水文水资源与水利工程科学国家重点实验室

2017-12-22

  水文水资源与水利工程科学国家重点实验室成立于2004年4月,依托单位为河海大学、南京水利科学研究院。

  水文水资源与水利工程科学国家重点实验室定位是_针对国家重大需求,瞄准水文水资源与水利工程科学的国际前沿,充分发挥多学科交叉融合的优势、理论研究与重大工程紧密结合的特长,科学揭示水文循环过程、洪旱灾害形成与致灾机理、流域水资源管理与农业水资源高效利用、河湖水环境与水生态演变、河口海岸水沙动力及水工程与结构灾变机理等规律,突出基础研究、应用基础研究和关键技术创新,解决前沿领域科学问题和重大工程关键问题。在解决我国水问题及重大水利水电工程问题中发挥重要作用,成为相关领域培养高层次人才的基地。

  主要研究方向是:(1)水资源演变机理与高效利用;(2)流域水文过程及防灾减灾;(3)河流水沙动力学与水生态保护;(4)河口海岸综合治理与保护;(5)水工程安全与灾变控制_。

  近五年来平台解决了哪些国家或行业的重大问题,取得了哪些重大突破:

  一、科研成果

  1.标志性成果

  (1)“高混凝土面板堆石坝安全关键技术研究及工程应用”成果荣获2013年度国家科技进步奖二等奖,由李国英教高主要参与完成。该研究成果在马来西亚巴贡(高202m)、老挝南俄二级(高182m)、国内的九甸峡(深厚覆盖层上世界最高的面板坝)等工程成功应用,表明本项目成果己处于国际领先地位。经中国水力发电工程学会 2012年鉴定,项目参加单位承接的国际项目合同额超过 300亿元,专利产品总合同额达到 2.38亿元(其中国际达到 6390万元),本项成果仅在巴贡、九甸峡、吉林台一级、公伯峡等 14个工程产生的直接经济效益超过 14亿元。本项科技成果己应用于国内外145座工程。项目的实施及研究成果的应用取得了巨大的经济效益和社会效益。

  (2)“水文全要素实验与模拟预测理论及应用”成果获2013年度大禹水利科学技术奖一等奖。该成果由余钟波教授主持完成。该成果研究变化条件下水文全要素全过程耦合模拟预测,水文过程以及溶质运移与转化过程的机理,通过研究多源卫星遥感的水文立体观测及数据同化模型,改进了水文多卫星联合观测技术和方法,研究建立了大气水-植被耗水-土壤水-地表水-地下水-溶质运移全过程耦合模拟理论体系,提出量化不确定性的组合函数,建立了气候变化条件下水文概率预报模型。实现了“点(站点)—线(河道)—面(流域)”水文全要素观测的有机结合,创新了水文科学的多项实验理论和方法,为水文模型提供了准确详实的状态变量和参数,构建了多源卫星遥感的水文立体观测技术,改进了水文多卫星联合观测技术和方法,为水文模型提供了可靠的数据支撑,建立了大气水—植被耗水—土壤水—地表水—地下水—溶质运移全过程耦合模型理论,完善了水文过程模拟理论和方法,揭示了流域水文模型的不确定性规律,提出1套量化不确定性的组合函数,建立了气候变化条件下条件性和非条件性水文概率预测模型,发展了水文预测的理论和方法。

  (3)“曹妃甸滩涂开发利用关键技术与环境效应研究”成果获2013年度大禹水利科学技术奖一等奖,由陆永军教高主持完成。该成果开展了曹妃甸滩涂开发利用关键技术与环境效应系统研究,总结分析了曹妃甸海区动力地貌体系的形成演变过程、水沙输移机制和滩槽冲淤演变规律,研发了大型海岸工程数学模型和物理模型模拟技术,揭示了滩涂开发工程驱动下动力地貌与环境效应,确定了海堤防浪防潮标高和断面型式,改进了筑堤、吹填和地基处理等关键施工工艺,提出了基于港口、工业区和城市联动的曹妃甸滩涂开发利用新型生态文明模式,揭示了曹妃甸海区动力地貌体系的形成演变过程、沙岛成因和潮汐深槽动力形成机制,全面论证了曹妃甸沙岛及周边海区滩槽的稳定性,揭示了各类滩涂开发工程驱动下的动力地貌与环境效应,提出了维持潮流动力场基本不变的接岸大堤和港区布置方案,论证了接岸大堤和港区围涂等主体工程实施后甸头前沿深槽及周边海区能保持滩槽稳定,基于波流比和波流边界层非线性作用因子改进了Shields曲线,构建了基于不平衡输沙理论的多因子动力地貌演变数学模型,提出了可控制超长边界、模拟侧向水流的大型海岸工程物理模型模拟技术,发展了袋装砂筑堤的抗冰防冻施工技术,提出了大口径管道泥浆多级输送水力消耗模拟计算方法,首创了超高分子聚乙烯材料高耐磨钢塑复合排泥管道。

  (4)“复杂河网多目标水力调控关键技术与应用”成果荣获2014年度国家科技进步奖二等奖,由唐洪武教授主持完成。本成果研究水利工程领域。多目标水力调控是解决复杂河网地区防洪、水污染、水资源等新老水问题的重要途径。本项目构建了一套复杂河网工程调控与水动力耦合互馈精确模拟方法,建立了多目标水力调控决策方法和成套实用技术,解决了调控规模大、要素多、目标多、决策实时性强等难题。成果获发明专利4项,发表论文70余篇;被国家、行业标准和设计手册采纳。成功应用于淮河、太湖、珠江、上海世博园等流域30 多个复杂河网多目标调控中,实现了水动力时空分布再构造,满足了水问题综合治理需求,近3 年节省工程投资及运行管理费3 亿多元,防洪、水环境等综合效益数十亿元,社会效益明显。

  (5)“水库大坝安全保障关键技术研究与应用”成果荣获2015年度国家科技进步奖一等奖,由张建云院士主持,顾冲时教授等主要参与完成。项目创建了国内外试验坝高最高的实体土石坝溃坝试验场,研发了溃坝现场试验动态测量系统,揭示了土石坝溃决的新机理,建立了土石坝溃口发展预测方法;首次研发建设了大坝基础数据、病险与除险加固、溃坝等全系列、全要素的全国水库大坝综合数据库,系统挖掘了病险水库成因及演变机理,构建了溃坝特征统计模型,揭示了我国溃坝事件时空分布规律;建立了中国水库大坝风险标准体系,创建了病险水库除险加固全过程决策方法和评价模型,提出了水库降等与报废判别准则;完善了大坝隐患典型图谱及数据解析新方法,建立了水库大坝突发事件预警等级划分标准。研究成果已在全国水库大坝安全行业管理和数十座重要水库大坝工程中应用,社会、经济、生态环境效益巨大,进一步提高了全国大坝安全管理水平,增强了溃坝灾害防控能力,成果具有广泛的推广应用前景。

  (6)“复杂水工混凝土结构服役性态诊断技术与实践”成果荣获2016年度国家技术发明奖二等奖,由胡少伟教授主持完成。该项目历时15年,潜心研制了复杂水工混凝土成型期核心性能测试装置,提出了浇筑质量控制参数快速评定技术;突破了损伤断裂力学在复杂水工混凝土工程应用中的瓶颈,开发了复杂水工混凝土成型后结构受力性态精确模拟装置与系统,发明了成型后损伤断裂全过程精细化测试技术,解决了起裂点不易确定的难题;建立了复杂水工混凝土预应力组合结构复合受力分析理论,研发了结构服役期符合受力破坏评定技术,提出了结构病害修复工艺和方法,填补了预应力混凝土组合结构复合受力性态诊断的空白;发明了复杂水工混凝土结构全寿命周期服役性态监测系列装置和性态转异诊断方法,研发了结构服役过程安全评定集成平台。该成果对于提高复杂水工混凝土结构的施工质量、保障其服役安全、促进水工结构工程学科的发展具有十分重要的意义。通过重大水利水利工程、大跨度铁路公路桥梁等设计、施工运行中的成功应用,为提高工程施工质量、保障其服役安全起到了重要支撑作用;通过核心专利技术的产业化和国际、国家标准与规范的采纳,为提升我国在水工结构安全监控领域中的国际地位和市场竞争力起到了重要的推动作用。成果已被国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)、我国部分水利水电行业质量监督部门和设计、施工单位采纳,编入国际标准1部、国家标准2部、水利等行业标准3部。并已应用于南水北调、锦屏一级、溪洛渡等112个重大水利水电工程的混凝土结构服役性态诊断和提升,产生经济效益7.89亿元。培养出了包括全国模范教师、国家杰出青年基金获得者、百千万人才工程国家级人选、国家中青年科技创新领军人才及全国水利青年科技英才等在内的一大批科技人才。已获授权专利60项,其中发明专利27项;获软件著作权2项;出版中英文专著6部,发表学术论文285篇(其中SCI和EI收录179篇)。

  (7)“生态节水型灌区建设关键技术及应用”成果荣获2016年度国家科技进步奖一等奖,由徐俊增教授主要参与完成。该项目针对我国农业面源污染严重、减排控制困难、治理工程与灌区建设脱节及农村农业区生态环境退化的突出问题, 研发了灌区防渗型生态渠道和净污型生态沟道构建系列核心技术,突破了沟渠灌溉排水效率与生态环境效应相耦合的技术瓶颈,解决了沟渠“灌排高效、结构稳定、施工便捷、管理简单、投资节省”与“边坡生态化、面源截留净化、沿线绿色化”多功能复合的技术难点;研发了灌区范围内面源污染物源头控制和逐级截留净化的整装成套核心技术,在污染物净化的高效、节能、节地方面取得重要突破;建立了适合不同灌排系统格局的农田退水循环利用技术系统,发明了稻田排水带状湿地等洼陷结构湿地系统构建技术,突破了农田退水滞留时间不足和净污能力有限的技术难题。研发了灌区水量监控与调配、农田肥力与土壤温湿度自动监控、面源污染物产输监测预报等核心技术,开发了监控系统的软件著作权,形成了灌区水肥精准灌溉与水量水质同步监控系统,有效地提升了灌区水份、肥料、退水污染物的“智能、节约、生态、高效”精准化和自动化管理的水平,通过精准计量的用水总量控制和经济杠杆,实现高效节水和有效控污的目标。该技术成果入选科技部、水利部联合编制的《节水、治污、水生态修复先进技术目录》(2015年)复审,在我国灌区生态节水工程的规划、设计、建设和运行管理中广泛应用,显著提升了行业科技水平,取得了巨大的生态环境及社会经济效益。应用于江苏沂北等50多个大中型灌区的生态节水工程之中,解决了灌区面源污染物对河流水体污染问题,达到灌区的灌溉、排洪、节水、净污、景观和生态相统一的目标。该成果申请PCT国际专利3项、国家发明专利100余项,软件著作权4项。发表学术论文218篇,其中SCI论文156篇。

  (8)“气候变化下黄淮海流域水循环模拟预测关键技术及适应性对策”成果荣获2016年度大禹水利科学技术奖一等奖,由余钟波教授主持完成。该成果针对国内外气候变化对水影响研究领域的重大科学前沿问题,结合国家水资源安全保障和应对气候变化的重大需求,提出多源数据反演同化方法,完善了能量和水量双重平衡、大地形影响的水汽通量计算方法,发展了站点、小流域、大中流域多尺度的水文气象要素规律分析理论和实验体系;探明多源非均质土壤蒸发和降雨产流入渗机理,提出了基于集合粒子滤波的土壤水热四维变分同化新方法,揭示了地表水-土壤水-地下水多要素耦合机制;揭示冰水相变的未冻水、冰、温度的动态变化规律,建立了水热多相耦合的分布式水文模型系统,实现陆面模式和水文模型的双向动态耦合与时空尺度转换,完善了水文预测理论和方法;提出流域极端洪旱事件识别技术,发展了动力降尺度方法,建立了水文极值事件的不确定性评价体系,评估了未来气候变化对流域水文极端事件和水资源的潜在影响。主要研究成果包括黄淮海流域气象水文要素演变规律,气候变化下流域水循环机理与模拟技术,流域水文模型构建与预测预报,水文极端事件和水资源评估及应对。该成果围绕气象水文数据挖掘同化、水循环机理、模型预测预报技术和适应性对策开展长期研究,在科学问题和技术方法上有重大突破和创新,整体达到了国际先进水平。并已在黄河、淮河、海河等大江大河流域的水文预报、干旱评估、水资源利用、防洪防旱等科学研究与生产实践中得到了广泛应用和检验,取得了显著的社会经济效益。

  (9)“大数据驱动的洪旱灾害监测预警与风险管理决策关键技术”成果荣获2016年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)一等奖,由王慧敏教授主持完成。该项目自2008年1月开始,历经7年完成。先后得到科技部公益性行业科技专项、国家科技支撑计划、国家社会科学基金重点、国家自然科学基金等十余项项目资助。该项目的主要创新点包括研发出洪旱灾害多源星地大数据挖掘同化与监测预警关键技术,提出“情景-应对”的洪旱灾害动态风险管理方法,研发出云环境下洪旱灾害风险管理综合集成研讨决策关键技术。另外,其主要研究成果包括开展大数据中灾情识别与监测预警研究,建立大数据作用下灾害评估与风险管理理论方法,开发综合集成研讨决策云服务下业务化应用技术。结合我国防灾减灾的重大现实需求,开展洪旱灾害大数据分析处理与风险管理理论方法和系统性技术研究,突破孕灾-成灾-减灾复杂性过程的知识提取和风险管理科学决策的瓶颈,为我国洪旱灾害“检测预警-风险管理”范式奠定了基础,在理论方法、技术创新、应用推广三个层面取得了一系列成果。对比国内外相关研究情况,该成果处于国际领先水平。

  2.项目经费

  2013-2017年,实验室承担了大量国家重大研究计划项目和重大工程科研项目,到款总经费5.1586亿元,国家级占53.28%,纵向占61.5%,共承担研究项目495项,包括国家重点研发计划11项。

   

  3.发表论文、专利专著

  实验室2013-2017年间,共发表署名论文2902篇,其中SCI检索论文1100篇(IF≥3.0 172篇),EI 检索论文484篇,中文核心论文1318篇。

   

  历年发表论文总数

   

  历年 SCI/ EI 检索论文数

 

  历年专利及软件著作权

  4.成果获奖

  近五年来,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室获国家及省部级科技奖励一等奖及以上36项:国家科技进步奖一等奖3项、二等奖4项(其中6项为第一单位);国家技术发明奖二等奖1项(为第一单位)。

  国家级奖励获奖情况

  二、团队建设与人才培养

  实验室已经形成由突出人才-方向团队-创新团队组成的相互衔接、有机配套的人才汇聚和培养架构基地。实验室积极组织团队申报和承担国家基础研究重大重点项目,以此推动组建在前沿领域开展高水平研究的创新学术团队。

   

  三、基地建设

   

  (1)铁心桥实验基地:试验基地占地面积约400多亩,试验基地从1984年开始建设第一座淮河试验厅以来,截止目前,已建成并投入使用的试验厅、室等建筑物35座,总建筑面积有10万多平方米,各试验厅实验设备先进,水电系统等设备配套齐全,已成为我国水利、水运、水电事业基础理论研究、重大工程论证研究以及科技开发研究重要研究基地。主要进行河流水沙动力学与水生态保护、河口海岸综合治理与保护、水工程安全与灾变控制等方向的试验研究工作。

   

  (2)滁州实验基地:基地占地60亩,建有流域水文实验室、流域污染物迁移过程实验室、流域水环境水生态修复技术实验室以及后勤保障基础设施等,已完成南大洼实验流域重建、综合观测场蒸发场建设及第二套气象观测设备建设以及人工降雨供水系统过滤设备改造工作。在大型土柱、实验流域、天然子流域三种尺度上,开展流域水文循环过程机理、流域污染物迁移过程机理和流域水环境水生态修复技术以及溃坝与溃坝洪水演进等科学实验。

   

  (3)五道沟水文试验研究基地:该基地改造产汇流实验封闭流域、土壤蒸渗设施,恢复完善农田实验排水设施,增加地下水观测设施、人工模拟降雨径流实验设施;升级数据远程传输系统。可以进行全要素气象观测、地表与地下径流观测、水文地质参数测试等,开展人类活动影响下的平原产流汇流机理、水循环要素转化过程、水资源保护与评价、农田排灌与水资源高效利用技术等系统性专项研究,

   

  (4)昆山灌排试验研究基地:基地新增12个实验小区,改造科研生活区,增加实验用房,总体扩建面积约10亩;完善基地灌排及实时监测系统,新增大孔径闪烁仪等设备,构建多尺度水碳通量观测系统,可实现全过程数据入库,并且通过数据远传系统可以实现在水文水资源与水利工程科学国家重点实验室对观测现场的监控以及数据的实时传输。

   

  (5)新马桥农水综合试验基地:基地主要由大型原状土排水坑测场及其自动控制装置、大型灌溉坑测场、暗管排水试验区、灌溉新技术试验示范区、设施农业试验区、农业气象观测场等组成,配有土壤水分测定、土壤理化分析和植物生理生态观测等系列仪器设备;建有综合实验室和计算机网络与数据库管理系统。

  四、开放交流

  2013-2016年,实验室总投入556万元资助开放基金课题78项;共发表论文305篇,其中SCI论文54篇,EI论文41篇;外单位人员承担课题占100%,75%以上来自985、211高校和高水平研究机构;承担单位包括中科院、清华大学、武汉大学、台湾成功大学及美国、瑞典、澳大利亚、荷兰、新西兰等 53 家国内外研究机构。

  2017年,“全球变化与水循环”国际合作联合实验室获教育部批准,立项建设。成功引进加拿大工程院和皇家科学院双院院士、加拿大滑铁卢大学教授、中组部“千人计划”特聘教授Edward Sudicky,荷兰皇家工程院院士Marcel Stive教授,河海学者讲座教授Kumud Acharya等多名高层次人才。

  2017年10月,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室“一带一路”水安全与可持续发展科技基金发布。种子基金 1000 万人民币,资助以下项目:学生奖学金、青年科学家研究项目、重点研究项目。

  五、大型仪器设备

  截至2016年底,实验室仪器设备数量为1939台(套),原值共计11226万元,其中30万元以上仪器设备共计82台(套),原值共计7233万元。