中国学科发展战略·水利科学与工程

水利是国民经济的命脉，与工业、农业、生态、环境、能源、防灾、民生、人文景观等社会经济部门紧密联系，与国家社会经济可持续发展休戚相关。水安全不仅涉及防洪安全、供水安全、粮食安全，还关系经济安全、生态安全、国家安全，水利科学与工程在自然、社会与工程学科领域中的重要性日益凸显。坚持以人为本，发挥水利科技引领作用，依靠科技进步，保障国家水安全是实现中华民族伟大复兴的重要环节。
水利科学与工程问题来源于人类社会生存和发展的需要，其目标是认识自然规律并通过多种工程技术措施，对自然界的水和水域进行人为的控制和调配，以防治水旱灾害、开发利用和保护水资源。当今，我国水安全问题新老交织，仍然面临较为严峻的形势，突出表现在水资源短缺严重、水污染问题突出、水灾害威胁加重、水生态退化严重等方面。同时，超强地震、超标洪水及特大地质灾害等因素，威胁高坝水电站长期安全运行，甚至诱发高坝失事、危害人民生命财产安全。从科学与技术层面来看，我们仍面临许多重大瓶颈科技问题需要突破。
为此，中国科学院和国家自然科学基金委员会部署了“水利科学与工程”学科发展战略研究项目，由张楚汉院士和王光谦院士负责组织实施，并于2014年9月在北京举行了“水利科技前沿与水安全”论坛，百余名专家、学者讨论了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、河湖近海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问题，围绕我国水利科技前沿与水安全的现状、国家需求和发展趋势，深入探讨了国家水安全面临的挑战和关键问题，提出了解决水安全问题的有效途径等相关建议。在近3年的研究历程中，项目组按学科方向分为十六个组，包括水文学、水资源、农田水利学、河流动力学、环境水利学、水旱灾害、水能利用、海岸工程学、工程水力学、水工建筑学、水工混凝土、岩石力学与工程、土力学、水力机械动力学、水利工程管理和水利移民工程等学科方向。最后编写形成的《中国学科发展战略 水利科学与工程》一书反映了近年来水利学科与交叉学科研究的最新进展，系统地梳理了水利科学与工程学科发展规律和特点，凝练出关键的前沿科技问题，提出了水利学科领域战略发展建议。面对我国水安全情势和挑战，本书内容的撰写着重围绕下列问题展开。

（1）全球气候变化与人类活动条件下的水文水资源与农业水资源高效利用。根据对近百年来气候变化的研究表明，全球气候变化和人类活动对水资源具有重要影响。20世纪90年代，我国雨带南移，降水呈南涝北旱趋势；进入21世纪后，雨带北抬，南方降雨减少，但暴雨干旱等极端气候事件频发。在全球气候变化与社会经济快速发展情况下，我国未来水文情势具有很大的不确定性，现状水资源供需矛盾在未来愈加突出。因此，该领域的主要研究内容是涉及未来我国水资源安全问题的前沿科技问题，包括变化环境下流域水循环演变、水资源系统科学与管理以及农业水资源高效利用，提出未来我国水资源安全面临的科技前沿问题，包括：变化条件下多尺度水文过程与水资源变化情势以及我国地面地下天空径流相互转换与调控机制研究；以水信息为基础的水文水资源预测评价模型与方法研究；跨流域调水的经济和社会影响、环境生态效应与关键技术研究；节水灌溉理论与技术、节水灌溉的水文及生态环境效应和粮食安全的水资源保障体系研究等。
（2）河流、海岸水沙与生态环境的演变与调控。内容涉及泥沙运动力学与河流、海岸水沙环境演变的相关内容，包括泥沙运动力学、河床演变学、环境水利学与海岸工程学等。21世纪以来，随着水土保持与工程调控措施取得显著成效，黄河下游断流与严重淤积现象得到缓解，然而我国河流湖泊近海泥沙与生态环境仍面临严峻形势，表现为水资源的过度开发，导致河流数目减少；河流泥沙淤积，导致河流功能衰减和河道萎缩、水环境恶化，河流、湖泊、水库、地下水水质污染问题突出；气候及人类活动综合作用引起黄河长江来水来沙量减少，导致近年河湖关系变化、河口海岸退蚀，生态系统受到一定影响。因此，该领域主要前沿科技问题包括：水沙运动与生态环境的多尺度交互作用机理；各种人类活动因素、对生态环境影响的相互耦联作用；河流系统的宏观平衡与生态环境修复的关键要素等。

（3）洪旱灾害成灾机制、风险评价与防御。内容涉及水旱灾害的成因机制、预测预报与风险决策的研究，其中包括江河洪水、城市洪涝、山洪泥石流、沿海风暴潮以及干旱等灾害。受极端气候条件和高强度人类活动的影响，我国水旱灾害尤其是大中城市区的城市洪涝、山地丘陵区的山洪与滑坡泥石流威胁日趋严重。目前，我国大江大河防洪减灾体系已基本形成，但防御特大洪涝灾害能力仍较薄弱。水旱灾害防御的前沿科技问题包括：水旱灾害机理特别是大中城市洪涝灾害机理研究；灾害时空分布规律与预报预警方法、动态风险管理系统以及洪旱灾害防御中的信息化与决策应急系统研究等。
（4）水能开发利用与风能、太阳能等其他可再生能源调节互补。涉及水力发电（包括抽水蓄能发电）、风力发电、太阳能发电，以及未来海洋能利用等在绿色、低碳、可再生能源发展中的作用与前沿科学问题。水电能源开发具有防洪、发电、供水、航运、改善环境等综合效益的同时，还对我国低碳能源战略的实施起重要作用，并对未来大规模风电、太阳能发电并网起调峰补偿作用。然而水能资源开发面临的主要问题是在综合高效利用流域水能资源的同时，如何减少对生态环境的负面影响及解决水库移民问题。因此，水电能源开发需要研究的前沿科技问题有：水电能源开发与我国资源配置和能源结构调整的协同规划问题；梯级水电站群防洪、发电、航运、供水和生态环境等综合优化调度研究；河流梯级化流域生态环境演化机制与调控问题以及移民问题等。
（5）梯级高坝水电站群长期安全高效运行。高坝梯级水电站的长期安全运行涉及坝下游人民生命财产安全，是水安全的重要组成部分。截至2010年，我国已建在建30m以上大坝5564座，其中高坝梯级水电站主要集中于西南地区，坝高、装机、库容、泄洪流量等均超过国内外已有水平，同时坝址又处于地震高烈度区，地质条件复杂，地下电站规模巨大。因此，高坝水库群的长期运行安全是水安全保障的基本战略要求。这方面内容包含在第九至十四章等中。其中的前沿科技问题包括：高坝水电站长期性能与流固热力学行为研究；高坝地震“震源坝址大坝”响应全过程模拟，以及强震作用下库群灾害链与抗震关键技术研究；岩石地基与坝体材料宏细观力学性能及其非平衡演化与破坏机理研究；高坝泄洪消能与高土石坝洪水溃坝过程研究等。

（6）水利工程智能管理与水利移民工程。随着新中国的成立特别是改革开放后的经济转型，水利工程在大发展的同时经历了建设管理模式的巨大转变，面临水资源综合利用、包括移民在内的各利益相关方和谐管理及人与自然生态的可持续化发展等的严峻挑战，由此引发的社会问题突出。所以，水利工程是涉及社会、经济、生态环境及各利益相关方的复杂系统。基于我国水利工程的成功实践和经验积累，实现水利工程复杂系统的科学化、可持续化、智能化管理是该领域研究的核心内容。主要前沿问题包括：水利水电工程各利益相关方合作共赢的理论、基于系统论的工程决策、建设过程管理的信息化与智能化研究；水利移民补偿理论和模式、移民社会系统及其重构过程，以及水利移民实施管理研究。
在本战略研究报告的研讨与撰写过程中，由专家组提出总体框架和编写大纲，相关领域专家学者参与书稿的撰写工作，并由主审专家组逐章对文稿进行审阅并提出修改建议（各章撰写者与主审专家名单附后），在此对他们的辛勤工作表示诚挚感谢。我们在本战略研究报告中力求全面反映水利学科及其各分支学科的最新研究进展，但由于篇幅的限制，仍有部分专家学者的科研成果未能收入，在此谨表歉意。此外，由于认识局限，书中难免存在缺陷和不足，敬请读者批评指正。

张楚汉 王光谦
2015年5月

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