加强现代运河基础研究推动内河水运绿色发展
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胡亚安
前瞻科技
| 前瞻 2025,4(3): 4-8
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加强现代运河基础研究推动内河水运绿色发展
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出版时间: 2025-09-20
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胡亚安.
加强现代运河基础研究推动内河水运绿色发展.
前瞻科技,
2025
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Science and Technology Foresight,
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内河航运是综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分，在促进流域经济发展、优化产业布局、服务对外开放等方面发挥着重要作用。随着内河水运建设全面加快，中国高等级航道网已基本实现了从“瓶颈制约”向“基本适应”的重大转变。为进一步推动内河水运高质量发展，中国正在建设“四横四纵两网”国家高等级航道网，其中纵向水运通道连接不同水系，跨越多个分水岭，需要通过长距离人工运河连接天然航道，并利用航运枢纽和通航建筑物，实现河流渠化，提升航道等级。因此，人工运河成为未来中国内河水运重要的基础设施，现代化跨水系运河工程建设将是今后中国高等级航道网互联互通、提质扩能的重要内容。国家交通强国战略的实施和综合立体交通网建设为现代运河发展带来了重大发展机遇，中国首条大型现代化人工运河——平陆运河即将建成，标志着中国内河水运建设进入全新阶段。未来，浙赣粤、汉湘桂等纵向水运通道也必将为国家经济发展、国内国际双循环战略推进注入新动能。
现代运河不仅是交通通道，还是服务经济社会的文化廊道和水运通道，将在经济发展、文化交流和生态保护等方面发挥关键作用，其在规模尺度和技术难度上均远超以京杭运河为代表的古代运河。目前，中国现代运河建设处于起步阶段，尚无成熟经验总结和积累，正在规划建设的现代运河工程规模与技术难度又远超国外水平。国外的相关技术无法适应中国工程需求，跨水系运河工程发展战略与资源配置、运河工程建设标准及设计理论方法、运河通航安全与联合调控、水网与运河航道网融合、运河工程低环境影响开发等方面仍面临诸多关键科学难题和技术挑战。
1 中国运河工程技术发展与建设成就
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自20世纪70年代以来，中国运河工程发展可分为3个阶段：20世纪70—90年代的复苏起步期，21世纪初至2020年的技术攻坚期，以及2020年至今的智慧创新期，在不同时期均取得了显著成绩。
在复苏起步期，通过引滦工程等局部治理，尝试恢复京杭大运河黄河以北河段的通航，但受限于当时技术条件，主要进行河道疏浚和小规模船闸修复等基础工作。同期京杭大运河苏北段率先启动“二级三线”船闸群建设，首次应用人字门液压启闭技术，使船舶通过效率提升50%，奠定了现代内河船闸设计基础。
在技术攻坚期，聚焦运河工程水资源调度与优化配置能力的提升。江淮运河贯通长江与淮河，通过三级泵站系统有效应对地势挑战，实现了长江水的逆向输送，提高了区域整体水资源配置能力。其中，派河口泵站设计流量高达300 m3/s，通过9台轴流泵将水位抬升4.8 m，展现了卓越的调水能力。蜀山泵站作为亚洲最大的混流式泵站，其总提水流量达到惊人的340 m³/s。长江水被抬升12.7 m，实现“水往高处流”的壮举。朱集泵站远期总调水能力有望突破400 m³/s，与前两级泵站形成“接力式”输水网络。此外，江淮运河采用远程集控和智能算法优化船舶过闸流程，使单次过闸耗水量减少60%，同步实现水位精准调控。
在当前的智慧创新期，京杭大运河已连续4年实现全线水流贯通，统筹调度长江水、黄河水、再生水及雨洪水等水源，累计向京杭大运河黄河以北河段补水7.88亿m³，回补地下水5.31亿m3，河段补水影响范围最远达到4.31 km，彻底逆转百年断流史。2025年7月，京杭大运河首批120TEU纯电动集装箱船顺利下水。该船型采用全电力推进系统，配备2个标准集装箱式电源模块，单次充电续航里程达220 km，能源转换效率超90%，年减碳1 920 t，相当于种植10.7万棵树。此外，正在建设中的平陆运河则代表着当前最先进的技术。例如，马道枢纽将建成全球最大内河省水船闸，一次输水时间可缩短至15 min左右，降低船闸运行的用水量达60%以上，闸阀门启门速度为8 m/min、闭门速度为16 m/min，启闭速度世界最快，60 min可通过6艘5 000 t级船舶，较传统模式效率提升40%。青年枢纽建设480 m复合型鱼道，破解钦江水闸阻隔鱼类洄游的百年难题。同时，构建“多廊+多点”生态网络，恢复陆生动物迁徙通道。针对大体积混凝土温控难题，青年枢纽创新采用“三级配混凝土+风冷片冰预冷+智能喷淋养护”工艺，将温差控制在±2 ℃内，杜绝结构裂缝。平陆运河还构建了中国首个全生命周期数字孪生平台，集成北斗高精度定位、无人机仿地飞行、三维地质建模技术，实现188 m高边坡位移毫米级监测。
这些成就标志着中国在运河工程大型船闸设计、水位精密控制、水资源调配、生态环境保护、清洁能源利用等领域达到国际先进水平。经过60余载的砥砺奋进，中国运河工程以科技硬实力与生态软智慧，书写了从“通江达海”到“系统赋能”的现代化篇章。随着中国经济社会发展全面绿色转型，内河高等级航道网绿色低碳建设成为重要主战场，未来需进一步攻关黄河穿航、跨流域调水、全流域智能调度、超高水头省水船闸、氢能船舶、零碳水上服务区、自动化码头等难题，使运河不仅是“流动的文化遗产”，更是中国引领全球内河航运绿色革命的战略载体。
2 现代运河工程建设发展趋势
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纵观中国运河建造历史，随着生产力水平和社会需求的不断提升，运河工程的建造材料、建造方式和功能需求呈现出了不同程度的跃迁。在新形势下，运河工程建设将面临更高要求。现代运河工程建设需统筹安全与低碳协同，把生态优先、绿色发展、全寿命安全、韧性提升理念贯穿于工程建设全过程，在工程规划、设计、建造和运维全过程中应注重发挥基础理论突破和关键技术创新的牵引作用，实现现代运河高质量建设与绿色可持续发展。现代运河工程的发展趋势及主要特征如下。
（1）向流域综合调控体系转变。现代运河工程建设理念逐步从“传统水运工程”向“流域综合调控体系”转变，其功能逐渐由以航运为主的单一用途，向集航运、防洪、供水、灌溉、生态、旅游为一体的多功能系统演进，对工程设计提出了极高的综合要求。工程设计更加注重系统集成与精细调控，在确定技术参数时，既要考虑当前的发展需求，又要为未来几十年的区域发展预留空间，运河规模与梯级布置要满足航运能力拓展、航运用水保障、水资源调配、防洪抗旱、生态修复保护等多目标需要。
（2）向安全与绿色协同推进。安全、可靠、绿色、生态等指标是现代运河工程实现多功能需求的重要保障。在安全和可靠性方面，流域水安全风险防控能力和防灾减灾能力要大幅提升；水沙运动与河床冲淤演变预测报警要高度精准；航道、通航建筑物及护岸结构服役性能的稳定性要充分保障。在绿色和生态方面，要系统谋划运河流域水资源优化配置网络，充分发挥运河水资源综合效益，以实现运河流域内的河湖水域空间保护、生态流量水量保障、水质维护改善、生物多样性保护等多重目标，打造绿色生态廊道。
（3）向长寿命与韧性提升迈进。航道与通航建筑物作为现代运河工程的核心组成部分，其设计理论及方法逐步向安全高效多目标协同发展，工程建设更加注重结构耐久性和系统韧性提升。要不断完善航道与通航建筑物冗余设计和韧性设计评估方法，不断提升结构抵御自然灾害与突发事件的能力，破解制约现代运河工程建设安全耐久的关键问题，打造平安百年品质工程。
（4）向“无固废”与“近零碳”发展。现代运河工程大规模渣土排放和有限生态环境容量对“无固废”和“近零碳”建设有着迫切的需求，实现多维系统固废处置与综合利用是关键。要加强对运河沿线老旧设施的更新利用，提升边坡生态修复与固碳能力，推广工程渣土、废弃混凝土再生和高效综合利用，推进工程结构绿色化、减量化、低碳化，提高资源再利用和循环利用水平，形成可复制、可推广的“无固废”与“近零碳”运河发展范式。
（5）向数字化与智能化转型。通过数字化与智能化赋能现代运河工程建造与运维，已成为实现基础设施现代化升级的一项关键任务。围绕数字化设计、智能化施工、自动化装备技术、智能感知网络、智慧决策与优化调度等手段，逐步实现运河工程建设和运维向少人化、智能化和智慧化转型。智能建造与智慧运维的有机结合不仅是工程技术的革新，也是现代运河工程培育新质生产力和可持续发展的重要方向。
3 中国运河工程建设机遇与挑战
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面对构建国家水网、建设交通强国、发展新质生产力、促进国内国际双循环的多重需求，中国迫切需要加快构建现代化基础设施体系，实施一系列国家重大水运交通工程。由于人工运河在促进经济发展、加强文化融合、增强水资源调配、改善流域生态环境、推动区域交通互联互通等方面发挥重要作用，使中国运河建设迎来前所未有的发展机遇。当前，中国正迈向运河建设时代。2022年8月，平陆运河开工；2023年9月江淮运河全线通航；京杭大运河正在改造提升；湘桂运河、赣粤运河和渝黔桂运河也在规划研究中。此外，中国参与的东盟国家运河也在筹划、建设中（如柬埔寨德崇富南运河、泰国克拉运河）。然而，随着绿色化发展理念和“碳达峰与碳中和”（简称“双碳”）目标的推行，对绿色走廊和生态工程建设提出了更高的要求，这使得现代运河工程在建造和运维过程中面临更为复杂的科学技术与管理难题，其主要挑战与科技攻关方向如下。
（1）跨流域运河区域水资源适配机制及多目标协同调控。现代运河工程建设将导致周边水系重构，面临水资源高效利用、航运用水保障、区域水生态环境保护、水旱灾害防御、水沙输移变异、生境系统突变与盐水入侵等多重挑战，亟须在跨流域水资源适配机制及多目标协同、水系连通的水沙输移变异规律与水动力调控、运河水网水生态系统演变及完整性机制、陆海连通运河河口生态环境效应与风险防控等方面取得突破。
（2）大型通航建筑物与航道高效安全及长寿命设计。运河航道与通航建筑物面临建设环境复杂、上下游水位变幅大、布置空间受限、水资源时空分布不均、盐咸侵蚀、水流冲刷等问题，亟须突破省水船闸快速输水与复杂系统水动力安全协同保障、超大型升船机多系统耦合作用与稳定机制、长距离通航隧洞设计与船舶航行安全、多因素耦合作用下航道岸坡冲刷失稳与预报预警，以及航运枢纽材料-结构劣化机理与长寿命韧性提升机制等关键技术瓶颈。
（3）现代运河工程绿色低碳建造与管理。现代运河建造面临工程安全与绿色低碳协同的重大挑战，主要包括土石方开挖量大、边坡支护数量多、大体积混凝土质量控制难，以及绿色低碳建造管理要求高等问题，亟须在大规模工程渣土堆存稳定性及资源化利用、长距离运河工程低环境影响开发技术、现代运河工程智能建造与多装备人机协同、工程低碳绿色建造与管理等领域取得创新突破。
（4）智能建造与生命周期智慧运维。现代运河工程的建造与运维面临施工条件复杂、工程量大、运行安全管理要求高、信息体量大、数据传递难等问题。智能化技术是提升运河工程建设整体水平的重要途径，需重点研究运河工程多源异构数据融合分析、运河高密度船舶智能监管、运河工程运行风险识别与状态诊断、跨水系大型运河工程全寿命期信息管控、智能化施工方法、智慧化运行安全管理、航运基础设施智慧运维与科学决策等关键问题。
在新形势下，围绕水系重构与绿色安全防控、跨流域水网水生态系统调控与修复、通航建筑物安全运行与能力提升、重大工程低碳设计与绿色智能建造、绿色材料与结构韧性、低碳智慧运维，以及全寿命安全保障等前沿问题开展基础研究，着力解决现代运河工程建造过程中安全、绿色、韧性、智能协同的科学挑战，将是实现现代运河工程多功能需求和高标准、高质量、强韧性目标的关键任务。
为加强现代运河基础理论研究，提前部署预先研究，以期更加高效地科学支撑重大水利基础设施建设、促进现代运河高质量发展，助力“双碳”目标的实现，国家自然科学基金委员会于2024年3月28—29日在广西钦州召开了第362期双清论坛——现代运河工程绿色建造与运维基础科学问题。这是有史以来水利工程领域首次围绕运河工程基础科学研究召开的一次重要学术论坛。此次论坛围绕“现代运河工程水沙输移与区域水安全”“运河航道与通航建筑物高效安全及长寿命设计”“现代运河工程绿色低碳建造与管理”“现代运河工程智能建造与智慧运维”等议题梳理了现代运河工程科学内涵，总结了现代运河工程绿色建造与运维所面临的重大挑战，凝练并提出了运河建设亟须关注和解决的重大科学问题。根据第362期双清论坛专家共识，本期《前瞻科技》“现代运河工程科学与技术”专刊组织了12篇论文，较为系统地介绍本次双清论坛的研讨成果，以期为现代运河的论证、规划、设计、施工和运维等研究，以及政府部门的科学决策提供重要参考，进一步推动中国现代运河工程基础研究的高质量发展。
客座主编
第362期双清论坛共同主席 
中国工程院院士
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2025年第4卷第3期
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- 出版时间：2025-09-20
- 发布时间：2025-10-17
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表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
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