2021 年度大禹獎科技進步特等獎長三角地區(qū)水安全保障技術(shù)研究與應(yīng)用

項目針對長三角地區(qū)面臨的洪澇災(zāi)害、水資源供給、水生態(tài)環(huán)境等突出問題，以提升區(qū)域水安全保障科技支撐能力為總目標(biāo)，圍繞洪澇風(fēng)險可控、水資源調(diào)配均衡、水環(huán)境容量提升的具體目標(biāo)，從理論方法、技術(shù)體系、平臺裝備和示范應(yīng)用層面開展研究，創(chuàng)新了區(qū)域水循環(huán)演變、河湖水動力與水環(huán)境響應(yīng)機制、河湖多尺度水資源協(xié)同調(diào)度3個理論，突破了太湖全湖區(qū)風(fēng)生流大比尺物理模型構(gòu)建與模擬、長三角風(fēng)—浪—潮作用下防洪安全預(yù)報預(yù)警、平原河網(wǎng)數(shù)據(jù)同化與多尺度分級智能模擬、多目標(biāo)復(fù)雜江河湖庫水資源協(xié)同聯(lián)合調(diào)度和平原河網(wǎng)水動力智能調(diào)控、城市水品質(zhì)提升等10 項關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了水循環(huán)模擬平臺和一體化海島海水淡化裝備，形成了長三角水安全保障系統(tǒng)性解決方案。

目前，項目技術(shù)成果已經(jīng)在長三角地區(qū)系統(tǒng)應(yīng)用，建成防洪安全保障、水資源聯(lián)合調(diào)度、水環(huán)境品質(zhì)提升3 類7 個示范區(qū)，實現(xiàn)了枯水季節(jié)供水保障率提高10%、河網(wǎng)水體流動性提高10%以上，形成15 億m3以上水資源當(dāng)量效益，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益超36 億元，社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境間接效益數(shù)百億元。

此外，成果還推廣應(yīng)用到長三角的上海（嘉定、臨港）、南京、無錫、徐州、寧波、紹興、湖州、嵊泗以及珠三角的廣州（南沙）、佛山、中山、東莞、天津、成都等20 多個地區(qū)，顯著提升了長三角地區(qū)水安全保障能力和區(qū)域綜合競爭力，將在長三角一體化發(fā)展國家戰(zhàn)略中發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。

2021 年度大禹獎技術(shù)發(fā)明一等獎復(fù)雜條件下土工多場多尺度測試關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

土工測試是巖土工程學(xué)科的重要方向，肩負著獲取土的基本參數(shù)、研究土的物理力學(xué)性質(zhì)、建立土的本構(gòu)模型、監(jiān)測與評估巖土工程安全等重任。項目針對新階段我國水利工程建設(shè)面臨的高應(yīng)力、高水頭、高寒、高地震烈度等復(fù)雜條件，圍繞應(yīng)力、變形、滲流、溫度等多場耦合作用下單元尺度、模型尺度、原位尺度的土工測試關(guān)鍵技術(shù)，形成了系列原創(chuàng)成果，具體體現(xiàn)在：

①針對高寒區(qū)土體長時間跨度凍融循環(huán)模擬與現(xiàn)場測試中的難題，提出了超重力條件下基于半導(dǎo)體換熱的土體干濕—凍融循環(huán)模擬關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)了國內(nèi)外首臺超重力場凍融循環(huán)離心模型試驗系統(tǒng)，研制了土體全斷面凍脹變形和三維凍脹力監(jiān)測設(shè)備，突破了土體多維凍融特性測試的技術(shù)瓶頸。

②為解決傳統(tǒng)技術(shù)在高應(yīng)力、高水頭、大長度條件下的變形監(jiān)測與滲流測試短板，自主研發(fā)了高土石壩壩體內(nèi)部變形測量管道機器人系統(tǒng)及基于分布式傳感光纖技術(shù)的變形測量技術(shù)，研制了國內(nèi)外最大尺寸的雙向數(shù)控滲透儀，實現(xiàn)了超長土石壩內(nèi)部變形的連續(xù)高精度監(jiān)測、160m 水頭和6MPa上覆荷載下筑壩材料滲透試驗，突破了高應(yīng)力、高水頭條件下變形監(jiān)測與滲流測試技術(shù)瓶頸。

③圍繞高地震烈度下土體動力測試過程中圍壓控制、超重力場振動臺大尺度模擬的難題，發(fā)明了液壓驅(qū)動圍壓補償技術(shù)，自主研制了國內(nèi)外首臺大型液壓式振動三軸儀，研發(fā)了NS-2 型電液伺服液壓驅(qū)動式離心機振動臺，滿足了高地震烈度下大型水工建筑物動力測試與物理模型試驗的需求。

④創(chuàng)新土體接觸特性測試技術(shù)，自主研制了NHRI-4000 型高性能大型接觸面直剪儀，滿足了土與結(jié)構(gòu)物接觸面特性測試的需求，研發(fā)了土體薄弱層面剪切強度特性的三軸測試方法，實現(xiàn)了試驗過程中土體剪切帶參數(shù)的精準(zhǔn)捕捉。

2021 年度大禹獎科學(xué)普及獎《威水超人》澳門節(jié)水系列科普作品

《威水超人》（“威水”是粵語中“厲害、了不起”的意思）是我國首套以“節(jié)水”為主題的粵語系列科普作品，作品立足澳門實際，采取了話劇、廣告、AR、繪本等形式，動靜相宜、形神皆具、視聽兼?zhèn)?。話劇舞臺性、代入感強，情節(jié)沖突引人入勝，通過藝術(shù)加工形式向觀眾直接展示節(jié)水宣傳主題；廣告詼諧幽默，受眾范圍廣，宣傳普及率高；AR 技術(shù)的應(yīng)用通過手機端實現(xiàn)交互，極具視覺沖擊力和感染力，使節(jié)水工作普及宣傳有效實用；繪本主題鮮明、淺顯易懂、色彩繽紛，獨創(chuàng)的小游戲讓小朋友和家人、老師等深度參與節(jié)水小任務(wù)，實現(xiàn)多元互動，節(jié)水妙招即學(xué)即會，深入人心。系列作品科普受眾以學(xué)生為主體，繼而擴展到澳門全社會，宣傳我國水資源狀況和澳門水情，開展節(jié)水科普教育，傳播節(jié)水知識，將節(jié)水理念落實到生活中的點點滴滴。同時，系列作品體現(xiàn)了“飲水思源”的主題理念，通過“同飲一江水，思源懷祖國”等科普主題大力弘揚愛國主義教育。

系列作品得以廣泛推介，科普范圍立足本地、輻射全國，覆蓋了澳門75%以上幼小學(xué)校，節(jié)水英雄“威水超人”和“水汪汪姐姐”已成為澳門節(jié)水宣傳代言人，促進了澳門全民節(jié)水認識和節(jié)水習(xí)慣的形成，取得了顯著的節(jié)水宣傳效果。

2021 年度大禹獎創(chuàng)新團隊獎大連理工大學(xué)高土石壩等土工構(gòu)筑物高性能分析軟件研發(fā)創(chuàng)新團隊

我國約82%的水能資源集中在西部地區(qū)，該地區(qū)地震頻發(fā)、強度大，強震區(qū)建壩“難以避讓”，抗震安全是大壩設(shè)計的重中之重。商業(yè)通用軟件難以滿足高土石壩等大型土工構(gòu)筑物建設(shè)中面臨的多場耦合、強非線性、非連續(xù)、跨尺度、精細化分析等計算難題與技術(shù)挑戰(zhàn)，基于通用型商業(yè)軟件的二次開發(fā)也面臨難度大、黑匣子多、調(diào)試?yán)щy等問題，更為重要的是沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，時刻存在“卡脖子”的風(fēng)險。

研究團隊聚焦國家重大戰(zhàn)略需求，依托國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、重大項目、重點項目等30 余項國家級課題，通過整合“七五”“八五”“九五”“十五”期間開發(fā)的有限元分析程序，重構(gòu)了新一代軟件框架，并經(jīng)過持續(xù)20 余年潛心研究積淀，集成國內(nèi)外先進理論方法及團隊創(chuàng)新成果，自主研發(fā)了高土石壩等土工構(gòu)筑物高性能分析軟件系統(tǒng)GEODYNA7.0 及系列配套軟件（包括穩(wěn)定分析GeoStable、FemStable2D 和FemStable3D、可視化前處理ArcherPre、反演分析InverProcedure 等），源代碼約40 萬行，克服了商用軟件深度開發(fā)難、調(diào)試?yán)щy等諸多局限性，攻克了大壩—庫水—地基全體系動力耦合作用、筑壩材料強非線性、非連續(xù)和跨尺度精細化等一系列重大技術(shù)難題，實現(xiàn)了我國高土石壩抗震安全分析軟件完全取代國外商用軟件，消除了“卡脖子”的威脅。

團隊出版學(xué)術(shù)專著4 部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文180 余篇（SCI收錄90 余篇）；獲國家科技進步獎和自然科學(xué)二等獎3 項、省部級科技特等獎和一等獎9 項。研發(fā)軟件系統(tǒng)支撐了近100 名研究生的學(xué)位論文研究，推廣應(yīng)用于我國50 多個土石壩工程（七度以上地震區(qū)200m 以上高土石壩應(yīng)用率約90%）和17 個核電廠工程（百萬千瓦級的核電廠應(yīng)用率約85%）。研究成果得到行業(yè)廣泛認可，為我國水利水電工程技術(shù)成為走向世界的“國家名片”提供了關(guān)鍵支撐，經(jīng)濟與社會效益顯著。

團隊主要由8 名高土石壩等土工構(gòu)筑物抗震和數(shù)值分析方向的學(xué)術(shù)骨干組成，包括中國工程院院士1 名、長江學(xué)者特聘教授1 名、國家“百千萬人才工程”入選者1 名、長江學(xué)者青年教授1 名、新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃入選者1 名、中國科協(xié)青年人才托舉工程入選者1 名。