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国家水网建设与交通网、能源网多网融合发展现状与科技需求

Current status and science and technology demand of integrated development of national water network construction with transportation and energy networks

戴济群

（南京水利科学研究院，210029，南京）

摘要：基础设施是经济社会发展的重要支撑。加强水利、交通、能源等网络型基础设施建设，实现水网与交通网、能源网等多网融合是可持续发展的必然趋势。通过总结网络型基础设施研究进展，探讨了推动水利、交通、能源等网络型基础设施融合发展的必要性，介绍了水利与交通融合的平陆运河工程，水利与能源融合的黄河流域能源基地供水保障工程，水利与交通、能源融合的三峡工程等多网协同融合实践案例，探究统筹多网融合发展的系统理论方法与关键技术问题，指出目前对统筹多网融合发展的系统理论方法与关键技术研究较为匮乏，表现在理论架构、方法模型与技术体系缺乏以及技术支撑体系不完善等方面。结合水网与能源、交通产业协同融合发展现状，分别提出了相应科技需求，同时结合国家水网建设，提出水网与交通网、能源网等多网融合发展的科技需求，为国家水网建设与交通网、能源网等多网融合发展提供支撑。

关键词：国家水网；交通网络；能源网络；融合发展；新质生产力；科技需求

作者简介： 戴济群，党委书记、院长，正高级工程师。

基金项目： 国家重点研发计划（2023YFC3206500）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y924005、Y924006）。

基础设施是一个国家综合国力、自主创新能力以及现代化水平的重要标志。全面加强基础设施建设，对保障国家安全、推动高质量发展都具有重大意义。党的十八大以来，我国在水利工程、交通枢纽、战略能源储备等方面取得了一系列世界领先的成果，基础设施整体水平实现了跨越式提升。习近平总书记在中央财经委员会第十一次会议上指出，要加强交通、能源、水利等网络型基础设施建设，把联网、补网、强链作为建设的重点，着力提升网络效益。

在推动经济社会高质量发展的新进程中，水利是实现高质量发展的基础性支撑和重要带动力量。加快构建国家水网主骨架和大动脉，推进重点水源、灌区、蓄滞洪区建设和现代化改造，统筹解决水灾害、水资源、水生态、水环境问题，是以习近平同志为核心的党中央作出的重大战略部署。航运是水资源综合利用的重要组成部分、国家综合立体交通网的重要组成部分，同样也是支撑交通强国建设的重要抓手。中共中央、国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》明确指出，将建设以“四纵四横两网”高等级航道和国境国际通航河流为主干的国家航道网。能源是人类文明进步的基础和动力，我国以年均约3.3%的能源消费增长支撑了年均超过6%的国民经济增长。根据《“十四五”现代能源体系规划》，能源基础设施应具备保障人民生产生活用能、保障产业链供应链稳定、带动能源产业链发展、保障国家能源安全等功能。构建现代化基础设施体系，实现水网、交通网、能源网三网融合是可持续发展的必然趋势，也是基础设施发展的高阶形态。本文通过总结网络型基础设施研究进展，探讨了推动水利、交通、能源等网络型基础设施融合发展的必要性，介绍了三峡水利枢纽工程、平陆运河工程等多网协同融合的实践案例，针对水网与能源、交通产业协同融合发展现状，分别提出了相应的科技需求，为国家水网建设与交通网、能源网多网融合发展提供支撑。

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网络型基础设施研究进展

构建国家水网是实现水资源全局性配置、保障我国水安全的重大战略部署。自《国家水网建设规划纲要》发布以来，我国加快推动国家骨干网、省级水网、市级水网、县级水网建设。国家综合立体交通网连接了全国所有县级及以上行政区、边境口岸、国防设施、主要景区等，并注重存量资源优化利用和增量供给质量提升，最终形成铁路、公路、航运、水运等综合立体交通网。目前我国“六轴七廊八通道”主骨架已基本形成，服务着全国约90%的经济和人口。同时，我国能源供应保障能力不断增强，基本形成了煤、油、气、电、核、新能源和可再生能源多轮驱动的能源生产体系，成为世界能源生产第一大国。

网络型基础设施融合发展的一个重要特征是打破资源壁垒，建立不同行业相互关系，国际上活跃的水-能-粮理念的提出与探索正是基于系统性规划的直接体现。保障水安全、能源安全和粮食安全是复杂的系统性问题，水、能源、粮食之间存在复杂的相互关系，同时气候变化、城市化、人口增长等诸多因素也会对这种纽带关系产生影响。国内外围绕水与粮食、能源等领域协同发展的认识、融通、保障等方面问题，在协同融合机理、布局优化、安全保障、耦合模拟工具等方面开展了初步研究，为开展水与关联要素协同发展深入研究奠定了基础。2011年，国外首次提出了“水-能源-粮食”纽带系统风险概念，将“水”列于首位。同年，斯德哥尔摩国际环境研究院（SEI）认为“可用水量”是“水-能源-粮食”纽带关系的核心要素。2013年，联合国亚太经济社会理事会在《亚太地区水-粮食-能源纽带关系报告》中提出，此种纽带关系在时间和空间上具有紧密联系，气候变化、金融危机、城市扩张及过度消费等外部因素会对该关系产生影响。同年，亚洲开发银行提出现有水资源管理理念未考虑水资源的有限性，以及水资源作为经济和社会商品的性质，已不适合现有分配研究体系。2014年，联合国粮农组织（FAO）从粮食安全角度对“水-能源-粮食”纽带关系进行了阐述，并认为土地、水、能源、资本以及人力资源是实现社会经济和环境目标的资源基础，应当以利益相关者对话为核心和基础收集证据、构建情景，从而制定解决方案。此后国内外基于该纽带关系理念进行了大量扩展研究，并陆续发展了“水-能源-粮食-碳”“水-能源-粮食-土地”“水-能源-粮食-生态”“水-能源-粮食-土地-气候”等复杂系统纽带关系。

国内自2014年以来陆续开展相关研究，探索构建了“水-能源-粮食”互动耦合关系，以及水网布局与城镇网、农业网、生态网“四网协同布局”关系，该关系具有复杂工程系统多尺度行为特征，由于系统维度过于庞大，解析困难，尚未形成可接受、可统一的多网协同发展基础理论体系，也缺少水网与单网、多网各项业务深度融合的协同性、适配性评价基础理论方面的突破。在关键核心技术方面，国外相关研究主要围绕单一行业领域特定的涉水业务应用场景开展，如农业水资源配置技术、水力发电技术、内河航运航道与枢纽工程建设技术等，缺乏多网协同融合的共性技术，且缺乏水网与单网、多网深度融合的协同一体化关键技术体系。商业模型方面，国外现有成果主要聚焦服务于单一行业领域，少数是跨行业、跨领域软件拼接，例如有支撑水资源规划的WEAP软件、支撑能源规划的LEAP软件、用于“水-能源-粮食”纽带关系模拟的WEF Nexus Tool 2.0工具、用于国家宏观涉水政策模拟的CGE模型等。国内研究以实用、管用的单一目标导向系统建设为主，如水利、水电、航运枢纽工程运行管理系统等，但尚未形成服务于多网融合与协同发展的软件、系统及工具。如何进一步提升水网与多网融合的广度、深度和协同度是未来研究的重点。

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国家水网建设与交通网、能源网多网协同融合的必要性

1.坚定不移贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路的具体实践

我国水资源分布与人口、耕地、能源等经济社会要素不适配，北方水资源超载问题突出，亟须提升水资源时空均衡配置能力。我国全年降水量、河川径流量的60%～80%集中在汛期，水资源年内集中程度高，且年际变化较大。耕地面积、人口、经济总量分别占全国64%、46%和45%的北方地区，水资源量仅占19%；全国70%以上城市群、90%以上能源基地、60%以上粮食主产区位于水资源紧缺地区。我国发展形势的新变化、人民群众对美好生活的新期待、城乡饮用水等供水从达标到优质转变的新要求，为水资源时空均衡配置带来新的挑战。应坚持以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路为引领，以流域为单元，统筹山水林田湖草沙系统治理，系统谋划水利、交通、能源工程，把水资源作为最大刚性约束，加快构建国家水网主骨架和大动脉，强化国家水网建设与交通网、能源网多网融合发展，打造完备的网络型基础设施工程体系。

2.促进生产要素均衡配置的有效手段

加强水利、交通、能源等网络型基础设施融合发展可以实现资源合理分配利用，缩小地区差距，推动区域从经济均衡走向系统均衡。我国水利、交通及能源资源的分布在不同区域呈现出显著不均衡性，如：水资源在南方地区相对丰沛，而北方部分区域则较为缺水；交通方面，东部地区如江苏、山东、浙江等省份铁路营运里程较高，铁路密度可达每百平方公里300~500m，而西部地区如青海、西藏、新疆等省份铁路密度可能仅为每百平方公里几十米，局部地区甚至更低；能源资源多集中于特定区域，其中煤炭资源主要分布于山西、陕西、内蒙古等地，而东部沿海地区能源需求旺盛，但其本地能源储备却相对不足。水利、交通、能源等网络型基础设施的融合发展，能够有力打破此类资源分布的地域局限，进而实现资源在区域间的均衡分配。

3.建立全国统一大市场的重要抓手

加强水网建设与交通网、能源网多网协同发展，对于打破区域壁垒、促进要素高效流动、推动市场一体化建设具有重要意义。完善的基础设施可以降低运输成本、生产成本。能源和水利基础设施融合发展为物流行业提供稳定的能源供应和水资源保障，降低运营成本。跨区域能源输送通道将能源从资源丰富地区输送到需求旺盛地区，减少了能源浪费和损失，降低了能源价格。交通和水利基础设施融合发展为能源行业提供便利运输和水资源保障，降低生产成本。能源互联网的建设提高了能源利用效率，降低了能源成本。其次，交通网络的完善能够极大地缩短区域之间时空距离，使人员、物资、资金等生产要素更加便捷地跨区域流动。能源网络的融合发展可确保能源稳定供应，为要素流动提供动力保障。水利网络则保障生产生活用水，为经济活动提供基础支撑。三者融合发展强调政府部门协调合作，有助于打破地区行政壁垒，建立统一市场规则和标准，提高市场效率。

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国家水网建设与交通网、能源网多网协同融合实践

随着水利、交通、能源等领域的网络型基础设施需求不断增长，我国已涌现出三峡水利枢纽工程、平陆运河工程等一系列多网协同融合的工程实践案例。

1.水利与交通融合的平陆运河工程

平陆运河是西部陆海新通道的骨干工程和加快建设交通强国的标志性工程，是推动区域地理重构、促进流域经济发展的核心载体。平陆运河被纳入中共中央、国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》和国务院印发的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》中。2022年3月，平陆运河工程正式批准立项，预计2026年年底前主体建成，近期将加快龙滩、洋溪、梅林等枢纽通航设施建设，打通水运网断点堵点。平陆运河工程建成后将与西江航运干线形成可通航5000吨级船舶的“一纵一横”骨干航道，形成以平陆运河为牵引的水运体系，届时可与承担防洪、航运、灌溉、发电等多任务的综合性水利枢纽共同优化调度，实现交通网和水网融合发展，实现更大的综合效益。

2.水利与能源融合的黄河流域能源基地供水保障工程

目前我国重点建设的晋北、晋中、晋东、神东、陕北、黄陇、宁东、鲁西、两淮、云贵、冀中、河南、内蒙古东部、新疆等14个亿吨级大型煤炭基地，涉及102个矿区，主要富集在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等地。其中，神东、晋北、晋中、晋东、陕北大型煤炭基地处于我国中西部，主要担负向华东、华北、东北等地区供应煤炭，并作为“西电东送”北通道电煤基地。黄陇（含华亭）、宁东基地担负向西北、华东、中南地区供应煤炭。新疆基地主要供应疆内和甘肃等邻近省（自治区、直辖市），中长期供应川渝和中部地区。据统计，山西、陕西、内蒙古三省（自治区）煤炭产量约占全国的66.82%。但我国水资源与煤炭资源呈逆向分布，煤炭富集的黄河流域属于缺水地区，尤其“几字弯”区能源基地的开发迫切需要供水保障支撑。随着古贤、黑山峡等一批重大水利工程的推动，以及再生水、矿井水等一批非常规水源工程的建设，水利与能源融合的黄河中游能源基地将成为我国高质量发展的重要支撑。

3.水利与交通、能源融合的三峡水利枢纽工程

三峡工程是治理、保护和利用长江的关键性骨干工程。防洪是三峡工程的首要任务，三峡水库防洪库容221.5亿m³，能控制荆江河段洪水来量的95%以上，控制武汉以上洪水来量的2/3左右，使荆江河段防洪标准由10年一遇提高到100年一遇。同时，三峡电站总装机2250万kW，居世界第一，是我国“西电东送”“南北互供”的骨干电源和重要清洁能源生产基地，多年平均年发电量约占全国总发电量的1%，其中2018年发电量首次突破1000亿kW·h。此外，三峡工程极大地改善了长江通航环境，发挥了巨大航运效益。三峡船闸为双线五级船闸，年单向通过能力5000万t，是世界上规模最大、连续级数最多、水头最高、运行条件最复杂的内河船闸。三峡工程作为水利与交通、能源融合的典范工程，得到习近平总书记重要批示，指出：“三峡工程的成功建成和运转，使多少代中国人开发和利用三峡资源的梦想变为现实，成为改革开放以来我国发展的重要标志。这是我国社会主义制度能够集中力量办大事优越性的典范，是中国人民富于智慧和创造性的典范，是中华民族日益走向繁荣强盛的典范。”

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水网建设与交通网、能源网多网协同融合的科技需求

现实中水网与交通、能源等领域的国家战略实施协同融合密切，但国内对统筹发挥多网融合发展的系统理论方法与关键技术等方面的研究较为匮乏。一是多功能网络系统之间的融合机制不足，缺乏水网与交通、能源互联互馈关系量化技术，多要素统筹的水平衡理论方法有待深化；二是在水网与交通网融合发展方面，航运与水资源配置调度、水生态环境保护治理之间协同发展的技术支撑体系还不完善，缺乏水网与交通基础设施的融合设计、建设技术与装备；三是在水网与能源网融合发展方面，相关的理论架构、方法模型与技术体系缺乏，水网与新型电力系统的协同技术与装备亟待突破；四是云计算、大数据、量子技术、虚拟现实等新技术对多网融合调度创新赋能仍存在不足。结合现存问题与推动高质量发展的新要求，提出多网协同融合的部分科技需求。

①水网与交通航道网协同融合发展科技需求。研发水网工程与航运工程融合设计理论与方法，研究水网与航道网融合发展技术体系；研究水网与浙赣粤、汉湘桂、松辽等跨水系人工运河协同建设与安全高效节水运行成套技术；研发新水网格局下航道网基础设施更新改造与韧性提升技术与装备；研发水网与航道网安全协同保障及应急处置技术与装备；研究航道网对水网生态环境影响机制，研发生态水网建设中航运绿色升级关键技术及装备；研究水网与航道网多目标优化调度技术，研发数字化、智能化协同融合技术与统一调度平台。通过关键技术研发，构建水网与航道网融合发展的理论方法、成套技术、装备与平台，推动水网与交通网协同融合发展。

②水网与能源网协同融合发展科技需求。研究“四水四定”和“双碳”目标下水网与能源网协同融合发展的理论方法与技术体系，研发水网格局与能源网、电力系统布局协同优化关键技术；研究高耗水能源行业全过程深度节水技术，研发非常规水高效利用技术与装备；研发能源网绿色低碳转型升级关键技术与装备，研究与能源行业协同融合的多维水资源精准配置技术；研究新水网格局下“水火核风光储”多能综合利用与提质增效理论方法及关键技术，研发水-能联合调度关键技术与平台；研究能源基地与水网生态环境互馈影响机理，研发能源基地与水网协同生态化建设与改造技术。通过关键技术研发，构建水网与能源网协同融合发展的理论方法、成套技术、装备与平台，推动水网与能源产业协同融合发展。

③水网与交通网、能源网多网融合发展科技需求。研究防洪、供水、发电、航运、灌溉等时空多目标均衡的复杂网络调度理论，研发水网与交通网、能源网互联互馈关系量化技术，建立多要素统筹的水平衡理论方法。聚焦系统工程理论与社会学理论研究，从系统工程角度分析水网与交通网、能源网多网融合及社会发展之间的相互关系，发展系统安全与防灾减灾理论，研究跨层级多网协同和工程联合调度技术。开展网络型基础设施投融资体制相关研究，为跨行业融合化基础设施的投资—建设—运行—维护可持续发展提供技术支撑。针对水利、交通、能源基础设施施工要点，开展绿色低碳建设与智能化改造（智能大坝、智能交通等）。针对当前水利、交通、能源等领域因各自技术特点与发展需求不同，结合三网融合发展所需的数据呈现出海量、广泛、高维、异构等特点，研发多网融合海量多源异构数据的高效清洗、融合、挖掘技术，构建多模态智能大模型，加强云计算、大数据、量子技术、虚拟现实等新技术对多网融合的创新赋能，聚焦数据融合平台建设，推动互联互通，按照统一的数据编码标准与信息交互标准，实现多网融合数据的共享与发布。

针对以上科技需求，加快制定水网与交通网、能源网多网融合发展的规划与标准，明确融合的总体布局、重点项目、实施步骤和保障措施。建立技术标准和规范，确保不同网络之间的兼容性和互操作性。同时强化合作交流，推动水利部门与交通、能源行业的企业、科研机构建立合作关系，共同开展技术研发、项目合作等，实现资源共享、优势互补，提高水利行业在三网融合中的竞争力。

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结论

①水利、交通、能源等基础设施是国家发展的血脉、动力源和生命之泉。推动水利、交通、能源等基础性网络设施融合发展不仅顺应经济社会发展趋势，更是创新发展模式的集中体现。三网融合有助于实现资源优化整合与高效利用，实现信息共享、协同规划以及联合运营，是促进生产要素均衡配置的有效手段。

②随着水利、交通、能源等领域的网络型基础设施需求不断增长，我国已涌现出三峡工程等一系列多网协同融合的工程实践案例。现实中，水网与交通、能源等领域的国家战略实施协同融合密切，但对统筹发挥多网融合发展的系统理论方法与关键技术等方面的研究较为匮乏，表现在理论架构、方法模型与技术体系缺乏，以及技术支撑体系不完善等方面，尚不能满足经济社会高质量发展目标的要求。

③针对水网与交通网、能源网协同融合发展现状，提出了相应的科技需求，同时结合水网建设提出水网与交通网、能源网多网融合发展的科技需求，并根据当前工作方向提出具体工作要点，为国家水网建设与交通能源多网融合发展提供支撑。

Abstract: Infrastructures provide a critical support for economic and social development. It is an inevitable trend of building network-based infrastructure of water resources, transportation and energy, so as to achieve integration of multiple networks for sustainable development. By summarizing research progress, the necessity of promoting integrated development of network infrastructure of water, transportation, and energy are discussed. Introductions are made on typical cases, such as the Pinglu Canal that integrate water and transportation, water supply for energy base in the Yellow River Basin that integrate water and energy, and the Three Gorges Project that integrate water, transportation, and energy. The research on systematic and theoretical methodologies and key technical issues related to integration of multi networks indicates that we lack of in-depth studies on theoretical framework, methodology and model, as well as technical system and technical support mechanism. Taking the current situation of coordinated and integrated development of water, energy, and transportation networks into consideration, technological requirements are proposed. At the same time, combined with construction of national water network, technological requirements for integrated development of multiple networks of water, transportation and energy are also put forward, in order to support integrated development of national water network, transportation network and energy network.

Keywords: national water network; transportation network; energy network; integrated development; new quality productive forces; science and technology demand

本文引用格式：

戴济群.国家水网建设与交通网、能源网多网融合发展现状与科技需求[J].中国水利，2024（24）：16-20+47.

封面摄影｜ 柴选

责编｜ 董林玥

校对｜ 吕彩霞

审核｜王慧

监制｜ 轩玮

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