮等工程實踐中，為治理方案的比選和優(yōu)化提供了重要的技術支持［42］。同時，針對淮河流域自身的特點，先后開發(fā)出能反映砂漿黑土裂隙滲漏的坡面水文模型、多閘壩流域的水量-水質數(shù)學模型、弱沖積河流的泥沙數(shù)學模型等一系列數(shù)值計算程序，計算格式包括有限差分和有限體積法，還引入曲線坐標變換和同位網格技術進行邊界擬合。這些自主開發(fā)的模型廣泛應用于淮河干流王臨段、蚌浮段、浮山以下段行洪區(qū)調整建設中，回答了疏浚是否回淤以及工程效果能否長效維持等熱點問題，有力地支撐了治淮重大工程的實施［30-31］。

圖6 淮河中游水動力數(shù)學模型概化圖

4 節(jié)水減排控污與農田水利綜合治理

4．1 節(jié)水灌溉與旱災風險防控 安徽省淮北平原區(qū)地處南北氣候過渡帶，受季風及地形地貌影響顯著，降水時空分布極不均衡，旱澇災害頻發(fā)。特別是影響面廣、影響程度重的干旱災害，嚴重威脅著區(qū)域糧食生產安全與社會穩(wěn)定。針對作物高效節(jié)水機制含混、作物干旱致災機理不明、旱災風險傳遞模式不清等難題，以 “試驗與模擬—響應規(guī)律與致災機理—技術研發(fā)與工程應用”為主線，開展了作物高效用水與旱災風險防控的機理揭示與技術研發(fā)研究。湯廣民等［43］構建了安徽省及淮河流域主要農作物的 “作物-水”模型，優(yōu)化確定了不同水文年型條件下的作物灌溉制度與灌溉定額，提出了對作物實施灌溉的 “增加供水區(qū)、限量供水區(qū)和禁止供水區(qū)”及其量化指標；探尋了農田土壤水分、耗水量和農作物產量三者之間的定量關系，提出了面向精準控制的作物高效節(jié)水灌溉技術與模式。王友貞等［44-45］提出了水稻覆膜旱作的土壤水分控制指標與節(jié)水灌溉技術，水稻旱災覆膜具有顯著的增溫、保墑與增產效益，能多年平均提高降雨利用率10%以上、節(jié)約灌溉水54%以上。曹秀清等［46-47］提出了面向致災過程的淮河流域旱災風險定量評估技術體系，構建了干旱期作物高效用水與節(jié)水灌溉實用技術，繪制滿足不同功能的旱災風險圖譜（見圖7），在安徽省及淮河流域的大溝控制蓄水工程及旱澇保收高標準農田等工程規(guī)劃與設計中得到廣泛推廣應用。

圖7 淮北平原旱災風險圖譜

4．2 控制排水與澇漬綜合治理 淮河地處南北氣候、高低緯度和海陸相三種過渡帶的交叉重疊地區(qū)，致洪暴雨天氣系統(tǒng)眾多且組合復雜，但由于淮河中游河道過流能力不足這一根本問題并沒有很好解決，而眾多支流均在中游匯入干流，導致干流洪水位持續(xù)偏高，中游 “關門淹”現(xiàn)象仍然突出，淮河中游澇漬災害一直是制約區(qū)域經濟社會發(fā)展和糧食生產安全的重要瓶頸。針對淮河中游洪澇關系不明、澇漬轉換機制不清、洪澇治理標準不協(xié)調等難題，開展了淮河中游洪澇關系與控制排水的基礎試驗與技術研發(fā)研究。湯廣民等［48］提出了 “澇漬綜合控制指標”“澇漬指標閾值”和澇漬兼治連續(xù)控制的動態(tài)排水指標— “澇漬連續(xù)抑制天數(shù)指標”—新概念及其數(shù)學模型和求解方法，彌補了以往因將澇漬分割研究只能采用除澇或降漬單項指標指導農田排水工程規(guī)劃建設，致使與生產實際嚴重脫節(jié)的缺陷；王友貞等［49］提出了流域洪澇關系及其轉換理論與方法，揭示了淮河中游洪澇轉換及其數(shù)量關系，創(chuàng)建了淮河中游各級排水體系排澇標準及其科學銜接技術，提出了淮河中游農田排水三項指標綜合運用標準（見表1），集成提出了區(qū)域澇漬兼治農田排水技術體系，在淮河流域特別是淮北地區(qū)的水利規(guī)劃、工程設計和易澇漬農田及洼地治理中得到廣泛應用，其相關試驗方法和參數(shù)被列入 《農田排水試驗規(guī)范》《農田排水工程技術規(guī)范》等水利部行業(yè)標準之中。

表1 淮河中游農田排水三項指標綜合運用標準［48］

4．3 節(jié)水減排與污染負荷防控 江淮丘陵區(qū)界于長江淮河之間，國土面積4．4萬km2，耕地136．7萬hm2，占安徽全省的31．8%，四季分明、農業(yè)生產條件優(yōu)越，是我國九大商品糧生產基地之一。但該區(qū)水資源量僅占安徽全省的21．8%，畝均水量僅為全省的2/3，水資源稟賦不足、資源性缺水顯著，導致干旱災害頻發(fā)，多年平均受旱面積35．1萬hm2、占耕地面積的25．7%。此外，江淮丘陵區(qū)位于巢湖上游，該區(qū)稻田面源污染負荷是導致巢湖富營養(yǎng)化的主因之一。針對江淮丘陵區(qū)水土資源不匹配、農業(yè)灌溉水資源綜合利用效率低、農業(yè)面源污染加劇等難題，開展了灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、稻田水肥高效利用與面源污染防控等的基礎試驗與技術研發(fā)研究。蔣尚明等［50］基于江淮丘陵區(qū)骨干水庫與小型塘壩聯(lián)合供水系統(tǒng)的水量供需仿真模擬，提出了小型塘壩和庫塘聯(lián)合灌區(qū)調控的農業(yè)水資源高效利用技術體系與應用模式，優(yōu)化確定不同水文年適宜的水稻種植比例（見表2），在優(yōu)化庫塘聯(lián)合灌區(qū)水資源調控模式下可多年平均節(jié)水37%，增產增收16%以上，干旱年可實現(xiàn)增收60%以上。明確了不同灌溉模式和施肥管理下稻田徑流和滲漏水氮磷含量、形態(tài)變化，結合水稻區(qū)節(jié)水灌溉技術與灌溉模式，王友貞等［51］建立了江淮丘陵區(qū)水稻節(jié)水減排技術體系，提出了江淮丘陵區(qū)稻田節(jié)水控污灌排技術與工程模式，穩(wěn)產增產、節(jié)水控污效果顯著。

表2 大官塘水庫灌區(qū)優(yōu)化調控模式下不同水文年水稻種植比例與灌溉效益［49］

5 河湖監(jiān)測預警與水利工程聯(lián)合調度

5．1 水旱災害監(jiān)測與預警預報 安徽省水系復雜、多流域特點突出，導致其歷年水旱災害易發(fā)頻發(fā)。開展水旱災害監(jiān)測與預警預報關鍵技術研究是十分必要的。從2009年開始，圍繞安徽省中小流域洪水風險因子辨識量化、暴雨洪水預報精準度、預警調度平臺實用性、群測群防體系建立等重要技術環(huán)節(jié)，開展了科技攻關，并取得重大突破，促進了行業(yè)技術進步，為應對多流域并發(fā)洪澇災害提供技術支撐，有效減少了災害造成的人員傷亡和財產損失。

突破水利大數(shù)據共享技術瓶頸，建立了多級通用的全時空-多階段-遞進式基層防汛監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)水情水勢推演快速化、可視化，提高了水旱災害預警預報會商效率［52］；針對山丘區(qū)中小學校研制了集預警信息發(fā)布、轉移路線提示、山洪防治宣傳等功能于一體的學校山洪預警專用裝置，解決了山洪災害危險區(qū)特殊群體預警信息發(fā)布 “最后一公里”問題［53］；建立了基于實時人員分布熱力圖的災害危險區(qū)不確定人群靶向預警新方法，通過空間匹配、河網拓撲重建、特殊河網分析、智能修正等技術，劃分了全省3．1萬個網格單元，并將 “網格化”理論植入群測群防體系，構建了安徽省高效快速、深度精細、往復循環(huán)的山洪防御網格化責任體系，提高了預警發(fā)布覆蓋面和人員轉移的可控性。目前安徽省基層防汛監(jiān)測預警平臺已成為全省洪澇災害監(jiān)測預警的重要技術支撐平臺（圖8），覆蓋全省16個地市，104個縣區(qū)。

圖8 安徽省基層防汛監(jiān)測預警平臺運行圖

5．2 河湖遙感監(jiān)測與地物精確提取 研究安徽省水利發(fā)展形勢背景下，積極探索水利改革發(fā)展新出路，著眼于提升河湖管理和治理效果的現(xiàn)代化監(jiān)管能力，開展水利工程信息化和智慧化建設研究，加強水利建設與管理的標準化研究，制定適應水利改革發(fā)展趨勢的標準化管理標準。

圍繞湖泊水域監(jiān)測關鍵技術、湖泊水面變化及主客觀影響因素，針對湖泊水域特點及監(jiān)測難點，綜合利用多源遙感數(shù)據，實現(xiàn)多源、多時相、長時序的湖泊水體要素智能提取，提高湖泊水體監(jiān)測水平及監(jiān)測數(shù)據質量［54］，為強力推進河湖管理的技術研究工作和水利信息化建設發(fā)展提供基礎信息和應用方向。（1）利用MODIS衛(wèi)星，結合光譜儀實測數(shù)據，針對安徽省42個水面面積10 km2以上的湖泊進行周期性變化監(jiān)測；（2）常態(tài)化監(jiān)測巢湖水華；（3）河湖“四亂”問題對比、分析；（4）河湖水量水位監(jiān)測。

針對涉水目標地物提取的難點，形成復雜工況下多源遙感數(shù)據中涉水目標地物提取的解決方案，攻克復雜工況下無人機遙感影像密集匹配、涉水線狀和面狀地物自動提取、目標輪廓實體化等關鍵技術，解決堤防、水庫、灌區(qū)等水利工程目標地物快速與精確提取難題［55］，在長江安徽段河道堤防、響洪甸水庫等多個項目中得到成功應用，加快 “互聯(lián)網＋水利”的建設步伐，增強水利管理現(xiàn)代化水平。

綜合安徽省遙感數(shù)據、氣象數(shù)據、水文數(shù)據、農業(yè)數(shù)據，供水數(shù)據等多項指標，針對長江、淮河、巢湖、新安江等重要流域湖泊，運用高分辨率衛(wèi)星圖像資料分析，對安徽省水情、旱情進行研判，通過實時、動態(tài)、宏觀的監(jiān)測數(shù)據為安徽省在防汛抗旱的決策中提供支撐和輔助。分別開展以下工作：（1）從2016年入梅以來，持續(xù)監(jiān)測發(fā)生了僅次于1954年大洪水的長江流域，針對全省34條超警戒水位河流，超歷史最高水位的3座大型水庫、5座中型水庫，利用不同分辨率光學、SAR衛(wèi)星進行全方位監(jiān)測。（2）2020年入梅以來，針對出現(xiàn)的大范圍持續(xù)性強降水，尤其是安徽省內的長江流域，通過衛(wèi)星、無人機、現(xiàn)場調研等方式開展全省汛情監(jiān)測與災情評估，并以SAR衛(wèi)星為主，光學衛(wèi)星為輔，對巢湖洪水演變進行全過程監(jiān)測。

5．3 行蓄洪區(qū)調整與水利工程聯(lián)合調度 通過閘壩調度對洪水資源的時空分布重新分配，是減輕洪澇災害，改善水環(huán)境的重要手段。圍繞淮河行蓄洪區(qū)和多閘壩的聯(lián)合調度開展了大量的研究。利用河道-湖泊-蓄滯洪區(qū)耦合水動力數(shù)學模型，系統(tǒng)研究了變化條件下新老工程如何協(xié)調的問題，提出了保留行洪區(qū)聯(lián)合調度的預案［56-57］；利用以溶解氧為核心的水質模型，提出了分區(qū)蓄水靜置、分時有序下泄的調控方案，成功處置2013年渦河突發(fā)氨氮污染事件（圖9）。近年來，將汛期防洪與非汛期防污相結合（圖10）［58］，并有機融合網絡技術、數(shù)據庫技術、百度地圖技術，構建集信息管理和專業(yè)模型于一體的技術支撐平臺。該平臺淮河、沭河部分已在生態(tài)環(huán)境部淮河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局實現(xiàn)業(yè)務化運行，為水環(huán)境信息管理、生態(tài)流量的調度、水質預警預測、突發(fā)性污染事件的應急處置提供了數(shù)字化的技術支撐。

圖9 2013年渦河污染事件處置

圖10 汛期與非汛期各模塊的銜接關系

5．4 水資源取用水監(jiān)控系統(tǒng)與智能化監(jiān)管平臺 全面實行最嚴格的水資源管理制度，要依靠信息化手段對監(jiān)管措施進行升級，實時掌握取水、用水和排水動態(tài)。國內目前有關于水資源監(jiān)測平臺方面研究，但僅實現(xiàn)取水量的監(jiān)測、查詢和單項業(yè)務管理，不具有水資源多業(yè)務協(xié)同管理等功能，不能滿足水資源多目標有效監(jiān)管需求。實現(xiàn)水資源取用水有效監(jiān)管，需要重點解決以下技術難題：（1）對取水戶、取水口、排水口、水功能區(qū)、水源地等實行多對象多業(yè)務協(xié)同監(jiān)管和提供高效公眾服務；（2）不同取水方式條件下，用水量精確計量與監(jiān)測；（3）不同類型的計量設備和監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)兼容共享；（4）對點多面廣的取水監(jiān)測站實施長效管護。

圍繞水資源取用水監(jiān)管存在的技術難題，開展多項關鍵技術研究及應用。建立了集取水口與取水戶管理、取水許可審批、取水計劃申報、用水總量分配、用水效率分析、超限預警、水資源考核等于一體的監(jiān)管平臺（圖11），實現(xiàn)了省市縣跨區(qū)域跨平臺多業(yè)務協(xié)同管理；提出遠程取水監(jiān)測設備故障分級診斷方法，實現(xiàn)了對信息采集、傳輸、處理過程中故障的精確定位、智能診斷與處置，實現(xiàn)了對現(xiàn)場監(jiān)測站設備運行狀態(tài)實時監(jiān)視分析，主動巡查設備故障、分析故障原因和遠程處置［59］；采用異構平臺融合及軟件虛擬儀表方法，將協(xié)同監(jiān)管平臺與政務平臺無縫連接，率先實現(xiàn)取水計劃申報、取水許可審批、電子證照申辦線上一站式自助服務；提出 “物理隔斷、分時復用”方法，通過通信鏈路智能物理切換通斷方式，研制了儀表通信串口多路復用裝置，采用嵌入式及協(xié)議轉換技術，內置百余種流量計協(xié)議和多目標監(jiān)測功能，實現(xiàn)對各類計量設施數(shù)據精確采集，并可監(jiān)測設備供電、通訊及運行狀態(tài)［60］。

圖11 水資源取用水協(xié)同監(jiān)管平臺研究及應用技術路線圖

6 結論與展望

70年來，一代代水利科研工作者，把論文寫在江淮大地上，為淮河治理和安徽水利建設作出了巨大貢獻，新時期更應不忘初心再出發(fā)，牢記使命勇?lián)?，攻堅克難、努力破解江淮治水難題，為建設現(xiàn)代化五大發(fā)展美好安徽作出新的更大貢獻。

（1）淮河是新中國成立后全面系統(tǒng)治理的第一條大河，歷經70載不懈努力，特別是治淮19項骨干工程建設完成后，淮河流域已基本形成了以水庫、河道堤防、行蓄洪區(qū)、分洪河道及河道洪水控制工程等為主體的防洪減災體系。但在全面實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的新時期，淮河防洪減災工作面臨新的壓力與挑戰(zhàn)。亟需統(tǒng)籌協(xié)調 “排—蓄—灌”之間的聯(lián)系，揭示面上排澇與河道防洪之間的關系，探尋防洪標準和除澇標準的組合關系，分析工程布局中防洪措施和排澇措施的相互關系，提出各級排水系統(tǒng)排澇標準與防洪標準科學銜接的洪澇治理標準體系；探尋淮河干流河道適宜的疏浚規(guī)模及長效性，在新形勢新條件下，系統(tǒng)深入研究淮河與洪澤湖的關系，回應各方關切，為進一步治淮提供理論依據與技術支撐。

（2）巢湖是中國五大淡水湖之一，也是長江中下游重要的生態(tài)濕地，還是引江濟淮的調蓄場所和南北航運的重要通道。由于洪水出路不暢、外源污染負荷重、自身環(huán)境容量小等因素，流域防洪、除澇、水環(huán)境、水生態(tài)問題交織并存，相互影響，呈現(xiàn)出綜合性、復雜性的特征。針對新時期巢湖治理存在的諸多技術難題，需要健全水質監(jiān)測網絡，全面掌握巢湖及入湖水系的水質水量變化情況；以系統(tǒng)論為指導，構建環(huán)湖 “水量-水質-泥沙”多維嵌套綜合模擬平臺，闡明湖泊水動力及泥沙運動的基本規(guī)律，全面評估現(xiàn)狀環(huán)湖防洪工程的效果及整體協(xié)調性，研究通過水力控導促進湖區(qū)水交換的工程措施，探索氮磷等營養(yǎng)鹽的時空變化及其對藍藻水華的影響。通過技術創(chuàng)新，提高巢湖治理、開發(fā)與保護的技術水平。

（3）水陽江、青弋江、漳河及滁河流域都是洪澇災害頻繁區(qū)域，健全和完善三江流域及滁河流域的防洪減災體系是安徽省長江流域治理的重要任務。針對2020年洪水防御過程中暴露出的短板和弱項，圍繞三江流域及滁河流域的水文水動力耦合數(shù)學模型建立、防洪調度預案制定、洪澇一體化綜合治理等關鍵技術問題開展攻關，為治理措施的合理布局和調度決策提供科學依據。

致謝：感謝曹彭強、張景奎、倪晉、劉猛、劉超、姜發(fā)、王春林等同事為本文撰寫提供的支持和作出的貢獻。