水利前沿技术.docx

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水利水电工程技术及学科前沿

摘要：

改革开放30多年，现代化的发展趋势明显加快，先进的施工方法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方法和技术进行革新，并将其运用到各类建筑项目中去，才能抓住机遇，在激烈的竞争中生存下去。

但随着经济的发展，水利施工不仅在技术方面不断成熟，在水科学领域，也越来越重视水资源的可持续利用、重视保护生态环境、重视人与自然的和谐相处。

本文分析了我国水电科学发展现状，选取了水资源可持续发展、南水北调工程等相关内容，阐述了它们的现状、问题和进一步研究方向，并列举了与其相关的一些技术，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，高度重视水资源的可持续利用，高度重视保护生态环境，高度重视人与自然的和谐是水科学发展追求的目标。

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下的实践，最根本的是坚持人与自然和谐相处。

破解我国水资源的问题，具体针对四大水问题，又对应四个核心要点：

1）给洪水以出路，给河流以空间，科学调控洪水，合理利用洪水资源，从洪水控制转向洪水管理，以解决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，提高水资源的利用效率与效益，从根本上解决我国水资源短缺的问题。

3）充分利用大自然的自我修复能力，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，加快水土保持建设，以解决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，以解决我国水污染的问题。

十年来，可持续发展水利已经取得明显成效，具体体现在：

构建长江防洪体系、缓解黄河断流、规划实施南水北调工程、修订实施新的水法、建设节水型社会、维护河流健康、推进民生水利建设、实施最严格的水资源管理制度（用水量控制与排污总量控制）等。

新的可持续发展治水思路与水利发展框架已初步确定，今后的主要任务是在新的时代背景下不断丰富、深化、完善和落实。

2水利科技的发展，更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，特别是水与生态系统及社会经济之间的相互关系。

对于河流的研究已经不仅仅是水文学或者水力学意义上的河流，而是一个具有生命的流动的的生态系统。

河流也不仅仅是孤立的自然河流，而是与人类社会经济交织在一起的自然－社会－经济复合生态系统的一部分。

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征。

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，已经难以解决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，科学与技术的融合已经成为科技发展趋势。

在水科学中，广泛吸收生态学、环境科学、气象学、农学以及社会学、经济学、法学和管理学的知识，发展新的边缘学科和交叉学科，鼓励多种技术的开发集成，将极大加快水利科技的发展。

2）水问题本质上是综合性的，涉及水的自然属性和经济、社会以及人文属性，因而水问题的解决也应该是综合性的，研究范畴包括水问题、水系统和水管理三个核心问题。

3）水问题是指人类社会与经济发展进程中出现的人水关系不和谐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的人文因素与自然因素相互作用的模式、机理、过程和效应。

水利则是调整人水关系进而解决水问题的理论、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系在一起，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施科学管理，旨在研究流域水系统的历史演变规律、现代变化特征和未来变化趋势，揭示引起变化的原因，探讨实施适度调控的理论与策略，构建水资源高效利用的政策体系、管理机制和技术系统，实现水资源的可持续管理。

4高新技术的应用将极大改变水利科技的面貌。

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。

预计未来10年，信息技术和其它高新技术的应用，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的变化。

5创新是水利科技发展的动力

面对严重的全球水危机，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

我国的水问题的难度在世界上是独一无二的，因此要在学习借鉴发达国家的科技成果的同时，更加注重我国的国情、水情，创造符合我国国情的水科学理论体系和水工程技术体系，拥有更多的自主知识产权和原始创新成果。

二、主要内容

1水资源的可持续利用

1）问题背景及其重要性

水既是基础性的自然资源和战略性的经济资源，又是生态环境的控制性要素。

水资源短缺和时空分布不均是我国的基本国情。

我国水利发展的现状与经济社会可持续发展的要求还有很大的差距。

2）研究现状与存在问题

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映。

面向可持续发展的水资源价值观和方法论的提出与初步形成，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取得了很大成就，但与世界先进水平相比，仍有一定差距。

3）水资源持续利用与社会持续发展的战略思考

首先要建立节流-建立型社会、节水型农业、节水型工业、节水型城市；其次要进行开源：

一是调水，进行跨流域调水，改变中间地带水分布不均匀的状态比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）现状及问题

水旱灾害历来是威胁中华民族生存与发展的最为严重的自然灾害。

20世纪的防洪以控制洪水为主要目标，取得了巨大成绩。

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一些薄弱环节。

与国外相对比，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21世纪，全社会强调以人为本、可持续发展、人与自然和谐等，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要求大为提高，治水理念也由“控制洪水”转向“洪水管理”，逐步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的能力。

今天，在防洪减灾领域，人们思考的问题与追求的目标，已经不在局限于局部地区如何保障防洪安全，减少生命财产损失，维护社会安定与经济的平稳发展，而是深入探讨如何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，促进经济、社会、环境的协调和可持续发展。

2）战略思考

新时期，人类治水活动，既要遵循自然规律，又要遵循经济社会的发展规律：

²人类的人类治水活动如果违背了自然规律，必将遭致大自然的报复；

²人类的人类治水活动如果违背了经济社会的发展规律，同样将付出沉重的代价。

水旱灾害是自然与人为因素交互作用的结果：

²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，而且与人类活动密切相关；

²随着经济社会的发展，一方面在洪水与干旱风险区中，人口与资产密度不断提高及其脆弱性日益显现，导致灾害损失的不断增长，而无节制与盲目的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；

²另一方面，洪水与干旱具有一定程度的可调控性，这是水旱灾害区别于地震、火山、飓风、海啸等其它自然灾害的重要特点；

²防御与减轻自然灾害历来是水利建设的重要任务。

3）相关的前沿技术

①防洪抗旱决策支持技术[1]：

洪水灾害的形成有孕育、发生、发展、消退的过程,相应的人类的防洪减灾活动也有预防、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因素会对决策产生影响。

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立了“防洪决策支持技术研究室”。

该室与相关研究室及外围合作单位协作,承担完成了一批不同层次的决支持系统的研发,并形成了相应的技术体系。

②防洪工程安全技术：

防洪减灾研究所成立之初,就设立了“防洪减灾工程技术研究室”，涉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标准,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,开发了相应的有限元计算程序,实现了管涌发展的动态模拟;通过国内外相关设计规范和研究现状的分析评述,对管涌抢险的合理范围和盖重合理宽度等提出了建议;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的理论公式,对盖重设计准则进行了比较研究,并提出了建议。

该项目取得的部分研究成果已在《堤防工程设计规范》的修订中采用。

水利部国科司组织的鉴定b）崩岸防治技术。

我国的河、湖岸线崩塌现象十分普遍,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创造性工作,包括室内模型试验、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,或在完建后不久就发生塌滑等问题。

通过成因分析,探讨了护坡结构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方法,对国内外堤防结构设计理念与技术标准、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。

但是这些工程有一定的防洪标准,也会因为自身的安全性给下游造成洪水灾害。

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的方法。

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,对失事概率的估算方法、可靠度计算中随机性的描述及参数获取、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用、风险标准的制定等关键技术问题进行了探讨,特别强调了在借鉴发达国家经验的同时,必须根据我国实际,制定相应的风险标准。

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主要内容，它是以农业增产为目的的水利工程设施，包括对农业发展有利的各种水利问题。

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，通过灌溉排水工程设施改善农田水分状况和调节区域水情分布，促进生态环境的良好循环，消除水旱灾害，利用现代信息化工具和先进的管理方法，科学合理地利用和保护水土资源，为发展农业生产和改善生态环境服务的综合性学科。

2）现状及问题

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%，长期由于技术与管理水平落后、灌溉设施老化失修、农业用水科技含量与用水效率地下，全国农业灌溉用水率为40－50％，与发达国家80％利用率相差甚远。

3）战略研究重点与重大课题

农业节水方面：

²农田尺度水分高效利用的应用基础研究

²不同尺度节水效果关系研究

²区域水土环境改善及农业用水优化配置技术

²非常规水利用－劣质水资源化灌溉利用技术

²雨养农业区水分的高效利用旱作农业节水体系

²现代高效节水灌溉技术与设备升级

²节水新材料与制剂研制