健康水平衡构建与国土高质量保护利用战略
高质量建设国家水网工程的思考与建议
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Thoughts and Suggestions on High-Quality Construction of National Water Network Project
- Xinqiang Niu 1, 2 ,
- Yongyan Wu 1, 2 ,
- Lei Wang 1, 2 ,
- Tianyou Yan 1, 2 ,
- Jianhe Li 1, 2
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摘要
实施国家水网重大工程，加快构建国家水网，对全面提升我国水安全保障水平，支撑经济社会高质量发展具有重大战略意义。本文从我国水安全形势出发，论述了高质量建设国家水网工程的重大意义，以南水北调中线一期工程、引江补汉工程和渝西水资源配置工程为例，从规划、建造、运行3个方面总结了国家水网重大工程的技术成果和实践经验；探讨了高质量建设国家水网工程面临的关键挑战，提出了未来高质量建设国家水网工程的重点技术攻关方向，包括国家水网工程体系构建与功效评价、国家水网工程安全智能建造与运营维护、国家水网工程智能调控等。研究建议，加快推进南水北调后续工程建设，完善国家水网主骨架和大动脉；加快完善区域水网工程布局，支撑国家重大区域发展战略建设；推进多网融合示范工程建设，提升工程综合效益；推进重大水网工程全过程数字化建设，提升水网服务社会经济发展能力，助力高质量建设国家水网工程，为保障我国未来水安全奠定基础。
Abstract
Developing major projects concerning the national water network and shoring up the construction of the national water network has strategic significance in comprehensively improving China's capacity to guarantee its water security and supporting its high-quality economic and social development. This study first discusses the necessity and urgency of constructing national water network projects based on China's water security situation. Consequently, it summarizes the technical achievements and practical experience regarding the construction from the aspects of planning, construction, and operation, drawing from the examples of the first stage of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project, the water diversion project from the Three Gorges Reservoir to the Hanjiang River, and the water resource allocation project in the west region of Chongqing. Moreover, it explores the challenges in the high-quality construction of national water network projects and proposes several key technological research directions, including the construction principles and effectiveness evaluation systems, intelligent construction and performance maintenance, and intelligent regulation of the national water network projects. Furthermore, the following suggestions are proposed to promote high-quality construction of national water network projects and to guarantee future water security: (1) accelerating the construction of the follow-up projects of the South-to-North Water Diversion Project to complete the main framework of the national water network, (2) optimizing the regional layout of the water network project to support China's major regional development strategies, (3) promoting the demonstration projects that integrate the development of water network with other networks so as to enhance comprehensive benefits, and (4) promoting the application of digital technologies throughout the entire process of the construction and enhancing the water network's ability to serve social and economic development.
关键词
国家水网工程 / 水资源均衡配置 / 智能建造 / 智能调控 / 水安全保障
Keywords
national water network project / balanced allocation of water resources / intelligent construction / intelligent regulation / water security guarantee
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钮新强, 吴永妍, 王磊. 高质量建设国家水网工程的思考与建议. 中国工程科学. 2024, 26(6): 108-119 https://doi.org/10.15302/J-SSCAE-2024.06.018
一 前言
水安全是国家安全的重要组成部分，关系到粮食安全、生态安全、能源安全、产业安全[1~3]，对促进社会稳定和经济发展、保障居民幸福生活等具有重要意义。2023年，我国发布的《国家水网建设规划纲要》提出，加快构建国家水网，建设现代化高质量水利基础设施网络，进一步增强水资源调控能力和供给能力，统筹解决水资源、水生态、水环境、水灾害问题，在更高水平上保障国家水安全。
国家水网是具有复合功效、复杂结构的超大规模网络系统，由天然河湖水系和水网工程体系组成[4]。按水网在水资源调配方面发挥的功能作用，国家水网工程体系可划分为骨干水网工程和区域水网工程两个层次。骨干水网工程主要解决国家水资源宏观调控和流域防洪减灾问题，重点指南水北调工程；区域水网工程主要解决区域性水安全保障问题，如引汉济渭工程、引江济淮工程、珠江三角洲水资源配置工程、渝西水资源配置工程、鄂北地区水资源配置工程等。我国已经建立起明晰的国家水网总体系统框架、分级实施路径[5~8]，在不同层级水网方面因地制宜开展水网建设，积累了水网工程建设的实践经验[9~12]，为构建现代化国家水网奠定了基础。当前，我国国家水网在水平衡健康评价、应对变化环境影响、水资源高效利用、智慧管理等方面[16~18]仍有较大提升空间和诸多关键技术挑战，迫切需要从国家水网的整体视角出发，深入开展重大水网工程建设研究，提升水网工程体系的整体效能。
实施国家水网重大工程是完善国家水网总体格局的根本措施，也是推动新阶段水利高质量发展、经济体系优化升级的重要手段。本文从我国基本水情特征和经济社会发展需求出发，剖析高质量建设国家水网工程的重大意义；以骨干水网工程中的南水北调中线一期工程、引江补汉工程以及区域水网工程中的渝西水资源配置工程为例，从规划、建造、运行3个方面，总结国家水网重大工程技术成果和实践经验，分析高质量建设国家水网工程面临的主要挑战，提出建设国家水网重大工程的重点攻关方向和发展建议，为新形势下国家水网工程体系的科学构建提供参考。
二 高质量建设国家水网工程的重大意义
（一） 缓解水资源时空分布不均，实现系统均衡
我国水资源短缺且时空分布极不均匀，与经济社会发展格局不匹配。全国近70%的城市群、90%以上的能源基地、60%以上的粮食主产区位于水资源紧缺地区。北方地区以全国19%的水资源量支撑了46%的人口、64%的耕地和45%的经济总量。我国地表水水资源开发利用程度已达42%，其中，海河流域和黄河流域的地表水水资源开发利用程度甚至超过了70%。近年来，受气候变化与人类活动等影响，我国水资源演变形势愈加复杂[19~21]，如东北沿黄渤海诸河，黄河中游的北洛河，海河区的滦河、大清河、滏阳河等流域水资源总量减少了20%以上，局部水资源供需紧张形势更加严峻。我国南方地区水资源总量较为丰富，但干旱依然频发。1991—2020年，西南地区南部、江南地区南部、华南地区东部等的干旱情况呈增强趋势[22]；2021年，东南沿海地区的旱情持续时间长，广东省、福建省的部分城镇被迫采取限时、限量、限压等应急供水措施[23]；2022年，长江流域、珠江流域、太湖流域等丰水地区的气象水文干旱严重，尤其是长江流域在汛期发生极端干旱，多达10个省份的人畜饮用水、农业灌溉用水受到影响，长江航道航运承载能力减少近20%[24]。我国因干旱造成的年均直接经济损失超过1000亿元[25]。我国水资源时空分布不均、水资源短缺等问题将降低居民生活质量，限制地方工农业生产，制约区域协同发展战略的实施[26~28]，迫切需要高质量建设国家水网工程，促进水资源分布与人口经济布局、国土资源格局相匹配[29]，全面提升水资源安全保障能力。
（二） 解决生态环境累积欠账，实现绿色发展
我国北方地区的地表水资源匮乏，过去长期通过超采地下水、挤占生态环境用水等方式来支撑社会经济发展，造成水生态环境的历史欠账多，区域水生态环境保护和修复压力大。根据第三次全国水资源评价结果，我国北方地区的地下水超采量超过1.86×1010 m3。华北平原地区已形成规模巨大的地下水位降落漏斗，且近年来局部存在漏斗范围扩大等问题[30]；东北平原作为我国重要的商品粮基地，近20年来地下水开采量有所增加，已引发土地荒漠化、盐渍化等生态环境问题[31]。
生态流量是维持河湖生态系统健康的基本要求之一[32]。然而，目前我国河道内生态流量占比低于40%的河流流域面积约占国土总面积的21.6%，主要位于海河、辽河、西北诸河等流域。据调查统计，1980年以来，在流域面积为1000 km2及以上的天然常年有水河流中，有169条河流发生过断流，断流总长度约为1.2×104 km，占相应河流总长度的24%。在生态文明建设的推动下，我国迫切需要进一步完善国家水网工程建设，加强水系连通，有序实施河湖生态补水、地下水回补等，解决生态环境的累积性、长期性欠账问题，同时防控潜在的生态风险。
（三） 全面提升水安全风险防控能力，以更高标准筑牢国家安全屏障
当前，受全球气候变化和人类活动的影响，水灾害呈现突发性、极端性、反常性愈加明显的特征[33]，迫切需要全面提升水安全风险防控能力，筑牢国家安全屏障。2021年郑州市发生的特大暴雨事件、2023年海河流域发生的流域性特大洪水等均严重威胁到南水北调中线工程向京津冀地区的供水安全。在大江大河流域防洪体系基本建成的背景下，我国重要城市群在应对极端降水事件方面，仍然存在工程体系短板、现有标准体系不完善、管理能力待提高等问题，亟需通过高质量建设国家水网工程，构建更高标准、更强韧性的水安全保障体系，为中国式现代化发展提供坚实支撑。
三 国家水网工程建设的代表性技术成果
目前，我国国家水网工程建设取得显著成效，已建成世界上规模范围最大、受益人口最多的水利基础设施体系。本文以南水北调中线一期工程、引江补汉工程、渝西水资源配置工程为例，总结国家水网工程在规划、建造、运行方面的代表性技术成果。
（一） 南水北调中线一期工程
南水北调工程是国家水网的主骨架和大动脉，是实现我国水资源优化配置的重大战略性基础工程。2002年批复的《南水北调工程总体规划》中提到，到2050年，南水北调工程多年平均调水量将为4.48×1010 m3，其中东线、中线、西线工程的调水规模分别为1.48×1010 m3、1.3×1010 m3和1.7×1010 m3[34]。目前，南水北调中线一期工程已建成通水10年，为沿线26座大中城市、200多个县（市、区）经济社会高质量发展提供了有力的水资源支撑和水安全保障，直接受益人口达1.14×108人。在工程实践过程中，南水北调中线一期工程采用了多流域复合调水系统的水资源统筹配置方法、工程运行全过程多目标精细化调控技术，攻克了工程在不同时空范围的配水和输水难题，有效支撑了工程效益的发挥。
1 多流域复合调水系统的水资源统筹配置方法
南水北调中线一期工程由水源工程、输水工程、汉江中下游治理工程3个部分组成。在工程规划阶段，重点研究了从汉江丹江口水库调水和从长江调水两类水源方案。经过生态、技术、经济等方面的综合比选，研究提出了近期引汉、远期引江的水源工程布局，即近期从大坝加高后的丹江口水库引水；远期根据汉江流域经济社会发展状况、水资源利用程度以及华北平原水资源短缺形势，相机实施从三峡水库引水的南水北调中线后续水源工程。当前，南水北调中线一期工程从丹江口水库陶岔引水，以城市生活、工业供水为主，适当兼顾生态与农业用水，多年平均北调水量为9.5×109 m3；既满足了不同水平年的供水需求，也满足水源区可调水量的限制要求，兼顾了水源区生态安全的水资源需求。
为降低工程调水对汉江中下游产生的不利影响，南水北调中线一期工程的研究人员分析了汉江中下游水资源利用特点和河流水动力特性，耦合不同河段的河道外社会经济用水需求、河道内生态航运用水需求等，基于水量平衡原理构建了汉江中下游水资源利用的多目标优化决策模型，提出了“蓄补相济”的水资源调控策略，建立了长江反补汉江的江湖联调方法；通过“以干补支”方式，活化区域水系，在进一步增加丹江口水库外调水量的同时，实现了汉江中下游供水、生态、航运、防洪等多目标的联合调控，有效支撑了兴隆水利枢纽、引江济汉工程、部分闸站改造及局部航道整治4项治理工程的实施。
2 工程运行全过程多目标精细化调控技术
南水北调中线一期工程的科学调度是充分发挥汉江流域优质水资源效益、提高北调水对京津冀地区等受水区供水保障能力的核心。南水北调中线一期工程总干渠自陶岔渠首引水至北京团城湖，线路总长度为1432 km，沿线布置的输水建筑物有159座、控制建筑物有295座，其中分水口有97座、节制闸63座、泵站1座。工程具有水源供水目标多，输水总干渠无调蓄、控制严、滞后明显等特点，现阶段全天候输水且运行工况复杂多变，调度安全保障难度极大。为此，研究人员研发了南水北调中线一期工程从水量调度分配到工程运行控制的全过程调度方式，实现了水量精确、精准调度和工程输水安全保障。① 通过统筹防洪与兴利、流域与工程、水源与用户的关系（见图1），以丹江口水源水库为关键节点，建立了汉江流域 ‒ 丹江口水源水库 ‒ 中线总干渠 ‒ 分水口 ‒ 用户的多对象调度机制，研发了水量多目标调度模型，在汉江来水丰枯变化大、用户对供水保障要求高的复杂供水形势下，实现南水北调中线一期工程年度、月度等不同时间尺度的水量精细化分配。② 考虑用户的多样化需求，确定了闸前目标区间水位控制的运行方式，形成了复杂输水系统水力模拟与运行调度理论，研发了南水北调中线一期工程总干渠自动控制模型，构建了工程水量调度系统，解决了闸群精准调控的关键技术难题，实现了工程实时自动化调度和水资源高效利用，有效保障了受水区供水安全和工程输水运行安全。
（二） 引江补汉工程
引江补汉工程于2022年7月开始建设，从长江三峡库区引水入汉江，可以提高汉江流域的水资源调配能力，增加南水北调中线工程的北调水量，并为引汉济渭工程达到远期调水规模、向工程输水线路沿线地区城乡生活和工业补水创造条件。引江补汉工程隧洞穿越地质构造背景复杂的山岭地区，具有超长深埋、地质复杂、超大断面、有压输水的特点，工程建造面临重大技术挑战。为此，工程人员研发了大埋深软岩隧洞围岩 ‒ 支护体系安全控制技术、隧洞突泥涌水灾害防控技术、过活动断裂带隧洞结构适应性技术等深埋长大输水隧洞地质灾害防控成套技术，有效支撑了工程安全建造。
1 大埋深软岩隧洞围岩 ‒ 支护体系安全控制技术
在引江补汉工程建设过程中，工程人员基于隧洞围岩 ‒ 支护协同承载理论和工程实践经验，对钻爆法和敞开式隧道掘进机（TBM）施工的极严重变形洞段，设置全封闭双层初期支护；第一层初期支护采用让压拱架+预应力让压锚索等让压支护体系，允许围岩适度变形，以降低支护结构承受的荷载；并择机增设第二层箱型混凝土加强型拱架支护，提高被动支护强度。护盾式TBM采用“预应力锚索+高强管片”措施（见图2），以解决隧洞开挖营建过程中的岩大变形工程难题。
2 高压富水断层隧洞突泥涌水防控技术
在引江补汉工程建设过程中，工程人员针对隧洞突泥涌水问题，提出地表灌浆和洞内灌浆、常规超前灌浆和定向钻灌浆相结合的综合处理方案，降低了工程安全、工期和投资风险。研发的地表定向钻“低压成孔灌浆+高压加固灌浆”的两阶段灌浆新工艺，解决了高压富水断层中传统定向钻灌浆工艺灌浆阻塞和升压的技术难题。研发的适用于软岩破碎带的泄水减压装置（见图3），解决了破碎带排水孔易塌孔、反滤土工布易淤堵、反滤性能下降快等问题，整体反滤效果和排水量可显著提升。
3 过活动断裂带隧洞结构适应性技术
针对输水隧洞过活动断裂带，工程人员提出了适应断裂带错断工程特性的“区域 ‒ 工程”跨尺度评价技术，获得了活动断裂带的空间展布、分带特性、位错特征等基本工程设计要素；研制了高应力区域隧洞跨活动断裂物理试验装置，剖析了跨活断裂隧洞变形破坏机制；提出了“缓冲+铰接”新型抗错断结构及其设计参数优化方法，解决了隧洞结构抗错断设计中缺少定量依据的难题，为穿越活断裂带输水隧洞的安全建造提供了重要技术支撑。
（三） 渝西水资源配置工程
渝西地区位于成渝双城经济圈主轴线上，是重庆市新增产业和人口的重要聚集区域。渝西水资源配置工程所在区域受地理环境制约，自产水资源短缺，天然河流大多源短流小、生态脆弱，水资源开发利用的难度大、成本高；原有取水水源分散，输配水网络复杂，当地虽已“建蓄引提”了各种规模水源工程多达46 837处，但仅有大型水库1座、中型水库17座，远不能满足当地经济社会发展需求。渝西水资源配置工程是纳入国家“十四五”规划纲要的重大水利工程，于2020年12月开工建设，从长江、嘉陵江提水，向重庆市西部的11个区县供水，是重庆市历史上投资最大、涉及面最广、受益人口最多的大型调水工程。渝西水资源配置工程通过创新水资源配置理念和工程运用方案，有效支撑了工程规划实施。
1 “以干补支、江库互济”的水资源配置理念
渝西周边即为长江、嘉陵江、涪江，多年平均过境水资源总量达3.281×1011 m3。工程人员在规划渝西水资源配置工程的过程中，转变过去以新建水库为主来开发利用区内自产水资源的思路，提出了充分利用区域过境水资源丰富的优势，新建长江、嘉陵江骨干提水工程，配合当地水库调蓄以解决生活工业用水的方案，将受水区当地水资源优先用于满足生态环境用水，通过水量置换实现“以干补支”，破解渝西地区工程性缺水难题，支撑区域绿色发展。
2 “两江互备、新老结合”的多水源运用技术方案
考虑渝西地区被长江、嘉陵江两江环绕的地理特点，通过原水管道连通，实现“两江互备”；新建圣中调蓄水库作为应急水源，兼顾沉沙和生态调度，改善工程布置条件。新建水源泵站工程在布局时，综合考虑长江航道的远期航运要求、自然环境、水文条件、泥沙淤积、穿越铁路交叉建筑物、衔接圣中水库等因素，保证了工程设计安全、运营维护方便。统筹长江、嘉陵江等域外水源，新建提水工程以及受水区当地已建、在建、已规划的各类水源工程等要素，构建了多水源、多用户拓扑网络架构（见图4），建立了水资源联合配置模型，对1960—2016年水文系列进行长系列水资源调节计算，最终确定了工程年供水量为1.012×109 m3，在全面保障区域供水安全的同时，兼顾了工程方案的经济合理性。
四 高质量建设国家水网工程面临的挑战
（一） 如何科学有效地发挥国家水网工程综合效益
国家水网工程体系覆盖全国、流域、省、市、县等不同空间尺度，涉及水资源系统、经济社会系统、粮食生产系统、生态环境系统、能源生产系统、交通运输系统之间的复杂耦合关系，具有防洪、供水、生态、航运、发电、文化等多功能特征（见图5），工程影响巨大且深远。目前，国家水网工程体系的顶层设计仍有待完善；水资源、水生态环境、航运、能源等用水保障间的协调仍存在不足，亟需完善相关基础理论研究，科学优化国家水网工程体系总体布局，更加有效应对水安全风险，实现水网的经济、社会、生态、安全效益相统一。此外，在重大水网工程决策方面，尚缺乏科学确定国家水网工程的功能定位、工程规模和布局，以及评价工程全生命周期的社会经济效益和工程建设的长远生态环境影响的通用理论方法。例如，当前南水北调西线工程众多比选方案的路线、规模、影响差异显著[35,36]，工程建设方案久议难决。因此，亟需进一步创新水网工程规划理论、相关标准和评价体系，支撑南水北调后续工程等重大水网工程的实施。
（二） 如何实现国家重大水网工程安全智能建造
我国地形地貌复杂多样，气候特征的区域性差异明显。目前，重大水网工程布局逐渐由东部平原、丘陵地区向西部高寒、高海拔地区发展，面临着“高地震烈度、高断层活动性、高地应力、高地温、高外水、高危气体”的难题。例如，南水北调西线工程输水线路位于西南构造板块活动区，最大埋深超2000 m；引江补汉工程输水隧洞跨两个一级构造单元，隧洞穿越软质岩总长度占比约为25%，断层规模大、数量多，主洞穿越区域性深大断裂7条[37]，工程安全建造难度极大。目前，长大深埋输水隧洞的有关理论研究滞后于工程实践需求。工程建造面临的多场非平衡演化与重构机制认识尚不清晰，工程设计未有效融合围岩 ‒ 支护体系的长期性能演化机制，不足以支撑服役期内结构安全保障和使用功能发挥。现有施工技术与装备应对各种复杂条件的适应性不足，绿色化、智能化程度偏低。亟待完善复杂地貌和地质条件下的重大水网工程安全设计理论，突破工程全生命周期安全建造技术及绿色智能建造装备。
（三） 如何实现国家水网工程的智慧调度
重大水网工程通常具有跨流域、跨区域的特点，工程规模大、覆盖范围广、调控节点多，涉及不同的利益主体，同时需要兼顾防洪、供水、灌溉、生态、发电、航运等多种需求。提升水网工程的调度管理智能化水平是充分发挥水网综合效益、实现智慧发展的基础。目前，国家水网工程的智慧化调度管理受监测数据精确度、专业模型理想概化等因素限制[38]，工程精准调控能力不足，关键环节经常需要人工干预，存在调度效率不高、经济性不佳等问题。水网工程联成网后，内部耦合关系更复杂，外部影响因素更多、不确定性增强，调度难度将成倍增加，亟需创新超大范围水网工程系统多要素变化过程的高效模拟方法，突破跨流域的水网工程系统协同调度、水网工程实时智能控制技术，为国家水网工程的安全运行、效益发挥提供有力支撑。
五 高质量建设国家水网工程的重点技术攻关方向
（一） 国家水网工程的体系构建与功效评价
面向高质量建设国家水网工程的重大需求，需深化应用基础研究，开展关键核心技术攻关。针对国家重大水网工程的规划决策问题，亟需开展水资源时空均衡理论与优化配置方法、水网工程多层级互馈机理与结构体系构建、水网工程收益 ‒ 风险评价与经济论证模式3个方面的研究，为南水北调后续工程等重大水网工程项目实施提供科学依据，为国家水网工程的总体布局优化奠定坚实基础。
1 水资源时空均衡理论与优化配置方法
基于全国水资源、水生态环境的长期演变规律及未来趋势，研究符合气候地理、生态环境和经济社发展的水平衡条件及可调水量阈值，支撑战略水源的开发利用；研究全国不同区域国民经济和社会高质量发展、生态环境功能维持对水资源需求的定量化表达方法与标准；研究水资源与粮食安全、生态安全、能源安全等的联动机制；构建基于韧性提升的水资源优化配置理论，支撑国家水网工程体系优化。
2 水网工程多层级互馈机理与结构体系构建
基于全国水平衡状态和水网“水量 ‒ 水质 ‒ 水位”的空间特征，研究自然水网与人工水网的耦合机理，探讨水网工程供水、防洪、生态、航运等多功能目标的互馈关系；研究区域 ‒ 流域 ‒ 国家各层级水网的协同作用机制，提出多层级水网工程体系的空间架构方法，为国家水网工程整体功能最大化提供实现路径。
3 水网工程收益 ‒ 风险评价与经济论证模式
结合重大水网工程的功能定位和目标要求，综合考虑直接效益和间接效益，建立包含生态环境、社会、健康价值等评价因素的经济评价理论及评价体系。研究水网工程收益 ‒ 风险的长期涨落关系，建立水网工程功效综合评价方法，提出基于水网工程损益影响和转移模式分析的补偿措施，支撑重大水网工程的科学决策。
（二） 国家水网工程的安全智能建造与运营维护
针对高寒、高海拔、高地震烈度等复杂地质环境下的国家水网工程建造与运营维护问题，亟需开展复杂地质环境下水网工程灾变机制与设计理论、水网工程智能建造关键技术与装备、水网工程智能运营维护与效能提升3个方面的研究，为南水北调西线等重大水网工程建造及工程服役性能维护提供理论技术和装备支撑。
1 复杂地质环境下水网工程灾变机制与设计理论
未来水网工程将更多地分布于西部地区高寒、高海拔、高地震烈度等复杂地质环境下，建设条件趋于复杂，在工程技术、环境保护、征地移民等方面需开展重大问题研究（见图6）。在国家水网工程规划和建设时，需进一步探究强震区的地震特性及作用机制，创新超高坝结构设计理论方法，研发提升结构抗震能力的高性能材料，完善高坝极限抗震能力评价方法和抗震措施；建立深厚覆盖层筑坝的坝基安全控制理论，研发防渗系统智能施工方法与装备；完善水源工程开发的环境影响减缓措施和征地移民影响应对策略。
输水工程在穿越高山峡谷地区时，面临高海拔、高烈度、高应力、高外水、高地温等复杂地质环境问题，亟待研究深埋长输水隧洞工程地质灾害（如涌水突泥、软岩大变形、岩爆、高外水压力、高地温、活动断裂蠕滑、有毒有害气体等）孕灾机制与防控技术、多场耦合作用机制与模拟方法；研究长期服役条件下水网工程的变形及破坏机理，完善水网工程结构安全评估理论与结构设计方法，研发高架大跨度输水工程的新型结构体系及抗震减震技术等，填补相关技术领域的设计方法和规范空白。
2 水网工程智能建造关键技术与装备
研发复杂地质环境下水网工程安全高效建造的针对性装备与智能管控技术，提升重大装备对复杂环境下的施工适应性，推进水网工程智能建造领域的施工技术及装备创新。先期重点开展超大直径多功能、多模式TBM集群施工技术及装备研究，提出复杂地质条件下超大直径TBM集群针对性选型理论与功能配置方法，构建TBM智能掘进及不良地质体超前应对设备搭载技术，以克服超大直径TBM施工过程中面临的诸多不确定因素，支撑重大水网工程智能化建设。
3 水网工程智能运营维护与效能提升
研究国家水网工程长期服役条件下的性能演变机理，研发水网工程提质增效的新技术、新材料、新装备并开展工程应用；研发水网工程在不断水条件下的绿色养护技术与智能运营维护装备，突破深埋长隧洞智能巡检技术及装备，推动水网工程运营维护水平提升和效能长效发挥。
（三） 国家水网工程的智能调控
在国家水网工程的调度管理方面，亟需开展水网工程系统复杂调控过程的高效精准仿真、基于多目标协同的水网工程系统实时调度、国家水网工程智慧调度平台3个方面的研究，为国家水网工程的精准高效调度与调度管理智能化水平提升提供有力支撑。
1 水网工程系统复杂调控过程的高效精准仿真
考虑水动力 ‒ 水生态环境耦合机理，研究多层级水网工程系统的多要素精细化模拟方法，研究基于人工智能技术的复杂调控过程高效推演及溯源分析，揭示人工调控下的不同层级水网工程响应规律，为水网工程科学调度和决策提供智慧化仿真手段。
2 基于多目标协同的水网工程系统实时调度
研究国家水网工程体系整体效益最大化的调度规则，研发耦合预报的水网工程群协同优化调度技术，建立高度不确定条件下的水网工程精准控制理论和实时控制模型，提出兼顾多主体利益的安全、高效、经济的调度方案，助力水网工程的运行调度效率和效益提升。
3 国家水网工程智慧调度平台
融合物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链等先进信息技术手段，研究国家水网工程的新型感知体系建设方案；研究国家水网工程涉及的海量信息高效存储与传输方法、信息安全共享机制，研发通用化的国家水网工程数字孪生平台敏捷搭建技术，构建基于知识图谱的智能调度管理模型库，创建自主可控的国家水网工程智慧调度平台，实现调度管理水平的跨越式发展。
六 高质量建设国家水网工程的建议
（一） 加快推进南水北调后续工程建设，完善国家水网主骨架和大动脉
基于2050年甚至更长远时间尺度，结合水资源供需态势演变趋势、经济社会高质量发展要求等，谋划南水北调工程顶层布局，完善工程功能定位和规模，从全国层面统筹优化调配水资源，以保障国家粮食安全、能源安全、生态安全等。加快推进南水北调中线一期工程总干渠挖潜工程实施；启动南水北调中线后续水源工程方案研究，同步推进中线总干渠扩能工程的前期工作，充分发挥三峡水库、丹江口水库的国家战略水源作用，解决华北平原及西北内陆地区的长远水资源需求问题，为南水北调工程全面保障国家水安全创造条件。
（二） 加快完善区域水网工程布局，支撑国家重大区域发展战略建设
聚焦京津冀、长江三角洲（长三角）、粤港澳大湾区、成渝地区的国家级城市群建设，加快完善区域水网工程体系，为国家重大区域发展战略实施提供坚实的水安全保障。川渝毗邻地区是成渝地区双城经济圈北翼振兴的战略支点，建议推进川渝东北一体化水资源配置工程的论证实施，以保障区域耕地灌溉和供水安全，进一步支撑成渝地区双城经济圈和国家战略腹地建设。环太湖地区是长三角地区高质量发展的重要支撑和推动力量，建议加快推进长三角西水东调工程的相关前期工作，实现皖南浙北山区优质水资源的优水优用，提升区域内供水品质和应对突发性风险能力，支撑长三角一体化发展战略实施。
（三） 推进多网融合示范工程建设，提升综合效益
统筹考虑防洪、供水、灌溉、生态、航运等功能，推进多网融合示范工程建设，实现水网融合发展。加强平陆运河工程的重大技术研究，高质量推进工程建设。强化平陆运河建设与经济、资源、产业等多目标的协同发展，突破平陆运河江海联运系统组织管理模式，充分发挥其作为西部陆海新通道骨干工程的综合效益。加快推进荆汉运河生态航运工程的深化论证与实施，破解长江中游荆江河段碍航问题，充分发挥长江“黄金水道”在航运、水利、生态等方面的综合效益，助力长江经济带发展战略的实施。
（四） 推进重大水网工程全过程数字化建设，提升水网服务社会经济发展能力
按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，推进重大水网工程规划 ‒ 建造 ‒ 运行全过程的数字化建设。充分利用云计算、物联网、大数据、人工智能以及区块链等信息技术，以落地应用为目标，深化水利专业模型和智能模型研发，为重大水网工程规划、建造、管理提供前瞻性、科学性的决策支持。推进重大设备和设施的国产化替代，提升水网工程建造管理的自主可控水平。构建水网工程建设全过程数据资产的集约管理体系，深度挖掘数据的使用价值，为行业发展提供数据服务，为推动社会经济发展提供水利新质生产力。
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基金
中国工程院咨询项目“‘荆楚安澜’现代水网发展战略咨询”(2023-DFZD-44); 国家自然科学基金项目(52394235)
