2017 年，“十三五” 国家重点研发计划设立“黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术” 项目，以黄河勘测规划设计研究院有限公司王煜为首席科学家的研究团队， 面向黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略需求， 紧扣变化环境下流域水资源演变与科学调控的重大难题， 瞄准“变化环境下流域水资源供需演变驱动机制” “缺水流域水资源动态均衡配置理论” “复杂梯级水库群水沙电生态耦合机制与协同控制原理” 三大科学问题， 经过4年的科技攻关， 项目取得了多项理论创新和技术突破， 创新了统筹效率与公平的缺水流域水资源动态均衡调控理论方法， 创建了复杂梯级水库群水沙电生态多维协同调度原理与技术， 发展了缺水流域水资源动态均衡配置与协同调度理论和技术体系， 显著提升了缺水流域水资源安全保障的科技支撑能力。

中国工程院院士

2022 年4 月

“” 项目由黄河勘测规划设计研究院有限公司牵头，联合南京水利科学研究院、清华大学、中国水利水电科学研究院、黄河水利科学研究院等多家单位开展攻关，在黄河水资源动态均衡配置和水库群多维协同调度方面开展了深入研究，破解了长期制约变化环境下黄河流域水资源管理与工程调度的重大科学和实践难题，取得了多项创新成果。

▲ 项目成果体系示意图

针对变化环境下黄河流域水资源供需矛盾日趋尖锐的难题，聚焦三大科学问题，创建了四项关键技术，提出了五项定量成果，支撑了两项重大决策。

▍1 创建了变化环境下流域精细需水预测技术

变化环境下流域供水和需水规律发生明显变化，研究针对当前需水预测多基于统计学分析，缺乏基于物理机制的全口径度量方法的问题，揭示变化环境下流域水资源供需演变驱动机制，揭示了水文-环境-生态相互作用下黄河干支流和近海生态需水机理，创建了黄河动态高效输沙过程塑造技术，预测了黄河流域不同发展情势下需水变化趋势。

  • 揭示了不同因子对经济社会需水的正向驱动机制和反向胁迫作用，构建了黄河流域多因子驱动和多要素胁迫作用下的流域需水预测系统模型，预测了黄河流域不同发展情势下未来经济社会需水变化。

▲ 黄河流域不同情景精细化需水量预测（总需水量）

基于系统动力学理论建立了经济社会精细化需水预测模型，预测了黄河流域不同发展情势下未来经济社会需水变化，黄河流域多年平均河道外总需水量由现状年的483 亿m³，增加到2030 年的534. 62 亿m³。

  • 揭示了水文-环境-生态相互作用下黄河干支流和河口近海生态需水机理，提出了维持河流健康的多目标下的黄河干支流、河口近海的生态环境需水阈值与过程。


  • 建立了变化环境下黄河高效输沙模式，创建了自然变化与人工干预二元机制下黄河动态高效输沙过程塑造技术，提出了黄河下游基于高效输沙的不同来沙情景下的输沙需水量。

▍2 提出了变化环境下缺水流域水量分配适应性评价方法

围绕变化环境下缺水流域水量分配适应性评价技术难题，建立了经济社会耗水的Budyko 模型，揭示了经济社会用水行为基本规律，创建了流域水量分配方案适应性评价理论与准则，提出了变化环境下缺水流域水量分配方案适应性综合评价方法，评价了黄河“八七” 分水方案（1987年国务院颁布我国大江大河首个分水方案——《黄河可供水量分配方案》，下同 ）的适应性。

  • 建立了经济社会耗水的Budyko 模型，绘制了黄河流域经济社会耗水的Budyko 曲线，揭示了黄河流域经济社会用水行为基本规律。


  • 构建了流域水量分配方案适应性评价指标体系，提出了变化环境下复杂流域水量分配方案适应性综合评价方法，评价了黄河“八七” 分水方案的适应性。

▲ 全系统应变性变化

▍3 创建了变化环境下流域水资源动态均衡配置理论方法

围绕流域水资源优化配置的重大科学问题和实践难题，系统开展了理论创建—技术构建—应用实践的全链条创新，建立了缺水流域水资源动态均衡配置理论，创建了流域水资源均衡调控与动态配置技术与模型系统，构建了多场景下分水方案调整集，提出了黄河“八七” 分水方案分阶段调整策略。

  • 针对流域水资源配置的公平与效率调控难题，以流域水资源综合价值为驱动，以用水公平协调性为导向，建立了流域水资源社会福利函数，提出了统筹公平与效率的流域水资源均衡调控原理，实现了缺水流域水资源调控的公平和效率的科学统筹。


  • 建立了流域刚性-刚弹性-弹性需水分层分析方法、流域用水公平协调性表征方法、多泥沙河流水资源综合价值评估方法、流域水资源动态配置机制，创建了流域水资源均衡调控与动态配置技术体系，发展了缺水流域水资源优化配置新技术新方法。


  • 研发了黄河流域水资源动态均衡配置模型系统，建立了多种场景下分水优化调整方案集，提出了黄河“八七” 分水方案分阶段优化调整策略，完成的政策建议为流域机构采纳作为黄河流域水资源优化配置的重要理论与技术支撑。

▲ 减少流域缺水路线图

构建了黄河“八七” 分水方案分阶段优化调整策略和减少流域缺水路线图。采用不同优化配置方法，建立了8 类场景21 个调整方案集。研究提出: 南水北调西线生效前分水指标优化调整策略为上游增加2. 13% ~4. 53%，中游微增0. 25% ~0. 60%，下游和河北、天津减少2. 38% ~3. 81%，河段之间配置调整幅度宜控制在10 亿~22 亿m³，并还水于河增加河流生态用水。提出减少流域缺水的路线图，实现2030 年减少流域缺水10 亿~20 亿m³的目标。

▍4 创建了复杂梯级水库群水沙电生态多维协同调度原理与技术

围绕复杂梯级水库群调度高维、非线性等重大科学问题，系统开展了机制揭示—技术创建—方案优化—规则集成—风险控制的全链条创新，创建了梯级水库群水沙电生态耦合机制与协同控制原理，建立了梯级水库群多维协同调度技术和多因素扰动下的水量实时风险调度技术，提升了复杂梯级水库群联合调度技术水平。

  • 解析了水沙电生态多过程用水竞争与协作关系，揭示了多目标间的耦合机制，创建了梯级水库群多维协同控制原理，提出了梯级水库群系统优化的方向性引导参数和定量控制方法。


  • 构建了多时空尺度嵌套和多过程耦合的梯级水库群多维协同调度仿真模型，建立了复杂系统自适应优化控制求解技术，提出了黄河梯级水库群水沙电生态多维协同调度方案和应对变化环境的调度模式，提升了复杂梯级水库群联合调度技术水平。


  • 构建了黄河流域精细化中短期数值降水预报模式，识别了黄河水量实时调度的主要扰动因素及传递规律，构建了黄河梯级水库群实时风险调度模型，提出了水量实时风险调度方案，建立了多因素扰动下的水量实时调度技术。

▲ 基于来水+需水偏差累积量预警值的优化调度对比图

在取得一系列理论创新和技术创新的同时，项目的研究成果在黄河流域水资源管理实践中也开展了广泛的应用。项目依托黄河流域生态保护和高质量发展工程技术中心与水利部黄河水利委员会黄河水量总调度中心，建成黄河流域水资源动态优化配置与协同调度示范基地，项目相关成果已纳入黄河流域生态保护和高质量发展水安全保障规划等重大战略规划，为流域机构和沿黄各省(自治区) 水资源配置、调度和管理业务工作提供了技术支持，为深入推进黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略提供了重要科技支撑。

《》（王煜等著． 北京:科学出版社, 2022．7）一书是对项目核心技术成果的总结和凝练，体现了理论、方法、技术、应用系统集成的全链条创新。该书的出版将会进一步丰富流域水资源配置理论方法，开拓复杂梯级水库群联合调度新思路，显著提升缺水流域水资源配置与调度的科技水平。

2022 年6 月

本文摘编自《黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术》（王煜等著． 北京:科学出版社, 2022．7）一书“总序”“序”“第8 章 主要成果和创新点”，有删减，标题为编者所加。

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品味

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学