內河水運具有運量大、能耗小、運價低、碳排放低等獨特優勢，是國家綜合運輸體係和水資源綜合利用的重要組成部分。大力發展內河水運是國家戰略重大需求。近年來中國水運事業發展迅速，建成了由長江和西江黃金水道及京杭大運河構成的“兩橫一縱”高等級航道主動脈，內河航道裏程居世界之最，但仍存在高等級航道占比少、航道暢通性不足、互聯互通程度低等突出問題，內河水運的先天優勢尚未得到充分發揮。運河作為水運的重大基礎設施，在溝通水係暢通成網、縮短航程降低成本、改善環境配置資源等方麵發揮著重要作用，內河水運高質量發展迫切需要加快運河工程建設。在新時期提出的“四縱四橫兩網”國家高等級航道網建設目標中，作為“四縱”的京杭運河、江淮運河、浙贛粵運河和漢湘桂運河（圖1），將構築南北向跨流域水運大通道，承載著水運幹支成網、通江達海的重要使命。高質量建設運河工程對國家戰略腹地建設、區域經濟均衡發展、國內國際雙循環具有重要意義。

圖1　國家運河工程規劃分布示意圖

Fig. 1　Schematic diagram of the distribution of national canal project planning

中國跨水係現代化運河工程建設難度巨大，涉及運河建設規劃發展基礎理論、跨分水嶺節水通航技術、低碳綠色建造技術、智慧運維管理等多領域係統性問題，諸多關鍵技術仍處於探索階段，尚缺乏對重大科學技術問題的凝練和研究。在當前“碳達峰與碳中和”（簡稱“雙碳”）目標驅動下，如何高水平建設跨水係高等級綠色運河是學術界和工程界共同關心的重要命題。以平陸運河建設為契機，開展現代運河工程綠色建造與運維領域前瞻性研究，有利於推動運河工程領域的基礎科學研究，補齊現代化立體交通基礎設施建設技術短板。為此，國家自然科學基金委員會舉辦了第362期雙清論壇，邀請了水利水運、工程材料、綠色建造等多領域專家，針對現代運河工程綠色建造與運維這一核心議題展開研討。文章基於論壇研討成果，對現代運河工程的研究現狀和挑戰進行總結，提出現代運河工程綠色建造與運維領域亟須關注和解決的前沿研究方向和關鍵科學問題，以期為中國運河工程建設領域的科技戰略規劃、基礎科學研究和關鍵技術創新提供支撐。

與公路、鐵路相比，內河水運具有運輸成本最低、能耗比優異、碳排放強度低等優勢（表1），使其成為大宗貨物中短途運輸的重要選擇。此外，內河水運是綜合運輸體係的一個重要組成部分，是內陸腹地和沿海地區的紐帶，也是邊疆地區與鄰國邊境河流的連接線，在國家綜合立體交通網中占據重要地位。截至2023年底，中國內河航道通航裏程達到12.82萬km，內河港口生產用碼頭泊位16 433個，萬t級及以上泊位469個，全年完成貨運量47.91億t，貨物周轉量20 773億t·km，充分表明中國內河水運在規模和效率上均處於世界領先水平。然而，與水運發達國家相比，中國內河水運潛力和運輸優勢尚未充分發揮，中國kt級以上航道占比僅為12%，遠低於美國的61%和德國的68%（圖2），且存在以下問題。

表1　公路、鐵路、水運3種主要運輸方式的成本及汙染排放量比值

Table 1　Cost and pollution emission ratio of the three main modes of transportation: highway, railway, and water transportation

圖2　國內外kt級以上航道占比及內河貨運量在貨運總量中的占比

Fig. 2　Proportion of waterways above level of kt at home and abroad and proportion of inland waterway freight volume in the total freight volume

（1）航道等級與運輸需求不匹配。隨著貨運量的不斷增大，幹線通道如長江幹線、西江幹線、京杭運河等存在局部船閘擁堵、幹支航道銜接不暢等問題，對航道等級提升的要求十分迫切。但受各種製約因素的影響，等級提升難度極大。

（2）互聯互通程度低。長江和珠江是中國的兩大“黃金水道”，貨物運輸需借助公路、鐵路轉運以延伸服務腹地。然而，公路、鐵路、水路互聯互通程度低，物流數據存在“孤島”現象，信息交互不足，導致運輸成本和時間上的浪費。

（3）成本和效率問題。盡管水運成本較低，但由於運輸速度慢、可及性有限、航道質量差、水係不聯通、受自然條件（台風、洪水、幹旱、水流等）影響大等原因，許多企業仍選擇成本較高的陸路運輸，導致水運的潛在優勢未能充分發揮。

在加快建設交通強國的背景下，補齊內河水運短板、聚焦基礎設施“硬聯通”成為新時代推動內河水運高質量發展的重要方向。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出，高等級航道將由目前的1.6萬km增至2.5萬km，每年新增航道裏程800 km以上。規劃建設的“四縱四橫兩網”高等級航道網中，京杭大運河、江淮運河、浙贛粵運河、漢湘桂運河4條縱向水運主通道均為大型跨水係運河，中國運河工程建設將迎來前所未有的發展機遇。

運河工程通過連接不同水係或地理區域，打破原有水係的孤立性，促進內河水網的形成，為內河水運高質量發展提供重要支撐。運河工程作為內河水運的物理載體、水係聯通的關鍵紐帶，其建造方式的提檔升級直接影響內河水運的轉型升級。

目前，世界運河的總裏程超過8 000 km，運河的建設選線、設計方案、功能需求、建造工藝及材料使用隨著時代的變遷不斷發展。古代運河的開挖主要依靠天然河道進行簡單改造和利用，引導水源至定居點，以滿足飲用和灌溉需要。世界上最早的運河可追溯到公元前4000年，西亞美索不達米亞地區為了引入淡水而開挖。中國最著名的運河為京杭大運河，始建於公元前486年，目前仍發揮著通航、灌溉等作用。

第一次工業革命之後，社會生產力的提升和人類社會的多層次需求促進了近代運河的功能擴展和建造方式升級（表2）。例如，蘇伊士運河連接地中海與紅海（歐亞航線），前期建造以人工開挖為主，後期建造引入蒸汽挖掘船、蒸汽起重機等設備；巴拿馬運河溝通大西洋與太平洋（美洲航線），采用大規模炸藥爆破、蒸汽鏟車和鐵路運輸係統等建造方法，減輕了工人的體力勞動負擔，提升了運河的建設效率。

總體而言，傳統運河建造耗費大量勞動力，建造方式與建造材料較為落後，很少考慮對周邊生態環境的負麵影響，且由於後期運營成本高、修繕管理水平不足等原因，部分運河麵臨因功能缺失而遭廢棄的風險，難以滿足經濟社會的可持續發展需要。進入21世紀後，以平陸運河為代表的現代運河，其建設的功能性目標更為多元化，建設質量與可持續發展要求更高，建造和運維過程麵對的問題更為複雜，科技創新在運河工程建設中發揮的基礎性保障作用也更為凸顯。

表2　不同發展時期運河工程建設的變遷

Table 2　The changes in canal engineering construction during different development periods

隨著現代社會的高速發展與科學技術的突飛猛進，運河工程建設亟待彙集多個學科領域的科技成果，統籌規劃、設計、建造、維護的安全與低碳協同，確保其建設過程綠色低碳和長期可靠性，以實現打造安全耐久、綠色低碳和優質高效的新一代運河工程。

1）現代運河概念

現代運河是指以現代經濟社會發展為驅動，以現代科學技術為支撐，以現代工程材料為基礎，以現代工藝與裝備作為實施手段，並輔以數字化與智能化技術進行係統建造和運營管理的通航水道。

2）現代運河工程基本內涵

現代運河工程是集航運、防洪、供水、灌溉、生態、旅遊等多功能於一體的綜合性水運工程；工程建設以保障質量與安全為前提，兼顧資源環境與自然生態，力爭實現近零碳運河、無固廢運河、數智運河、綠色運河、生態運河、科技運河等新一代運河建設理念；也是構建國家水網、建設交通強國、發展新質生產力的基礎性工程，旨在服務現代化交通發展戰略和滿足現代經濟社會發展需要。

3）現代運河工程建設存在的難題

（1）水資源調配矛盾。中國水資源時空分布極不均衡，跨流域運河建設將加劇北方缺水地區與南方豐水區的水資源爭奪，現有流域管理機製難以滿足跨區域協作需求。

（2）生物多樣性破壞風險。運河連通不同流域引發物種入侵、區域生境萎縮、原有生態廊道割裂，跨水係生態連通技術尚處探索階段，需長期監測評估；陸海連接運河則麵臨鹽水上溯情況，造成生產、生活用水安全等生態環境問題。

（3）分水嶺高落差問題。跨流域運河需穿越分水嶺，麵臨數十米甚至200 m級的水位落差。超高水頭船閘設計（單級水頭60 m）、大提升重量升船機（提升高度200 m級）對輸水係統穩定性、結構耐久性要求極高。

（4）疏浚土處置與土地占用。運河工程線路長，土石方開挖量大，大規模陸地開挖麵臨耕地占用、疏浚土汙染防控、土石方資源化利用及堆存場邊坡穩定安全等難題。

（5）樞紐施工難度大。航運樞紐施工麵臨樞紐主體結構體量大，麵臨船閘施工空間小、輸水廊道結構形式多樣且複雜及大體積混凝土防裂要求高等難題。

（6）安全、高效、綠色、智慧與人文統籌協調難。運河工程建設存在水資源高效利用、水生態環境保護、洪旱災害防禦、大型省水船閘安全高效運行、綠色低碳建造與數智賦能等方麵的重大科技需求，全方位統籌協調難。

4）現代運河工程建設總體要求

現代運河工程建設應基於運河多元功能需求，按照綠色發展要求，著眼於運河工程立項、設計、施工、運維的全壽命期，綜合探究複雜地質、水文、環境、生態、氣候等多重因素的製約，通過基礎理論創新和關鍵技術突破，采用有利於節約資源、保護環境、減少排放、提高效率、保障品質的建造和運維方式，切實解決工程建設中遇到的難題，以滿足工程高標準、高質量和不同航運規模的要求，實現工程綠色建造與運維。

現代運河工程因河道長、涵蓋地域範圍廣，涉及閘控段、湖區段、天然河段、交彙段、海河聯通段等複雜地形和水域，工程建設麵臨嚴峻的科學技術難題。學者們圍繞現代運河工程相關的水沙輸移與河道演變規律、跨流域水資源分配、通航建築物耐久性、生態環境保護與恢複、資源集約化與建造智能化等基礎問題開展研究，取得以下主要研究進展。

麵對流域水環境汙染、水旱災害、水資源調配等水安全問題，夏軍等率先提出了長江流域模擬器的構想、理論與方法，並在水資源高效利用與調度、流域水循環過程模擬、長江極端幹旱預警預測、長江岸線麵源汙染攔截治理等方麵取得眾多成果，為流域管理與決策服務提供了科技支撐。針對水沙輸移與水動力調控關鍵問題，唐洪武等開展了植物水流、沙波床麵水沙運動、潛流交換、河網交彙流、墩柱防衝和閘下防淤等平原河流水沙動力學基礎問題研究，已初步形成一套較完整的平原河流水沙運動理論。方紅衛等以水沙運動力學和河流演變學為基礎，拓展了水沙輸移與水生植物、床麵有機質與生物膜、床麵變形與底棲動物、營養鹽與浮遊動植物等多個關鍵過程，構建了水沙-水質-水生態多相和複雜尺度的本構關係和基本方程。

通航建築物是樞紐實現防洪、發電、航運效益的三大主體工程之一，近20年來，全國共建成大型現代化通航建築物200餘座，三峽雙線連續五級船閘、大藤峽船閘、三峽升船機、景洪升船機和構皮灘升船機等均代表了不同型式通航建築物的世界最高水平，中國已成為世界具有重要影響力的水運大國。然而，在水資源短缺條件下通航，對注重節水和低能耗的通航建築物提出了迫切需求，用水量較小的省水船閘和低能耗大型升船機是未來解決運河船舶快速過壩的主要途徑。省水船閘作為航運樞紐的核心組成，其材料與結構設計直接影響船閘的效率和安全性。針對複雜環境下混凝土韌性提升與收縮裂縫控製，劉加平等將材料與結構和環境相結合，從分子、微觀和細觀3個層次調控漿體、基體和界麵區的結構，從纖維-基體界麵作用力、裂縫形成和非穩態擴展抑製等方麵研究纖維種類和特性對混凝土增韌防裂的作用規律，從本源上提高混凝土宏觀性能，解決了高強混凝土黏度大、韌性差，大體積混凝土易開裂等難題。

運河的開挖必然產生巨量土石方，土石方安全堆存與資源化利用、堆存場邊坡生態修複等已成為運河建設需重點考慮的問題。詹良通等以在建平陸運河為例，提出了土石方堆存場工程係統化建設思路，總結了土石方堆存場安全保障與再利用4項關鍵技術，包括：基於天、空、地多源信息的選址與場址適宜性評價技術，基於土石方分類利用的攔擋結構建造技術，堆存體填料時空變異性航測與原位測試技術，以及高填方堆存場旱地墾造技術。此外，推薦了2種適用於平陸運河的新技術，包括土石方快速檢測與分類技術和堆存場生態護坡技術。Zhang等提出了將湖泊疏浚沉積物回收利用為輕質骨料，以生產生態友好型多孔植被混凝土砌塊的指導框架，該方案已應用於洞庭湖沿岸的實際堤防工程，大大降低了護坡原材料的采購成本，降低了疏浚沉積物的運輸和處理成本，實現了基礎設施的可持續發展和清潔施工。連進祿等基於微生物礦化的生態修複方法，揭示了邊坡土壤理化特性與微生物群落的協同演變規律，闡明了關鍵微生物類群與環境因子的相互作用機製，實現了邊坡生態係統的良性演替，為邊坡生態修複工程提供了理論依據和實踐經驗。

近年來，水利工程智能建造與智慧運維領域相關研究及探索蓬勃發展，學者們在建築信息模型（Building Information Modeling, BIM）、數據融合、深度學習、三維重建等諸多子領域開展了大量探索，研究經曆了“建設項目信息化管理與集成”“結構運維”“信息化與智能化”等階段，目前正在探索物聯網、區塊鏈等多數據源融合與決策。張宗亮等提出HydroBIM技術，通過平台級數據聯動整合，貫穿了設計、施工、運維的水電工程生命周期，使工程數據環環相扣形成有機整體，打造水利水電行業的設計建造工業化、BIM產業化的係列解決方案。鍾登華等提出大壩智能建設基本概念，將大壩工程建設與新一代人工智能技術進行交叉融合，構建大壩建設通用人工智能，並對大壩設計、建造與運維等任務進行持續決策與優化。周創兵等基於庫壩係統安全管控問題，通過融合多源異構監測信息，係統地揭示了高邊坡變形的全過程特性及多變量之間的相互影響，實現了對高邊坡變形過程的動態、精確、多目標的反演分析。

與傳統運河工程建設相比，現代運河工程功能需求多樣，協調難度大，技術革新難，質量與安全保障要求高，同時麵臨更加複雜的環境、資源和生態約束。現代運河工程建設主要麵臨以下3方麵挑戰。

（1）水沙輸移與區域水安全調控難。現代運河工程跨越不同地形，由於水流速度、泥沙運動、水位差等不確定因素，易引起河道淤積、衝刷或水流不穩定的問題。同時，運河可能切割自然水係，阻斷魚類洄遊路徑，或導致外來物種入侵，致使水生態環境遭受破壞。此外，水資源是關係國家環境與發展的戰略性經濟資源，也是保障運河航運安全的關鍵要素，而運河的建設將導致周邊水係重構，麵臨區域水資源空間失衡、水資源供給能力下降等問題。如何實現水沙輸移精準預測、航運用水保障、水生態環境保護及水資源高效利用的多目標調控是現代運河工程建設的重大挑戰之一。

（2）工程建造周期短，全壽命期安全與低碳難兼顧。以全長134.2 km的平陸運河為例，其建設周期約為52個月，土石方開挖約為3.21億m³，混凝土澆築量約為1 199.01萬m³，最大人員投入量2.4萬人，最大設備投入量7 200台（套），存在建造周期短、工程量大、混凝土質量控製難和生態環境保護要求高等難題。運河航道與通航建築物麵臨建設環境複雜、上下遊水位變幅大、布置空間受限、水資源時空分布不均、鹽鹹侵蝕和水流衝刷等問題，對航道岸坡長期穩定性、省水船閘機電係統安全可靠性、航運樞紐材料-結構耐久性等提出較高要求。同時，運河建造過程中會產生大量固體廢棄物，包括：航道開挖產生的工程渣土，沿線建築、橋梁、道路、原有水工建築物等拆除產生的固廢，運河施工產生固廢，以及沿線地區相關的其他工業固廢，對生態環境存在威脅，但資源化利用潛力巨大。如何在較短的建造周期內，實現現代運河工程安全、低碳和高效協同建造是一個重要挑戰。

（3）智能建造與智慧運維管理水平低。現代運河工程的建造與運維麵臨施工條件複雜、工程量大、安全管理要求高、信息體量大和數據傳遞難等問題，在運河工程智能勘察與大規模工程場地重構、土石方開挖智慧化規劃、混凝土工程智能化施工方法及技術裝備無人化係統、智能監測裝備與災變精準預測預警係統等方麵研究仍存在不足，而數字化智能化技術將是提升運河工程建設整體水平的重要保障。如何構建現代運河工程信息-模型聯合驅動的數字孿生係統，實現全壽命期數據共享與信息管控，是現代運河工程高效數字化管理的一個關鍵挑戰。

當前中國正邁向一批重大現代運河工程建設時期，亟須構建現代運河工程綠色建造與運維理論體係和標準體係，支撐現代運河優質工程和綠色工程高質量建設。基於現代運河工程建設麵臨的挑戰，需圍繞以下前沿研究方向開展研究：① 水係重構下的水沙輸移機製、航運用水保障及其生態環境效應；② 航道、通航建築物及護岸結構全壽命期韌性提升；③ 低碳長壽命水泥基材料規模化應用與渣土固廢資源化；④ 麵向智慧運維的時空大數據感知與數字孿生方法。未來主要發展趨勢在於融合多學科知識，提升運河工程全壽命期安全保障與綜合性能，涉及以下方麵：水資源高效利用與多目標控製、區域水生態環境保護、高性能材料與結構一體化設計、航道及通航建築物結構損傷智能診斷、可持續性與綠色低碳設計、高精度智慧化感知與評價等。

1）跨流域運河區域水資源適配機製及多目標協同調控

圍繞航運、供水、灌溉等水資源高效利用與洪旱災害防禦的綜合需求，研究水係重構下流域水文要素演化特征，探索水係重構前後支彙流變化機製，揭示運河建成後新水係的災害萌生與演化機理。針對水係重構後來水不確定性，建立跨流域運河區域水資源利用競爭與適配調控機製，闡明變化環境下運河水資源多功能互饋關係及多目標協同調度機理，形成極端條件下運河洪旱災害風險辨識與防控新方法，為運河規模與梯級布置提供係統科學基礎。

2）運河水係連通的水沙輸移變異規律與水動力調控

針對運河水係地質地貌條件複雜、來水來沙條件時空差異顯著等特性，厘清水係連通下的運河水沙運動與河床衝淤演變規律，明晰水沙協同調控機製。以水沙運動力學和河流演變學為基礎，開展運河水-沙-床多尺度耦合機理及模擬分析研究，揭示跨流域運河水沙變異規律與河床演變響應特征，闡明跨流域運河幹支流/河海交彙區複雜水動力特性及泥沙輸移規律，提出兼顧不同流域及關鍵區域的水沙協同調控新模式，實現航運用水保障與運河河道穩定。

3）跨流域運河水網水生態係統演變及完整性機製

針對跨流域運河麵臨跨流域物種互侵、區域生境萎縮、生態承載力降低等生態環境問題，將運河水網的水文泥沙過程、水化學過程、生源要素循環過程和生物群落演替過程有機結合，探索工程擾動、閘壩阻隔和徑流調節對河流水沙動力學特性和棲息地條件的影響，以及徑流-水沙動力-生境-生態耦合規律，闡明中長期運行過程中運河水係理化過程、生態係統演變及其互饋特征，建立跨流域運河水網生態係統影響評估方法，厘清區域水生生物多樣性和生態係統完整性維持機製，提出區域生態環境優化調控和保護修複方法。

4）陸海連通運河河口生態環境效應與風險防控

針對陸海連通運河河口麵臨生物與鹽水入侵帶來的水質、生態和環境風險，重點研究運河鹹淡水交彙段鹽度及淡水生物種群分布、入海河口段河岸土壤鹽度富集和微生物群落變化、濱海帶生物種群變化，明晰運河入海河口段飲用水安全、土壤鹽堿化及外來生物入侵等水生態安全風險，解析高密度船舶運動-鹽水入侵多物理過程耦合機製，提煉入海河口段高效防鹹及生態安全保障技術。

1）省水船閘快速輸水能量時空演變及閥門空化振動機製

圍繞省水船閘安全高效輸水關鍵技術開展研究，厘清“省水池-閘室”正反向交替輸水的能量時空演變及消能機理，構建受限空間和大水位變幅下大型省水船閘水力設計與輸水係統創新布置方法；研發多閥門聯動運行高效輸水技術，解析梯級航運樞紐區間強非恒定流與船行波等複雜水動力作用及調控機理，破解雙向輸水閥門與超寬人字門的安全保障與技術難題，明晰多級聯動快速輸水與大型船舶停泊安全協同保障機製。

2）超大型升船機多係統耦合作用與穩定機製

重點開展超大提升重量升船機“水-機-廂-船”耦合作用機製與穩定控製技術、大型水力式升船機多豎井水力同步機製及大口徑工業閥門防蝕減振等方向的研究，揭示大長寬比船廂失穩機理，構建豎井群水位均衡控製方法，明晰工業閥門強紊流結構特征和空化振動演變機製，解析大尺度船廂出入水動力荷載變化規律，攻克大型水力式升船機多元耦合係統穩定控製技術難題。

3）航運樞紐材料-結構劣化及長壽命韌性提升機製

圍繞複雜侵蝕環境作用下航運樞紐材料-結構多尺度劣化機理與韌性主動提升機製關鍵科學問題，揭示服役環境多種侵蝕因素協同作用模式，以及環境與航運樞紐材料-結構間的交互作用機理，闡明航運樞紐材料-結構宏-微觀性能跨尺度映射關係，建立航運樞紐材料-結構抗侵蝕性能與組成-微結構之間的構效關係，形成長壽命韌性的主動提升機製與精準調控方法。

4）運河航道複雜水動力耦合機理與通航安全保障機製

針對區間航道強非恒定流與大尺度船行波疊加形成的波-流耦合運動、支流入彙口的航道流態紊亂特征、區間航道強非恒定流預測預警技術開展研究，揭示兩船閘間強非恒定流的傳播衰減特性及強非恒定流與運河大尺度船行波的耦合機理，闡明支流入彙擾動下複雜流態的形成機理，解析波-流耦合運動對大型船舶的作用機製、支流入彙口航道通航水流條件的保障機製，研發多線梯級船閘聯合調控影響下區間航道波流影響預測預警技術，為運河通航安全提供保障。

1）航運樞紐大體積混凝土開裂驅動力-抗力調控原理

航運樞紐結構複雜、混凝土收縮和水化溫升大，且麵臨高溫、高濕、鹽侵等嚴苛環境，混凝土開裂問題突出，影響服役耐久性能。圍繞航運樞紐大體積混凝土開裂驅動力與抗力的共生機製，以及抗防協同調控原理關鍵科學問題，揭示航運樞紐工程材料-結構-環境耦聯機製；闡明嚴苛施工環境下混凝土驅動力和抗力協同調控機製；建立荷載與收縮耦合作用下混凝土裂縫產生與擴展評估方法，提出抗防一體化的航運樞紐鋼筋混凝土裂縫控製新技術。

2）運河工程結構安全與綠色低碳協同機製

明晰複雜荷載與環境作用下運河航道、通航建築物、護岸護坡等運河工程組成單體的長期性能退化與時變可靠性規律；揭示運河工程安全可靠性與全壽命期碳排放的協同演化規律，建立運河工程結構安全與綠色低碳協同設計理論方法；研發基於固廢資源化的超低碳混凝土材料及其組合形成的超低碳混凝土結構形式，提升多災害作用下的超低碳混凝土結構的抗災性能；開辟材料-結構一體化的超低碳混凝土結構生命周期減碳優化路徑。

3）工程渣土大規模堆存場穩定性影響機製與生態修複原理

針對堆存場邊坡穩定安全控製、土地複墾及生態修複難題，研究堆存場坡頂毛細阻滯覆蓋及旱地墾造方法，厘清覆蓋層毛細阻滯作用機理，揭示覆蓋層儲水和防滲能力對堆體內水位和穩定性的影響機製，探究覆蓋層上旱地作物生長效果；研發堆存場邊坡坡麵生物誘導礦化固土與植被護坡技術，揭示坡麵礦化作用、灌木根係加筋與吸水作用對堆體穩定性的影響，提出堆存場邊坡長期穩定安全監控、生態修複及土地利用方式。

4）運河邊坡大氣-植被-土體耦合作用機理與能量、水分和碳氮轉化機製

針對運河開挖邊坡坡麵土體儲水能力不足且易被雨水衝刷的問題，研發坡麵生物誘導礦化-種植草本植物固土技術，探究不同礦化處理方法與條件下的土體儲水與防衝刷特性、微生物豐度與多樣性及植被生長效果；揭示土體礦化對固氮和固碳微生物，以及植被光合、呼吸與蒸騰作用的影響，獲得不同氣候條件下的植被-礦化土體能量、水分與碳氮轉化機製，提出運河開挖邊坡穩定與低碳生態長期維護方法。

1）運河工程多源異構數據融合分析及決策理論

研發運河工程水陸一體多源異構數據提取與轉換技術，支持實現運河生命周期數據的一體化集成；建立基於分布式架構及瓦片化渲染算法的三維可視化渲染平台，實現水陸一體全要素底座信息承載與可視化展示；研究專業分析模型和可視化模型算法，形成智慧決策的三維模型構建與模擬基礎；構建數字底座、分析模型、知識一體化的決策支撐體係，實現運河全過程多場景業務推演決策應用。

2）運河工程係統全壽命期信息共享及管控

基於分布式存儲技術、生命周期數據治理與定製化分析挖掘技術，建立運河數字孿生數據共享雲平台架構；基於深度學習的空間數據分析模型，形成多源監測數據快速檢索與聯機查詢的索引技術，突破水運數字資產化大數據雲平台共建共享技術；建立數字底座與業務流程管理的技術性耦聯方法，打通多維度的業務關聯關係，實現運河建造與運維業務的一體化管控。

3）運河工程智能化施工機器人與多裝備人機協同機製

基於智能化施工機器人、BIM技術、人工智能技術的多機施工係統，構建智能設備集成調度體係，實現多機協同施工。開展大體積混凝土智能入倉拌合、智能布料、智能振搗、智能溫控養護等設備裝備及監測一體化研究；研發低環境影響、高效率的疏浚設備和協同自動化防汙簾裝置；提出基於精準定位的高邊坡精益化開挖設施設備和監測技術；建立長線路多類型大數量施工設備的綜合監管機製和一體化人機協同管理平台。

4）運河工程航道-樞紐-邊坡安全運行智慧感知與風險識別

建立航道-樞紐-邊坡協同體係多源智慧感知係統，融合生命周期建養一體化無損檢測方法，實現運河工程基礎設施運行的智慧監測；提出物理-數據-經驗多驅動的協同體係風險識別與評估方法，實現安全運行、合理決策；構建一套融合物聯網傳感、衛星定位、無線通信、智能算法、先進檢測技術、理論分析模型的航道-樞紐-邊坡智慧感知與風險識別一體化平台。