中国水科院2016年十大科技成果

中国水科院2016年十大科技成果1长距离输水工程水力控制理论与关键技术我国已建的跨流域输水工程达到31座，供水比例高达20%。

长距离输水工程面临着构成复杂、输水方式多样，用水需求多变、水力调控扰动频繁，地形地势多样、多流态衔接复杂，水流惯性大、控制响应滞后严重，高纬度地区冰期输水问题突出等一系列问题，控制不当，极易出现爆管、结构物破坏、漫堤溃决和冰害等事故。

本项成果面向工程重大需求，研发了自主创新的理论方法和成套关键技术，成果获得2016年度国家科技进步二等奖。

（1）建立复杂长距离输水系统水力仿真与控制理论方法揭示了有压无压转换、急流缓流过渡、水气两相瞬变、冰凌全过程生消演变机理；构建了长距离输水系统沿程糙率、局部水头损失系数、故障参数的快速辨识和不确定度评定方法；创建了控制参数时域—频域联合的在线整定技术；揭示了不同运行控制方式下，扰动波在渠道内的运动特性及叠加、相消规律。

扰动波在渠道内的运动特性（2）提出长距离管道输水系统成套水力控制新技术研发了适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀和压力自适应空气阀调压室；提出了长距离有压输水系统水力优化控制技术。

（3）提出长距离明渠输水系统“前馈-反馈-解耦”集散控制技术提出了“改进前馈+水位流量串级反馈+解耦”的闸门群集散控制技术，实现了“粗调”、“细调”与“协调”作用的有机衔接，解决了水力滞后严重、不确定扰动多、渠池间耦合强烈、水位控制要求高等难题。

（4）提出长距离输水系统冰害防治与冰期运行控制技术研发了适应气候及渠道冰情水情变化的冰期自适应控制技术，保障了冰期渠道的运行安全，提高冰期输水能力10%~15%；提出了冰凌下潜的冰厚佛汝德数判据等系列极端冰害防治技术。

成果已在我国引黄济青、引黄济津、南水北调中线、引滦入津、东深供水等19项大型调水工程中得到应用，取得了显著的社会经济效益。

2高混凝土坝结构安全关键技术混凝土坝是世界高坝建设的主要坝型之一。

欧美和前苏联在引领混凝土大坝建设过程中曾发生过严重开裂漏水、溃坝等重大事故，造成巨大生命财产损失，表明混凝土大坝安全问题尚未得到根本解决。

20世纪90年代以来，我国有众多高混凝土坝工程投入建设，需要探索新的理念、方法，以攻克高混凝土坝建设关键技术难题，保障安全。

本项研究提出了基于大坝真实性态的设计新理念，形成了安全优质高效建设成套技术，成果获得2016年度国家科技进步二等奖。

（1）建立基于大坝真实性态的设计新理念和方法针对国内外以材料力学、刚体极限平衡法为基础设计200m以上高混凝土坝存在的问题，提出了有限元等效应力、变形体时程动态稳定、高压水劈裂等分析方法及控制标准，取得重大技术突破。

提出了拱坝合理体形设计方法并开发了配套软件，发明了高混凝土坝抗高压水劈裂的柔性防渗、自反滤防渗结构。

成果纳入规范并应用于小湾、锦屏一级等300m级工程，其中小湾工程总渗漏量为2.4L/s，世界同类工程最低。

（2）建立多元胶凝粉体配制高强高抗裂混凝土新方法发现了多元胶凝粉体的紧密堆积和复合胶凝效应，提出了配制高坝混凝土的新方法，解决了传统方法配制混凝土时高强度与高抗裂、高耐久难以兼顾的难题，开启了高坝工程大规模使用I级粉煤灰、石灰石粉掺合料的先例。

应用于三峡三期400万m3混凝土，抗裂系数提升13.1%-50.0%，未见裂缝产生。

成果纳入规范并得到广泛应用。

（3）提出施工防裂智能监控新方法实现了混凝土拌制入仓、仓面环境控制、通水冷却、表面保护全过程智能监控，全面提升了温和区与高寒、大温差区混凝土坝施工防裂水平。

应用于三峡三期、锦屏一级、藏木等高坝工程，是工程未发生危害性温度裂缝的关键。

（4）研发混凝土坝全生命期仿真平台提出了高混凝土坝后期温升、混凝土性能衰减预测等9个模型，开发了混凝土坝真实性态仿真平台。

实现了大坝混凝土浇筑、运行、老化全生命期仿真与预测，解决了高混凝土坝性态预测误差大的难题。

用于锦屏一级等工程变形预测，误差小于3%。

提出了基于微裂纹全景定量分析的混凝土损伤评价方法，建立了微观损伤与弹性波测定宏观性能之间的关系。

用于丹江口等老坝工程，为决策提供了科学依据。

成果已应用于三峡巨型工程和锦屏一级、小湾等300m 级特高坝工程，为这些世界级工程的成功建设做出了重要贡献，为南水北调中线丹江口大坝的加高提供了重要技术支撑。

推广应用到国内、外98座高混凝土坝工程；国内已建在建200m以上特高混凝土坝全部应用了研究成果。

3梯级水库群面向生态的多目标综合调度关键技术受到连续枯水年以及大规模引调水的综合影响，汉江流域来水总体呈减少态势，流域内用水与流域外调水之间矛盾凸显。

汉江流域径流过程发生了很大变化，导致汉江鱼类资源呈现衰退趋势，加剧了汉江中下游暴发春季硅藻水华的风险，给汉江流域生态环境保护带来了严峻的挑战，迫切需要建立一套面向生态的调度方式及理论方法。

本项成果研究解决了三项关键技术问题，成果获得2016年度湖北省科技进步一等奖。

（1）水库群面向生态的多目标综合调度模式针对调度的多目标问题，在传统防洪和兴利的基础上，进一步考虑河流湖库生态系统的最小生态、适宜生态需水控制指标，鱼类产卵繁殖所需水力学控制指标，控制水华暴发所需水力学控制指标等，建立了面向生态的水库群多目标综合调度模式。

针对多目标问题，基于高维多目标问题解空间帕累托曲面的目标交换比的导数矩阵及梯度公式，创建了一套多目标优化与分析技术。

水库群面向生态的多目标综合调度模式及多目标优化与分析技术（2）水库调度最优性原理针对调度的维数灾问题，在结构化问题方面推导出了水库总可用水量与最优泄流量、最优余留水量之间存在单调关系，提出了水库调度单调性原理；在半结构化问题方面，发现了高维变量空间可行域的动态演进机制，提出了基于射线扫描的可行域动态生成方法。

从而建立了求解水库优化调度问题的总方法论——水库优化调度最优性原理。

研发了邻域搜索算法及射线搜索算法，并进一步结合聚合分析、敏感性分析以及替代模型技术，形成了一套完整的巨系统可行空间降维与动态搜索技术。

基于水库调度最优性原理的高效求解算法（3）汉江梯级水库群多目标综合调度方案研究提出了汉江流域生态水文分区及各河段、各时段的生态环境需水量，提出了汉江中下游鱼类产卵繁殖代表站满足四大家鱼产卵繁殖的控制阈值，提出了关键控制站最小7日平均流量与水华发生概率的关系函数及控制水华暴发的最小流量阈值。

在此基础上，建立了汉江梯级水库群带有生态学、水力学、工程学调度指令链条的多目标综合调度方案。

汉江梯级水库群多目标综合调度方案成果已在湖北省电力公司、汉江集团，以及丹江口、崔家营等各级电厂的发电业务，湖北省水利厅供水及防洪业务，湖北水产局的生态保护业务中均得到了成功应用。

4洪水风险图编制技术体系我国洪水频发，影响范围广，损失严重。

加强洪水风险管理工作具有十分紧迫的现实需求。

洪水风险图是反映洪水风险程度空间分布的地图，是洪水风险管理的主要信息支撑，在世界范围内广泛使用。

洪水风险图编制技术体系集通用化洪水分析、洪水影响与损失评估、避洪转移分析、洪水风险图绘制及洪水风险图管理与应用于一体，可高效、准确、方便地绘制、管理洪水风险图，并提供相关应用服务。

（1）构建首个通用平台通用技术平台分布图“通用技术平台”由洪水分析软件（IFMS/Urban）、损失评估软件、洪水风险图绘制系统和洪水风险图管理与应用系统构成，具有完全自主知识产权，总体上达到国际同类技术先进水平，具备与国际商业软件竞争的实力。

（2）融合五个计算引擎洪水分析软件平台洪水分析软件平台能够模拟一维、二维、管网水流运动以及各水流间的相互交互作用。

融合五个功能强大的计算引擎：大型平原河网计算引擎、山区河网计算引擎、非结构网格下的二维Roe格式计算引擎、SWMM管网计算引擎、1D-2D-管网耦合计算引擎。

该软件平台能够处理一切常见的一、二维浅水运动以及城市管网水流运动。

（3）解决六项关键技术本项技术体系研究解决了六大关键技术，分别为：为适应陡峭山区洪水模拟采用的洪水激波捕捉技术，为处理计算区域内小沟道采用的二维网格边河道化耦合技术，为提高洪水计算效率采用的多核并行加速技术，为提高工作效率采用的计算展示制图同步技术，为提高洪水影响评价效率采用的图形高效叠加运算技术，为提高制图效率采用的模型驱动制图技术。

六大关键技术示意图（4）得到广泛实际应用成果研发的洪水分析系列软件、损失评估软件、洪水风险图绘制系统和洪水风险图管理与应用系统已纳入国家防办发布的《重点地区洪水风险图编制项目软件名录》，免费下发全国水利系统和洪水风险图编制单位使用。

超过20个洪水风险图编制单位采用研制的“洪水分析软件”进行洪水分析工作；全国风险图编制项目（627个编制单元、覆盖面积约50万平方公里）的洪水影响评价和风险图绘制均采用了“损失评估软件”和“风险图绘制系统”；国家防办以及31个省（区、市）利用“洪水风险图管理与应用系统”开展洪水风险图成果的集成、管理与业务应用。

5山洪灾害防治技术体系我国山洪灾害每年死亡人数约占洪涝灾害死亡总人数的2/3，新世纪以来上升到80%左右。

山洪灾害点多面广，如何有效防治面临众多技术难题。

本项成果研究了小流域暴雨洪水计算产汇流理论方法、山洪灾害监测预警理论方法和群测群防体系等，为全国山洪灾害防治提供了理论和技术支撑。

（1）建立全国山丘区53万个小流域基本属性数据库首次系统划分并提取了全国山丘区53万个小流域及基本属性数据，全面分析了山丘区小流域地形地貌、土地利用、土壤植被等下垫面特征和产汇流特性，填补了国内空白。

全国小流域划分及基本信息统计表（2）建立小流域暴雨洪水产汇流计算方法发展了适用于短历时、强降雨条件下的山丘区小流域暴雨洪水时空变源混合产流计算理论方法及基于标准化单位线的小流域暴雨洪水汇流计算方法，大大提高了小流域暴雨洪水模拟精度，丰富完善了小流域暴雨洪水计算理论体系。

时空变源混合产流模型原理及其应用效果小流域标准化单位线提取原理及其应用效果（3）研发降雨产品和土壤含水量动态模拟产品研发了全国多源遥感数据与地面测站数据融合的降雨产品和土壤含水量动态模拟产品。

研发高时空分辨率的降水融合模型，提供了全国0.25度的小时降水融合产品；建立了基于一维Richards方程的全国土壤水动态模拟模型，提供了全国0.1°×0.1°的30cm深土壤厚度的逐日土壤含水量产品。

（4）建立专群结合的山洪灾害监测预警体系建立以自动监测预警系统和基层监测预警系统相互结合、相互补充的监测预警理论方法。

建立了全国山洪灾害动态预警理论方法，研发了国家山洪模拟与预警信息服务平台，搭建了200个模型集群，500个模型群，3000个分布式水文模型，为省市县防汛部门及社会公众提供了山洪监测预警服务。