水利科学研究方法论

学术背景
河流系统的可调控性 根据来水来沙的变化规律和动态的水沙蓄泄规律，以控制型 水库为中心，将干支流梯级水库动态库容、分蓄洪区和河湖槽 蓄串连形成一个相互连通的整体，在互相之间进行一定程度的 水沙量交换和补偿，为实现流域的综合调控提供有效手段 动态库容和河湖槽蓄既要考虑水面变化，也要考虑床面变化 利用整体水沙蓄泄能力通过流域综合调度对河流水沙运动和 河流系统进行因势利导，必要时进行调节和控制。 由于河流系统的自适应特性，每一种调控措施都会引起河流 系统的调整和变化，是一个动态响应过程。对大江大河而言， 其调整变化的范围广、时间长 要形成流域整体最优的综合调度方案，难度大、工作量多
浅谈水利科学研究方法论
谈 广 鸣
武汉大学水利水电学院 二○一二年三月二十一日
一、关于科研概念
1、科学研究
一般是指利用科研手段和装备，为了认识客观事物 的内在本质和运动规律而进行的调查研究、实验、试 制等一系列的活动。为创造发明新产品和新技术提供 理论依据。科学研究的基本任务就是探索、认识未知
科学研究是指为了增进知识包括关于人类文化和 社会的知识以及利用这些知识去发明新的技术而进行 的系统的创造性工作
3、宏观视野
例如：三峡蓄水对两湖的影响
（1）鄱阳湖枯季水面太小
有些认为是三峡蓄水引起的，有些认为不是
王浩院士经过分析后认为有三个原因：支流来水少，湖区用水量增加、三峡 蓄水，后者不到20%
（2）三峡运行对洞庭湖、鄱阳湖枯季水面的影响
对鄱阳湖：蓄水期水量减小、水位低，加速退水 对洞庭湖：蓄水期水量减小、水位低，加速退水 下游冲深，水位降低，加速退水 三口分入洞庭湖的水量减少
2、技术开发
利用从研究和实际经验中获得的现有知识或从外 部引进技术，为生产新的产品、装置，建立新的工艺 和系统而进行实质性的改进工作，指新技术的研发、 生产以及商业化应用有关的经济技术活动
3、工艺革新
工艺（ Craft ）是劳动者利用生产工具对各种原材 料、半成品进行增值加工或处理，最终使之成为制成 品的方法与过程。在生产过程中对现有工艺进行改革， 使产品更先进、效率更高
3、举例
（2）国家自然科学重大研究计划建议
河流复杂适应系统理论与综合调空方法研究 学术背景
本立项建议书旨在建议从国家自然科学基金委员会层面设立
重大研究计划研究大江大河综合调控中的基础科学问题
具体学术思路是从河流的动力学特性和系统特性出发，结合 近十几年发展起来的复杂适应系统理论，建立河流复杂适应系统理论，
用于河流系统综合调控。
学术背景
河流系统的自适应特性
河流系统是动态的相连系统，通过水体流动及伴 随水体流动的其他物体而相连
学术背景
河流系统的自适应特性
在内在的动力学调整机制作用下，河流系统会适应自 然的来水来沙变化和人类作用的干扰，最终达到一种相对 均衡状态 河床自动调整作用 坝下游冲刷与回淤 水量、污染物与水质 葛洲坝与中华鲟（被适应） 河流生态系统中适者生存现象也是自适应特性的体现 河流系统自适应后的状态有时对人类有利，有时不利 河流系统中也有不具自适应特性的单元 需要进行适当调节和控制
重大项目：洪水特性与减灾方法研究 重点项目：涝渍灾害产生机理与减灾方法研究 （塘堰沟渠） 面上项目：粘性细颗粒泥沙淤积固结后起动冲刷规律研究
四、关于研究背景变化
与宏观视野
1、研究背景变化
（1）以前几十年泥沙研究的目的是嫌沙多，考虑怎么处理
现在已转为嫌沙少，要考虑怎么应对
（2）以前几十年主要研究自然情况下和工程作用下的河流演变
二、关于科学问题
1、一般科学问题
（1）由简单到复杂
水力学中的理想流体到实际流体
（2）临界判别指标
河流动力学中的起动流速 水流挟沙力
（2）工程问题科学化
理论、规律、机理、响应、耦合、特性、稳定性、力学平 衡、方法？等等
如边坡加固：涉及到应力场、渗流场、温度场等，多场广 义耦合理论
2、核心科学问题
资 水 柘 溪 湘 水
修水 峡江
鄱 阳 湖 抚 河 廖 坊
河道堤防与整治工程
沅 水 五 强 溪
万安
赣江
长江中下游防洪治理应采取综合措施，逐步建成以三峡工程为骨干，堤防为基 础，干支流水库、分蓄洪工程、河道整治工程相配套，结合封山植树、退耕还林， 平垸行洪、退田还湖，水土保持措施及其它非工程防洪措施组成的综合防洪体系。
研究思路
综合上述，河流系统是一个可调控的复杂的自 适应系统 在河流自动调整原理和复杂适应系统理论基础 上，发展和创立河流复杂适应系统理论，作为大 江大河综合调度的科学基础 利用河流整体水沙蓄泄能力，对河流系统进行 调控，对人类行为进行诱导，使河流系统和人类 行为相互适应。通过综合调度管理，满足和平衡 全流域防洪、发电、灌溉、供水、航运、生态、 环境等各方面的需求，并充分发挥各个工程的综 合效益，这是河流复杂适应系统理论的应用
岷 江
紫 坪 铺 重 庆
亭 子 口 嘉 陵 江
三 峡 工 程
丹江口水库 洪湖分蓄洪区 宜昌 松 虎 滋 渡 河 河 藕 池 河 城陵矶 柘林 沙市 汉 江 汉口 湖口 南京上海 饶河 信江 华阳河分蓄洪区
金 沙 江 梯 级
乌 江
隔 河 清 岩 江 水 布 垭 皂 市 澧 水
干支流水库 分蓄洪工程
洞 庭 湖
3、宏观视野
例如：三峡蓄水对两湖的影响
（1）鄱阳湖枯季水面太小
有些认为是三峡蓄水引起的，有些认为不是
王浩院士经过分析后认为有三个原因：支流来水少，湖区用水量增加、三峡 蓄水，后者不到20%
（2）三峡运行对洞庭湖、鄱阳湖枯季水面的影响
对鄱阳湖：蓄水期水量减小、水位低，加速退水 对洞庭湖：蓄水期水量减小、水位低，加速退水 下游冲深，水位降低，加速退水 三口分入洞庭湖的水量减少
（1）牛顿定理
万有引力
（2）农业理想耗水 通过对农业理想耗水及其主控过程、农业生态环 境系统响应规律的揭示，构造农业理想耗水状态描 述方程
科学问题—1
Y 3 F W 3
Y
Y
2


G W
2

W
区域理想曲线-尺度λ3
Y 1 H W 1
单株理想曲线-尺度λ1 群体（农田）理想曲线-尺度λ2
4、项目名称
（1）国家自然科学基金、国家“973”项目等属于基础 研究 （2）国家“863”项目、科技支撑（攻关）项目、国家 重大科技专项属于关键技术研究
（3）企业委托项目一般属于应用技术研发 项目名称应看菜下锅，要对应
4、项目名称
即使是国家自然科学基金，不同类别的项目，名称也 不一样：例如
重大研究计划：中医的科学基础

立项背景
长江和黄河流域涉及23个省、自治区和直辖市，流域面积占国土面
积的 27 ％，人口占全国 40 ％，耕地面积占全国 38 ％，GDP 占全国 50 ％。 最大限度减轻两个流域洪旱灾害和充分利用其水资源，对保障我国水
安全，进而保障国家粮食安全、能源安全、生态安全，支撑国家可持
续发展和中华民族振兴有着举足轻重的作用
3、宏观视野
例如：三峡蓄水对两湖的影响
江河开发治理对河流系统干扰，河流需新的适应过程，这 种适应因河流综合调控的多目标而复杂。 河流综合调控的目标除了传统的防洪、发电、供水、灌溉、 航运、防冲减淤等目标外，改善生态和环境目标日益受到重 视。调控效果评价不仅从经济角度衡量，从更广泛的社会、 经济和生态环境来衡量。 河流综合调控追求多种目标，这些目标经常是相互冲突的
河流综合调控是服从河流自适应特性的多尺度耦合作用 过程。
学术背景
河流系统的复杂性
（综合调控面临多主体利益的协调）
河流系统各水利工程的运行管理涉及多个利益主体，这些 利益主体之间的利益经常也是冲突的。有些利益主体只管一个 工程，有些利益主体管多个工程。不同层次的利益交织和协调， 使得综合调控变得更加复杂。 每个利益主体为了追逐自己的利益表现出不同的行为方式 与行为特征，不同的游戏规则和分配规则会诱导各利益主体采 取不同的行为方式 基于全流域整体优化的思想研究各利益主体的游戏规则与 分配规则，研究其复杂行为的诱导与控制规律 因此，需要研究多个利益主体与河流系统自然演化规律相 互适应的关系。
学术背景
•河流系统特性与复杂适应系统理论
如上所述，河流系统的自适应特性造就了河流系统的复杂性。
由于复杂系统理论不能很好地描述一些系统的自适应特性， 霍兰于1994年正式提出复杂适应系统理论
其基本思想是适应性造就复杂性，系统中的主体能够与环境 以及其它主体进行交互作用。主体在这种持续不断的交互作用 过程中，不断地学习和积累经验，并且根据学到的经验改变自 身组织结构和行为方式。整个系统宏观特性的演进或进化，都 是在这个基础上派生出来的 复杂适应系统理论还在发展完善之中 用复杂适应系统理论及其建模方法来描述河流的自适应过程
学术背景
河流系统的复杂性
河流系统属于系统科学范畴的复杂巨系统
系统科学范畴的复杂性指复杂巨系统的开放性和
动力学特性 河流系统复杂性体现在自身属性和调控管理的复 杂上
自身属性复杂 调控管理复杂
学术背景
河流系统自身属性的复杂 性(长江宜昌至武汉河势图)
学术背景
河流系统的复杂性（综合调控的多目标）
Y F W
科学问题—2
农业理想耗水多过程、 多尺度、多水源协同及 调控 多过程农业耗水主 控因子耦合作用及 调控机制 水分循环及其伴生 过程的多尺度相互 作用及调控 基于理想耗水与水 联网的多水源适配 与调控 水利用效率最高 Y
最高效率点 真实耗水曲线 理想耗水曲线 调控后的曲线
W
产量最大 Y
最高效率点 理想耗水曲线 调控后的曲线
真实耗水曲线
W
三、关于国家需求和学科前沿
1、国家需求
应用层面 --- 国家某方面经济社会发展对某些关键科学 技术的需求
2、学科前言
学术层面 --- 国内外本学科发展的最前沿，原始创新的 成分更大一些
3、举例
（1）国家重大科技专项建议
长江黄河综合调度国家重大科技专项立项建议书
需要水利、电力、通讯、控制、计算机等多领域的技术支撑。
同时，由于两个流域涉及范围之大、工程之多、问题之复杂 世界范围内前所未有，非某一个地方或行业所能解决。因此， 需要从国家层面设立科技专项重点研究
3、举例

研究目标
首先，通过一系列科学问题的研究和关键技术的攻关，充分利用两个流 域巨大的水沙蓄泄能力（水库库容、分蓄洪区、河湖槽蓄），对长江和黄 河实行科学的综合调度，最终建立长江综合调度管理系统和黄河综合调度 管理系统，依托这两个系统，可以对长江、黄河实行更有效的管理，有利 于两大流域（跨流域）新的水利水电工程的建设论证。第二阶段，集中研
方政府，也有多个发电企业；既有国企，也有民企甚至外企。这就需要从
流域整体的高度统筹考虑，实行流域综合管理和工程的统一调度。否则， 各自为政，必然导致资源的无序利用和低效利用，社会的和谐和流域生态
环境的协调也无法保证
3、举例
流域尺度的综合调度是一项十分复杂的系统工程，既涉 及社会、经济、政治、法律、生态、环境等方面的问题，又
现在要扩展为全控制条件下的和半控制条件下的河流演变
2、考虑国情
（1）年轻学者、刚从国外回来的，也包括少量中老年学者，过 分看重自己的研究领域 （2）要考虑国情、考虑全局 （3）例如：水生态研究 既要防止生态的概念化，而否定一切水利水电工程 又要避免过分强调经济社会发展，而影响生态的可持续
也即以人为本的生态观要与纯自然生态观相结合
究南水北调东线和中线工程完工后更复杂的“两纵四横”水资源综合调度。 第三阶段集中研究我国其他大江大河的综合调度。本项目实施后，可使我 国大江大河的管理满足国家经济社会发展的需求，并处于世界先进水平
两纵四横水资源系统综合调度
在大江大河水沙资源综合调度的基础上，探索南水北调东线和中 线工程建成后的两纵四横水资源系统综合调度
3、举例
新中国成立以来，兴建了一大批水利水电工程，已经基本构成了两 大流域防洪、发电、灌溉、供水和航运等工程体系。正在建设中的南水北 调东线和中线工程，将把两大流域及淮河、海河连成一体，形成“两纵四 横”的庞大江河湖库网络。如何科学调度和管理好长江、黄河，进而合理 运筹好“两纵四横”水资源系统，是我国水利事业在21世纪必须回答的重 大科学技术问题，也是保障我国可持续发展必须解决的重大课题 现有和在建的各类Hale Waihona Puke Baidu利水电工程分属不同的利益主体，既有国家和地