浅谈为长江水利事业提供强大科技支撑论文
水利部长江委员会长江科学院(以下简称“长科院”)始建于1951年10月。伴随新中国发展、改革的前进步伐，在治水治江事业的伟大进程中，历经创业壮大、稳定发展、改革转型等历史阶段，从无到有、从小到大、从弱到强，走过了非凡的60个春秋。
自建院以来，长科院立足长江治理、开发与保护，面向国家水利水电和国民经济建设相关领域，广泛参与了葛洲坝、三峡、南水北调等大中型水利水电工程建设和长江防洪减灾、河道治理、流域生态环境保护以及流域管理的研究工作。几代长科院人艰苦创业，开拓进取，学科专业不断拓展，人才队伍不断壮大，研究解决水利水电工程重大技术问题的能力不断提升，治水治江科技支撑能力不断增强，为长江水利事业做出了重要贡献，已逐步发展成为综合实力雄厚、长江特色鲜明的国家社会公益类非营利性水利水电科研机构。
60年来，长科院在基础与研究等方面，取得了一大批具有国内领先、国际先进(或部分国际先进)的科技创新成果。完成8000余份科研报告，荣获400余项国家和省部级科技奖励，获50余项国家发明和实用新型专利，主编或参编行业技术标准和规程规范30余部，出版专著百余部。分获全国“五一”劳动奖状，和全国水利科技工作先进集体称号。
一、成就中国水利科技事业辉煌历史
长科院作为长江水利委员会的主体科研单位，是治江事业不可或缺的科技支撑力量，一直致力于长江治理、开发与保护，取得了丰硕的科技创新成果。
1.防洪减灾
长科院围绕以防洪为主的“治江三阶段”战略计划，始终把长江中下游的防洪减灾研究作为首要任务。20世纪50年代初完成了荆江分洪工程整体布置，北闸(分洪闸)、南闸(节制水闸)断面模型，以及虎渡河太平口拦河坝拆除等多个模型试验研究;为荆江分洪选定闸址，确定总体布置及各闸具体设计、施工提供了可靠的科学依据;为新中国快速建成长江第一座大型分蓄洪工程做出了重要贡献。荆江分洪闸建成不久，即在1954年长江特大洪水时3次开启分洪，为降低荆江水位、保卫大武汉发挥了关键作用。此后进行了汉江杜家台分洪闸有关的试验研究，解决了总体布置、闸前防护和闸下三级消能形式等问题。该闸于1956年建成，分洪运用20多次，经受了如1983年几次超标准的分洪运行考验。
1998年长江大洪水过后，长科院将所研究的防洪电子预警系统、细水泥灌浆加固、钻孔压浆法深部强透水层防渗加固处理和排水减压，以及土工合成材料(复合土工布、柔性材料)等新技术、新材料应用于长江抗洪抢险和干堤加固。2008年“5·12”汶川地震发生后，长科院作为后方技术支持单位举全院之力，紧急开展唐家山堰塞湖溃坝洪水演进分析、滑坡及堰塞湖形成机理与坝体稳定性分析，灾区土石坝震害机理分析和安全评估等研究工作，第一时间快速及时为前方制定唐家山堰塞湖应急疏通工程提供了技术支撑。
2005年12月，长江防洪模型正式投入使用，对三峡工程建成后长江中下游水沙特性、河床河势演变、江湖关系调整、洪水演进规律等问题的研究已取得积极进展。
2.河道治理
长期以来，长科院对蜿蜒性河道水流泥沙运动、河床演变和河型成因，进行了广泛深入的研究。承担了长江下荆江系统裁弯和界牌、南京、马鞍山、江阴、九江、镇扬、铜陵等重点河段的整治模型试验研究及工程治理设计等，在水深达60m的镇扬河段和畅洲左汊用土工布砂枕袋筑起了一道最大坝高近40m的水下潜坝，有效地遏制了和畅洲左汊分流急剧扩大的趋势;中游界牌河段防洪与航运综合整治工程的实施，较好地解决了该河段防洪和航运之间的矛盾;荆江河势控制与应急工程的实施有效阻止了守护段岸线的崩退，河势得到初步控制，为畅通长江航运、建设港口码头、两岸城市规划建设等事关国民经济发展的重大问题和保障长江两岸干堤安全做出了卓越贡献。
长科院采用泥沙数学模型和动床变态河工实体模型，系统分析了1966到1994年宜昌至城陵矶河段水沙条件及河床演变，深入研究了下荆江裁弯和葛洲坝工程对荆江河床冲刷及洪、枯水期水位变化的影响;对宜昌至大通河段的地质地貌、河床组成进行了新的调查观测;对宜昌至大通1100km河段进行长时段河道的冲淤计算;对三峡建坝后沙市和郝穴重点险工河段的河床冲淤过程进行了计算分析;利用动床变态实体模型，研究三峡建坝后杨家脑至新厂河段的冲淤变化，研究成果均达到国际先进水平。
初步研究了三峡、南水北调工程实施后对长江口来水来沙及河床冲淤、盐水入侵、水生物生存环境的叠加累积影响，并对长江口地区生态环境的演变趋势进行了分析研究，为长江口综合整治开发提供了科学依据。
3.生态环境保护
为贯彻以“维护健康长江，促进人水和谐”为基本宗旨的治江新理念，长科院专门成立健康长江课题组，针对健康长江评价的有关科学和基础问题，开展了“长江流域水资源评价指标体系研究”“湿地保留率指标研究”等一系列研究工作。考虑长江水循环特点和水资源开发利用现状，以河流生态与环境自然评价指标为重点，初步建立了健康长江评价指标体系。在水资源、水环境和水生态评价指标基础上，进行流域水资源系统可持续标准理论研究，初步提出河流健康及管理水平指标系统的量化和监测方法，制定统一的、不同尺度的、有长江特色的健康长江评价方法与标准。
长科院在水土流失监测与治理技术方面，自主研发了国内首台可移动水土流失实验室，变固定的野外径流小区坡面侵蚀观测为车载流动实验，可随时对不同土壤、不同坡度进行人工降雨模拟实验，缩短了水土流失监测数据获取周期，是长江流域乃至全国人为水土流失监测水平的一次飞跃。负责设计的长江上游水土保持重点防治区滑坡泥石流预警系统建设项目的实施，将极大地保障受滑坡泥石流威胁的人民生命财产安全。
4.流域规划与水行政综合管理
60年来，长科院承担了多个流域规划编制及其相关研究工作，全面参与了《长江流域综合规划修编》。早在20世纪60年代，就完成了《长江中下游干流河道整治规划要点报告》和《大通至镇扬河段河势控制规划报告》。为巩固下荆江裁弯工程效果，1983年完成了《下荆江河势控制规划》;为适应长江中下游干流河道的治理与岸线开发利用，1992年开始河道治理规划工作，1997年编制完成《长江中下游干流河道治理规划》，2002年完成了《长江中下游干流河道采砂规划》;为促进长江口地区社会经济可持续发展，2002年开展长江口综合整治开发规划，于2004年编制完成《长江口综合整治开发规划报告》;为了配合长江流域综合规划的开展，于2006年编制完成《长江流域蓄滞洪区水土保持生态保护规划》等水土保持专项规划及专题的研究，2008年完成了《赤水河流域水土保持规划》。
近年来，长科院为流域水行政管理开发建设的多个先进、实用、高效的'监控与管理系统，极大地提高了流域综合管理能力和公共服务水平。如“长江河道采砂管理远程可视化实时监控系统”综合运用海事雷达、GPS定位、无线视频等先进技术和手段，实现了对重点省际边界重点河段采砂的远程可视化实时监控，具有示范作用和推广价值。“长江大型取水动态计量监控系统”和“取水许可管理信息系统”以取水基础数据库为平台，以取水信息管理与应用为核心，通过对长江流域大型取水户的取水量和取水时段的实时监控，实现了长江流域取水信息的采集、传输、存储、实时发布、交互式查询和决策建议等多种支持功能，可为各级水资源管理人员提供支持服务。
5.水利水电工程关键技术
长科院在先后参与的丹江口、万安、葛洲坝、隔河岩、三峡、南水北调、天生桥、水布垭、构皮滩、彭水、小湾、龙滩、向家坝、乌东德、溪洛渡、白鹤滩等近200个大中型水利水电工程建设中，紧密配合工程的规划、勘测、设计、施工与运行，充分发挥多专业综合性整体科研优势，为解决复杂的工程技术问题、优化设计方案、提高工程效益，付出了大量心血，多项研究成果获国家特等奖，国家一、二等奖以及省部级特等奖。以下着重介绍3个具有特别意义的代表性工程实例。
葛洲坝
葛洲坝工程是在长江干流上兴建的第一座大型水利枢纽工程，1970年开工，遇到了许多复杂、尚无先例的技术难题。为解决令许多人担忧的泥沙淤积问题而开展的河流泥沙模型试验，论证了“静水通航，动水冲沙”方案的科学性。为了研究二江泄水闸岩基稳定问题，1978年自主设计了国内第一个地质力学模型。根据弯道水流泥沙运动规律和“正面引水、侧面排沙”的经验，通过调查和大量泥沙实体模型试验，验证了设计提出的“取消大江电厂右侧5孔泄水闸，增加4台发电机组”的方案，从而减少了工程投资，增加了50万kW的发电效益。为了研究通航问题，长科院研制了国内第一套无线电遥控船模，填补了水工模型试验技术上的空白。
三峡工程
三峡工程是治理开发长江的战略性骨干工程，长科院作为该工程主要科研单位，1982年以前围绕高坝中用及低坝建设等方案反复开展了研究和论证。此后，又为配合150m水位方案初步设计开展了重点河段的原型观测资料分析、实体模型试验和数学模型的计算分析等研究，分阶段提出了科研成果。1985年以后，全面参与了三峡重大专题、“七五”至“九五”国家科技攻关、国家自然科学基金重大项目的研究工作，取得了系统的科学参数和论据，为顺利完成论证和编制新的175m蓄水位方案可行性报告、单项技术设计等提供了可靠的科学依据，涉及水力学、河流泥沙、水工材料、水工结构、土工、岩基、爆破与振动、安全监测等专业领域。
特别是在三峡大江截流水力学研究中，提出了截流过程中不同流量、各种进占口门宽度的截流落差、最大流速、水深等重要参数，解决了因大流量、大水深、低流速所遇到的堤头坍塌等技术难题，促进了截流水力学理论的发展和施工、试验技术的提高，截流过程中，还做了1/100和1/50模型适时试验，保证了截流顺利实施。1999年获国家科技进步一等奖。在巨大施工通航流量(40000m3/s)和极复杂通航水流条件下，成功地解决了弯道上明渠施工通航的关键技术问题。通过物理模型试验与数值模型计算分析相结合、理论分析及水文跟踪观测、精确预报相统一，以及采用数字仿真技术与多因素风险分析等高新技术手段，解决了明渠截流的一系列关键技术问题，保证了明渠高质量提前截流，取得了巨大的经济效益。在三峡工程碾压混凝土三期围堰爆破拆除中，长科院创造性地提出了“建拆结合、预置药室、定向倾倒”爆破方案，2006年6月6日成功实施围堰爆破拆除，推动了我国水下爆破理论与技术的发展，被称为“天下第一爆”，成为我国工程爆破技术达到国际领先水平的重要标志，获2008年度国家科技进步二等奖。
南水北调工程
南水北调工程是当今世界上最大的远距离、跨流域、跨省市调水工程。自20世纪50年代起，长科院就开始进行了南水北调中线工程的科学研究工作。1994年以来配合工程的规划和可行性研究、丹江口大坝加高以及穿黄工程专项初步设计，开展了大量的科研工作。采用实测水文泥沙资料，对不同正常蓄水位方案进行了水库泥沙淤积计算。采用长渠道一维非恒定流水—冰水力学数学模型，模拟总干渠在不同气象和输水条件下沿程的水温、流冰过程，分析了总干渠可能出现的冰情，并提出了冰期输水调度模式。通过水工模型试验研究了总干渠渠道倒虹吸进口流态及水头损失等水力学问题，提出了穿黄工程隧洞和渡槽方案的线路及河道缩窄宽度的建议。分析了调水对汉江中下游河势、防洪、航运、水资源与水环境，以及对长江口水沙及生物生境的影响并提出了相应对策。对水源区开展了水资源供需风险分析，编制了一期工程京石段供水调度应急预案。进行了穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验，得到了内外衬结构的变形和应力节点刚度、接头端面相对位移、接头附近的破坏机理、管片接头的承载力等。采用考虑接触非线性的三维有限元法，分析了穿黄隧洞预应力衬砌结构的应力、内力、变形分布以及外层管片间接缝接触变形规律。通过抗震分析提出了渡槽的优化结构和相应的减震方案。依托河南南阳、新乡潞王坟膨胀岩(土)两个试验段工程，通过现场和室内试验及数值模拟研究，基本掌握了膨胀岩(土)渠坡的破坏机理和破坏模式，对比分析了各种处理方案的技术可靠性和工程造价，明确了不同处理措施的现场施工工艺，为中线工程膨胀岩(土)渠段的设计、施工提供了科学依据。
二、开创长江水利科技事业光明未来
展望未来，治江科技事业任重道远。随着三峡工程胜利建成，并充分发挥效益，治江已进入新的阶段，长江水利事业进入了新的发展时期。我们要紧紧围绕新时期治江发展战略目标要求，突出长江特色，创新和谐发展，加速建设一流水利科研强院，为新时期治江事业提供科技支持。
1.新形势、新任务
未来10到20年，是我国经济社会发展和科技发展的快速发展期和重要机遇期，但仍然面临着人口、资源、环境和社会协调发展的巨大压力。我国水利基础薄弱，干旱缺水、洪涝灾害、水污染和水土流失问题依然十分突出。受全球气候变化和人类活动影响，极端气候条件及洪旱灾害出现的频率增加。长江流域开发利用、保护和管理也面临一系列新的问题和挑战。随着流域经济社会持续发展对长江流域水资源开发利用需求的不断增加，对生态环境质量要求也日益提高。水利工程建设面临着移民增多，河流水文和地貌变化，生物多样性退化，地质灾害和水土流失增加，流域社会和生态环境问题日益突出，流域已建、在建的一系列重水利水电工程，在发挥各自效益的同时也对长江流域水系生态与环境等多方面有长期影响。长江巨大洪水来量与中下游河道泄洪能力不足的矛盾依然存在，山洪和洪涝灾害仍然威胁着人民群众的生命财产安全。由于蓄水工程缺乏和灌区配套建设落后，流域内干旱缺水问题依然严重;长期粗放型的经济增长方式，导致长江流域湖泊面积减少，天然湿地萎缩，主要湖泊及部分支流水质污染严重，水质性缺水日益突出。同时，我国正面临着包括水利建设在内的国家重大工程建设进入了新一轮的高潮期。金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、怒江等流域大多数大型水电工程正在紧锣密鼓开展前期工作，有的正在开工建设。工程建设的巨型化、系统化、建设环境条件的复杂化、建设节奏的快速化，对工程耐久性、节能和环保要求越来越高。
2006年，长江委提出了“健康长江”的治江新理念，要求在推进长江治理和开发利用中，应以“维护健康长江、促进人水和谐”为基本宗旨，按照“在保护中开发，在开发中保护”的基本原则，统筹保护与开发，协调生态与发展，加快防洪保安、水资源开发利用、水生态环境保护、水资源管理四大体系建设，切实保障饮水安全、防洪安全和生态安全。
2.突出长江特色
长江特色是长科院发展的立足点，也是当好治江科技支撑的内在要求。突出长江特色就是要以新时期长江治理开发与保护为己任，做维护健康长江，促进人水和谐的忠实实践者。站在治江事业和长科院持续发展的战略高度，全面把握治江工作面临的新形势、新情况、新问题、新任务和新要求，围绕新时期长江水利发展战略和治水治江新思路，准确把握和深入系统研究长江治理开发，水利水电工程建设中的关键技术问题。加强对健康长江指标体系、江湖关系演变与治理、防洪减灾、流域管理、生态水利、水工程安全、水土保持等方面的公益性、基础性科学研究，全面参与流域水资源、水生态、后三峡问题、长江口治理、水利血防技术、水资源管理、涉水政策法规、节水管理等方面的研究，使之保持和达到国内外领先地位和水平。紧密结合西部大中型水利工程建设，深入研究高坝泄洪消能、复杂地质条件下高边坡及超大洞室群建设安全，深厚覆盖层条件下的导截流及围堰渗流控制与结构安全，高土石坝筑坝新技术、高坝深层抗滑稳定等一系列关键技术问题。开发高质量、高性能、高耐久性、价格低廉的施工建筑材料。加强水工程安全检测、监测、监控与防护、安全评估与评价以及水工程病害修复技术研究等。经过长期不懈努力，使长科院治江科技水平和影响力显著提升，真正担负起治江科技支撑的重任。
3.创新和谐发展
创新是治江科技事业发展的灵魂，也是落实科学发展观，建设一流水利科研强院的本质要求。
一要转变观念，树立以创新为导向、创新为动力、创新为检验各项工作成效的新思维、新观念。以治水治江重大战略需求为导向，全面优化科研力量的布局和科技资源配置。在巩固加强现有优势专业的同时，抓紧机遇发展新专业，开拓新的研究领域，制定并逐步落实新的学科建设与专业发展规划。
二要创新体制与机制，按照建设创新型科研机构要求，以促进科技创新、增强自主创新能力为目标，消除体制机制性障碍。进一步探索以水利部重点实验室和工程技术研究中心支撑有力、运作高效的管理体制。实现从传统混和型科研事业单位向现代非营利科研机构的转变。
三加强创新人才与团队建设，制定并完善创新人才和团队建设办法，根据治江需求，大力吸引、凝聚和培养一大批高级治江人才和重点学科领域的带头人。
四加强创新能力建设，抓住国家鼓励创新，支持公益性科研机构的有利时机，以重点实验室和工程技术研究中心为重点，积极改善科研条件和基础设施。提高创新发展能力，高起点、高标准科学规划和建设好九万方、沌口、宜昌三大科研基地，使之成为环境优美、功能齐全、设施先进、对外开放的治江科技创新平台。建设好基于网络环境的院综合管理信息系统，提升科技管理水平。
五要推进创新文化建设，营造有利于创新的文化环境，以创新文化推动创新型院所建设。
六要取得一批具有自主产权的创新性成果，始终围绕治江新战略目标需求和水利水电工程建设关键技术问题，进行前瞻性研究，取得一批具有国际先进水平的创新性科技成果，进一步巩固长江科技发言权。
和谐是治江科研事业发展的根本保证。科研主体中的公益科研与工程科研要相互促进、创新发展，科研主体与科技产业间要密切衔接、和谐发展。探索以科研成果为纽带，两大块间良性互动，合作共赢的新格局。其次，要做好外部环境的和谐建设。积极争取国家科技计划和治江科研课题，成为国家和治江事业不可或缺的重要力量。密切与国内有关高校、科研院所，以及流域内地方科研机构的沟通联系，共同组建实验室、研究中心、博士点等。联合申报国家、部委重大项目，做到强强联合，成为国内水利科研的重要依靠力量。密切与委内科研机构、企事业单位的沟通联系，以作为主要依托单位建设长江水利科技创新中心为契机，整合与聚集委内科技资源，把中心建设成为长江水利科学研究和技术开发基地，成为治江科技跨越式发展的创新平台。通过实行“开放、融合、协作、共享”的运行机制，与委属单位共同构建起以中心为平台的战略联盟关系，成为治江科研龙头力量。
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