长三角地区水安全保障技术集成与应用

2017-09-07李云周杰范子武

中国环境管理 2017年4期

关键词：河网水循环防洪

李云*，周杰，范子武

（水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，南京 210029）

长三角地区水安全保障技术集成与应用

李云*，周杰，范子武

（水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，南京 210029）

1 前言

长江三角洲（简称长三角）是中国河网密度最高的地区，通江达海，经济发达，人口稠密，城镇化率高。在复杂变化环境下，洪涝、水资源供给、水生态环境等方面的问题突出。如1999 年太湖流域性强暴雨洪涝灾害，2007 年太湖蓝藻暴发引发无锡等城市供水危机，2015年上海市、南京市、常州市等城市暴雨洪涝，均产生了极大的社会影响和巨大的经济损失；随着城市的快速发展，平原河网区城市水环境恶化已经成为一个亟待解决的民生问题。因此，如何在确保防洪安全的前提下，优化调度水资源、改善河湖水生态环境、提高供水保障率，是保障长三角地区水安全的现实需求和战略研究课题。

2 研究目标

项目围绕长三角地区防洪、水资源供给、水生态环境三个安全，开展保障水安全的基础理论、关键技术、集成应用示范三个层面的研发。在防洪安全方面，揭示强人类活动区域产汇流机理、风浪潮多因子耦合作用机理，结合防洪调度，研发并提交具有自主知识产权的商品化水循环模拟工具。在水资源供给安全方面，研发水资源联合调度技术和河口径潮关系预报模型，通过水利工程多目标优化调度和水源地水库避咸蓄淡调度提高供水保障率，研发一体化移动式海岛节能型海水淡化成套装备和雨洪利用技术，形成覆盖长三角地区河网、湖泊、河口及海岛水资源供给成套技术与示范，实现枯水季节供水保障率提高10%的考核指标。在水生态环境安全方面，研发水网联合调度技术，重点提高太湖、河网、城市水网等水体流动性，突破城市畅流水质提升技术、多尺度分级智能模拟技术等关键技术，满足河网水体流动性提高10%以上的考核指标。

为实现以上“三个安全”的保障目标，项目重点提出10 项系统性技术解决方案及配套技术。其中服务于防洪安全的有风浪潮作用下潮位动态预报等4 项技术，服务于水资源供给安全的有基于多目标协同的水资源联合调度等3 项技术，服务于水生态环境安全的有城市河网智能联合调度与水质提升等3 项技术。

3 研究内容及技术路线

项目拟从防洪、水资源供给、水生态安全三个方面展开研究，并形成一套商品化模拟平台：

（1）针对防洪安全面临的城镇化进程加快、强人类活动干预水循环过程进一步发展、河口海岸多因子耦合作用下风暴潮威胁增大等新问题，重点研究产汇流机理、多因子耦合作用下综合潮位效应及水安全影响。

（2）针对水资源供给安全面临的部分水源地水质困扰、枯水季节供水保障率有待提高等问题，开展多尺度水资源联合调度理论、海岛海水淡化与雨洪资源利用技术、河口水源地避咸蓄淡预报技术等方面的研究。

（3）针对水生态环境安全面临的河网水体污染、湖泊富营养化等突出问题，平原河网和浅水湖泊水动力与水环境响应机制、城市水网、平原河网、太湖等重要水体改善水体流动性、提高自净能力和提升水环境的科技需求非常迫切。

（4）根据项目的整体需要，制定一系列软件开发的统一标准，标准化模型接口、方法和数据，实现水文、水力学、水网联合调度等各专业模型间的无缝链接和系统的开放性和可扩展性，开发自主知识产权的商品化水循环模拟平台并应用，为防洪、水资源调度提供技术支撑。

项目实施的技术路线如下：

拟采用“基础理论、关键技术、集成示范”全链条设计的研发思路，以太湖为中心，从山丘区、平原河网、河口海岸到海岛，通过原型观测、理论分析、数值模拟、模型试验、信息技术等手段，围绕研究重点开展攻关，构建长三角地区水安全保障技术，提高河网水体流动性和枯水季节供水保障率，在太湖流域典型区等地应用示范。

4 预期创新性成果和效益

4.1 理论方面的创新

开展强人类活动区及高度城镇化地区的水文过程模拟研究，改进现有水文模拟方法。探明变化环境下的水循环演变机理及新型洪灾影响机制，填补我国强人类活动区以及（城镇化群）流域水文和防洪减灾研究的不足。

4.2 技术方面的创新

创立一套定量评价长三角地区城镇化对水文过程与水安全影响的分析方法，定量分析下垫面变化对水文过程的影响。

完善大型浅水湖泊风生环流模拟相似理论和测控技术，并建立太湖全湖区物理模型，开展太湖水动力特性研究。基于多尺度分级思想和水雨工情等多源数据同化技术，融合人工智能和多线程并行等新算法，提出国际先进的平原河网水动力多尺度分级智能模拟技术，实现长三角地区平原河网多尺度分级水动力全过程快速、精准、自适应模拟。

以自动分潮优化技术、优化台风预报模型、超级集合化技术为基础，以河口海岸多因子耦合作用下综合潮位预报技术和变化环境下咸潮入侵预报技术为核心，实现多系统、多模型复用与集成。

基于水利工程调度及管理现状，提出太湖流域、区域、城市不同层次的水资源联合调度多目标体系，构建基于水资源安全保障的太湖流域水资源联合调度优化决策模型，以目标实现为导向，集成长三角流域、区域、城市多层次复杂江河湖水资源协同联合调度技术，实现基于多目标满足的多种调度方案的自动决策优选。

综合运用现有工程，统筹安排，通过截污控源、河道活水、强化净化、生态修复、运行管理等综合措施，实现河网畅流活水和水环境生态系统改善的良性循环，形成典型城市河网水动力智能调控、畅流活水与水质提升成套技术。

4.3 集成方面的创新

针对海岛地理分散、规模不一等特点，以100%国产化关键部件及设备为核心，开发集装箱式的节能型一体式海水淡化成套装备，建立占地节省、运输方便、应用灵活、操作简单的制水系统，并在典型海岛进行示范应用。

实现各专业模型间的无缝链接和系统的开放性和可扩展性，基于山丘区水文模型、平原水网水动力学模型和区域水资源调度模型，集成开发具有自主知识产权的水循环模拟商品化软件，实现区域水循环的完整模拟，并在长三角地区开展示范应用。

4.4 预期成果和效益

项目拟投资6150万元，其中中央财政专项经费4000万元。通过项目的实施，提交商品化的水循环模拟平台1 套，提出长三角地区水资源安全保障系统性技术方案及配套技术10 项，研发出适用海岛的一体式海水淡化成套装备，形成示范区和示范工程5 个，修订标准1 部，申请国家专利和软件著作权50 项，发表论文100篇，培养研究生与技术骨干50 名。预期实现关键技术、成套装备和商品化软件推广每年约2000万元直接经济效益，形成15 亿立方米的水资源当量效益。