博鱼体育中国水科院2016年十大科技成果

　　博鱼体育2016年，是“十三五”谋篇布局、强基固本之年，也是中国科技发展史上具有重要里程碑意义的一年。中国水科院在水利部党组的正确领导和各司局的大力支持下，全面落实党的十八大、十八届三中、四中、五中、六中全会精神和习系列重要讲话精神。全院围绕中心、攻坚克难、努力拼搏，取得了丰硕的成果，全年出版专著 46 部，获得专利 188 项（其中发明专利77项），编制国标行标20项，获得国家科技进步二等奖2项、省部级奖31项，实现了科研数量和质量双丰收。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　“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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　建立的山洪灾害防治技术体系及监测预警方法已在全国29个省305个地市2058个县近700万平方公里山丘区进行应用，成为我国防汛抗旱指挥系统的有利补充，累计发布转移预警短信4275多万条，启动预警广播23.7万次。2016年，协助防办与中国气象局联合内部发布山洪灾害气象预报135期、中央台播出35次，为减轻人民生命财产损失提供有力的科技支撑。成果还逐步推广应用到环保、交通、国土等部门，保障了社会经济和谐发展。

　　我国高氟水问题涉及27个省、市和自治区，长期饮用高氟水会导致氟斑牙、氟骨症等氟中毒疾病，除氟是农村供水亟需解决的重点问题。而我国现有吸附除氟技术存在吸附容量低、水质适应性差、再生频繁等问题，实际应用效果不佳，截至目前仍无公认理想的除氟技术，饮用水除氟是世界性难题，亟需研发新型高效除氟吸附材料及设备。本项成果研究解决了三项关键技术问题，为解决我国高氟水问题提供了解决方案。

　　研发的颗粒态Mg-Fe-Ce（GMFC）和Fe-Al-Ce（GFAC）复合金属氧化物吸附剂在pH=7.0时最大吸附容量（Qmax）分别为90mg/g和51mg/g，为活性氧化铝等国内外同类产品吸附量的3-12倍，远优于国内外同类产品及文献报道相关材料。

　　以研制的镁、铝系列三元复合吸附剂为核心，结合农村供水工程典型规模，研发了分别适宜规模化供水、博鱼体育家庭终端用的吸附除氟设备，解决了现有除氟工程实际运行效果差、操作繁杂等问题。家用吸附除氟设备具有工艺简单、运行管理简便等特点，吸附剂可实现1年之内不需再生，且人均花费不足使用桶装水的1/10，价格优势非常显著。研发的高产水率家庭终端用反渗透膜法除氟设备，无需加药和再生操作、适宜原水水质范围宽。

　　基于对不同区域高氟地下水的关键水化学特征分析，综合考虑各种除氟技术特点，首次系统提出适用集中供水的低盐高氟水吸附法、高盐高氟水膜法，适用家庭终端的吸附法和膜法4种农村饮用水除氟技术模式。

　　成果形成的2种新型除氟吸附颗粒材料、3套除氟设备、4种除氟技术模式，在北京、河北、山东、安徽4个省58处工程中应用，出水水质均符合《生活饮用水卫生标准》，减少了因氟致病的治疗费用，保障了项目区农村居民饮水安全，为解决我国不同地区农村高氟水问题提供了有力技术支撑。

　　我国地面灌溉面积占总灌溉面积的90%以上，普遍存在着土地平整条件差、施灌过程控制能力弱、灌溉管理粗放等问题，致使我国灌溉水利用效率处于整体较低的水平。有效改善我国农田土地平整状况和管理水平，提高灌溉水利用效率是保障我国粮食安全、水安全并从根本上缓解我国农业水资源短缺矛盾的重要技术保障措施，系统地开展农田土地精细平整和控制技术研究与应用无疑具有重要现实意义。本项成果研究解决了四项关键技术问题，已纳入《地面灌溉工程技术管理规程（SL558-2011）》。

　　针对高程分布同时具备随机性和确定性的物理特征，基于现代数学方法和计算机模拟工具，构造田面高程分布确定性的空间结构函数，与其随机分布函数进行非线性迭代耦合，建立了可客观描述田面微地形状况的数学方法。考虑到田面相对高程空间分布并非唯一的事实，确定了用于表征田面微地形空间分布变异性的最小数据组样本容量，在重点模拟分析田面微地形起伏幅度相同但起伏位置分布差异对地面灌溉性能影响程度的基础上，从物理机制角度得出当田面微地形空间分布状况被改善到3cm时，即可忽略其变异性对地面灌溉性能影响的重要结论，进而提出了激光控制土地精平下的田面平整精度阈值。有效解决了土地平整设计和灌溉系统设计中难以获取任意给定条件下的田面高程数据问题以及平整施工作业中平整到什么程度最为经济问题。

　　通过对模具、材料、电路设计、外壳设计等创新性改进，提高了激光控制土地精平设备系统的集成性和配套性以及在不同地区和生产条件下的适应性；开发出适宜旱田和水田的国产化土地精平成套设备，与进口设备相比，造价降低30%。实现了国产激光控制平地成套设备系列化生产，解决了因进口激光平地设备价格高，难以大面积推广应用的问题。

　　开发了以田面适宜平整精度下微地形空间分布为基准面的土地精平工程优化设计方法，有效解决了基于零基准面易导致挖填方量平衡计算误差较大的问题，提高土方运移量的计算精度；构建的农田土地精平工程优化设计辅助决策支持系统，为多维约束下开展土地精平施工作业路线优化设计提供了有效手段，可使平地作业效率提高18%、平地效能提高12%。

　　基于灌溉水流为浅水流的客观现实，创新了Saint-Venant方程组的数学属性改进方法和全隐式标量耗散型的有限体积法，实现了灌溉过程模拟精度和计算效率及数值稳定性间的和谐统一，可精准预测任意灌溉事件的灌溉水流运动过程，解决了不同条件下的田块在灌溉时采用多大流量、灌溉多长时间最为节水高效的问题。

　　成果已在新疆、宁夏、甘肃、河北、山东等10多个省市得到不同程度的推广使用，累积应用面积3000万亩以上，提高平地作业效率30%以上，减少平地成本20%左右，取得了增产17%、节水28%的显著经济效益。

　　变形问题是高土石坝建设和运行安全面临的主要问题之一，变形量值和发展趋势预测是高土石坝风险前期预防控制和后期预测评价的关键难点。在量值上算不准，现场和室内试验材料粒径和级配差异引起的尺度效应，导致难以通过试验数据准确预测现场变形量值；在趋势上估不稳，已建高土石坝存在明显的后期变形发展现象（即变形的时间效应），缺乏普适的预测手段。本项成果针对上述两大难题开展研究，取得了一定进展。

　　开展了多尺度、多材料的物理和数值试验，采用不可破碎理想颗粒材料的离散元数值试验和平面应变物理试验、控制颗粒强度合成材料的离散元数值试验和平面应变物理试验、真实堆石材料的侧限压缩物理试验和实际工程反演分析等手段，揭示了颗粒强度对变形模量尺度效应的影响机制，提出了适用于各种粗粒料、统一的模量-最大粒径相关关系，以及采用室内试验模型参数推算现场模型参数的方法。

　　采用大型三轴流变试验、大型侧限流变试验和实际工程反演等手段，发现了堆石坝长期变形发展规律，提出对数模式流变模型，并发展为适用于堆石料较为统一的对数幂形式流变模型，与小浪底等高土石坝工程实测沉降过程符合良好，为高土石坝变形预测提供了较为有效的手段。

　　随着水电机组朝着大尺寸、大容量方向发展，机组运行的稳定性和可靠性愈加重要，仅对模型机组固定测点进行压力脉动测量不能完全保证机组的稳定运行，需要研究转轮内外压力脉动的关系，以便在模型设计中对压力脉动和动应力进行更好的控制，为真机的稳定安全运行提供保证。本项成果针对我国水电工程的实际需求，以白鹤滩百万千瓦机组设计的模型水轮机为测试对象，开展了叶片表面压力脉动和动应力试验研究，取得了重大进展。

　　开展水轮机转轮叶片水压脉动与动应力测试水轮机转轮叶片水压脉动与动应力测试涉及旋转转轮，难度较大。在国内率先研制一套水轮机转轮内部压力脉动与动应力试验装置，实现了固定测点和叶片转动测点的同步采集，研究解决了传感器安装与固定，信号无线传输以及传感器信号线防护等技术难题，填补了国内在该领域的技术空白。

　　公司合作针对巴西一低水头混流式水轮机开展了转轮叶片压力脉动和动应力测试，博鱼体育他们通过滑环将转动的采集模块采集的信号转出，同时也通过滑环对采集模块供电，信号干扰大，不够稳定，同时对最高试验转速有要求。我们采用将实时信号存储于固定在转轴上的采集模块内，采用充电锂电池供电，减少信号干扰，增加了稳定性，去掉了对最高试验转速的限制，采集模块同时可以进行无线通信传输，大量减少了布线，实现了远距离对采集状况进行监控。

　　2）揭示水轮机模型转轮内部的压力脉动与动应力特性通过开发的固定与转动叶片压力脉动与动应力同步测量试验装置，研究了水轮机模型转轮内部的压力脉动与动应力特性，以及转轮内部压力脉动与转轮外部压力脉动之间的相关关系，获得了宝贵的试验数据。开展了全流道

　　成果研制了固定与转动叶片压力脉动同步测量的试验装置，实现了固定与转动叶片压力脉动与动应力的同步采集，通过模型试验获得的大量试验数据为白鹤滩百万千瓦水轮机的参数选择与优化设计提供了技术依据。

　　水闸是水利工程的重要组成部分，是灌溉、防洪等方面不可或缺的分项工程，水闸的设计也极其特殊，受到水力条件、地质条件以及施工条件的影响。而水闸与生态水利，博鱼体育生态城市建设结合也越来越密切。目前，国内外采用较多的低水头拦水坝如橡胶坝、钢坝闸、翻板门坝、液压升降坝等，普遍存在着使用寿命短、后期维护费用高、景观效果差、冬季运行难、防淤排漂能力低等不足。整体式合页坝的研发则是摒弃了传统坝型的缺点，保留其优点，并可实现安全行洪、冬季运行、排漂排砂、景观多元化等功能的新型低水头拦水坝。

　　独创性的提出整体式三铰点合页活动坝新型结构，并形成该结构优化设计理论与方法。奇：

　　优化合页坝的结构特性和控制性能研发，博鱼体育实现冰期无除冰蓄水技术，破解了现有拦河闸坝冬季无法运行的难题。特：

　　拓宽了活动坝对特殊工况的适用性，如山区、城市等洪水涨落快速的河道，多漂浮物、多淤积的河道。

　　控制功能多，造型种类多，针对不同应用环境和景观需求，集成及设计出系列化“整体式合页活动坝”产品。快：

　　创新性的结合合页坝的运行管理，对液压系统原理设计进行了优化改进，升降速度快，实现了无动力降坝功能，5分钟全线放坝，确保应急行洪安全。美：

　　挑水扰流装置经过精细化系列化的设计，实现塑坝型造水景，减振护缸防冰盖的技术效果。工程完建后实现坝美水美景美，业主和市民都给予高度肯定。省：

　　年持续研发，已获得实用新型专利21项，外观专利4项，软件著作权2项，工法1项，入选先进技术推广目录，产品技术评价获得整体国际先进，局部国际领先。低水头拦水坝系列产品之整体式合页活动坝关键技术成果与全部技术产品已实现产业化，构建起适宜不同工况条件、不同地质条件、不同区域和经济条件的系列化成套技术装备体系，在国内创建了北京、吉林敦化、山东济宁等5个科研生产基地，具备年产景观合页活动坝10000m2及配套控制装置的装备制造、工程设计施工及技术服务能力。成果陆续在江苏、山东、贵州、东北三省等15省区，及东南亚缅甸、博鱼体育泰国等国完成推广应用。来源：中国水利水电科学研究院