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1、南水北调工程重大科技问题立项建议书河 海 大 学2001目 录概 述 .1南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究 .6南 水 北 调 生 态 环 境 研 究 .16南水北调工程中复杂地质与岩土工程问题的研究 .20南水北调工程重要水工建筑物结构和工程力学问题 .25南水北调工程长距离输水系统的泥沙和水力学问题 .33南水北调工程的可靠性研究及风险决策分析 .37南水北调工程安全监测与反馈分析系统 .42南水北调工程管理信息系统研究 .46南水北调水权、水市场及有关技术经济问题研究 .50南水北调法律问题研究 .58南水北调工程重大科技项目（建议）一览表 .61- 1 -概 述21 世纪将是人
2、类面临来自人口、资源和环境三大严竣挑战的年代。近代社会经济的发展和人类活动的加剧，出现了许多国家水资源与社会经济发展的不相适应、水资源供需矛盾日益尖锐化的局面，据今年 2 月 8 日英国泰晤士报报导，英国国防部一份题为“未来国防战略情况”报告中称：“全世界将会有2/3 人口是生活在水资源吃紧的环境之下” 。我国北方地区、尤其黄、淮、海平原地区业已出现了大范围区域性区的严重缺水，据统计，该地区现已缺水100 亿 m3，预测到 2050 年缺水将超过 300 亿 m3。伴随发生的现象，如河道断流、地下水超采、水质污染等比比皆是，这不仅导致生态环境问题，也严重制约了京津、华北心脏地区的经济社会发展。
3、我国政府十分关注水资源问题的解决，早在半个世纪以前，就开始着手进行跨流域调水工程的勘测、规划和研究，通过 50 多种规划方案的比较分析，确定了南水北调、东西互济的“四横三纵”网络的优化水资源配置格局。对此项跨地区、跨流域、多目标、多功能的水资源调配工程的建设方针，我国政府在公开发表的中国 21 世纪人口、环境与发展白皮书中明确表明，中国可持续发展建立在资源的可持续利用和良好的生态环境基础上；并认为，相对来说，水资源的持续利用是所有自然资源保护与可持续利用中最重要的一个问题。南水北调的工程规模巨大，无论是东线、中线或西线，每一条输水工程均是我国继三峡枢纽工程之后最大的超大型水利工程，每条输水线的
4、流量为 500-800m3/s，年调水量为 100-150 亿 m3。东线和中线的输水线路长度均在 1000km以上；西线的输水线路总长度虽不足 1000km 但其开凿的深埋超长隧洞长度超过100km，另外还要建造 300m 高坝。由此看来，无论是调水的规模，或是调水线路的长度均超过目前世界上已建的最大调水工程，如此空前硕大的战略性基础设施工程，要考虑的因素很多，涉及范围很广，面临的耗资、耗时和风险都是很大的，必须慎重研究，通过立项科研进行充分论证，作出科学的决策和周密的安排。南水北调工程不仅规模空前、历时较长，而且尚有大量技术难题有待攻关，其中有些问题的难度还是前所未有的，涉及到水资源可持续
5、利用与优化配置，生态环境与水质保护，区域性地质构造与特殊土性态，跨河越岭输水建筑物的结构、材料、工艺与安全性、可靠性和耐久性，长距离巨型输水系统的水力学与泥沙问题，安全监控与反馈分析，风险分析以及纷繁复杂的社会、经济与法律等方面的问题。此外，高新技术开发及其在南水北调工程中多方面的应用也- 2 -是一个至关重要的涉及面宽而深的新课题，例如计算机仿真和信息网络系统等方面技术开发就是一组内容极为丰富、水平很高、意义重大的课题。根据前一时期我校参加南水北调工程部分课题的科研实践，凭着对当今科学技术发展水平的了解和认识，以及身为水利工程科研重要力量单位的责任感，抱着抛砖引玉的态度，提出南水北调工程有关
6、科技关键问题的认识和科研立项建议书。一、南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究南水北调水资源管理系统是个典型的多水源、多用户、多目标的大规模动态系统，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、多因素、高维、非线性、时变和不确定性等方面的特征。面临如此复杂的特征，水资源调度系统（即确定整个系统整个运行期的决策过程）必须依赖水文科学与计算机科学、信息科学、环境工程学和数学等学科的交叉综合研究来建立。首先要建立调水系统在线仿真模型，然后进行系统的实时优化调度、可持续发展协调、综合风险评估，最后提出水资源管理决策的支持系统，实现水资源的高效利用与优化配置。二、南水北调生态环境影响和水质保护研究调水工程必然会
7、引起调出区、输水沿线和调入区的生态环境问题，如长江口海水倒灌和渔业资源变化问题，引水口下游河床和沿岸建筑物的变形稳定问题，输水沿线和华北地区地下水位的变化对土地盐渍化的影响，渠道渗漏的影响等。此外水质达标输送保障技术也是十分重要的课题，东线利用京杭运河为输水干渠向北送水，其淮安以北运河段的水质指标已超过类，如何治理污染和拦截污水就成为急需攻克的课题，沿线跨省区的平交河道也同样存在水质污染问题。另一方面，在对南水北调沿线城镇进行大量治污的同时，也将产生大量的治污尾水（又称中水） ，如何综合利用中水，做到既节约水资源，又减轻污染，是十分必要的研究课题。为此，必须开展水质达标输送保障技术、污水资源化
8、技术研究，建立水质自动预警模拟系统，制定环境保护管理体制及法规与政策。三、南水北调工程复杂地质与岩土工程问题及其对策研究南水北调工程地质条件复杂，中线存在有特殊土质问题，如膨胀土段有140km，黄土段 240km，还有软岩段和采空区；西线存在有区域稳定性、高地应、高地温等问题；中线又遇有高寒地区的冻土地段等，严重影响渠道的安全施工和运行。为此必须对上述所列地段的工程地基基础、渡槽或枢纽建筑物基础以及隧道或高边坡的稳定问题开展研究。- 3 -四、南水北调工程重要水工建筑物结构和工程力学问题研究南水北调工程包含的大型建筑物很多，而且有些是跨越或穿过河道和山体，如跨过黄河的大跨度渡槽或穿过黄河饱和砂
9、土长距离大直径的隧洞，丹江口大坝的加高工程，西线高寒地区高达 300m 的大坝等，这些建筑物的基础和工作环境、结构形式、材料性能以及施工技术均很复杂。为了确保工程的安全、耐久性和优化，必须专门立项开展关键技术和计算机仿真技术问题的研究。五、南水北调工程长距离巨型输水系统的泥沙和水力学问题研究南水北调输水线很长，长距离输水必然跨越很多河道，建立交叉建筑物在所难免，这些交叉建筑物与原有河道之间的相互影响是不可低估的。此外，总干渠的闸控河道的控制模式及其对河势的影响，长距离输水沿线的渗漏及其影响等均是不容忽视的问题。为使输水工程能够确保南水北调的输水目标，宜对输水系统有关水力学和泥沙问题和治导措施，
10、交叉建筑枢纽布置与水沙运动的相互影响与治导，闸控河道输水能力与治导，长距离巨型输水系统渗漏问题和防渗措施，降雨入渗对岩土高边坡稳定性的影响等问题专门立项攻关。六、南水北调工程可靠性研究及风险分析鉴于南水北调工程是一项千秋大业、造福子孙的宏伟工程，对输水系统的可靠性分析和设防标准、风险分析、评估和工程决策优化以及重要复杂建筑物的抗震可靠分析等问题开展深入分析和研究，以确保工程万无一失。七、南水北调工程安全监测与反馈分析系统现代大型的水利工程建筑物除了精心设计、施工和科学管理运行外，还必备一套有效的一流监测系统，该系统应当具有实时、高精度和快速反应等多方面功能。为此，宜基于神经网络原理建立“在线”
11、和“离线”实时整体式智能监测和反馈分析系统，以高效和快速监测和评判南水北调主要建筑物的安全状况，及时发现不安全因素，提出决策措施，防患于未然。确保工程的安全运行和最佳效益。此外还可为设计、施工及时反馈信息，改善设计和施工的质量和效益。八、南水北调工程管理信息系统研究巨大的水利工程在建筑及运行中，必将产生庞大的海量数据和资料，需要精心整理、合理存储和有效使用，这对工程的建设、运行和管理至关重要。为此，研究借助计算机图形技术、虚拟现实技术进行“实景”仿真，谋求管理有序、投资省、见效快的研究是很有必要的。如调水工程数据库的建立，施工管- 4 -理信息系统的开发与应用研究对南水北调工程就极具现实和经济
12、意义。九、南 水 北 调 工 程 涉 及 的 水 权 、 水 市 场 及 有 关 技 术 经 济 问 题 研 究水权和水权市场问题目前在世界上还处在探索和完善阶段，对水权的内在机理、具体可行方法还缺乏系统的研究，关于水权市场的政府调控机制还是空白。为了确保南水北调水资源优化配置，必须引入市场经济的基本理论，通过调水水权的确立和交易，确保输水工程的良性运行以及利益相关者的福利增进。因此对水权问题和跨流域调水市场体系的研究是迫在眉急的课题。此外，新土地管理法的实施对南水北调工程投资需求有很大的影响，也需专门立项研究。十、有关的法律和政策问题南水北调工程涉及的法律问题很宽，当务之急是水权及相关的水市
13、场、水价问题、环境法问题、移民安置问题、建设和运营的公司法和合同法以及水资源和工程管理中的行政执法等问题。河海大学是以水利为特色，工科为主，文、理、经、管、法等各学科协调发展的全国重点大学，是首批被列入国家“211 工程”建设的高校之一，多年来承担以水利工程为主的各类科研任务。自 80 年代以来，结合南水北调东、中、西线工程课题开展了多学科的综合交叉研究，提供了一批具有工程价值的成果。此外，通过“七五” 、 “八五”和“九五”国家科技攻关实践，极大地提高了科研攻关的水平，充实了现代的研究手段，壮大了多学科交叉联合攻关的科研攻关群体，所出的科研成果多次获得国家级和省部级科技进步奖，发挥了“水文学
14、及水资源” 、 “岩土工程”国家重点学科和“水资源开发利用国家专业实验室”的国家级作用， “教育部水电工程安全工程研究中心” 、 “水工结构与工程力学” 、“水力学及河流动力学” 、 “计算机及其应用”等 9 个部省级重点学科的行业部门使用。为使下一步我校能够更好地参与南水北调工程的科研攻关工作，学校专门成立河海大学服务南水北调工程领导小组和工作组办公室，充分发挥院士、资深的和中青年专家教授领头的各学科群体梯队的优势，群策群力为南水北调工程提供优质服务多作贡献。- 5 -南水北调工程重大科技问题立项建议书南水北调在线仿真模型及可持续利用系统研究- 6 -河 海 大 学南水北调在线仿真模型及可持
15、续利用系统研究一、必要性1. 南水北调势在必行我国北方地区水资源与土地、矿产等资源组合不协调，水资源与社会经济发展布局不相适应，随着国民经济的快速发展，缺水现象日益突出，已经成为制约国民经济与社会发展的瓶颈。北方地区缺水突出表现为京津冀鲁地区水资源严重不足和西北地区绿洲经济发展与生态环境保护难以协调等。我国北方地区人均水资源占有量只有 737m3，明显低于出现严重缺水的警戒线（少于 1000m3） ，特别是海滦河流域人均占有水资源量仅为 358m3，是全国平均数的 15%，比 1997 年全国的人均用水量还低近 100m3。人均占有水资源量的不足，使北方地区的用水紧张情况将长期存在。根据对我国水资源 2030 年和 2050 年的供需平衡分析，黄淮海流域特别是黄河下游的黄淮海平原地区，是我国最缺水的地区。在过去的年代，这里的许多地方，特别是黄河以北的海河流域，通过超采地下水和利用未经处理的污水维持了经济的增长。据海河水利委员会统计，海河平原 1998 年超采地下水 55亿 m3，全流域废污
