中国工程院院士、河海大学党委书记唐洪武在第四届水安全与可持续发展国际高端论坛-南沙分论坛上指出，当前广州市南沙区面临的种种水问题均与水动力有关，水动力过程是核心。南沙水治理的总体构架要按照水利部智慧水利及数字孪生相关规划、技术导则的要求，建设南沙平原水网区陆海统筹、地表地下耦合的数字孪生水网平台。

南沙区面临的水安全挑战

广州南沙区地处粤港澳大湾区地理几何中心，是连接珠江口两岸城市群和港澳地区的枢纽性节点，是国家级新区、自贸试验区、粤港澳全面合作示范区。2019年2月，中共中央、国务院印发《粤港澳大湾区发展规划纲要》，提出将南沙打造成粤港澳全面合作的示范区，为南沙区的发展指明了方向；2022年6月，国务院印发《广州南沙深化面向世界的粤港澳全面合作总体方案》，给南沙赋予打造立足湾区、协同港澳、面向世界的重大战略性平台的新定位。

南沙区四面环水，内部水网密布，联围13个、外江水道15条、内河涌325条，河网水系复杂，上接上游来水，下受潮流顶托；东、南面是热带风暴常袭击的前沿，风暴潮洪叠加，以洪涝灾害为主的水安全保障需求突出。

唐洪武认为，当前南沙区的洪涝风险依然存在，抗御风险的能力还有不足，特别是风、暴、潮、洪“四碰头”的概率很大。而且河涌水体自净能力差，该地的地势平缓，水动力弱，水流往复，水质与区域定位的目标值还有很大差距。同时南沙区的水生态系统脆弱，水生态系统的构建不完整，水生动植物的多样性低，工程体系效益也未充分发挥，水工程设计的目标任务相对单一。

“过去建泵站以排涝为主，建闸要么挡潮、挡前水，要么就排洪。对于多目标水资源生态环境功能的发挥还不够充分，所以综合效益不是很高。”唐洪武说。

目前，南沙区的极端天气频发，海平面上升明显，预计未来30年广东沿海海平面将上升70~170mm。台风潮爆频发，设计潮位抬高，洪涝风险大。河网局部水动力弱，水体连通性差。区域有13个联围、布置闸泵258座，缺乏连片治理，水体流动性差。此外，南沙区的水利工程系统性不强，智能化水平有待提升。

水问题系统治理技术—水动力重构

唐洪武表示，南沙区面临的种种水问题均与水动力有关，水动力过程是核心。当水动力过载会发生洪涝灾害，而当动力过缓即“流水不腐”时，水生态环境就会恶化。

洪涝、水资源、水生态环境都与水动力有着不可分割的关系。河网区地势低洼、滨江临海会导致水动力弱；河网区地势平坦则无法修建大型蓄水设施；河网区水动力弱会导致水流流速小，自净能力差。

唐洪武指出，流速是水动力的重要参数，由平均流速和脉动流速组成。“事实证明，较大的水流流速可以抑制藻类生长，能改善水体的富营养化程度。鱼类的偏好流速也是判断水力环境是否适合鱼类生存的重要指标。”

在河网区弱水动力的特征下，脉动流速在环境治理和生态维系中的作用极为突出。他认为，应当综合考虑平均流速和脉动流速，充分发挥水动力在维持和改善河网水生态环境上的重要作用，实现量质并举，达到水资源的高效利用。

目前我国的河网区已建设大量水闸泵站等工程，为水动力的再构提供了条件。那么，如何加大平均流速和脉动流速，实现量质并举？唐洪武指出，要利用自然能量以及辅助人工赋能。“自然动能都是周而复始、清洁环保，可以通过高效利用自然动能转化为水流动能，提高河网的水动力。比如水流势能的利用、潮汐动能的利用，通过工程措施来实现能量的转换。”

水动力再构是基于自然 - 人工双驱动下，充分利用水工程体系（水库、水闸、泵站、蓄滞洪区等），通过调节比降和糙率等关键参数，再构水力要素（流速、紊流脉动、水位等）与目标需求相协调的水动力时空格局。如举世闻名的都江堰堪称水动力再构的典范，李冰父子巧用自然水动力，实现了防洪、供水、减淤的统一，创造了治水史上的传奇。

河流再自然化是水问题系统治理的又一创新思路，即通过工程和管理措施，使人工化、渠道化的河流廊道恢复原有的自然特性和生态功能，是目前全球广泛接受的河流治理的先进理念。唐洪武分析道，基于水动力因子构造河流自然的河 型、河岸、河床，可重构河流生境、恢复河流的自然属性，保障河流的社会经济、生态功能，实现人与自然的和谐共生。

水动力再构理论方法和工程技术

为了充分发挥水工程体系的优势和综合效益，深挖水动力在防洪排涝、水资源配置、水生态环境改善中的作用，利用水库、水闸、泵站等水工程体系，优化再构水动力时空格局，是新老水问题综合治理的关键。

唐洪武认为，随着治水目标的增加，水动力时空重构的考虑因素越来越多，需要不断丰富和发展相关水动力再构理论。传统水流概念要发展为“水流 + 介质流 + 生物流”，要从单一工程发展为工程体系——即从系统治理的角度分析，它已经不是单一工程。“要从单一目标发展为多目标，多介质耦合输移、多工程扰动响应、多目标优化决策构成了水动力再构的理论内涵。”

他指出，水动力－水环境－生物生境适应性多尺度响应机理，适应从微尺度（水沙界面，微米—厘米级）到中尺度（河道尺度，米—千米 级），再到大尺度的河网尺度（大于千米级）。水动力再构理论方法还包括复杂水系统水动力模拟方法、多目标水力调控智能决策方法以及水系统模拟机多目标调控决策平台，为数字孪生提供核心保障的知识体系。

“水动力再构工程如何发挥更大的作用？要建立一些工程技术，解决紊、脏、冲、淤等问题，是水流能量耗损控制跟自然水动力高效利用，来满足河网区水治理工程建设与安全运行的关键技术需求。”唐洪武说。

水动力再构工程技术局包括交汇流水力重构设计新方法、闸下节能防淤新技术、分层取水排沙新闸型和调控技术与河网活水提质的水动力重构技术。比如交汇流水力重构设计新方法被用于香港元朗地区排水绕道工程，水位自然下降1米 多，防洪能力由10年提升至50年一遇。

同时，随着大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，流域数字孪生将成为水工程体系优化布局与水动力再构的重要支撑。

南沙区水问题治理的思考与探索

唐洪武指出，在广州南沙区河网模拟调度平台与水问题综合治理方面，要研发智慧平台赋能水网洪潮防御。针对复杂洪水风险情势，结合云计算、人工智能、数字孪生等新技术，构建水网洪潮防御智慧平台，通过精准高效水情测报和智能化调度，提升南沙区防洪能力。

其次，建设数字底板和监测感知体系。唐洪武表示：“这是当务之急，可能推行了很多数字孪生都发挥不了作用，因为还需要建立原始的感知体系，而如何构建数据底板是基础。”

同时，要研发机理—数据融合的洪水模拟平台。集成耦合水文水动力、风暴潮、闸泵调度等专业模型，建立多维多时空尺度数学模型；进一步融合机器学习算法，打造机理—数据混合驱动的快速模拟平台，支撑后续数字孪生水网建设。

在唐洪武看来，洪潮过程智能推演、城市暴雨内涝预报预警和应对洪潮的水网智慧调度也是重要环节。比如针对南沙区风暴潮灾害，以2017年“天鸽”台风为例，可以利用智慧平台复演历史洪潮过程。

对于南沙区数字孪生水网建设，唐洪武认为下一步工作是解决水灾害，重要手段是构建数字孪生水网，实现水安全的私域。数宇孪生水网是国家水网的重要组成部分，是实现智慧调控，系统解决水灾害、水资源、水生态、水环境问题的重要手段。通过完善数字底板，形成水网要素全面感知网，完善模型平台，打造模拟仿真核心能力，完善知识平台、支持智慧化决策，实现水安全“四预”，全面提升南沙区水安全保障能力。

具体而言，总体构架是按照水利部智慧水利及数字孪生相关规划、技术导则的要求，建设南沙平原水网区陆海统筹、地表地下耦合的数字孪生水网平台；重点建设内容包括数据底板建设、实现精准预报、风险预警、方案预演，进而形成科学预案。

唐洪武总结道，为了实现河网水灾害、水资源、水环境、水生态等水问题综合治理的目标，首先需要从综合、系统、全局的高度，统筹调适自然动能与外加动力，实现河网水动力时空分布的整体协调。

二是建立水动力系统再构理论技术。“传统的理论是基础，随着很多应用在现代的需求以及AI技术的出现，可以利用工程体系通过智慧化模拟调控的手段，实现流域水动力时空分布的科学再造，可为水问题统筹治理提供新的理论、技术和解决方案。”唐洪武表示。

三是在经济社会高质量发展要求和全球气候变化、极端天气频现的背景下，亟需立足流域、聚焦区域，推动数字孪生水网建设，提升水安全保障的“预报、预案、预警、预演”能力。（本文未经报告人审核）