水利科技期刊在南水北调工程中发挥的科技支撑作用——以《长江科学院院报》为例

刘运飞,赖跃强,姜小兰,黄 玲

(长江科学院 《长江科学院院报》编辑部，湖北 武汉 430010)

1 南水北调工程概况

南水北调工程是中华人民共和国的战略性工程，分东、中、西3条线路：东线工程起点位于江苏扬州江都水利枢纽；中线工程起点位于汉江中上游丹江口水库，供水区域为河南、河北、北京、天津四个省(市)；西线工程正在规划实施。通过3条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局，以利于实现中国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局，解决我国北方地区，尤其是黄淮海流域的水资源短缺问题，规划区人口4.38亿人[1]。水利科技期刊作为宣传和推广水利科技成果的学术交流平台，在南水北调工程中可以发挥科技支撑作用。

为探究水利科技期刊在南水北调工程中发挥的科技支撑作用，并明确下一步对该工程前沿研究领域的报道方向，以《长江科学院院报》(以下简称《院报》)为例，分析《院报》在南水北调工程中发挥的重要科技支撑作用。笔者通过中国知网(CNKI)搜索摘要中包含“调水”的词语，查阅了《院报》刊载的南水北调工程从论证阶段到工程运行各个时期的学术论文，按专业研究领域分类阐述《院报》在南水北调工程中发挥的科技支撑作用。

2 《院报》在南水北调工程中发挥的科技支撑作用

2.1 土力学专业方面

早在南水北调全面论证前期，1990年著名土力学专家包承纲等[2]为规划中的“南水北调”中线工程引水渠道的安全施工与正常运用提出建议。

1995年12月南水北调工程开始全面论证。2001年程展林[3]通过研究南水北调工程砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面的稳定性，提出了中粗砂地基中临界泥浆压力公式。2002年周火明等[4]提出了南水北调中线工程总干渠膨胀软岩渠坡支护措施、软岩地基承载力以及采煤区地表变形塌陷等主要岩土力学问题；周小文等[5-6]研究了穿黄隧道地基在地震和盾构机施工时震动引起砂层液化的可能性及防治措施，得到不同工况下穿黄隧道上的土压力分布和衬砌的应力分布；龚壁卫等[7]为解决膨胀土的裂隙性、膨胀性问题提出了南水北调中线总干渠膨胀土渠段的工程处理措施；吴昌瑜等[8]找出了南水北调中线总干渠渗漏的主要影响因素以及控制这些影响的方法。

2002年12月南水北调工程开工。2005年周小文等[9]基于Kriging法判别了大区域场地砂土液化范围。2009年张伟等[10]揭示了丹江口大坝下游砂卵石坝壳料局部渗透比降偏大的情况，建议通过在排水棱体和下游挡墙前设置合理的反滤层以提高下游坝壳料渗透稳定性。

2013年11月南水北调东线工程正式通水，2014年12月南水北调中线一期工程正式通水。2016年张家发等[11]对南水北调中线一期工程膨胀土渠坡渗透系数进行了分类并提出了其对应的渗控措施；2017年崔皓东等[12]对南水北调中线挖方渠段渗控措施进行了优化研究；2021年张恒晟等[13]发现南水北调中线总干渠水泥改性土削坡弃料可以作为改性填料使用。

上述列举了《院报》在土力学专业方面刊载的代表了土力学各研究方向的部分论文，可知《院报》在土力学专业方面，除报道了南水北调中线工程沿线土料与地基特性的常规试验研究成果外，还报道了一些重要的研究课题成果，如：隧道工程盾构施工的泥浆特性和开挖面稳定性研究；南水北调工程中线总干渠黄土高边坡稳定分析与渗流控制研究及其渗漏与蒸发损失分析；穿黄隧道工程砂层液化问题研究；丹江口大坝加高对坝体和基础渗流的影响分析与控制措施研究；固废弃物利用等。

2.2 河流泥沙专业方面

1995年河流专家殷瑞兰[14]在南水北调中线工程可行性研究阶段论证中，认为从丹江口水库北调150亿m3水量，对防洪、引水、航运的影响利大于弊。1999年董耀华等[15]研究了南水北调中线方案总干渠冰期输水问题；吴艳春等[16]设计出了一个集流量、掺砂、水位检测与控制为一体的全自动控制系统，提高了南水北调河工模型检测与控制自动化水平。2008年张洪霞等[17]研究了丹江口大坝加高运行后下游河道的演变特征。2010年张慧等[18]通过河工模型试验，分析了三峡工程蓄水运用后引江济汉水环境补偿工程(南水北调中线二期工程)取水口河段河道演变对引水的影响和引水工程布置对该河段河势、水位、流速、流态等变化的影响，以及引水渠进水闸消能、沉沙池沉沙和沉螺池阻螺的效果。

由上可知《院报》所报道的河流泥沙专业方面的科研成果主要是为该工程的立项、冰期引水安全、河工模型自动化、河床演变、水利血防等方面提供了科技支撑。

2.3 水工结构与材料专业方面

1998年王树清等[19]提出了调水工程隧洞施工防水材料配方硬度及断面型式的设计思想与具体方法。1999年赵瑜等[20]探讨了南水北调中线工程大型预应力混凝土箱形渡槽的结构设计。2001年何英杰等[21]通过南水北调穿黄盾构隧道仿真模型试验，对影响接头刚度的主要因素即连接螺栓的布置、螺栓垫圈的厚度、管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小及管片接头不同的受力状态进行了系统的分析，为盾构隧道管片设计提供了参考。2002年戴湘和等[22]对南水北调穿黄渡槽的2种设计方案分别选择了典型的数学力学模型，对渡槽进行抗震计算；李晓鄂等[23]根据南水北调穿黄工程地质条件，确定了高压喷射注浆固结材料的设计施工参数。2008年温森等[24]采用随机有限元方法计算了南水北调西线的一个隧洞断面变形。2010年霍泽冰等[25]分析了大型渡槽设置隔震支座的效果，为南水北调渡槽的隔震设计提供了参考。2011年魏涛等[26]将一种新型的纳米二氧化硅/聚脲复合材料成功应用于南水北调中线工程，该材料具有环保、高耐侯性、高黏结性、干燥和潮湿面均可施工等特性，能有效提高混凝土等结构的抗紫外老化、抗冲磨、抗渗、抗碳化、抗冻融、抗化学侵蚀等耐久性能，能延长工程使用寿命。2015年邝亚力等[27]研究了南水北调中线淅川段高填方渠段新型聚脲结构缝修补材料。2020年长江科学院自主研发的CKY-CFJ1水泥基渗透结晶型防水材料成功应用于南水北调工程中[28]。

可见，《院报》发挥的科技交流平台作用在水工结构专业方面主要体现为渡槽结构设计思路及其抗震设计、穿黄盾构隧道仿真模型设计提供了科学依据，在水工材料专业方面主要体现在优化了南水北调隧道施工防水材料、确定了穿黄工程高压喷射注浆固结材料的设计施工参数、成功应用了能提高工程修复效果和使用寿命的新型灌浆材料。

2.4 水力学专业方面

2002年黄国兵等[29]阐述了陶岔枢纽(南水北调中线工程的水源工程)后期扩建工程堆石坝加高后引水闸的泄流能力、涵洞水流流态的判别与分析、下游水流衔接及建筑物边壁压力特性等水工模型试验成果，优化了设计方案，并提出了通过合理的闸门调度方式改善涵洞内水力特性的具体措施；周赤等[30]为南水北调中线工程倒虹吸管道的设计和运行管理提供了科学依据；黄国兵等[31]研究了南水北调中线工程水源工程丹江口大坝加高、引水枢纽陶岔渠首水闸扩建工程、输水总干渠的漳河渡槽等的泄水能力、消能防冲、水流形态、压力、水头局部损失等水力学问题。2014年黄国兵等[32]综述了南水北调中线工程总干渠节制闸流量计算公式、渠道糙率问题、突发事件下渠道应急调度、穿黄隧洞布置形式及水力特性、冬季冰期输水等几个主要方面的水力学研究成果。2021年王才欢等[33]提出了消减南水北调中线总干渠十二里河渡槽超常大波动的工程措施及闸门调度运行方案。

《院报》刊载的有关南水北调水力学专业的科研成果解决了南水北调引水加高续建溢流表孔的有关水力学问题，提出了南水北调总线工程的水源工程——陶岔枢纽后期扩建工程堆石坝加高方案引水闸设计方案的修改建议，为南水北调中线工程倒虹吸管道的设计和运行管理提供了依据，获得了水源工程丹江口大坝加高、引水枢纽陶岔渠首水闸扩建工程、输水总干渠的漳河渡槽的泄水能力、消能防冲、水流形态、压力、水头局部损失等试验成果，确定了穿黄隧洞布置形式，消除了渡槽超常波动等。

2.5 水资源与环境专业方面

2002年李志亮等[34]提出长江下游干流水环境，不仅影响本区域的经济发展，而且还影响南水北调东线工程水源地的水质。2003年，熊文等[35]预测了南水北调中线工程实施后汉江中下游水文情势影响和水华发生的频率，并提出了控制汉江中下游富营养化的措施。2004年王维平等[36]基于已开工的南水北调东线工程山东段和胶东调水工程，建立了山东省水资源优化配置模型，探讨了山东省长江水、黄河水和当地水联合运用和优化配置。2009年徐扬等[37]通过长系列调算研究了南水北调中线工程以及引江济汉工程实施后对其河道内生态需水满足率的影响。2011年霍军军等[38]提出丹江口水库采取汛末提前蓄水方案能明显提高水库兴利效益。2013年常福宣等[39]对汉江中下游进行供水风险分级，并采取相对应的措施，降低跨流域调水对其水源供水风险的影响。2015年王振华等[40]提出了完善南水北调中线水源地水质保护法规的立法建议。2016年王若晨等[41]分析了调水背景下丹江口水库优化调度与效益。2019年王新才等[42]提出宜尽快制定并颁布《南水北调中线水源地保护与管理条例》等相关法规，以解决南水北调中线水源地保护和管理中存在的突出问题。2020年常文娟等[43]基于耗水视角研究了汉江流域水资源承载能力及其支撑流域调水的规模。2021年孙正兰等[44]探讨了南水北调东线源头江都水利枢纽下游水文情势及其影响因素。

2002年南水北调开始施工后，水利科技工作者对南水北调的水源地的水资源和环境越来越重视。《院报》发表的相关论文成果主要有：论证保护南水北调水源地水资源和环境的重要性；预测了南水北调中线一期工程实施后“水华”发生的频率，并提出了控制汉江中下游富营养化的措施; 探讨了长江水、黄河水的联合运用和优化配置; 研究了汉江中下游河道内生态需水量; 完善了南水北调中线水源地水质保护法规的立法；明确了汉江流域水资源承载能力及其支撑流域调水的规模等。

2.6 其他研究领域

2002年陈俊等[45]阐述了丹江口大坝加高施工期度汛时的主要试验成果。2003年吴新霞等[46]论证了西气东输管道破裂引起的天然气爆炸不会对南水北调输水隧洞产生破坏影响。2004年张孟玫等[47]在Visual C++6.0软件开发平台上研制开发的箱涵结构设计CAD系统成功应用于南水北调北京段和北京五环路地下通道的箱涵结构设计中。2008年赵延喜等[48]建立了一个基于模糊概率的岩爆风险预测模型，并成功应用于南水北调西线工程泥曲-杜柯河段隧洞部分东段的岩爆风险评估。2010年李亚龙等[49]研究了南水北调中线水源区植被恢复的产流产沙效应初步研究。2013年甘孝清等[50]将分布式光纤加热技术成功应用于南水北调中线一期工程渗漏监测中。

由此可见，《院报》在防洪、爆破、信息技术、水土保持、工程安全监测等研究领域也发挥了科技支撑作用。

3 结论与建议

(1)《院报》对南水北调工程中的土力学、河流泥沙、水工结构与材料、水力学、水资源与环境等专业方面的科学问题的研究成果进行了报道，为南水北调中线工程丹江口大坝加高、陶岔引水闸、穿黄隧洞、渡槽等水工建筑物的结构设计，总干渠岩土力学问题的治理方案和冰期安全输水，水源地水质保护法规立法，以及工程施工运行问题中采取的应对措施等提供了科技支撑。

(2)报道的南水北调科研成果贯穿了该工程前期规划、设计论证、施工和运行各个时期，主要报道了南水北调中线工程各个时期的科研成果，但对东线工程施工和运行期以及西线工程前期规划期的科研成果鲜有报道。在报道的南水北调中线科研成果中主要是南水北调中线一期的科研成果，对南水北调中线二期的科研成果鲜有报道。

目前南水北调工程进入新阶段，建议水利期刊切实落实2021年习近平总书记主持召开推进南水北调后续工程高质量发展座谈会上发表的重要讲话精神，全面贯彻新发展理念，按照高质量发展要求，统筹发展和安全，坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，遵循确有需要、生态安全、可以持续的重大水利工程论证原则，积极组织、报道和宣传相关科研成果为南水北调工程正在推进的东、中线后续工程规划建设和西线工程规划方案比选论证及其理论创新和科技进步搭建学术研究交流的平台。