水利科学与工程前沿- 大数跨境

科学出版社

2017-06-10

导读：2012年4月，中国科学院部署了水利学科发展战略研究项目，并于2014年7月与国家自然科学基金委员会联合资助

2012年4月，中国科学院部署了水利学科发展战略研究项目，并于2014年7月与国家自然科学基金委员会联合资助此项研究，项目由清华大学张楚汉院士和王光谦院士负责实施。邀请了我国近百名水利科学与工程领域的学者、专家参加研讨，系统总结水利科学与工程学科的现代发展历程、研究现状和发展趋势，梳理未来前沿科学与关键技术问题。

2014年9月，项目组在北京举办了“水利科技前沿与水安全”论坛，围绕全球气候变化下的我国水文趋势和水资源安全、河流水沙过程与调控、洪旱灾害与防灾减灾、河湖生态环境问题的安全与对策、高坝水电站枢纽长期安全高效运行等专题进行研讨，对我国水利科技前沿与水安全的现状、国家需求和发展趋势，深入探讨了影响国家水安全面临的挑战和主要问题，提出了保障我国水安全战略的若干建议，并由中国科学院上报国务院关于“围绕水安全保障主题实施国家重大科技专项”的建议报告，孕育了“十三五”水安全国家重点研发计划的提出。2016年3月，百名专家历经三年时间撰写完成了水利学科战略研究报告——《中国学科发展战略·水利科学与工程》，并由科学出版社于2016年正式出版。

2016年5月，为总结学科战略研究成果，同时结合国家“十三五”规划，展望水利科学与工程领域的研究前景，在北京又举办了“水利科学与工程前沿科技”论坛。本次论坛的目标：一是总结，二是展望。进一步深入总结我们“水利科学与工程”学科发展战略项目研究成果，展望未来“十三五”国家在“水利科学与工程”方面的挑战，深入研讨水利科学前沿和水工程关键技术，前瞻发展趋势，探究前沿课题，确立发展战略，引领水利学科发展。收录在《水利科学与工程前沿》的论文便是这次论坛深入总结和展望的研究成果。

《水利科学与工程前沿》按《中国学科发展战略·水利科学与工程》16个子学科分类，每类由3～5篇系列专题论文组成。

（1）水文学。鉴于气候变化是影响陆地水文过程的主要因素，介绍陆气耦合机理、模拟方法及未来挑战；分析气候变化和人类活动对流域径流的影响，提出环境变化下流域水文响应的分析框架；讨论“非一致性”条件下的工程水文计算问题，提出年径流频率计算方法；基于卫星遥感的特点和优势，综述多元水文信息的处理和分析技术及其在水文学中的应用。

（2）水资源。阐述协调水资源高效利用的理论方法—水资源系统分析方法的发展历程和未来趋势；介绍提高水资源利用能力，协调防洪、供水与生态用水间矛盾的洪水资源安全利用模式；基于信息技术和物联网应用，提出水联网智慧水利的发展方向；面对变化环境对水资源的挑战，提出全球变化下水资源管理的适应性方法；探索以天河工程为试点的云水资源利用与管理的新设想，论述实现该目标的关键科技问题。

（3）农田水利学。基于生命需水信息的作物高效用水调控理论，总结控制作物生命需水过程的高效节水生理调控技术研究进展与发展趋势；介绍农业估产实践和农田生态水文研究中代表性作物模型的原理、发展历程与研究方向；基于南方水稻灌区典型区域的节水减排试验，提出水稻节水灌溉、水肥综合调控与灌区面源污染生态治理模式。

（4）河流动力学。介绍近年来长江、黄河水沙变化的特点；探讨面向生态的河流可持续管理理念的内涵，指出基于全要素监测和全物质通量深入认识河流生态系统的发展趋势；介绍基于非平衡态统计力学的动理学理论，揭示单颗粒微观运动与颗粒群体宏观运动特征之间的联系；介绍河床自动调整原理和滞后响应特性，建立分析河流非平衡演变过程的模拟方法。

（5）环境水利学。讨论剧烈人类活动给长江流域河流水动力条件和生态环境带来的影响和修复策略，包括长江生态环境的主要问题与修复重点、长江上游水电梯级开发的水域生态（尤其是特有鱼类）保护；梯级水电开发带来的长江与洞庭湖关系演变与调控措施；阐述下游河流与河口地区河网水质模拟和闸坝群联合优化调度方法；介绍肠道病原微生物在水体中的输移机理的研究进展。

（6）水旱灾害。围绕江河防洪多目标优化决策中“守与弃”“蓄与泄”两大核心问题，提出江河防洪的关键技术；阐述城镇化对洪水过程的影响机制，分析城市洪涝频发、多发的原因及其应对策略；分析沿海地区风暴潮增水的主要机理，阐述提高模拟精度中的关键问题；提出干旱事件三维识别模型和干旱历时-面积-烈度三变量频率分析方法及其应用实例。

（7）水能利用。主要涉及水能、风能、海洋能、抽水蓄能及其与风电的协同发展等关键技术问题。介绍风电工程中的环境流体、固体力学与控制问题；介绍波浪能的水动力学、数值模拟、可靠性、生存力、控制策略等若干关键技术问题；介绍抽水蓄能电站在复杂地形、地质条件下筑坝成库及防渗、地下工程结构、高压水工隧洞、机组等方面的关键技术问题；论述抽水蓄能电站对风电送出系统的调控作用，给出联合运行的案例分析。

（8）海岸工程学。综述水波破碎现象中的关键科学问题，包括破碎类型的影响因素、破碎条件与数值模拟方法等；阐述紊流波浪边界层及波流边界层的研究成果，分析影响边界层内净输沙率的细观机理；揭示珠江河口区潮汐、上游径流、河口地形地貌变化及海平面上升对珠江口咸潮入侵的影响规律；探索大规模滩涂开发利用对近海动力环境和生态环境的影响及其评价方法，提出总体规划布局原则。

（9）工程水力学。阐述明渠紊流多尺度相干结构的特征及相互作用；回顾高坝水力学近年来的研究进展，分析未来发展趋势和面临的主要挑战；研究长距离输水渠道的自动控制技术；总结数值方法在工程水力学的应用和发展，并分析方法的优缺点及其未来发展趋势。

（10）水工建筑学。概述高混凝土坝抗震安全研究的最新进展，包括地震动输入机制、横缝接触与混凝土损伤开裂非线性及拱坝地基地震稳定性；针对高土石坝抗震安全，介绍筑坝材料的动力本构模型、地震破坏机理、抗震试验与分析方法及抗震措施研究；围绕混凝土坝真实工作性态，介绍应用混凝土热学力学参数的仿真分析与统计分析相结合的反演分析方法；讨论生态水工学的学科基础、研究对象及内容，探讨生态水工学的前沿问题；针对长江黄金水道的未来发展，提出提高上、中游通航能力的设想。

（11）水工混凝土。综述宏细观层次的混凝土静动力损伤断裂试验研究、数值模拟方面的研究进展，探索其破坏机理、尺寸效应、多尺度分析等方面的研究前沿；研发复杂环境条件下混凝土静动力损伤试验与测试设备；提出利用现场浇筑大坝混凝土试件确定大坝混凝土真实断裂性能的方法；介绍在混凝土中引入改性吸水树脂作为抗冻剂的思路，以提升其抗冻与力学性能。

（12）岩石力学与工程。阐述基于岩石细观统计损伤理论发展起来的岩石破裂过程分析系统RFPA；介绍变形加固理论并阐明其中不平衡力的物理本质，以及基于高坝蓄水导致的山体变形建立的非饱和裂隙岩体有效应力原理；阐述天然地质体水岩耦合过程的多尺度特征；介绍以拟变分不等式表达的非连续分析方法DDA的对偶形式，摒弃传统的虚拟弹簧概念。

（13）土力学。介绍细观土力学的最新研究动态，基于土体细微观结构和力学机制描述复杂的宏观土体行为；采用数值分析、物理模型试验和现场调查研究典型滑坡成灾机理；探讨极端海洋环境载荷和复杂海床地质条件下的海洋工程结构-基础系统的稳定性分析理论和设计方法；对新兴环境岩土工程学科的发展历史、前沿科技研究作了介绍，作为应用实践，提出污染地下水原位修复的新技术。

（14）水力机械动力学。研究抽水蓄能机组瞬态特性、转轮动态响应、机组共振特性和轴系复杂非线性动力学问题；探索不同流量下机组的压力脉动、水力振动和应力特性；提出水电机组健康评估模型和性能退化趋势预测模型；阐述一种新型离心泵非设计工况运行调节的方式—前置导叶预旋调节及其调节效果。

（15）水利工程管理。介绍溪洛渡特高拱坝的建设管理创新实践：总结基于伙伴关系模式的水电企业流域开发多项目、多目标管理模型；论述水利建设项目后评价绩效的评价方法；分析和构建项目内、组织内和组织间的资源共享模式和机制，实现基于项目的多层次组织治理。

（16）水利移民工程。分析和构建各方利益分享的理论模式和计算方法；评价各影响因素的效用及增强可持续性的调整方法；探索以土地证券化作为水电移民安置新途径。

编写《水利科学与工程前沿》的初衷是期望在《中国学科发展战略·水利科学与工程》（科学出版社，2016）的基础上，进一步按各子学科分类以专题论文形式深入剖析“水利科学与工程”的前沿科技问题。《水利科学与工程前沿》收录的66篇论文，汇集各子学科重点前沿课题的述评、总结与创新研究成果。它是《中国学科发展战略·水利科学与工程》的深化和补充，期望这两本专著能交相辉映，组成姐妹篇以就教于水利同仁们！

建立一个人水和谐、资源节约、低碳发展、环境优美、生态多样、水文化得以弘扬、水制度严格保障的生态文明系统，是国家可持续发展的战略需求，也是“水利科学与工程”学科发展的长远目标，更是我们水利科技工作者长期为之奋斗的任务。