淺談為長江水利事業提供強大科技支撐論文
淺談為長江水利事業提供強大科技支撐論文
水利部長江委員會長江科學院(以下簡稱“長科院”)始建於1951年10月。伴隨新中國發展、改革的前進步伐，在治水治江事業的偉大程序中，歷經創業壯大、穩定發展、改革轉型等歷史階段，從無到有、從小到大、從弱到強，走過了非凡的60個春秋。
自建院以來，長科院立足長江治理、開發與保護，面向國家水利水電和國民經濟建設相關領域，廣泛參與了葛洲壩、三峽、南水北調等大中型水利水電工程建設和長江防洪減災、河道治理、流域生態環境保護以及流域管理的研究工作。幾代長科院人艱苦創業，開拓進取，學科專業不斷拓展，人才隊伍不斷壯大，研究解決水利水電工程重大技術問題的能力不斷提升，治水治江科技支撐能力不斷增強，為長江水利事業做出了重要貢獻，已逐步發展成為綜合實力雄厚、長江特色鮮明的國家社會公益類非營利性水利水電科研機構。
60年來，長科院在基礎與研究等方面，取得了一大批具有國內領先、國際先進(或部分國際先進)的科技創新成果。完成8000餘份科研報告，榮獲400餘項國家和省部級科技獎勵，獲50餘項國家發明和實用新型專利，主編或參編行業技術標準和規程規範30餘部，出版專著百餘部。分獲全國“五一”勞動獎狀，和全國水利科技工作先進集體稱號。
一、成就中國水利科技事業輝煌歷史
長科院作為長江水利委員會的主體科研單位，是治江事業不可或缺的科技支撐力量，一直致力於長江治理、開發與保護，取得了豐碩的科技創新成果。
1.防洪減災
長科院圍繞以防洪為主的“治江三階段”戰略計劃，始終把長江中下游的防洪減災研究作為首要任務。20世紀50年代初完成了荊江分洪工程整體佈置，北閘(分洪閘)、南閘(節制水閘)斷面模型，以及虎渡河太平口攔河壩拆除等多個模型試驗研究;為荊江分洪選定閘址，確定總體佈置及各閘具體設計、施工提供了可靠的科學依據;為新中國快速建成長江第一座大型分蓄洪工程做出了重要貢獻。荊江分洪閘建成不久，即在1954年長江特大洪水時3次開啟分洪，為降低荊江水位、保衛大武漢發揮了關鍵作用。此後進行了漢江杜家臺分洪閘有關的試驗研究，解決了總體佈置、閘前防護和閘下三級消能形式等問題。該閘於1956年建成，分洪運用20多次，經受了如1983年幾次超標準的分洪執行考驗。
1998年長江大洪水過後，長科院將所研究的防洪電子預警系統、細水泥灌漿加固、鑽孔壓漿法深部強透水層防滲加固處理和排水減壓，以及土工合成材料(複合土工布、柔性材料)等新技術、新材料應用於長江抗洪搶險和幹堤加固。2008年“5·12”汶川地震發生後，長科院作為後方技術支援單位舉全院之力，緊急開展唐家山堰塞湖潰壩洪水演進分析、滑坡及堰塞湖形成機理與壩體穩定性分析，災區土石壩震害機理分析和安全評估等研究工作，第一時間快速及時為前方制定唐家山堰塞湖應急疏通工程提供了技術支撐。
2005年12月，長江防洪模型正式投入使用，對三峽工程建成後長江中下游水沙特性、河床河勢演變、江湖關係調整、洪水演進規律等問題的研究已取得積極進展。
2.河道治理
長期以來，長科院對蜿蜒性河道水流泥沙運動、河床演變和河型成因，進行了廣泛深入的研究。承擔了長江下荊江系統裁彎和界牌、南京、馬鞍山、江陰、九江、鎮揚、銅陵等重點河段的整治模型試驗研究及工程治理設計等，在水深達60m的鎮揚河段和暢洲左汊用土工布砂枕袋築起了一道最大壩高近40m的水下潛壩，有效地遏制了和暢洲左汊分流急劇擴大的趨勢;中游界牌河段防洪與航運綜合整治工程的實施，較好地解決了該河段防洪和航運之間的矛盾;荊江河勢控制與應急工程的實施有效阻止了守護段岸線的崩退，河勢得到初步控制，為暢通長江航運、建設港口碼頭、兩岸城市規劃建設等事關國民經濟發展的重大問題和保障長江兩岸幹堤安全做出了卓越貢獻。
長科院採用泥沙數學模型和動床變態河工實體模型，系統分析了1966到1994年宜昌至城陵磯河段水沙條件及河床演變，深入研究了下荊江裁彎和葛洲壩工程對荊江河床沖刷及洪、枯水期水位變化的影響;對宜昌至大通河段的地質地貌、河床組成進行了新的調查觀測;對宜昌至大通1100km河段進行長時段河道的衝淤計算;對三峽建壩後沙市和郝穴重點險工河段的河床衝淤過程進行了計算分析;利用動床變態實體模型，研究三峽建壩後楊家腦至新廠河段的衝淤變化，研究成果均達到國際先進水平。
初步研究了三峽、南水北調工程實施後對長江口來水來沙及河床衝淤、鹽水入侵、水生物生存環境的疊加累積影響，並對長江口地區生態環境的演變趨勢進行了分析研究，為長江口綜合整治開發提供了科學依據。
3.生態環境保護
為貫徹以“維護健康長江，促進人水和諧”為基本宗旨的治江新理念，長科院專門成立健康長江課題組，針對健康長江評價的有關科學和基礎問題，開展了“長江流域水資源評價指標體系研究”“溼地保留率指標研究”等一系列研究工作。考慮長江水迴圈特點和水資源開發利用現狀，以河流生態與環境自然評價指標為重點，初步建立了健康長江評價指標體系。在水資源、水環境和水生態評價指標基礎上，進行流域水資源系統可持續標準理論研究，初步提出河流健康及管理水平指標系統的量化和監測方法，制定統一的、不同尺度的、有長江特色的健康長江評價方法與標準。
長科院在水土流失監測與治理技術方面，自主研發了國內首臺可移動水土流失實驗室，變固定的野外徑流小區坡面侵蝕觀測為車載流動實驗，可隨時對不同土壤、不同坡度進行人工降雨模擬實驗，縮短了水土流失監測資料獲取週期，是長江流域乃至全國人為水土流失監測水平的一次飛躍。負責設計的長江上游水土保持重點防治區滑坡泥石流預警系統建設專案的實施，將極大地保障受滑坡泥石流威脅的人民生命財產安全。
4.流域規劃與水行政綜合管理
60年來，長科院承擔了多個流域規劃編制及其相關研究工作，全面參與了《長江流域綜合規劃修編》。早在20世紀60年代，就完成了《長江中下游幹流河道整治規劃要點報告》和《大通至鎮揚河段河勢控制規劃報告》。為鞏固下荊江裁彎工程效果，1983年完成了《下荊江河勢控制規劃》;為適應長江中下游幹流河道的治理與岸線開發利用，1992年開始河道治理規劃工作，1997年編制完成《長江中下游幹流河道治理規劃》，2002年完成了《長江中下游幹流河道採砂規劃》;為促進長江口地區社會經濟可持續發展，2002年開展長江口綜合整治開發規劃，於2004年編制完成《長江口綜合整治開發規劃報告》;為了配合長江流域綜合規劃的開展，於2006年編制完成《長江流域蓄滯洪區水土保持生態保護規劃》等水土保持專項規劃及專題的研究，2008年完成了《赤水河流域水土保持規劃》。
近年來，長科院為流域水行政管理開發建設的多個先進、實用、高效的'監控與管理系統，極大地提高了流域綜合管理能力和公共服務水平。如“長江河道採砂管理遠端視覺化實時監控系統”綜合運用海事雷達、GPS定位、無線影片等先進技術和手段，實現了對重點省際邊界重點河段採砂的遠端視覺化實時監控，具有示範作用和推廣價值。“長江大型取水動態計量監控系統”和“取水許可管理資訊系統”以取水基礎資料庫為平臺，以取水資訊管理與應用為核心，透過對長江流域大型取水戶的取水量和取水時段的實時監控，實現了長江流域取水資訊的採集、傳輸、儲存、實時釋出、互動式查詢和決策建議等多種支援功能，可為各級水資源管理人員提供支援服務。
5.水利水電工程關鍵技術
長科院在先後參與的丹江口、萬安、葛洲壩、隔河巖、三峽、南水北調、天生橋、水布埡、構皮灘、彭水、小灣、龍灘、向家壩、烏東德、溪洛渡、白鶴灘等近200個大中型水利水電工程建設中，緊密配合工程的規劃、勘測、設計、施工與執行，充分發揮多專業綜合性整體科研優勢，為解決複雜的工程技術問題、最佳化設計方案、提高工程效益，付出了大量心血，多項研究成果獲國家特等獎，國家一、二等獎以及省部級特等獎。以下著重介紹3個具有特別意義的代表性工程例項。
葛洲壩
葛洲壩工程是在長江干流上興建的第一座大型水利樞紐工程，1970年開工，遇到了許多複雜、尚無先例的技術難題。為解決令許多人擔憂的泥沙淤積問題而開展的河流泥沙模型試驗，論證了“靜水通航，動水衝沙”方案的科學性。為了研究二江洩水閘岩基穩定問題，1978年自主設計了國內第一個地質力學模型。根據彎道水流泥沙運動規律和“正面引水、側面排沙”的經驗，透過調查和大量泥沙實體模型試驗，驗證了設計提出的“取消大江電廠右側5孔洩水閘，增加4臺發電機組”的方案，從而減少了工程投資，增加了50萬kW的發電效益。為了研究通航問題，長科院研製了國內第一套無線電遙控船模，填補了水工模型試驗技術上的空白。
三峽工程
三峽工程是治理開發長江的戰略性骨幹工程，長科院作為該工程主要科研單位，1982年以前圍繞高壩中用及低壩建設等方案反覆開展了研究和論證。此後，又為配合150m水位方案初步設計開展了重點河段的原型觀測資料分析、實體模型試驗和數學模型的計算分析等研究，分階段提出了科研成果。1985年以後，全面參與了三峽重大專題、“七五”至“九五”國家科技攻關、國家自然科學基金重大專案的研究工作，取得了系統的科學引數和論據，為順利完成論證和編制新的175m蓄水位方案可行性報告、單項技術設計等提供了可靠的科學依據，涉及水力學、河流泥沙、水工材料、水工結構、土工、岩基、爆破與振動、安全監測等專業領域。
特別是在三峽大江截流水力學研究中，提出了截流過程中不同流量、各種進佔口門寬度的截流落差、最大流速、水深等重要引數，解決了因大流量、大水深、低流速所遇到的堤頭坍塌等技術難題，促進了截流水力學理論的發展和施工、試驗技術的提高，截流過程中，還做了1/100和1/50模型適時試驗，保證了截流順利實施。1999年獲國家科技進步一等獎。在巨大施工通航流量(40000m3/s)和極複雜通航水流條件下，成功地解決了彎道上明渠施工通航的關鍵技術問題。透過物理模型試驗與數值模型計算分析相結合、理論分析及水文跟蹤觀測、精確預報相統一，以及採用數字模擬技術與多因素風險分析等高新技術手段，解決了明渠截流的一系列關鍵技術問題，保證了明渠高質量提前截流，取得了巨大的經濟效益。在三峽工程碾壓混凝土三期圍堰爆破拆除中，長科院創造性地提出了“建拆結合、預置藥室、定向傾倒”爆破方案，2006年6月6日成功實施圍堰爆破拆除，推動了我國水下爆破理論與技術的發展，被稱為“天下第一爆”，成為我國工程爆破技術達到國際領先水平的重要標誌，獲2008年度國家科技進步二等獎。
南水北調工程
南水北調工程是當今世界上最大的遠距離、跨流域、跨省市調水工程。自20世紀50年代起，長科院就開始進行了南水北調中線工程的科學研究工作。1994年以來配合工程的規劃和可行性研究、丹江口大壩加高以及穿黃工程專項初步設計，開展了大量的科研工作。採用實測水文泥沙資料，對不同正常蓄水位方案進行了水庫泥沙淤積計算。採用長渠道一維非恆定流水—冰水力學數學模型，模擬總乾渠在不同氣象和輸水條件下沿程的水溫、流冰過程，分析了總乾渠可能出現的冰情，並提出了冰期輸水排程模式。透過水工模型試驗研究了總乾渠渠道倒虹吸進口流態及水頭損失等水力學問題，提出了穿黃工程隧洞和渡槽方案的線路及河道縮窄寬度的建議。分析了調水對漢江中下游河勢、防洪、航運、水資源與水環境，以及對長江口水沙及生物生境的影響並提出了相應對策。對水源區開展了水資源供需風險分析，編制了一期工程京石段供水排程應急預案。進行了穿黃隧洞襯砌1∶1模擬模型試驗，得到了內外襯結構的變形和應力節點剛度、接頭端面相對位移、接頭附近的破壞機理、管片接頭的承載力等。採用考慮接觸非線性的三維有限元法，分析了穿黃隧洞預應力襯砌結構的應力、內力、變形分佈以及外層管片間接縫接觸變形規律。透過抗震分析提出了渡槽的最佳化結構和相應的減震方案。依託河南南陽、新鄉潞王墳膨脹巖(土)兩個試驗段工程，透過現場和室內試驗及數值模擬研究，基本掌握了膨脹巖(土)渠坡的破壞機理和破壞模式，對比分析了各種處理方案的技術可靠性和工程造價，明確了不同處理措施的現場施工工藝，為中線工程膨脹巖(土)渠段的設計、施工提供了科學依據。
二、開創長江水利科技事業光明未來
展望未來，治江科技事業任重道遠。隨著三峽工程勝利建成，並充分發揮效益，治江已進入新的階段，長江水利事業進入了新的發展時期。我們要緊緊圍繞新時期治江發展戰略目標要求，突出長江特色，創新和諧發展，加速建設一流水利科研強院，為新時期治江事業提供科技支援。
1.新形勢、新任務
未來10到20年，是我國經濟社會發展和科技發展的快速發展期和重要機遇期，但仍然面臨著人口、資源、環境和社會協調發展的巨大壓力。我國水利基礎薄弱，乾旱缺水、洪澇災害、水汙染和水土流失問題依然十分突出。受全球氣候變化和人類活動影響，極端氣候條件及洪旱災害出現的頻率增加。長江流域開發利用、保護和管理也面臨一系列新的問題和挑戰。隨著流域經濟社會持續發展對長江流域水資源開發利用需求的不斷增加，對生態環境質量要求也日益提高。水利工程建設面臨著移民增多，河流水文和地貌變化，生物多樣性退化，地質災害和水土流失增加，流域社會和生態環境問題日益突出，流域已建、在建的一系列重水利水電工程，在發揮各自效益的同時也對長江流域水系生態與環境等多方面有長期影響。長江巨大洪水來量與中下游河道洩洪能力不足的矛盾依然存在，山洪和洪澇災害仍然威脅著人民群眾的生命財產安全。由於蓄水工程缺乏和灌區配套建設落後，流域內乾旱缺水問題依然嚴重;長期粗放型的經濟增長方式，導致長江流域湖泊面積減少，天然溼地萎縮，主要湖泊及部分支流水質汙染嚴重，水質性缺水日益突出。同時，我國正面臨著包括水利建設在內的國家重大工程建設進入了新一輪的高潮期。金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江、怒江等流域大多數大型水電工程正在緊鑼密鼓開展前期工作，有的正在開工建設。工程建設的巨型化、系統化、建設環境條件的複雜化、建設節奏的快速化，對工程耐久性、節能和環保要求越來越高。
2006年，長江委提出了“健康長江”的治江新理念，要求在推進長江治理和開發利用中，應以“維護健康長江、促進人水和諧”為基本宗旨，按照“在保護中開發，在開發中保護”的基本原則，統籌保護與開發，協調生態與發展，加快防洪保安、水資源開發利用、水生態環境保護、水資源管理四大體系建設，切實保障飲水安全、防洪安全和生態安全。
2.突出長江特色
長江特色是長科院發展的立足點，也是當好治江科技支撐的內在要求。突出長江特色就是要以新時期長江治理開發與保護為己任，做維護健康長江，促進人水和諧的忠實實踐者。站在治江事業和長科院持續發展的戰略高度，全面把握治江工作面臨的新形勢、新情況、新問題、新任務和新要求，圍繞新時期長江水利發展戰略和治水治江新思路，準確把握和深入系統研究長江治理開發，水利水電工程建設中的關鍵技術問題。加強對健康長江指標體系、江湖關係演變與治理、防洪減災、流域管理、生態水利、水工程安全、水土保持等方面的公益性、基礎性科學研究，全面參與流域水資源、水生態、後三峽問題、長江口治理、水利血防技術、水資源管理、涉水政策法規、節水管理等方面的研究，使之保持和達到國內外領先地位和水平。緊密結合西部大中型水利工程建設，深入研究高壩洩洪消能、複雜地質條件下高邊坡及超大洞室群建設安全，深厚覆蓋層條件下的導截流及圍堰滲流控制與結構安全，高土石壩築壩新技術、高壩深層抗滑穩定等一系列關鍵技術問題。開發高質量、高效能、高耐久性、價格低廉的施工建築材料。加強水工程安全檢測、監測、監控與防護、安全評估與評價以及水工程病害修復技術研究等。經過長期不懈努力，使長科院治江科技水平和影響力顯著提升，真正擔負起治江科技支撐的重任。
3.創新和諧發展
創新是治江科技事業發展的靈魂，也是落實科學發展觀，建設一流水利科研強院的本質要求。
一要轉變觀念，樹立以創新為導向、創新為動力、創新為檢驗各項工作成效的新思維、新觀念。以治水治江重大戰略需求為導向，全面最佳化科研力量的佈局和科技資源配置。在鞏固加強現有優勢專業的同時，抓緊機遇發展新專業，開拓新的研究領域，制定並逐步落實新的學科建設與專業發展規劃。
二要創新體制與機制，按照建設創新型科研機構要求，以促進科技創新、增強自主創新能力為目標，消除體制機制性障礙。進一步探索以水利部重點實驗室和工程技術研究中心支撐有力、運作高效的管理體制。實現從傳統混和型科研事業單位向現代非營利科研機構的轉變。
三加強創新人才與團隊建設，制定並完善創新人才和團隊建設辦法，根據治江需求，大力吸引、凝聚和培養一大批高階治江人才和重點學科領域的帶頭人。
四加強創新能力建設，抓住國家鼓勵創新，支援公益性科研機構的有利時機，以重點實驗室和工程技術研究中心為重點，積極改善科研條件和基礎設施。提高創新發展能力，高起點、高標準科學規劃和建設好九萬方、沌口、宜昌三大科研基地，使之成為環境優美、功能齊全、設施先進、對外開放的治江科技創新平臺。建設好基於網路環境的院綜合管理資訊系統，提升科技管理水平。
五要推進創新文化建設，營造有利於創新的文化環境，以創新文化推動創新型院所建設。
六要取得一批具有自主產權的創新性成果，始終圍繞治江新戰略目標需求和水利水電工程建設關鍵技術問題，進行前瞻性研究，取得一批具有國際先進水平的創新性科技成果，進一步鞏固長江科技發言權。
和諧是治江科研事業發展的根本保證。科研主體中的公益科研與工程科研要相互促進、創新發展，科研主體與科技產業間要密切銜接、和諧發展。探索以科研成果為紐帶，兩大塊間良性互動，合作共贏的新格局。其次，要做好外部環境的和諧建設。積極爭取國家科技計劃和治江科研課題，成為國家和治江事業不可或缺的重要力量。密切與國內有關高校、科研院所，以及流域內地方科研機構的溝通聯絡，共同組建實驗室、研究中心、博士點等。聯合申報國家、部委重大專案，做到強強聯合，成為國內水利科研的重要依靠力量。密切與委內科研機構、企事業單位的溝通聯絡，以作為主要依託單位建設長江水利科技創新中心為契機，整合與聚集委內科技資源，把中心建設成為長江水利科學研究和技術開發基地，成為治江科技跨越式發展的創新平臺。透過實行“開放、融合、協作、共享”的執行機制，與委屬單位共同構建起以中心為平臺的戰略聯盟關係，成為治江科研龍頭力量。