作为一项“事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉”的重大民生工程，习近平总书记念兹在兹，要求“要从守护‘生命线’的政治高度，切实维护南水北调工程安全、供水安全、水质安全”。
南水北调，功在当代、利在千秋。半个世纪弹指一挥间，几代长江委人团结奉献、科学创新的记忆历历在目；全面建成通水十年来，南水北调中线一期工程综合效益显著发挥，累计输水超687亿立方米，生态补水超106亿立方米，受益人口近1.14亿。
水运连着国运。为了“一泓清水永续北上”，长江委始终牢记习近平总书记嘱托，以守护“生命线”的政治高度聚焦“三个安全”，强化统一调度，全力助推南水北调工程高质量发展，用忠诚与担当，谱写了彪炳史册的调水华章！
十年前，一泓清水顺着绵延数千余里的输水渠道，自丹江口水源地一路自流向北，勾勒出跨越山河的世纪调水画卷；十年后，总调水量超680亿立方米的南水北调中线一期工程，惠及沿线26座大中城市、1.14亿人口，不仅为沿线各地输送了生命之源，更成为“四横三纵、南北调配，东西互济”国家水网新格局的主动脉。
“要从守护生命线的政治高度，切实维护南水北调工程安全、供水安全、水质安全。”守护“三个安全”，离不开科技创新的坚实支撑。自南水北调中线工程建设以来，长江科学院（以下简称“长科院”）全方位开展了南水北调中线工程的科学研究工作，成功攻克了膨胀土顽症、超大穿越黄河隧洞防裂防渗、高含沙游荡型河流河势与防洪、丹江口大坝新老混凝土结合防渗等世界难题，为守护好南北水资源配置“生命线”，助力国家水网高质量发展提供了强有力的科技支撑。
科研的力量，如同璀璨的星辰，照拂着清水北上的每一个角落，熠熠生辉，护佑“一泓清水永续北上”。
“智”服膨胀土、“构”造穿黄隧洞、“结”合新老混凝土……面对南水北调工程及输水路线中的种种世界难题和安全隐患，长科院科研人员科学求证，迎难而上，勇攀高峰。
“最麻烦的当属膨胀土的问题。”谈及南水北调中线工程曾面临的最大安全隐患，长科院老院长、我国土工专业权威专家包承纲先生拥有绝对的话语权。
膨胀土，是一种具有特殊性质的土，遇水膨胀，失水收缩，被称为“工程中的癌症”，也是工程界的世界性技术难题。南水北调中线工程全长 1430公里，其中有近三分之一的渠道要穿越膨胀土地区，因膨胀土易造成渠坡变形和失稳，对工程的安全运行影响很大。
上世纪90年代，国内外对膨胀土已经有了一定的研究。鉴于当时研究手段和认识水平不足，加之膨胀土工程问题的复杂性，我国在膨胀土边坡的破坏机理、稳定分析方法以及工程处理措施等方面，始终未形成系统、完整的理论体系，由此造成渠坡设计和施工质量控制缺乏规范指导，时常遭到膨胀土的“报复”。
2002年，南水北调中线工程开工建设。对膨胀土进行全面、系统的研究，保证南水北调中线干线渠道安全成为当务之急。在包承纲的呼吁下，水利部、国务院南水北调办公室、中线建管局高度重视，长科院组织专业技术人员开启了长达十余年的探索历程，成功揭示了膨胀岩（土）渠坡的破坏机理和破坏模式，创新地提出“基于膨胀土渠坡破坏机理开展渠坡治理的新理念”，使得治理膨胀土这一工程的“癌症”成为可能。
南水北调中线一期工程总干渠潞王坟膨胀（岩）土现场试验
攻关团队在科学探索的迷宫中，采用室内试验、大型物理模型试验、离心模型试验、CT三轴试验、数值仿真、现场原型试验和理论分析等手段，通过大量试验数据归纳总结，突破了一道道难关，终于揭开了膨胀土的神秘面纱，自主研发了“降服”膨胀土边坡的利器——伞型锚快速锚固技术，系统解决了制约工程领域的世界级难题，大大提高了我国膨胀土地区工程建造和运行维护水平。
科研人员在开展膨胀土大型室内降雨模型试验
宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。历经几代人的持续钻研，长科院成功驯服膨胀土这个“拦路虎”，为南水北调工程安全有效运行提供了有力保障。
“南水北调中线，穿黄尤为关键。”穿黄工程是输水线路上的三个关键控制点之一，也是南水北调中线干线工程总工期中的控制性项目，被称为南水北调的“咽喉”工程。
自1991年起，长江委针对穿黄工程的隧洞方案和渡槽方案开展了大量科研工作，并同国内外许多知名的设计科研单位进行了大量的分析、研究和论证工作。1996年，长科院临危受命，承担下穿黄河段河工模型实验研究工作。
“电站淘沙”“量身定模”“模型试验”……遵循的工程与河两利原则，科研人员反复尝试，成功打造出长科院的第一个黄河河工模型。
南水北调中线工程穿黄河段工程泥沙模型试验研究
2004年以来，针对穿黄隧洞结构，长科院技术人员进行了大量的数值分析及模型试验研究工作，尤其应用最复杂、最先进的数值分析技术所取得的成果的合理性及准确性，经过了1:1仿真模型试验和监测资料的验证，全面阐释了隧洞结构变形的基本规律和承载特性、各因素的影响程度，实现了理论与工程实践的完美结合，为设计、施工、运行各阶段的各种设计及施工方案提供了科学依据，提升了隧洞结构技术水平。
南水北调中线工程穿黄隧洞结构仿真模型实验研究
黄河高含沙游荡型河道水沙条件变化复杂，河床冲淤频繁剧烈。在通水以来多年的研究中，科研人员针对穿黄隧洞各研究重点，不断创新，持续改进，取得丰富的研究成果。利用数学模型和河工模型等综合研究手段，长科院科研人员开展了大量的研究论证，并秉持工程与河两利原则，时刻把握平衡河流对工程的影响，以及工程对河流的反作用，成功解决了穿黄工程与黄河高含沙游荡型河流间的河势及防洪等关键技术难题。
丹江口水库加高工程是南水北调中线的关键性控制工程，其施工难度之大、技术要求之高、施工环境之复杂、安全生产之严峻，国内外罕见。新老混凝土结合问题就是其中一项极难攻克的世界性难题。
历时1500个日日夜夜，长科院开展了近千组实验，成功研发出新型慢反应聚脲类混凝土表面防护材料。此后，经过4年的工程现场考验，证实了该材料的优异性能，并最终于2012年在丹江口大坝上游迎水面、下游深孔溢流面进行了近两万平方米CW620高性能聚脲防护材料的应用，为新老坝体完成完美的“世纪之吻”提供了技术支撑。
CW620表面防护材料及技术在南水北调中线丹江口大坝加高工程中的应用
从此，长科院新材料研发走上了“快车道”，新材料在南水北调中线工程中的应用也逐步大放异彩——
2017年，CW化学灌浆材料和技术成功应用于丹江口大坝新老混凝土横缝漏水应急处置，解除了159米水位限制，实现了167米的历史最高蓄水位；
2019年~2020年，开展了穿黄隧洞（A）洞排查和检测工作，将CW系列水工新材料成功应用于缺陷处理，研发的隧洞结构缝新型止水体系，为穿黄隧洞高效维护、按期通水提供了有力的技术支撑；
五年后的今天，穿黄隧洞(A)洞例行排查与检测工作刚刚开始，科学先进的检测技术和CW水工新材料必将助力隧洞“滴水不渗”，经久耐用；
……
天河筑梦，江水北上，十年间，长科院成功运用科技成果，为南水北调中线工程、防洪和供水安全保驾护航。
“长龙”由南向北，轻轻地蜿蜒着，看似优雅、平静，实则暗流涌动，需要克服诸多关卡才能顺畅地穿山跨河，抵达北方。保障供水安全，首先就要应对北方寒冷气候对一泓清水带来的挑战。
“中线总干渠，跨越北纬33°~40°，沿线水体热量逐渐耗散，黄河以北700公里渠道内，随冬季来临气温降低，会出现不同程度的流冰、冰盖复杂输水渠段。”长科院杨金波博士介绍，上世纪90年代立项论证之初，缺少类似跨流域、长距离调水工程冬季冰期输水经验可借鉴，对冬季结冰工况下输水认识十分有限。
2008年，南水北调中线工程京石段（北京—石家庄）开始应急通水，遭遇了气温骤降。一时间，渠道内形成了大量的流冰，输水渠段全部封冻，对沿线倒虹吸、暗渠、渡槽和节制闸等建筑物带来严重安全隐患。
长科院团队第一时间赶赴现场，全力迎战中线冬季冰期输水问题研究。
南水北调中线水源工程冬季输水冰情原型观测
中线冰期输水研究做了很多开创性的工作。“没有经验，我们就积累经验；没有数据，我们就一个一个数据地测；没有模型，我们就自己开发模型！”“冰团”冰情原型观测，每天固定时间点：2:00、8:00、12:00、22:00，对渠道岸冰、流冰、冰盖厚度、流量、水温及气温等参数进行认真、如实地测量和记录。
就这样，“冰团”连续10年记录了大量的一手数据，取得了中线工程冰期输水的气象参数、水力参数及冰情参数等宝贵资料，积累了中线冰情原观数据，加以整理、分析、建立数学模型，对中线渠道冰情产生条件和形成机理有了初步认识，推理出了冰情发展与气象、水力学条件的关系，为数模计算分析提供了率定参数……初步提出了中线工程冰期安全运行建议和应急措施，为保障全线正式通水作好了准备。
2014年12月中线工程全线正式通水。2015-2016年冬季较以往冬季提高了输水流量，末端北拒马河段输水流量占设计流量的60%。2016年1月下旬，京石段遭遇30年一遇强降温过程，气温骤降15℃，最低气温降至-18.6°，渠道内产生大量流冰，岗头隧洞和西黑山分水口出现严重冰情。
凭着那一千多个日夜冰凌观测积累的经验以及对冰凌问题的认知和研究，“冰团”及时察觉隐患，即刻上报中线建管并联系管理处，快速采取一系列科学、有效的措施，最终保证了干渠输水和运行的安全，降低了冰凌灾害的影响。
通水十年间，这支科研团队依然活跃在“冰上舞台”，他们已经不再满足于观测数据，更多的是以数据研究为支撑，溯源、论证科学难题，总结规律。
南水北调中线工程冬季输水冰情原型观测
如今，长科院成功掌握了不同气象和输水条件下总干渠沿程水温、冰情时空分布和生消演变过程，提出了冰期输水调度模式，制定合理的冰期安全运行调度程序及防凌减灾应急措施，为南水北调中线的冬季输水安全和输水能力提供了可靠、有力的科研支撑。
隆冬时节，晴空万里。登顶丹江口大坝俯瞰，一泓碧水波光粼粼。
作为南水北调中线工程的水源地，丹江口水库水质状况不仅直接影响中线工程的效率和效益，更密切关系到广大受水区人民群众的饮水安全。
护中线调水源头，保清水永续北上。通水以来，长科院致力于南水北调中线工程水质监测与科学研究，倾情守护水质安全。
“1号浮动监测船发现桃花水母……”8月1日13时，长科院研究人员在丹江口水库陶岔水源保护区区界例行维护作业时，无意中发现了“水中大熊猫”桃花水母。
丹江口水库桃花水母活体标本
这不是桃花水母的首次亮相。早在2018年9月2日，长科院研究人员就在丹江口水库“小太平洋”发现了群聚面积达1500平方米的桃花水母，研究人员成功采集到活体标本。这是丹江口水库有史以来，发现的桃花水母群聚面积最大的一次，也是首次现场采集到桃花水母的活体标本。
桃花水母的出现也被视为水质优良的“试金石”，是生态环境良好的重要标志。其大面积出现是对整个南水北调中线工程水源地保护体系的强力肯定，是丹江口水库水质优良的有力证明。
2016年至今，长科院承担了南水北调中线水源工程丹江口库区水质监测站网运行管理维护项目，技术团队常驻现场，坚守一线，持续开展丹江口库区重要断面和入库河流河口断面的水质监测工作，全方位全时段守护库区水质安全。
丹江口水库水质采样及现场监测
关键时刻，冲锋在前。在开展日常监测工作之余，长科院的技术团队承担了丹江口水库水环境风险分析和应急监测任务，迅速响应突发水污染事件，第一时间赶赴现场开展应急监测，为库区突发水污染精准防控和应急处置提供基础数据。
作为一支科学尖兵，长科院科研团队围绕丹江口库区水资源保护、水环境演变及水污染防控等方面开展了大量研究工作，牵头编制了《南水北调中线水源工程运行管理重大科技问题研究顶层设计（2022-2025年）》。通过长期研究，掌握了丹江口水库藻类生长特征及规律并提出了适用的藻类治理技术，核算了丹江口水库入库污染负荷并识别了不同类型入库污染来源的贡献，初步揭示了丹江口水库新污染物的时空分布特征与输移行为规律，并就相关生态风险防控提出了对策建议，一系列科研创新成果为丹江口库区水源保护和管理决策提供了科学依据和技术支撑。
封闭水域移动式水质净化系统在丹江口库湾示范应用
数智升级，智慧管理。数字孪生丹江口是水利部、长江委“十四五”智慧水利建设的重点工作之一。2022年1月，长科院开始为亚洲最大人工淡水湖——丹江口水库数字孪生“水质安全”版块做顶层设计，通过技术研发攻关获得多项数字孪生研究奖项与成果：数字孪生丹江口水质安全模型平台及“四预”业务入选《数字孪生流域建设先行先试优秀应用案例（2022年）》，数字孪生丹江口大坝安全模型平台及“四预”业务成功入选《数字孪生水利建设典型案例名录（2023年）》；“数字孪生丹江口”入选《数字孪生水利建设十大样板名单（2023年）》；牵头编制的《数字孪生湖库水质管理系统设计技术导则》已通过审查（现待正式发布），该导则将成为水利行业首个正式发布的数字孪生团体标准，可有力规范数字孪生湖库水质管理系统建设内容与流程，为水利行业的数字孪生标准化建设提供重要支持。
将“未知”变成“预知”，是丹江口水利枢纽工程在新时代寻求数字化自我革命的艰难探索。在求索向前的背后，有一群孜孜以求，默默奉献的长科院科研团队。
丹江口水库三维可视化水质安全管理模型
人无我有，人有我优。自2022年8月开始，长科院团队在丹江口开展驻点封闭式集中，牵头研制了数字孪生丹江口工程水质安全系统，构建了高精度三维水动力水质模型，研发了水质预报-预警-预演-预案的水质“四预”应用体系，实现了对水库营养物质和污染物时空演进全过程的模拟仿真预演。
集中会议室内，每天晚上都灯火通明。这群科研“尖兵”克服重重困难，以连续高强度的“白加黑”工作模式奋战，会议室俨然已成了他们第二个家，他们用实际行动默默奉献着，推动中线水源水质保护数字化、智慧化水平迈上了新的台阶。
2023年9月，“数字孪生丹江口”上线试运行。系统按“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的建设要求，构建了“天空地内水”一体化的透彻监测感知体系，实现了水-库-坝全息实时映射与涵盖防洪兴利、供水安全、大坝安全、水质安全、库区安全的“四预”业务智能应用。
2024年9月，水利部在丹江口水利枢纽召开数字孪生水利建设现场会。会上展示了数字孪生丹江口“四预”功能建设应用成果，重点演示了由长科院牵头承担的三维水质模型和水质“四预”等技术。会议高度认可数字孪生丹江口三维水质模型模拟工作，提出了未来持续开展建设的指导意见；并指出数字孪生丹江口水质模型是一个高水平的模型架构，特别是三维水质模型涉及水流运动和污染扩散输移的多学科交叉，达到了领先水平。
为大国重器装上“智慧大脑”，为“一泓清水永续北上”提供“云上动力”。如今，数字孪生水质安全模型与“四预”技术已成功应用于2024年汛期总磷推演分析、2023年丹江口水库170米蓄水水质安全保障和相关水质事件滚动推演分析，为保障库区水质安全提供有力支撑。
碧水北上，数字赋能。大宁调压池是南水入京第一站，被誉为“流量担当”，也是南水改写北京市水资源格局“前站”，千里跋涉而来的水质好不好，水量足不足，牵动人心。
如今，依托由长科院倾力打造的数字孪生南水北调工程建设项目，工作人员只需轻点鼠标就能身临其境了解实时数据，优化调度方案，轻松掌握“流量密码”。该项目以“输水安全、水质安全、工程安全”为总体需求，基于“数据-模型-知识”资源，进一步优化北京市南水北调工程乃至全市的水资源配置与调度能力，所构建的虚拟现实场景还成功支撑了中央电视台新闻频道《一江清水向北流——南水北调东中线一期工程全面通水十周年》直播特别节目的录制。长科院致力为南水北调工程插上新一代信息技术的翅膀，助力水网智能化、现代化腾飞。
南水北调大宁调压池数字孪生场景及央视新闻报道
江河奔腾生生不息，科技活水澎湃成潮。牢记使命担当，护航“国之重器”，弘扬科学家精神，聚力新质生产力，长科院将用智慧和汗水，为护佑“一泓清水永续北上”提供源源不竭的创新能力与科技支撑。
来源：长江水利
