江淮系统治水的实践与探索——安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院建院70周年成就回顾

虞邦义，袁先江，蒋尚明，孙小冉

（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室，安徽 合肥 233088）

伴随着 “一定要把淮河修好”的伟大历史号召，安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院应运而生，从1951年创建伊始的治淮委员会土工实验室，到新中国早期兴建的6个综合性水利科研院所之一的 “淮河水利科学研究所”，历经70载的不懈努力和艰苦创业，逐渐发展成为学科门类齐全的综合性水利科研院所，有力支撑了治淮事业的推进与安徽水利事业的发展。1998年成立水利水资源安徽省重点实验室，搭建了支撑安徽水利科技进步与水利行业发展的重要科研平台，紧密围绕安徽省和淮河流域经济、社会发展新形势下综合治水的创新需求，瞄准水利科技发展前沿，针对水资源开发利用与水环境保护、节水减排控污与农田水利综合治理、水土保持与水生态修复保护、防灾减灾及河湖治理与保护、水工结构与材料性能、岩土力学与渗流基础理论等方向，开展了基础性、应用性和前瞻性研究。解决了淮河流域及安徽省面临的一系列重大水科学问题，对安徽省水利事业发展和治淮工作的推进起到了关键支撑与引领作用，为经济社会发展和人民安居乐业提供了重要保障。

1 岩土力学与渗流计算理论研究

1．1 土体性能指标测定理论、方法与仪器研发 液性限度和塑性限度是黏性土的重要评价指标，常用搓条法测定，该法耗时长，易因土样运转或长期存放导致试验误差。针对黏性土的物理力学性质与圆锥入土深度有着密切的关系，聂守智［1-2］在分析圆锥沉入土体时的力学平衡条件的基础上，提出了采用圆锥仪同时测定黏性土的液性限度和塑性限度的联合测定法，揭示了土的抗剪强度与圆锥重量、入土深度及内摩擦角的定量关系，绘制了圆锥入土深度与抗剪强度、内摩擦角之间的关系曲线，为迅速、可靠的测定黏性土各项性能指标参数奠定理论基础，被列入《土工试验规程》沿用至今。

聂守智［1-2］假定试验时锥面涂油十分光滑，与土体接触面上无黏结力和摩阻力，锥体和土体极限平衡之间的土重和锥重相比甚小，可忽略不计。在锥重P作用下，圆锥入土深度为hs时，有：

式中：cu为不排水抗剪强度，kg/cm2；P为圆锥重，kg；hs为慢放圆锥入土深度，mm；α为圆锥顶角，°；ϕ为内摩擦角，°；θ为轴对称剖面线与水平线的夹角，°。

当ϕ＝0时

计算结果显示当α＝30°、θ＝55．5°时，式（2）的cu最大，把α＝30°和θ＝55．5°代入式（2），得

则无侧限抗压强度为：

为了便于应用，聂守智计算了式（1）中θ值，并绘制hs和cu、ϕ的关系图，见图1。得知hs和cu值后即可查出ϕ值。

图1 圆锥入土深度h s和土的c u、ϕ的关系［2］

振动三轴仪是研究土体在双向（轴向及水平方向）动荷载作用下动力特性的一种试验仪器。在国内尚无同类型仪器的时候，为了更好地模拟土体的受力状态，满足对尾矿坝砂土进行振动液化试验的需要，聂守智等［3］研制了惯性力式双向振动三轴仪。通过双向振动台及动力设备对压力室内土体施加轴向荷载，动态模拟土体的受力状态，测定土体在双向动荷载作用下的动态孔隙水压力、应力、应变等指标，填补了土工建筑物和地基在地震荷载下的振动液化测量仪器的空白，是我国最先采用、目前仍广泛应用的土动力特性测试仪器。

1．2 水工结构与力学性能 在大坝抗震性能研究中，大坝模态参数（自振频率、振型及阻尼）反映了大坝结构的动力特性，是人们关心的一类基本参数。大坝原型动力试验是确定大坝模态参数和研究大坝动力特性及抗震性能的重要手段，因为只有原型结构才能准确反映结构的工作特性、边界条件以及各种介质之间的相互作用。在原型动力试验中，振动激发方式可分为强迫振动、自由振动及脉动三类。由于强迫振动和自由振动激发方式存在对稳频精度要求高、须借助大型起振设备、适用范围有限等局限性，因此利用脉动分析结构的动力特性得到了较大发展。在结构原型试验中，采用脉冲激振技术，以不同形式的激励函数作为输入，以响应作为输出，并利用传递函数分析结构的模态参数，可以较方便地得到结构的多阶频率、振型及较为精确的模态阻尼系数。针对坝体原型动力试验及模态识别的技术难题，1986年路观平等［4-6］在借鉴航空航天技术的基础上，结合水工结构的特点，首次利用自制的可以产生40 k N的三角脉冲荷载的小火箭作为激发手段，开展了坝体结构原型动力试验研究。

现场原型动力试验的程序是：将反冲激振器设置在某一坝段并靠近坝的顶部，产生一个方向向着径向下游的三角形脉冲；在坝体上设立若干个测站，接收输出的位移响应信号；把现场记录的综合反映结构因素的动态特性信息输入信号分析器，求取传递函数，进而识别坝体模态参数。实验模态分析方法为：设激振力为f（t），系统上某点的位移响应为x（t），用频域表示并作Fourier变换：

式中：F（ω）、X（ω）分别为Fourier变换后的激振力和位移；ω、j分别为角频率和虚数单位。

单点输入时，位移频响函数H（ω）定义为：

设激振力FP（ω）在P点激振，l点测振，则l点位移频响函数：

式中：φli、φpi分别为第i阶模态的振型向量；Mi、Ci和Ki分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵。式（6）即为模态参数与频响函数的关系式。当试验测出足够数量的频响函数后便能计算出模态参数。

该项试验研究应用了信号处理及模态识别技术，为大体积水工结构提供了一种有效的模型识别方法，研究成果居国内领先地位，经济社会效益显著。在此基础上，分别采用爆破、起振机和随机脉动等试验手段，先后对安徽省的响洪甸、佛子岭等不同混凝土坝型的多座水库进行了动力特性的试验研究与原型观测，取得了丰富成果。

水工结构中的另一个难题是如何消除大型水工金属结构中超厚焊接金属构件的残余应力。水工金属结构的焊接是不均匀的加热和冷却过程，构件经过焊接后，内部会产生残余应力。残余应力的存在会极大影响构件的尺寸稳定性、刚度、强度、疲劳寿命和机械加工性能，甚至会导致裂纹和应力腐蚀，因此需对构件进行消除应力处理。振动时效是利用构件的共振给构件施加交变应力或变形，使构件发生微观或宏观黏弹塑性变化，从而降低和均化构件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。由于金属结构是由多条纵横焊缝焊接而成，为了使焊缝区取得更好的时效效果，激振力所产生的正弦波应沿着焊缝的方向进行处理，采用多激振点、多频率段、多激振力段进行时效处理，并根据工件固有频率和共振状态，调整振动时效工艺。针对支铰钢梁的具体结构形式，采用四点支撑方式，各支撑点在距两端长度2/9处进行支撑。此外，在水工起重设备中，钢丝绳作为起重、运输、提升及承载的重要构件被大量应用，由于使用环境一般较为复杂、恶劣，在使用过程中会产生断丝、磨损等各种缺陷。

对此类水工金属结构安全检测的技术规范和标准中，尚未规定如何对承力钢丝绳内部质量进行检测和评定。为解决大型水工焊接结构残余应力消除及水工金属结构内部质量探伤问题，姚亮等［7-8］开展了高压闸门振动故障诊断、弧形闸门支铰钢梁振动时效消应、水工设备内部质量探伤等方面的技术研究，成功解决了超厚钢板箱型焊接构件的振动时效技术难题，并提出了一套完整的基于弱电磁法的水工设备钢丝绳内部质量无损检测与评价新方法。该方法通过对钢丝绳进行弱磁加载，根据各种缺陷的形态及其对磁力线的影响，提取和分析已施加磁载的铁磁性材料上弱磁能势分布差异信息，便能完成对钢丝绳内外部各种缺陷的定位、定性和定量识别。

1．3 水工渗流计算理论与渗流控制 针对长江、淮河两岸以双层或多层地基为主，堤基汛期受承压水的顶托，易在堤后出现流土和管涌等险情的难题，吴世余等［9-10］提出 “多层地基和减压沟井的渗流计算理论”，通过本奈特假定分析多层渗流问题，分别采用保角交换法、折合距离法和等效完整窄沟法求解无限单层域中浅长沟、双层域中长沟和多层域中长沟的解，根据单层域中长列完整井解的一般法则——正、反对称流态解的叠加原理，求出单层域中浅井、半球面井和不完整井的理论解和多层域中单井、长列井、群井的解；论述了堤防、涵闸上下游多层地基中地下水的运动规律，计算地基在设置减压井前后的水头分布、流量和出逸坡降，为堤防、涵闸的稳定分析、渗漏量计算和防渗方案比较提供资料，拓展了非均匀介质的渗流计算理论。根据多年水文地质参数，绘出各个时期的流态，分析和估计堤坝渗透稳定的现状，提出了渗流控制处理方案，应用于蚌埠闸、同马大堤、无为大堤、凤凰颈枢纽等淮河与长江在安徽境内的水利工程，为堤坝设计和管理提供重要的技术支撑。

对于概化的半无限双层地基中的单口完整井情况，如图2所示，x轴为河岸，下部砂层在河岸出露，水位为0，上部覆盖层顶板的水位也为0，注水井为源点，注水量为Q，井水位为H。与源点对称位置设置一汇点，出水量也为Q，以叠加法可得任一点ρ（x，y）的水位h为

图2 河岸单口井示意图［10］

式中：K0为第二类零阶虚变元柱函数；A为层间值，K、K′、T和T′分别为砂层和覆盖层的渗透系数和层厚；x为任一点ρ的横坐标；y为任一点ρ的纵坐标；l1为源点和汇点到河岸的距离。

以h＝H，γ＝γ0代入式（7），得

1．4 基坑渗流稳定计算理论与地基质量评价 建筑物地基内如果存在承压水层，基坑降水常规计算方法是先求影响半径，将该半径对应的圆周作为补给边界，再进行井群干扰计算，或者将基坑当作一个等效半径的大口井代入单井公式计算。当建筑物在江河附近或者基坑长度远远大于宽度等出现直线补给边界情况下，该法的计算结果与实际情况严重不符。针对存在直线补给边界的基坑承压水分布难题，葛孝椿等［11-12］提出了直线补给边界基坑降水渗流分析方法，通过镜像反射迭代使其解能够满足边界条件，分析了不考虑地基内潜水与承压水之间越流补给和考虑越流补给的计算方法，以直线补给边界影响距离代替影响半径，提出直线补给边界影响距离的计算方法，并成功应用于蚌埠闸扩建等工程。

对于直线补给边界有抽水井的情况，上游直线补给边界水位为H上，下游直线补给（或被补给）边界水位为H下，L为上、下游直线补给边界间距。设有n孔井，其流量用Q1i表示。Q1i中下标1表示实井（非镜像井）流量，以便区别于镜像井流量，下标i表示井的序号，i＝1，2，3，…，n。图3为设置无穷多组镜像井的一部分。为了便于编写计算程序，在图3中取上游直线边界为y轴，x轴过y轴上任意点，方向向右（指向下游）。将相邻两下游直线边界（包括其镜像）所包围的区域用k值编号，k＝1，2，…，∞，k＝1为y轴两侧的区域；其余k为偶数时，在x正的区域，k为奇数时，在x负的区域；左右交替编号（见图3，该图略去了k≥7的区域）。对于x≤L的情况，每个k的区域又用上游直线边界（或其镜像）划分两个小区，以j＝0表示上游直线边界（或其镜像）右侧小区，j＝1表示其左侧小区。对于x＞L的情况则相反，详见图3。

图3 镜像反射示意图［11］

（xi，yi）为i号实井坐标。各个小区镜像井的x坐标可由k与j用下式表示：

式中：k为偶数时k′＝0；k为奇数时k′＝1。

依据k取1，2，3，…，NK来推导，以NK为偶数分析，设第I号井（实井）的井壁外侧水位为h0I，则

式中：K为承压水层渗透系数，cm/s；T为承压水层厚度，m。i′＝i＋［j＋2（k-1）］n，i＝1，2…，n。

反拱底板是将单拱或连拱倒置于地基之上，建筑物的荷载主要由墩墙传到拱脚，再通过拱与墩的共同作用传入地基；最初的设计方法把地基反力当作均匀分布，参照实际工程观测结果假定边上3孔的左右拱脚相对竖向变位值及边上2～3个墩基的转角值，首先按无铰圆拱计算内力，再对连拱用弯矩分配法分配使力矩平衡。该法的墩基与拱脚变位值计算结果变化大，甚至出现方向相反的情况。葛孝椿［13］分析了反拱内力与变位、墩基与地基变位、地基反力、结构与地基土层性质、各种荷载作用、温度变化等因素之间的内在联系，通过力的平衡和墩与拱、墩拱与地基变形协调，求解反拱内力及墩与拱的有关变位，提出一种反拱底板计算方法并编制了相应的计算程序。该法在多座船闸上得到应用，节省大量的材料，又避免了坞式底板的裂缝，获得巨大的经济效益。

2 水文统计理论与水文实验

2．1 水文统计理论、方法与应用 水文统计分析是水利规划、设计和工程建设的基础。新中国成立后，为了适应水利事业发展的需要，我国水文统计分析工作发展迅速，金光炎［14］针对我国实际情况，在国内最先对水文统计进行了卓有成效的研究，1964年著 《水文统计原理与方法》，在水利规划设计中首次推广使用水文频率计算的方法和图表，奠定了我国水文统计理论、方法与应用的基础。《水文统计原理与方法》《水文统计计算》 《水文水资源随机分析》 《工程数据统计分析》［15-17］等学术著作，系统归纳总结了水文频率线型选择、参数估计和误差分析等水文统计基础理论和方法，在全国水利院校、水文部门以及水利水电规划设计单位得到广泛采用。

2．2 流域水文循环实验与四水转化机理研究 建国初期，淮北平原地区内涝极为严重，农田除涝水文计算亟待开展，而淮北地区特定的降水与下垫面条件又无相似地区水文资料可以借鉴，为解决淮北坡水区除涝水文计算问题，治淮委员会于1953年设立了青沟径流实验站（为五道沟水文实验站前身）。五道沟水文实验站自1953年建站以来，系统刊发了60多年安徽省淮北平原水文观测实验资料年鉴，该资料系列之长，在国内同类实验站中居首位。以五道沟实验站为平台，在流域水文循环实验与四水转化机理等方面取得了一系列突出成果。赵家良等［18］以径流实验为基础，提出的平原农田排水模数、除涝水文计算方法、 “三沟两田”工程排水模式等一系列成果，在淮北平原农田灌溉排水工程设计、低产土改良和农业除涝防旱中得到广泛应用；张朝新等［19］以多年潜水蒸发观测实验资料，总结提出了潜水蒸发 “张朝新公式”，为我国当时通用的四大潜水蒸发计算公式之一；王振龙等［20-21］利用地中蒸渗仪研究的农作物需水规律和适宜地下水埋深等成果，对于指导农业灌溉和农田节水管理作出了重要贡献；王发信等［22］结合半湿润半干旱且地下水埋藏较浅的平原区产汇流特性，基于蓄满产流的基本原理研发了五道沟水文模型，被应用于农田除涝水文计算、产汇流分析、水资源评价等领域，推动了我国平原区水文模型研究的发展。

3 河湖演变与综合整治

3．1 河湖水沙输配与河床演变 掌握淮河的水沙输移特性，剖析河道演变机理，进而对河床形态的变化进行合理预测是治淮亟需解决的重大科技问题［23］。毛世民等［24］根据长系列水沙资料，分析了淮河流域来水来沙变化趋势（图4）、河湖演变、干流河道的水位流量关系及洪水的造床作用等基本规律，并认识到淮河河床相对比较稳定。随着研究的深入，虞邦义等［25-30］通过输沙平衡计算，得出干流河道的冲淤沿程分布规律为 “两头淤积，中间冲刷”，并揭示了来沙系数、洪水涨落及行蓄洪区使用等因素对河道冲淤的影响；通过断面法和数字高程模型，得出来沙趋减和强人类活动的影响下，干流冲刷加剧，洪泽湖淤积减弱，人工采砂引起局部下切使河湖的地貌格局发生剧烈变化（图5）。倪晋等［23，31-37］分析了自然要素和人类活动在不同时空尺度上对淮河演变的影响，实现了从现象描述到定量表达的过渡。综合集成来水来沙、冲淤分布、造床流量、河相关系、挟沙能力等成果，出版专著 《淮河中游河道特性及整治研究》，对淮河的河性进行了较为系统的总结，揭示了淮河的水沙输移特性，剖析了河湖演变机理，预估了淮河床面形态的变化趋势，为进一步科学治淮奠定理论基石。

图4 吴家渡站径流量、输沙量及含沙量逐年变化［32］

图5 淮河干流王家坝至老子山河床纵剖面［38］

3．2 河道、枢纽实体模型与数学模型及综合整治工程 实体模型和数学模型是解决水利工程规划、设计、建设和运行中关键问题的重要手段。早在1960年代，蒋玉玺等［39］利用梅山高速水流实验室，解决了枢纽布置和高坝泄洪消能的问题，探索了掺气减蚀的方法和措施，为我国高速水流学科的发展作出了贡献。陈先朴等［40］和虞邦义等［41］先后开展了淮河干流淮滨水文站至正阳关段、正阳关至涡河口段、蚌埠至方邱湖段等大型河工模型试验研究，以及蚌埠闸扩建、临淮岗洪水控制工程等大型控制枢纽模型试验。其中，淮河干流正阳关至涡河口段模型（平面比尺1∶300，垂直比尺1∶60）是迄今淮河最大的非恒定流河工模型，采用了先进的量测控制系统，实现了模型内、外边界的自动控制和水力参数的自动检测。利用上述水工、河工模型优化了大型水闸枢纽的整体布局，预测了河道疏浚、切滩、退堤等工程措施下洪水位及流场变化，提出了淮河干流治理的优化方案，为治淮19项骨干工程、进一步治淮38项工程提供了重要的决策依据。

在数学模型建立和应用方面，构建了淮河中游一、二维嵌套水流模型（图6）、重点河段的二维水流模型及枢纽建筑物三维水流模型，并应用于淮河干流整治及引江济淮等工程实践中，为治理方案的比选和优化提供了重要的技术支持［42］。同时，针对淮河流域自身的特点，先后开发出能反映砂浆黑土裂隙渗漏的坡面水文模型、多闸坝流域的水量-水质数学模型、弱冲积河流的泥沙数学模型等一系列数值计算程序，计算格式包括有限差分和有限体积法，还引入曲线坐标变换和同位网格技术进行边界拟合。这些自主开发的模型广泛应用于淮河干流王临段、蚌浮段、浮山以下段行洪区调整建设中，回答了疏浚是否回淤以及工程效果能否长效维持等热点问题，有力地支撑了治淮重大工程的实施［30-31］。

图6 淮河中游水动力数学模型概化图

4 节水减排控污与农田水利综合治理

4．1 节水灌溉与旱灾风险防控 安徽省淮北平原区地处南北气候过渡带，受季风及地形地貌影响显著，降水时空分布极不均衡，旱涝灾害频发。特别是影响面广、影响程度重的干旱灾害，严重威胁着区域粮食生产安全与社会稳定。针对作物高效节水机制含混、作物干旱致灾机理不明、旱灾风险传递模式不清等难题，以 “试验与模拟—响应规律与致灾机理—技术研发与工程应用”为主线，开展了作物高效用水与旱灾风险防控的机理揭示与技术研发研究。汤广民等［43］构建了安徽省及淮河流域主要农作物的 “作物-水”模型，优化确定了不同水文年型条件下的作物灌溉制度与灌溉定额，提出了对作物实施灌溉的 “增加供水区、限量供水区和禁止供水区”及其量化指标；探寻了农田土壤水分、耗水量和农作物产量三者之间的定量关系，提出了面向精准控制的作物高效节水灌溉技术与模式。王友贞等［44-45］提出了水稻覆膜旱作的土壤水分控制指标与节水灌溉技术，水稻旱灾覆膜具有显著的增温、保墒与增产效益，能多年平均提高降雨利用率10%以上、节约灌溉水54%以上。曹秀清等［46-47］提出了面向致灾过程的淮河流域旱灾风险定量评估技术体系，构建了干旱期作物高效用水与节水灌溉实用技术，绘制满足不同功能的旱灾风险图谱（见图7），在安徽省及淮河流域的大沟控制蓄水工程及旱涝保收高标准农田等工程规划与设计中得到广泛推广应用。

图7 淮北平原旱灾风险图谱

4．2 控制排水与涝渍综合治理 淮河地处南北气候、高低纬度和海陆相三种过渡带的交叉重叠地区，致洪暴雨天气系统众多且组合复杂，但由于淮河中游河道过流能力不足这一根本问题并没有很好解决，而众多支流均在中游汇入干流，导致干流洪水位持续偏高，中游 “关门淹”现象仍然突出，淮河中游涝渍灾害一直是制约区域经济社会发展和粮食生产安全的重要瓶颈。针对淮河中游洪涝关系不明、涝渍转换机制不清、洪涝治理标准不协调等难题，开展了淮河中游洪涝关系与控制排水的基础试验与技术研发研究。汤广民等［48］提出了 “涝渍综合控制指标”“涝渍指标阈值”和涝渍兼治连续控制的动态排水指标— “涝渍连续抑制天数指标”—新概念及其数学模型和求解方法，弥补了以往因将涝渍分割研究只能采用除涝或降渍单项指标指导农田排水工程规划建设，致使与生产实际严重脱节的缺陷；王友贞等［49］提出了流域洪涝关系及其转换理论与方法，揭示了淮河中游洪涝转换及其数量关系，创建了淮河中游各级排水体系排涝标准及其科学衔接技术，提出了淮河中游农田排水三项指标综合运用标准（见表1），集成提出了区域涝渍兼治农田排水技术体系，在淮河流域特别是淮北地区的水利规划、工程设计和易涝渍农田及洼地治理中得到广泛应用，其相关试验方法和参数被列入 《农田排水试验规范》《农田排水工程技术规范》等水利部行业标准之中。

表1 淮河中游农田排水三项指标综合运用标准［48］

4．3 节水减排与污染负荷防控 江淮丘陵区界于长江淮河之间，国土面积4．4万km2，耕地136．7万hm2，占安徽全省的31．8%，四季分明、农业生产条件优越，是我国九大商品粮生产基地之一。但该区水资源量仅占安徽全省的21．8%，亩均水量仅为全省的2/3，水资源禀赋不足、资源性缺水显著，导致干旱灾害频发，多年平均受旱面积35．1万hm2、占耕地面积的25．7%。此外，江淮丘陵区位于巢湖上游，该区稻田面源污染负荷是导致巢湖富营养化的主因之一。针对江淮丘陵区水土资源不匹配、农业灌溉水资源综合利用效率低、农业面源污染加剧等难题，开展了灌区水资源优化配置、稻田水肥高效利用与面源污染防控等的基础试验与技术研发研究。蒋尚明等［50］基于江淮丘陵区骨干水库与小型塘坝联合供水系统的水量供需仿真模拟，提出了小型塘坝和库塘联合灌区调控的农业水资源高效利用技术体系与应用模式，优化确定不同水文年适宜的水稻种植比例（见表2），在优化库塘联合灌区水资源调控模式下可多年平均节水37%，增产增收16%以上，干旱年可实现增收60%以上。明确了不同灌溉模式和施肥管理下稻田径流和渗漏水氮磷含量、形态变化，结合水稻区节水灌溉技术与灌溉模式，王友贞等［51］建立了江淮丘陵区水稻节水减排技术体系，提出了江淮丘陵区稻田节水控污灌排技术与工程模式，稳产增产、节水控污效果显著。

表2 大官塘水库灌区优化调控模式下不同水文年水稻种植比例与灌溉效益［49］

5 河湖监测预警与水利工程联合调度

5．1 水旱灾害监测与预警预报 安徽省水系复杂、多流域特点突出，导致其历年水旱灾害易发频发。开展水旱灾害监测与预警预报关键技术研究是十分必要的。从2009年开始，围绕安徽省中小流域洪水风险因子辨识量化、暴雨洪水预报精准度、预警调度平台实用性、群测群防体系建立等重要技术环节，开展了科技攻关，并取得重大突破，促进了行业技术进步，为应对多流域并发洪涝灾害提供技术支撑，有效减少了灾害造成的人员伤亡和财产损失。

突破水利大数据共享技术瓶颈，建立了多级通用的全时空-多阶段-递进式基层防汛监测预警平台，实现水情水势推演快速化、可视化，提高了水旱灾害预警预报会商效率［52］；针对山丘区中小学校研制了集预警信息发布、转移路线提示、山洪防治宣传等功能于一体的学校山洪预警专用装置，解决了山洪灾害危险区特殊群体预警信息发布 “最后一公里”问题［53］；建立了基于实时人员分布热力图的灾害危险区不确定人群靶向预警新方法，通过空间匹配、河网拓扑重建、特殊河网分析、智能修正等技术，划分了全省3．1万个网格单元，并将 “网格化”理论植入群测群防体系，构建了安徽省高效快速、深度精细、往复循环的山洪防御网格化责任体系，提高了预警发布覆盖面和人员转移的可控性。目前安徽省基层防汛监测预警平台已成为全省洪涝灾害监测预警的重要技术支撑平台（图8），覆盖全省16个地市，104个县区。

图8 安徽省基层防汛监测预警平台运行图

5．2 河湖遥感监测与地物精确提取 研究安徽省水利发展形势背景下，积极探索水利改革发展新出路，着眼于提升河湖管理和治理效果的现代化监管能力，开展水利工程信息化和智慧化建设研究，加强水利建设与管理的标准化研究，制定适应水利改革发展趋势的标准化管理标准。

围绕湖泊水域监测关键技术、湖泊水面变化及主客观影响因素，针对湖泊水域特点及监测难点，综合利用多源遥感数据，实现多源、多时相、长时序的湖泊水体要素智能提取，提高湖泊水体监测水平及监测数据质量［54］，为强力推进河湖管理的技术研究工作和水利信息化建设发展提供基础信息和应用方向。（1）利用MODIS卫星，结合光谱仪实测数据，针对安徽省42个水面面积10 km2以上的湖泊进行周期性变化监测；（2）常态化监测巢湖水华；（3）河湖“四乱”问题对比、分析；（4）河湖水量水位监测。

针对涉水目标地物提取的难点，形成复杂工况下多源遥感数据中涉水目标地物提取的解决方案，攻克复杂工况下无人机遥感影像密集匹配、涉水线状和面状地物自动提取、目标轮廓实体化等关键技术，解决堤防、水库、灌区等水利工程目标地物快速与精确提取难题［55］，在长江安徽段河道堤防、响洪甸水库等多个项目中得到成功应用，加快 “互联网＋水利”的建设步伐，增强水利管理现代化水平。

综合安徽省遥感数据、气象数据、水文数据、农业数据，供水数据等多项指标，针对长江、淮河、巢湖、新安江等重要流域湖泊，运用高分辨率卫星图像资料分析，对安徽省水情、旱情进行研判，通过实时、动态、宏观的监测数据为安徽省在防汛抗旱的决策中提供支撑和辅助。分别开展以下工作：（1）从2016年入梅以来，持续监测发生了仅次于1954年大洪水的长江流域，针对全省34条超警戒水位河流，超历史最高水位的3座大型水库、5座中型水库，利用不同分辨率光学、SAR卫星进行全方位监测。（2）2020年入梅以来，针对出现的大范围持续性强降水，尤其是安徽省内的长江流域，通过卫星、无人机、现场调研等方式开展全省汛情监测与灾情评估，并以SAR卫星为主，光学卫星为辅，对巢湖洪水演变进行全过程监测。

5．3 行蓄洪区调整与水利工程联合调度 通过闸坝调度对洪水资源的时空分布重新分配，是减轻洪涝灾害，改善水环境的重要手段。围绕淮河行蓄洪区和多闸坝的联合调度开展了大量的研究。利用河道-湖泊-蓄滞洪区耦合水动力数学模型，系统研究了变化条件下新老工程如何协调的问题，提出了保留行洪区联合调度的预案［56-57］；利用以溶解氧为核心的水质模型，提出了分区蓄水静置、分时有序下泄的调控方案，成功处置2013年涡河突发氨氮污染事件（图9）。近年来，将汛期防洪与非汛期防污相结合（图10）［58］，并有机融合网络技术、数据库技术、百度地图技术，构建集信息管理和专业模型于一体的技术支撑平台。该平台淮河、沭河部分已在生态环境部淮河流域生态环境监督管理局实现业务化运行，为水环境信息管理、生态流量的调度、水质预警预测、突发性污染事件的应急处置提供了数字化的技术支撑。

图9 2013年涡河污染事件处置

图10 汛期与非汛期各模块的衔接关系

5．4 水资源取用水监控系统与智能化监管平台 全面实行最严格的水资源管理制度，要依靠信息化手段对监管措施进行升级，实时掌握取水、用水和排水动态。国内目前有关于水资源监测平台方面研究，但仅实现取水量的监测、查询和单项业务管理，不具有水资源多业务协同管理等功能，不能满足水资源多目标有效监管需求。实现水资源取用水有效监管，需要重点解决以下技术难题：（1）对取水户、取水口、排水口、水功能区、水源地等实行多对象多业务协同监管和提供高效公众服务；（2）不同取水方式条件下，用水量精确计量与监测；（3）不同类型的计量设备和监测系统实现兼容共享；（4）对点多面广的取水监测站实施长效管护。

围绕水资源取用水监管存在的技术难题，开展多项关键技术研究及应用。建立了集取水口与取水户管理、取水许可审批、取水计划申报、用水总量分配、用水效率分析、超限预警、水资源考核等于一体的监管平台（图11），实现了省市县跨区域跨平台多业务协同管理；提出远程取水监测设备故障分级诊断方法，实现了对信息采集、传输、处理过程中故障的精确定位、智能诊断与处置，实现了对现场监测站设备运行状态实时监视分析，主动巡查设备故障、分析故障原因和远程处置［59］；采用异构平台融合及软件虚拟仪表方法，将协同监管平台与政务平台无缝连接，率先实现取水计划申报、取水许可审批、电子证照申办线上一站式自助服务；提出 “物理隔断、分时复用”方法，通过通信链路智能物理切换通断方式，研制了仪表通信串口多路复用装置，采用嵌入式及协议转换技术，内置百余种流量计协议和多目标监测功能，实现对各类计量设施数据精确采集，并可监测设备供电、通讯及运行状态［60］。

图11 水资源取用水协同监管平台研究及应用技术路线图

6 结论与展望

70年来，一代代水利科研工作者，把论文写在江淮大地上，为淮河治理和安徽水利建设作出了巨大贡献，新时期更应不忘初心再出发，牢记使命勇担当，攻坚克难、努力破解江淮治水难题，为建设现代化五大发展美好安徽作出新的更大贡献。

（1）淮河是新中国成立后全面系统治理的第一条大河，历经70载不懈努力，特别是治淮19项骨干工程建设完成后，淮河流域已基本形成了以水库、河道堤防、行蓄洪区、分洪河道及河道洪水控制工程等为主体的防洪减灾体系。但在全面实施乡村振兴战略的新时期，淮河防洪减灾工作面临新的压力与挑战。亟需统筹协调 “排—蓄—灌”之间的联系，揭示面上排涝与河道防洪之间的关系，探寻防洪标准和除涝标准的组合关系，分析工程布局中防洪措施和排涝措施的相互关系，提出各级排水系统排涝标准与防洪标准科学衔接的洪涝治理标准体系；探寻淮河干流河道适宜的疏浚规模及长效性，在新形势新条件下，系统深入研究淮河与洪泽湖的关系，回应各方关切，为进一步治淮提供理论依据与技术支撑。

（2）巢湖是中国五大淡水湖之一，也是长江中下游重要的生态湿地，还是引江济淮的调蓄场所和南北航运的重要通道。由于洪水出路不畅、外源污染负荷重、自身环境容量小等因素，流域防洪、除涝、水环境、水生态问题交织并存，相互影响，呈现出综合性、复杂性的特征。针对新时期巢湖治理存在的诸多技术难题，需要健全水质监测网络，全面掌握巢湖及入湖水系的水质水量变化情况；以系统论为指导，构建环湖 “水量-水质-泥沙”多维嵌套综合模拟平台，阐明湖泊水动力及泥沙运动的基本规律，全面评估现状环湖防洪工程的效果及整体协调性，研究通过水力控导促进湖区水交换的工程措施，探索氮磷等营养盐的时空变化及其对蓝藻水华的影响。通过技术创新，提高巢湖治理、开发与保护的技术水平。

（3）水阳江、青弋江、漳河及滁河流域都是洪涝灾害频繁区域，健全和完善三江流域及滁河流域的防洪减灾体系是安徽省长江流域治理的重要任务。针对2020年洪水防御过程中暴露出的短板和弱项，围绕三江流域及滁河流域的水文水动力耦合数学模型建立、防洪调度预案制定、洪涝一体化综合治理等关键技术问题开展攻关，为治理措施的合理布局和调度决策提供科学依据。

致谢：感谢曹彭强、张景奎、倪晋、刘猛、刘超、姜发、王春林等同事为本文撰写提供的支持和作出的贡献。