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胡亞安:加強現代運河基礎研究 推動內河水運綠色發展

2025-10-20     新聞來源:前瞻科技雜誌 作者:胡亞安

文刊載於《前瞻科技》2025年第3期“現代運河工程科學與技術專刊”,點擊文末“閱讀原文”獲取全文。

內河航運是綜合運輸體係和水資源綜合利用的重要組成部分,在促進流域經濟發展、優化產業布局、服務對外開放等方麵發揮著重要作用。隨著內河水運建設全麵加快,中國高等級航道網已基本實現了從“瓶頸製約”向“基本適應”的重大轉變。為進一步推動內河水運高質量發展,中國正在建設“四橫四縱兩網”國家高等級航道網,其中縱向水運通道連接不同水係,跨越多個分水嶺,需要通過長距離人工運河連接天然航道,並利用航運樞紐和通航建築物,實現河流渠化,提升航道等級。因此,人工運河成為未來中國內河水運重要的基礎設施,現代化跨水係運河工程建設將是今後中國高等級航道網互聯互通、提質擴能的重要內容。國家交通強國戰略的實施和綜合立體交通網建設為現代運河發展帶來了重大發展機遇,中國首條大型現代化人工運河——平陸運河即將建成,標誌著中國內河水運建設進入全新階段。未來,浙贛粵、漢湘桂等縱向水運通道也必將為國家經濟發展、國內國際雙循環戰略推進注入新動能。

現代運河不僅是交通通道,還是服務經濟社會的文化廊道和水運通道,將在經濟發展、文化交流和生態保護等方麵發揮關鍵作用,其在規模尺度和技術難度上均遠超以京杭運河為代表的古代運河。目前,中國現代運河建設處於起步階段,尚無成熟經驗總結和積累,正在規劃建設的現代運河工程規模與技術難度又遠超國外水平。國外的相關技術無法適應中國工程需求,跨水係運河工程發展戰略與資源配置、運河工程建設標準及設計理論方法、運河通航安全與聯合調控、水網與運河航道網融合、運河工程低環境影響開發等方麵仍麵臨諸多關鍵科學難題和技術挑戰。

1  中國運河工程技術發展與建設成就

自20世紀70年代以來,中國運河工程發展可分為3個階段:20世紀70—90年代的複蘇起步期,21世紀初至2020年的技術攻堅期,以及2020年至今的智慧創新期,在不同時期均取得了顯著成績。

在複蘇起步期,通過引灤工程等局部治理,嚐試恢複京杭大運河黃河以北河段的通航,但受限於當時技術條件,主要進行河道疏浚和小規模船閘修複等基礎工作。同期京杭大運河蘇北段率先啟動“二級三線”船閘群建設,首次應用人字門液壓啟閉技術,使船舶通過效率提升50%,奠定了現代內河船閘設計基礎。

在技術攻堅期,聚焦運河工程水資源調度與優化配置能力的提升。江淮運河貫通長江與淮河,通過三級泵站係統有效應對地勢挑戰,實現了長江水的逆向輸送,提高了區域整體水資源配置能力。其中,派河口泵站設計流量高達300 m³/s,通過9台軸流泵將水位抬升4.8 m,展現了卓越的調水能力。蜀山泵站作為亞洲最大的混流式泵站,其總提水流量達到驚人的340 m³/s。長江水被抬升12.7 m,實現“水往高處流”的壯舉。朱集泵站遠期總調水能力有望突破400 m³/s,與前兩級泵站形成“接力式”輸水網絡。此外,江淮運河采用遠程集控和智能算法優化船舶過閘流程,使單次過閘耗水量減少60%,同步實現水位精準調控。

在當前的智慧創新期,京杭大運河已連續4年實現全線水流貫通,統籌調度長江水、黃河水、再生水及雨洪水等水源,累計向京杭大運河黃河以北河段補水7.88億m³,回補地下水5.31億,河段補水影響範圍最遠達到4.31 km,徹底逆轉百年斷流史。2025年7月,京杭大運河首批120TEU純電動集裝箱船順利下水。該船型采用全電力推進係統,配備2個標準集裝箱式電源模塊,單次充電續航裏程達220 km,能源轉換效率超90%,年減碳1 920 t,相當於種植10.7萬棵樹。此外,正在建設中的平陸運河則代表著當前最先進的技術。例如,馬道樞紐將建成全球最大內河省水船閘,一次輸水時間可縮短至15 min左右,降低船閘運行的用水量達60%以上,閘閥門啟門速度為8 m/min、閉門速度為16 m/min,啟閉速度世界最快,60 min可通過6艘5 000 t級船舶,較傳統模式效率提升40%。青年樞紐建設480 m複合型魚道,破解欽江水閘阻隔魚類洄遊的百年難題。同時,構建“多廊+多點”生態網絡,恢複陸生動物遷徙通道。針對大體積混凝土溫控難題,青年樞紐創新采用“三級配混凝土+風冷片冰預冷+智能噴淋養護”工藝,將溫差控製在±2 ℃內,杜絕結構裂縫。平陸運河還構建了中國首個全生命周期數字孿生平台,集成北鬥高精度定位、無人機仿地飛行、三維地質建模技術,實現188 m高邊坡位移毫米級監測。

這些成就標誌著中國在運河工程大型船閘設計、水位精密控製、水資源調配、生態環境保護、清潔能源利用等領域達到國際先進水平。經過60餘載的砥礪奮進,中國運河工程以科技硬實力與生態軟智慧,書寫了從“通江達海”到“係統賦能”的現代化篇章。隨著中國經濟社會發展全麵綠色轉型,內河高等級航道網綠色低碳建設成為重要主戰場,未來需進一步攻關黃河穿航、跨流域調水、全流域智能調度、超高水頭省水船閘、氫能船舶、零碳水上服務區、自動化碼頭等難題,使運河不僅是“流動的文化遺產”,更是中國引領全球內河航運綠色革命的戰略載體。

2  現代運河工程建設發展趨勢

縱觀中國運河建造曆史,隨著生產力水平和社會需求的不斷提升,運河工程的建造材料、建造方式和功能需求呈現出了不同程度的躍遷。在新形勢下,運河工程建設將麵臨更高要求。現代運河工程建設需統籌安全與低碳協同,把生態優先、綠色發展、全壽命安全、韌性提升理念貫穿於工程建設全過程,在工程規劃、設計、建造和運維全過程中應注重發揮基礎理論突破和關鍵技術創新的牽引作用,實現現代運河高質量建設與綠色可持續發展。現代運河工程的發展趨勢及主要特征如下。

(1)向流域綜合調控體係轉變。現代運河工程建設理念逐步從“傳統水運工程”向“流域綜合調控體係”轉變,其功能逐漸由以航運為主的單一用途,向集航運、防洪、供水、灌溉、生態、旅遊為一體的多功能係統演進,對工程設計提出了極高的綜合要求。工程設計更加注重係統集成與精細調控,在確定技術參數時,既要考慮當前的發展需求,又要為未來幾十年的區域發展預留空間,運河規模與梯級布置要滿足航運能力拓展、航運用水保障、水資源調配、防洪抗旱、生態修複保護等多目標需要。

(2)向安全與綠色協同推進。安全、可靠、綠色、生態等指標是現代運河工程實現多功能需求的重要保障。在安全和可靠性方麵,流域水安全風險防控能力和防災減災能力要大幅提升;水沙運動與河床衝淤演變預測報警要高度精準;航道、通航建築物及護岸結構服役性能的穩定性要充分保障。在綠色和生態方麵,要係統謀劃運河流域水資源優化配置網絡,充分發揮運河水資源綜合效益,以實現運河流域內的河湖水域空間保護、生態流量水量保障、水質維護改善、生物多樣性保護等多重目標,打造綠色生態廊道。

(3)向長壽命與韌性提升邁進。航道與通航建築物作為現代運河工程的核心組成部分,其設計理論及方法逐步向安全高效多目標協同發展,工程建設更加注重結構耐久性和係統韌性提升。要不斷完善航道與通航建築物冗餘設計和韌性設計評估方法,不斷提升結構抵禦自然災害與突發事件的能力,破解製約現代運河工程建設安全耐久的關鍵問題,打造平安百年品質工程。

(4)向“無固廢”與“近零碳”發展。現代運河工程大規模渣土排放和有限生態環境容量對“無固廢”和“近零碳”建設有著迫切的需求,實現多維係統固廢處置與綜合利用是關鍵。要加強對運河沿線老舊設施的更新利用,提升邊坡生態修複與固碳能力,推廣工程渣土、廢棄混凝土再生和高效綜合利用,推進工程結構綠色化、減量化、低碳化,提高資源再利用和循環利用水平,形成可複製、可推廣的“無固廢”與“近零碳”運河發展範式。

(5)向數字化與智能化轉型。通過數字化與智能化賦能現代運河工程建造與運維,已成為實現基礎設施現代化升級的一項關鍵任務。圍繞數字化設計、智能化施工、自動化裝備技術、智能感知網絡、智慧決策與優化調度等手段,逐步實現運河工程建設和運維向少人化、智能化和智慧化轉型。智能建造與智慧運維的有機結合不僅是工程技術的革新,也是現代運河工程培育新質生產力和可持續發展的重要方向。

3  中國運河工程建設機遇與挑戰

麵對構建國家水網、建設交通強國、發展新質生產力、促進國內國際雙循環的多重需求,中國迫切需要加快構建現代化基礎設施體係,實施一係列國家重大水運交通工程。由於人工運河在促進經濟發展、加強文化融合、增強水資源調配、改善流域生態環境、推動區域交通互聯互通等方麵發揮重要作用,使中國運河建設迎來前所未有的發展機遇。當前,中國正邁向運河建設時代。2022年8月,平陸運河開工;2023年9月江淮運河全線通航;京杭大運河正在改造提升;湘桂運河、贛粵運河和渝黔桂運河也在規劃研究中。此外,中國參與的東盟國家運河也在籌劃、建設中(如柬埔寨德崇富南運河、泰國克拉運河)。然而,隨著綠色化發展理念和“碳達峰與碳中和”(簡稱“雙碳”)目標的推行,對綠色走廊和生態工程建設提出了更高的要求,這使得現代運河工程在建造和運維過程中麵臨更為複雜的科學技術與管理難題,其主要挑戰與科技攻關方向如下。

(1)跨流域運河區域水資源適配機製及多目標協同調控。現代運河工程建設將導致周邊水係重構,麵臨水資源高效利用、航運用水保障、區域水生態環境保護、水旱災害防禦、水沙輸移變異、生境係統突變與鹽水入侵等多重挑戰,亟須在跨流域水資源適配機製及多目標協同、水係連通的水沙輸移變異規律與水動力調控、運河水網水生態係統演變及完整性機製、陸海連通運河河口生態環境效應與風險防控等方麵取得突破。

(2)大型通航建築物與航道高效安全及長壽命設計。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、水流衝刷等問題,亟須突破省水船閘快速輸水與複雜係統水動力安全協同保障、超大型升船機多係統耦合作用與穩定機製、長距離通航隧洞設計與船舶航行安全、多因素耦合作用下航道岸坡衝刷失穩與預報預警,以及航運樞紐材料-結構劣化機理與長壽命韌性提升機製等關鍵技術瓶頸。

(3)現代運河工程綠色低碳建造與管理。現代運河建造麵臨工程安全與綠色低碳協同的重大挑戰,主要包括土石方開挖量大、邊坡支護數量多、大體積混凝土質量控製難,以及綠色低碳建造管理要求高等問題,亟須在大規模工程渣土堆存穩定性及資源化利用、長距離運河工程低環境影響開發技術、現代運河工程智能建造與多裝備人機協同、工程低碳綠色建造與管理等領域取得創新突破。

(4)智能建造與生命周期智慧運維。現代運河工程的建造與運維麵臨施工條件複雜、工程量大、運行安全管理要求高、信息體量大、數據傳遞難等問題。智能化技術是提升運河工程建設整體水平的重要途徑,需重點研究運河工程多源異構數據融合分析、運河高密度船舶智能監管、運河工程運行風險識別與狀態診斷、跨水係大型運河工程全壽命期信息管控、智能化施工方法、智慧化運行安全管理、航運基礎設施智慧運維與科學決策等關鍵問題。

在新形勢下,圍繞水係重構與綠色安全防控、跨流域水網水生態係統調控與修複、通航建築物安全運行與能力提升、重大工程低碳設計與綠色智能建造、綠色材料與結構韌性、低碳智慧運維,以及全壽命安全保障等前沿問題開展基礎研究,著力解決現代運河工程建造過程中安全、綠色、韌性、智能協同的科學挑戰,將是實現現代運河工程多功能需求和高標準、高質量、強韌性目標的關鍵任務。

為加強現代運河基礎理論研究,提前部署預先研究,以期更加高效地科學支撐重大水利基礎設施建設、促進現代運河高質量發展,助力“雙碳”目標的實現,國家自然科學基金委員會於2024年3月28—29日在廣西欽州召開了第362期雙清論壇——現代運河工程綠色建造與運維基礎科學問題。這是有史以來水利工程領域首次圍繞運河工程基礎科學研究召開的一次重要學術論壇。此次論壇圍繞“現代運河工程水沙輸移與區域水安全”“運河航道與通航建築物高效安全及長壽命設計”“現代運河工程綠色低碳建造與管理”“現代運河工程智能建造與智慧運維”等議題梳理了現代運河工程科學內涵,總結了現代運河工程綠色建造與運維所麵臨的重大挑戰,凝練並提出了運河建設亟須關注和解決的重大科學問題。根據第362期雙清論壇專家共識,本期《前瞻科技》“現代運河工程科學與技術”專刊組織了12篇論文,較為係統地介紹本次雙清論壇的研討成果,以期為現代運河的論證、規劃、設計、施工和運維等研究,以及政府部門的科學決策提供重要參考,進一步推動中國現代運河工程基礎研究的高質量發展。

客座主編

第362期雙清論壇共同主席

中國工程院院士

胡亞安