南水北调工程关键技术研究进展

关炜

摘要：“十一五”以来，国家科技支撑计划就南水北调东中线一期工程安排了一系列关键技术攻关课题。介绍了关键技术研究进展情况、主要成果并做出了展望。通过分析研究各课题的成果报告及其部分文献资料，梳理总结与提炼了在工程设计与施工、设备与材料、水资源配置与输水调度、管理与安全运行、风险管理与病害防治、水质安全及影响评估等方面获得的关键技术创新成果。随着一期工程建成运行，新的关键技术问题又相继出现，为此提出仍需从工程运行安全检测、水资源集约节约、提高工程综合效益等方面继续开展相关攻关研究。

关 键 词：国家科技支撑计划; 关键技术; 南水北调后续工程; 南水北调工程

中图法分类号： TV213   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.026

0 引 言

南水北调工程是缓解中国北方地区水资源严重短缺、优化国家水资源配置格局、保障经济社会可持续发展的重大战略性基础设施。经过长达半个世纪的规划设计和科学论证，2002年国务院批复了《南水北调工程总体规划》，明确建设东、中、西线工程的总体布局，其中南水北调东、中线一期工程于2002年12月开工，分别于2013年11月、2014年12月建成通水，期间国家科技支撑计划提供了有力的技术支撑。本文跟踪分析国家科技支撑计划项目安排的南水北调工程关键技术攻关课题，系统梳理提炼取得的研究成果，对于掌握攻关科研进展、整体集成重大水利工程创新技术、推进南水北调后续工程高质量发展具有重要意义。

1 工程概况

南水北调东线一期工程从长江下游三江营引水，由泵站逐级提水向北，利用京杭大运河以及与其平行的河道，和高邮湖、洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖输水，提水进入东平湖后，一路沿黄河南岸向东经新辟的胶东输水干线接引黄济青渠道，向沿线和胶东地区供水;另一路穿过黄河向北供水，具备向天津应急供水的能力。东线输水干线长1 467 km，全线共设立13个梯级泵站、22处枢纽、34座泵站，总扬程65 m。南水北调中线一期工程从汉江丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线兴建渠道，经唐白河西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州市以西孤柏咀处穿过黄河，沿太行山东麓山前平原及京广铁路西侧的条形地带北上，至河北省唐县以北进入低山丘陵区和拒马河冲積扇，终点为北京团城湖。中线输水总干线工程全长1 432 km，全线设分水口门、退水闸、渡槽、倒虹吸、暗渠、隧洞铁路和公路交叉建筑物等共计2 387座。

南水北调东中线一期工程是由众多泵站、渠道、渡槽、隧洞、管涵（PCCP）、倒虹吸等大型输水建筑物与河湖系统组成的长距离、大流量复杂动态的调水工程系统，工程跨越多个流域、多个省份、多种地质带、众多条河流，横穿不同地形地质、水文气象、生态环境等条件地区，影响地区多、涉及面广、关系领域多，工程建设与运行条件差异变化较大。东线工程的大型低扬程大流量泵站和水质保障，中线工程的隧洞穿越黄河、膨胀土渠道边坡处理、渡槽设计与施工等，存在众多复杂工况和关键技术难点，建设管理十分复杂，运行存在安全风险，面临各种技术挑战，一系列关键技术难关和项目管理难题需要通过科研攻关解决。

2 关键技术攻关科研课题

2.1 攻关科研计划安排

“十五”以来，围绕南水北调东中线一期工程，国家科技支撑计划和国家重大技术装备研制计划安排了一系列关键技术攻关科研课题。由于“十三五”国家重点研发计划项目正在实施过程中，本文重点分析“十一五”“十二五”国家科技支撑计划攻关科研成果，对于“十五”“十三五”仅简要介绍关键技术攻关计划安排情况。

（1） “十五”期间，水利部会同中国机械工业联合会共同设置“十五”国家重大技术装备研制计划“南水北调工程成套装备研制”项目，对“大型低扬程水泵及装置研制”“大型渠道施工成套装备研制”“大型渡槽现浇施工成套装备”等5个课题进行技术攻关。

（2） 2006年，科学技术部设置“十一五”国家科技支撑计划“南水北调工程若干关键技术研究与应用”项目（2006BAB04A00），对“丹江口大坝加高工程关键技术研究”等14个课题开展科研攻关（见表1）。

（3） 2011，2015年，科学技术部分别设置“十二五”国家科技支撑计划“南水北调中东线工程运行管理关键技术及应用”（2015BAB07B00）和“南水北调中线工程膨胀土和高填方渠道建设关键技术研究与示范”（2011BAB10B00）项目，对“施工期膨胀土开挖边坡稳定性预报技术”等17个课题开展科研攻关。

（4） 2018年，科学技术部安排确定“十三五”国家重点研发计划“南水北调工程运行安全检测技术研究与示范”“南水北调工程应急抢险和快速修复关键技术与装备研究”2个项目展开科研攻关。

2.2 攻关科研计划安排特点

（1） 依据国家建设宏观布局安排攻关。科学技术部依据国民经济和社会发展五年规划目标任务与战略部署，确定五年规划期国家科技支撑计划的方向与重点，将南水北调工程作为国家五年规划科学技术发展重点，支持开展工程关键技术攻关研究。

（2） 根据南水北调工程实施进展组织攻关。水利部（含原国务院南水北调办）根据工程建设进展情况组织课题申报与攻关研究，“十一五”是南水北调中东线一期工程建设的初期，重点围绕工程规划设计与施工开展关键技术攻关;“十二五”期间，重点围绕工程建设、管理与运行的相关关键技术问题开展攻关研究。

（3） 按照工程建设需求开展攻关。在中线干渠施工建设过程中，针对当时膨胀土渠道施工的突出问题，在“十一五”开展相关课题研究基础上，“十二五”首批紧急安排了7个膨胀土关键技术攻关课题。

3 关键技术攻关主要科研成果

水利部南水北调规划设计管理局（含原南水北调工程设计管理中心）跟踪南水北调工程關键技术攻关科研，收集了各课题科研成果及技术报告，配合有关单位开展了成果整理存档工作。现根据掌握的资料情况，对“十一五”“十二五”关键技术攻关科研成果进行分类梳理总结。

3.1 工程设计与施工

3.1.1 丹江口大坝加高工程

长江勘测规划设计研究院等单位，针对丹江口大坝加高工程存在的新老混凝土结合关键技术难题，以理论分析、数值模拟、室内和现场试验、原形观测相结合，对新老混凝土结合状态与安全评价、新老混凝土结合面工程措施及灌浆措施、大坝抗震安全问题评价、初期工程帷幕耐久性及高水头下帷幕补灌等技术进行研究[1]。采用三维有限元非线性仿真技术，研究了大坝在水压、变化温度场、加高附加荷载等作用下的坝体受力和安全状态，分析了新老坝体结合面开合随时间的变化过程及坝体的应力变化过程;研究了不同灌浆时间、不同灌浆压力、不同库水位灌浆和不同灌浆措施对结合面接触状态的影响，以及灌浆措施、缝面接触灌浆对坝踵应力的影响等问题[2]。据此得出结合面状态与加高大坝安全度变化规律，提出了满足大坝安全度要求的设计参数技术指标，并直接转化为设计文件应用于工程设计与施工[3]，为保证工程建设质量及施工进度提供了强有力的技术保障。

3.1.2 大流量预应力渡槽设计与施工

武汉大学、河南省水利勘测设计研究有限公司等单位，研究提出了大断面预应力大跨度“U”形预制预应力渡槽结构型式，构建了大型“U”形渡槽空间预应力体系，研发了大型渡槽粘结加压板新型接缝止水结构，实现了输水梁式渡槽在流量、跨度、输水断面、预制架槽重量等综合技术指标的突破，创新发展了大型渡槽结构设计理论和方法，提出了渡槽结构局部受压稳定性分析的半解析柱壳有限条元法和整体受压稳定分析的结构侧弯扭稳定性总势能泛函数表达式，解决了大断面簿壳渡槽受压稳定关键技术难题[4]。除此之处，还提出了千吨级特大型“U”形渡槽采用地面预制、槽上运送、架机施工的新型工法，成功实现了单榀1 200 t “U”形槽架槽施工工厂化、规模化、标准化、流程化作业，创建了“U”形预制渡槽施工质量控制成套技术措施及指标体系[5]。

3.1.3 中线穿黄隧洞设计与施工

钮新强等针对穿黄工程（有压水工隧洞）需要解决游荡性河段、地质条件复杂、地震威胁等技术难题，研发了“结构联合、功能独立”的“盾构隧洞预应力复合衬砌”新型输水隧洞结构形式设计理论方法，并建立了相应的设计控制标准体系，以解决工程穿越黄河多相复杂软土地层高压输水隧洞结构受力，高压内水外渗导致围土失稳破坏难题;研发了竖井井壁设置弧形始发反力座的新型双层衬护竖井结构及双层结构联合受力的动态结构设计方法，提出了饱和砂土地层超深竖井工程结构及防渗成套技术，解决了饱和砂土地层结构安全和防渗难题;研发了黄土抽水技术，提出了通过降水提高黄土强度，实现软黄土高边坡施工期及运行期稳定的工程地质分析方法和设计方法;揭示了受卸荷与动水压力控制的黄土过饱和机制及地下洞室突泥发展规律，提出了洞内控制卸荷边界效应、洞周控制卸荷向外扩展，阻断黄土过饱和发展进程的综合处理技术[6-8]。

3.1.4 膨胀土地段渠道施工处理

“十一五”期间，蔡耀军等探讨了膨胀土工程特性、破坏机理、处理技术、施工工艺，建立了大型膨胀土渠道稳定控制技术体系[9]。“十二五”期间根据当时工程建设的实际需要，相关单位开展了施工期膨胀土开挖边坡稳定性预报等7项关键技术攻关：明确了深挖方膨胀土渠基抬升变形的主要机理和控制因素，提出了土体一维卸荷回弹变形理论及膨胀土膨胀模型和反映裂隙空间分布稳定分析方法;通过分析膨胀土边坡破坏主要模式，揭示了膨胀土强度的非线性特性，确定了膨胀土开挖边坡稳定性预报的主因子、辅助因子，建立了预报流程（方法）与预报模型，提出了膨胀土等级现场快速判别的定性与半定量方法;研究了深挖方膨胀土渠道浅层滑坡和深层结构面滑坡的治理抗滑措施及作用机理，膨胀土坡顶防护措施、排水体出口控制技术、饱和膨胀土基础快速施工技术，以及土工格栅加筋、土工袋、土工膜封闭覆盖、水泥改性等处理方法的优化参数，通过系统研究提出了膨胀土水泥改性处理施工技术[10-11]。李青云等选择南阳膨胀土渠道和新乡膨胀岩渠道，分区研究不同处理措施的稳定状态和破坏模式，比较验证其他膨胀土（岩）段渠坡处理方案的合理性与可行性[12]，优选了各膨胀土渠段的处理方案。

3.1.5 大型渠道设计与施工

罗辉等针对南水北调工程长距离输水，渠道沿线穿越复杂的地形、地质条件，水文、气象以及运行条件差异变化大的特点，研究提出了大型渠道边坡稳定与优化技术、高水头侧渗深挖方渠道边坡稳定、大型渠道新型结构型式，开发了适应不同设计条件、不同地质条件、不同施工方法、不同运行工况下渠道边坡稳定的优化理论和计算软件，提出了高水头侧渗深挖方渠道边坡稳定与安全技术以及渠道防渗漏、防冻胀、防扬压的新型材料和结构型式，开发了基于探地雷达和声波探测技术的渠道混凝土衬砌施工无损检测技术[13]。

3.1.6 高填方渠道建设

倪锦初等针对高填方渠道施工中穿渠建筑物与渠道之间易形成差异沉降，结合部位易出现渗水通道等安全隐患问题，开展了穿渠建筑物对渠道安全的影响分析，提出了设计、施工控制要素与技术要求;研究了渠道沉降随填筑时间的变化过程[14]，提出了填方渠道质量控制措施技术;完成了填方渠道的风险分析及应急预案措施技术研究，提出了采取水泥搅拌桩防渗墙、加厚钢筋混凝土衬砌、ECC 纤维混凝土衬砌、加厚复合土工膜、渠堤外坡增设水泥搅拌桩及桩间设置排水体、防浪墙加大超高、水泥土铺盖贴坡截渗、河渠交叉建筑物闸门改造等成套措施技术，研发了高填方碾压施工质量实时监控系统。

3.2 设备与材料

3.2.1 东线大型灯泡贯流泵

冯旭松等研究提出了灯泡贯流泵机组传动方式选用原则和方法、机组工况调节方式定量选择方法、机组电机过滤清洁通风方式和电机通风方式优化设计方法，开发了具有自主知识产权的大型灯泡贯流泵站静动力及流固耦合有限元分析软件;提出了泵型选择评价方法和指标体系，建立了标准化的泵模型特性选型数据库，经济性、可靠性和稳定性分析方法和综合评判泵型选择方法，提出了贯流泵装置多工况设计方法与贯流泵装置自动优化技术，研发了4套不同灯泡贯流泵装置[15]。

3.2.2 混凝土新材料及超大口径PCCP结构安全与质量控制  王东黎等开展了高性能混凝土新材料、超大口径PCCP（预应力钢筒混凝土管）结构安全与质量控制研究，研发了预应力钢筒混凝土管设计和仿真分析软件，建立了考虑预应力钢丝缠丝过程和刚度贡献的PCCP 预应力损失模拟分析断丝模型，提出了PCCP 承载能力全过程的数值分析方法和PCCP管道糙率测算方法，开展了超大口径PCCP制造工艺试验、管道结构原型试验、现场运输安装试验、管道防腐试验，克服了超大口徑PCCP 管道无法利用水力试验获取糙率系数的难题，解决了超大口径PCCP 结构安全与质量控制的一系列设计、制造、安装等关键技术问题[16-17]。

3.2.3 大型渠道及建筑物施工装备

李典基等研究提出了斜坡混凝土布料、振动碾压成型、振捣滑模衬砌成型、层密实成型、自动找正等技术与衬砌成套设备的控制技术体系，以及大型渠道机械化成型技术装备设计制造和工程技术，研发了大型渠道机械化衬砌综合施工工艺、大型渠道机械化衬砌系列成套设备，开发了具有自主知识产权的长斜振捣滑模和振动碾压衬砌成型机及其配套设备[18]，以及大型“U”形预制渡槽施工及质量控制成套设备[5]，填补了中国当时大型渠道及建筑物机械化成型技术装备和大型渡槽机械化装备的空白。王江涛等研究了全断面岩石掘进机（TBM）主机主参数间的内在规律，结合穿黄泥水工况，完成了主要部件、液压系统和电气系统、控制和导向系统的转化设计，研制了钻机超前地质预报仪和TBM施工短期预报仪，形成了TBM主机设计技术体系、配套系统设计方案，开发了计算机辅助设计和辅助决策系统[19-20]。

3.3 水资源配置与输水调度

3.3.1 水资源综合配置

王建华等针对南水北调庞大供水系统，整体识别黄淮海三大流域之间、流域生态与经济之间、流域内区域之间、区域内城市与农村之间的全口径水资源需求，提出了缺水识别技术和方法，形成了涵盖“三生”的全口径缺水识别的整体技术;提升配置决策机制、配置目标和配置技术，提出基于5个统筹的五维水资源配置理论与方法;基于宏观经济水资源模型和长系列供需分析模拟模型，构建了多种自然要素和经济社会要素的二元水资源系统，耦合生态模块和水环境保护模块，动态连接各个模块变量，形成了超大泛流域水资源合理配置整体模型[21]。

3.3.2 中线水资源调度

蒋云钟等针对水源区和受水区不同水文分布及来水系列组合、受水区多目标需求矛盾协调、多水源配置优化等难题，深刻分析南北方水文分布组合特征和用水需求特征，提出了水资源配置协调技术。他建立了南水北调中线受水区分布式水文模型EasyDHM模型，进行了长系列水文过程模拟，并基于二元水循环模式、耦合动态水资源调度模型、多目标群决策理论和多准则自适应控制理论，提出了汉江流域及中线受水区二元水循环模拟技术，建立了涵盖水源区、汉江中下游、干线和受水区全范围的水资源调度体系。通过与市场相耦合，提出了“宏观总控、长短相嵌、实时决策、滚动修正”的干线调度模式，建立了中线水资源调度模型及其调度决策支持系统[22]。

3.3.3 东线输水河渠湖库联合调控

高学平等研究提出了东线工程河渠湖库复杂水网的输水控制技术，包括东线山东段复杂水网闭环输水控制技术、软硬件一体的自流渠道输水控制技术和梯级泵站群优化运行及控制技术，提高了输水响应时间速度、减少闸门启闭次数，构建了河渠湖库复杂系统联合同步调控调度技术体系。将采用“同步控制自适应平衡”的调度控制技术与采用传统的人工调度控制方式相比较发现，完成一个调度方案的时间和开动闸门次数可降低7%左右，提高了输水效率，降低了输水成本。提出的同步指令同时满足自动化与人工执行方式要求，大大降低了全线统一调度风险[23-24]。

3.3.4 中线工程冰期输水

刘之平等系统研究了工程输水能力和稳定性问题，以及闸前常水位输水模式实现方式，提出了包含前馈、反馈与解耦环节的控制思想和控制算法，系统解决了长距离输水系统稳定时间长、水位波动大和渠池间耦合强等问题，实现了复杂输水系统的自适应建模，建立了南水北调中线工程输水模拟平台、长距离输水渠道控制模型和冰期输水模型;通过建立中线工程冬季输水全过程仿真模型，定量论证了冰期输水能力，提出了安全、高效的冰期运行方式和控制方法，确定了中线工程冰期运行控制方式，优化了拦冰索结构型式。此外，还进行了真冰条件下的物理模型试验，确定了典型输水建筑物防冰害临界水位，提出了防冰拦冰措施技术和大型调水工程超高设计标准[25]。

3.4 管理与安全运行

3.4.1 工程建设与调度管理

张阳等研究提出了南水北调工程项目群规划、管理技术及其决策技术，设计了突发状况应急处置方案，从信息系统建设、决策管理、优化与控制、风险管理4个维度构建了南水北调工程建设与调度管理的技术体系;完成了以项目群管理和项目组合管理为主的工程建设多项目管理理论、方法及技术体系研究，提出了数据建模、分析方法、挖掘技术和数据挖掘分析算法，构建了工程建设与调度管理群决策支持系统，提出了南水北调工程运营初期的管理技术、调度决策体系;建立了统一的信息分类和编码体系，制定了数据采集、处理和仿真机制，研发了工程建设与调度管理信息采集、处理、仿真与数据挖掘技术体系，最终形成应急处置支持平台[26]。

3.4.2 东线泵站（群）优化运行

程吉林等以泵站单机组叶片全调节、变频调节优化运行为研究单元，将大系统理论与东线工程大规模、长距离、多目标、多功能梯级泵站群紧密结合，建立了联合优化调度大系统复杂理论体系和一系列数学模型的求解方法，从理论上突破解决了单机组、多机组（水泵同型号、不同型号）、并联泵站和梯级泵站的优化运行数学问题，建立了泵站群优化模型并给出了求解方法，且成功应用于东线江苏段梯级泵站群的联合优化调度[27]。张仁田等集成创新泵站工程（单机组、站内多级机组、并联站群、梯级站群）优化调度理论方法和优化调度准则，开发了一整套优化调度决策系统软件，形成了规格化技术体系，建立了跨部门异构的信息系统协同与信息共享平台，编制完成了《南水北调东线工程泵站（群）运行数据规格化规范》企业标准[28-29]。

3.4.3 水库运行健康诊断及防护

岳强等针对东线山东受水区调蓄水库多、易出现安全隐患等问题，分析安全隐患影响及识别因子，建立了平原水库运行期健康诊断技术体系[30]。通过制定适用南水北调东线的平原水库风险划分等级及评价标准，提出了不同风险等级的应急预案技术指标;揭示出运行条件下平原水库膜下非饱和土地基中的水气运移规律和土工膜氣胀破坏机理，提出了平原水库围坝与穿坝涵管接触面渗漏监测、防护和处治成套技术，以及基于光纤传感技术的平原水库围坝渗流监测技术方案;通过建立平原水库波浪力分析模型，揭示了下卧土层水分运移机理和冻胀变形对护坡的破坏机理，形成了混凝土护坡施工与防护技术，研发了环保防冻融护坡材料，提出了平原水库护坡冻融冻胀修复技术。

3.4.4 工程安全

王浩等提出了应急工况下闸门现地自动控制方法和渠道运行集中控制技术，开发了渠道水量水质耦合模拟模型，进行各种工况下水力学水质过程的精细模拟，研发了中线应急运行调度控制平台，实现了应急监测、故障诊断、应急调控、模拟评价、应急控制方案编制等功能[31]。刘汉东等通过构建采空区渠道变形预测模型，提出了南水北调东线煤矿采空区渠道运行安全标准，开发了渠道安全运行预警系统与渠道及建筑物破坏应急处理技术[32-33]。谢向荣等研究提出了膨胀土渠道全链条安全监测技术体系，研制了变位式分层沉降监测系统和水平双向变形监测系统，提出了集成监测数据的实时通讯传输技术以及数据管理技术、膨胀土渠道安全监测可视化技术、三维漫游技术，形成了一套完整的膨胀土安全实时监测、预报分析与处理技术[34]。

3.5 工程风险与病害防治

3.5.1 运行风险管理

刘恒等围绕工程运行过程中可能出现的工程风险、水文风险和生态与环境风险等，研究风险识别因子，分析风险响应机理，用工程质量、结构、稳定等各类风险因素的组合概率评价预测工程运行风险，用水源区与受水区不同水文概率分布评估预测水文风险，用水质风险和生态敏感区生态风险、突发性和非突发性风险评估预测生态与环境风险，完成了对复杂调水工程系统的多层次时空风险预测与模拟，提出了工程运行风险控制标准。此外，以系统控制理论为指导，结合运行管理特点和风险控制技术，研究风险控制机制与方法，提出了南水北调工程运行系统风险管理的综合策略技术和调水工程运行风险分析的理论框架，建立了安全控制和运行风险度的定量分析模型，制定了南水北调工程运行风险调度技术体系及预案[35]。

3.5.2 混凝土病害防治

杨稳华等针对渠道和渡槽混凝土结构病害的预防问题，研究提出了混凝土性态变化监测评估技术、混凝土表面改性技术、混凝土表面防护材料、止水密封防老化涂料以及渠道混凝土衬砌防冰盖破坏技术，有效防止或减缓了病害的发生，提高了输水工程混凝土结构的耐久性。针对渠道混凝土衬砌破裂、表面破损、渠道表面糙率过大、渠坡失稳等，研发了水下混凝土快速修复/修补材料、渠道糙率恢复技术、渠道滑坡应急处理技术、病害及时快速整治技术[36-37]。

3.5.3 建筑物运行风险识别和预警

韩迅等通过集成建筑物风险评价模型、结构稳定性与风险诊断模型、流域洪水模型以及区域水沙运动模型，综合考虑工程质量信息和洪水、冲刷、采砂等复杂外部不利条件，给出了跨（穿）河建筑物的综合风险因子，系统集成跨（穿）河建筑物风险评价模型，采用模糊评价和 BP 神经网络相结合的方法，计算出建筑物的静态风险[38]，通过构建南水北调中线大型跨（穿）河建筑物运行风险识别和预警系统平台可及时预报流域雨情和河道水情，准确识别建筑物在不同运行工况下的危险部位。

3.5.4 地震灾害监测与预警

饶为胜等研究提出了基于GPS和BDS组合定位的形变监测方法，获得了毫米级的监测精度，建立了自动化GNSS形变监测系统，提高了监测的时间分辨率;基于模糊概率方法，建立了平原水库与堤坝工程的震害评估模型，提出了水库堤坝震害预警指标体系和预警判据的确定方法;将概率地震需求模型和易损性分析理论引入到泵站枢纽的震害评估中，获得了泵站枢纽的结构需求和地震动强度之间的关系，研究了泵站枢纽在不同强度地震作用下达到或超过各性能水准的概率，构建了不同概率水准地震作用下泵站的震害评估模型;针对水库堤坝及泵站枢纽两类工程，建立了相应的基础信息库，构建了震害预警系统的架构，集成研发了震害预警系统[39-40]。

3.6 水质安全及影响评估

3.6.1 调水工程水质差异应对

陈永灿等将现场观测与试验相结合，深入研究了中线水源区、受水区水质的差异特征、化学变化反应过程，以及管网材料对水质的影响，揭示了沉积物金属离子释放规律和释放后管垢物化性质变化，不同主客水调配比例下金属离子的释放规律，确定了各受水区水质差异的定量评估方法，研究建立了水质差异的监测系统，提出了应对水质差异的技术手段[41-42]。

3.6.2 丹江口水源区黄姜加工新工艺

为了维持库区良好水质，程鹏等开发了“催化-溶剂法”黄姜皂素清洁生产工艺，通过有机溶剂和催化剂/助剂的耦合，实现了皂甙和纤维、淀粉等的有效分离;开发了基于SMRH工艺的循环经济生产系统关键技术，黄姜资源综合利用率和皂素收率大幅提高，污染负荷大幅削减;开发了基于直接分离法黄姜清洁生产工艺关键技术，实现了黄姜淀粉与纤维回收利用;开发了兼有脱硫功能的两相厌氧和以G-BAF为主的好氧处理工艺，高效去除黄姜加工废水中的COD、氨氮等污染物，实现加工废水稳定达标排放[43]。

3.6.3 河道疏浚泥堆场综合处置

冯旭松等针对南水北调东线输水河道疏浚泥堆场等问题，揭示了疏浚泥排水淤堵机理及负压作用下影响疏浚泥固结排水效果的主要因素;提出了防堵可控真空快速固结技术，以及防堵、高效节能真空设备与环保排水材料为一体的疏浚泥堆场快速加固处理等综合处置关键技术;研发了可降解排水材料，解决了工程施工排水材料长期埋于地下持续产生污染的问题[44]。

3.6.4 区域生态影响评估

甘泓等深入研究了与南水北调工程建设相配套、与生态保护恢复目标相协调的节水、地下水调控和河流湖泊沼湿地恢复等关键技术，以及生态水文效应与调控关键技术，提出了由水循环调控技术、水质调控技术和生态系统评估技术等组成的调水工程受水区生态环境影响评估技术体系，建立了典型城市节水模型、外调水-当地水联合调配模型、平原区地下水模型、区域分布式流域水循环模型等评估模型，从物理模型和计算机实体仿真两方面提出了调水工程直接生态效应的有效分析模式[45]。

4 主要结論与展望

4.1 主要结论

（1） “十一五”以来，科学技术部围绕南水北调东中线一期工程，设置国家科技支撑计划项目课题，支持开展了一系列关键技术攻关研究，其中“十一五”关键技术攻关科研课题14项，“十二五”科研课题17项。攻关科研在工程设计与施工、设备与材料、水资源配置与输水调度、管理与安全运行、工程风险与病害防治、水质安全及影响评估等方面取得了关键技术创新成果，为南水北调工程顺利建设提供了有力的技术支撑，保证了工程顺利建成通水、安全运行，最优化发挥工程效益。

（2） 攻关科研取得的主要创新成果包括：丹江口大坝加高、大流量预应力渡槽、中线穿黄隧洞、膨胀土地段渠道、大型高填方渠道等工程设计与施工方面关键技术;东线大型灯泡贯流泵、高性能混凝土新材料及超大口径PCCP 、大型渠道及建筑物施工装备等设备与材料方面关键技术;水资源综合配置、中线水资源调度、输水河渠湖库联合调控、冰期输水等水资源配置与输水调度方面关键技术;工程建设与调度管理、东线泵站（群）优化运行、水库运行健康诊断、工程安全运行等管理与安全运行方面关键技术;运行风险管理、混凝土病害防治、建筑物运行风险识别和预警、地震灾害监测与预警等工程风险与病害防治方面关键技术;调水工程水质差异应对、丹江口水源区黄姜加工工艺、河道疏浚泥堆场综合处置、区域生态影响评估等水质安全及影响评估方面关键技术。

（3） 关键技术攻关科研紧密结合不同时期、不同阶段南水北调工程的实际，根据工程对关键技术的需求，充分利用当时各相关领域的新技术，逐步展开关键技术攻关研究，并将成果直接用于工程建设，很多创新成果及时转化成了生产力。目前，南水北调东中线一期工程已运行数年，进入了正常运行提质增效期，后续工程正在抓紧论证。针对攻关科研进展不平衡的问题，面对绿色、高质量发展新要求，若要满足一期工程长期安全稳定高效运行和后续工程建设新需求，仍然面临诸多关键技术需要开展攻关研究。

4.2 展 望

（1） 通过南水北调“十三五”国家重点研发计划项目的实施，将研究提出工程运行隐患早期识别技术、风险诊断方法、检测技术与标准，形成南水北调工程运行安全检测成套技术，研发配套专用检测装备，为保障南水北调工程安全运行提供技术支撑。

（2） “十四五”期间，将从推进南水北调高质量发展方面开展关键技术攻关，深入分析南水北调工程面临的新形势、新任务，深入分析南水北调工程高质量发展基本要求和技术体系，提出推进工程高质量运行管理、提质增效、更好发挥工程效益的技术措施与方法，以及数字南水北调工程技术、智能精细化调度技术;从立足流域整体和水资源空间均衡配置、科学推进后续工程、提高水资源集约节约利用水平等方面，提出高质量发展的战略举措、相关技术与标准，为推进南水北调高质量发展提供技术支撑。

（3） 围绕南水北调后续工程开展关键技术攻关，结合前期论证和方案比选，开展工程技术与难题的攻关研究，包括东线二期穿黄关键技术、东线泵站选型模型试验、东线后续工程生态治理及水质保障、中线补源深埋超长隧洞关键施工技术、加大流量输水关键技术、在线调蓄水源建设运行技术、西线工程供水需求及建设影响、超长距离深埋超长隧洞与复杂工况施工等关键技术攻关，为后续工程的论证、规划设计和建设提供技术支撑。

（4） 今后，将在深化南水北调水资源调度与风险管控等方面继续开展关键技术攻关，根据极端气候影响、生态环境保护和水需求等新变化新情况，结合南水北调工程运行实践经验和暴露出来的新问题，以及新时代发展战略、经济社会发展和供水保障程度提升等新要求，研究提出进一步优化水资源配置格局，以及确保工程长期安全运行、不断提高工程综合效益的关键技术，为确保南水北调供水、工程和水质安全提供坚实技术支撑。

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（编辑：胡旭东）