黃河模擬器建設框架設計及發展布局

左其亭，秦 西，馬軍霞，2

（1.鄭州大學水利與交通學院，河南鄭州 450001； 2.河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室，河南鄭州 450001； 3.鄭州大學黃河生態保護與區域協調發展研究院，河南鄭州 450001）

2008 年11 月6 日，國際商用機器公司（IBM）首席執行官Samuel Palmisano 提出“智慧地球”理念，即將物聯網與數字地球進行整合，以達到使世界運轉智能化的“智慧地球”狀態［1-2］。 此后，借鑒“智慧地球”理念，眾多學者針對流域系統層面的智慧化方案開展了大量研究［3］，例如：蔣云鐘等［4］提出了“智慧流域”概念，探討了智慧流域的總體框架、關鍵技術和支撐平臺，研究了智慧流域在防洪減災、抗御干旱、防治污染、水資源管理中的具體應用；嚴登華等［5］主張充分發揮天然系統對水循環過程的調節作用，提出生態海綿智慧流域建設的總體思路和技術框架；張萬順等［6］構建了三峽庫區水環境水生態智慧化管理云平臺；王璐璐等［7］以城市流域水環境治理為導向進行城市智慧流域一體化平臺設計。 上述研究主要針對某一水問題開展智慧流域系統平臺建設，以水數據管理、水過程模擬及可視化管理系統建設為重點。 流域作為一個自然-經濟-社會-生態復合的巨系統，需要從全局出發，綜合考慮地理、水文、資源、環境、生態、公共管理等多學科內容，構建更加綜合性的流域模擬平臺。 為支撐流域經濟、農業、水利、環保、城市建設等多領域過程模擬和決策管理，夏軍等［8］提出了長江模擬器的概念內涵及系統框架，并提出需要針對每個具體流域的特點研發各自的流域模擬器。

黃河是中國的第二長河，也是中華民族的母親河，自古以來一直為兩岸提供人類賴以生存的資源條件。全球氣候變化加劇和城市化等人類活動的日益增強，以及水土流失、泥沙淤積、水資源短缺、水環境污染、干旱與洪澇頻發、生態環境脆弱、經濟社會發展不協調等［9］，為黃河流域經濟社會發展和生態安全帶來了巨大挑戰。 黃河流域是我國北方地區重要的生態屏障和經濟發展區，在中國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的戰略地位。 2019 年，黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略。 為了將黃河打造成“造福人民的幸福河”，亟須從流域系統層面出發，研發針對黃河流域特點、解決黃河流域問題的智慧化流域系統模擬裝置，以統籌推動流域一體化發展、協同推進流域系統化保護治理。

基于上述背景，本文參考長江模擬器等相關研究，根據黃河流域自身特點，在提出黃河模擬器概念及頂層設計的基礎上，從感知、模擬、服務三大體系出發，構建黃河模擬器的建設框架，并提出黃河模擬器1.0 ～4.0的發展布局，以期為黃河流域保護治理和多領域科學決策提供支撐，并為其他流域模擬器的建設提供參考。

1 黃河模擬器的概念及頂層設計

1.1 黃河模擬器的概念及認知

參考長江模擬器的定義，對黃河模擬器的概念作如下定義：黃河模擬器是指以黃河流域為對象、以流域水循環（包括自然水循環和社會水循環）為紐帶，部署研發的可耦合多系統、統籌多主體、實現多功能、模擬多過程、重點解決黃河問題的一體化流域模擬系統及科學裝置。

根據黃河流域自身特點，從以下幾方面來解讀和認知黃河模擬器：

1）是涵蓋黃河流域整個立體空間范圍的大尺度模擬系統。 黃河模擬器涵蓋黃河流域的全空間范圍，包含上中下游、左右岸、干支流、流域內69 個地級行政區以及流域內整個天-空-地立體空間。

2）是以流域自然水循環和社會水循環為紐帶，耦合經濟、社會、生態、文化等子系統的科學裝置。 黃河流域是一個復合的巨系統，流域水循環作為紐帶將經濟、社會、生態、文化等各子系統緊密聯系在一起。 黃河模擬器不僅包含智慧化模型軟件，而且是一個由大量硬件組成的科學裝置，可實現流域經濟、社會、生態、文化等的協調發展和系統化綜合管理。

3）是可統籌政府部門、企業組織、廣大群眾協同合作的“智慧大腦”。 黃河模擬器可以使黃河流域的運轉更加智能化和高效化，使個人、企業、組織、政府、教育科研機構、不同行業之間以及自然和社會之間的互動更為密切。

4）是可實現基礎監測、數據共享、模擬分析、智能評估、異常預警、綜合決策、優化調控七大功能的智能平臺。 黃河模擬器可集成多種技術方法，并吸收人工經驗，實現場景數字化、模擬智慧化、決策精準化［10］。

5）是可模擬自然過程、人文過程及其交互過程的全過程模擬系統。 黃河模擬器可實現對各種自然要素、人為要素及其耦合作用的全過程模擬。

6）是重點解決黃河保護治理問題的黃河特色模擬器。 黃河模擬器重點針對黃河流域面臨的水土流失、泥沙淤積、生態環境脆弱、發展質量和社會治理能力不高等問題，開展流域保護治理服務，同時推進黃河流域山水林田湖草沙綜合治理、系統治理、源頭治理。

1.2 黃河模擬器的頂層設計

黃河模擬器是以黃河流域為對象，致力于將黃河流域打造成為資源保障區、經濟發達區、生態宜居區、文化彰顯區，可為黃河流域經濟發展、社會穩定、生態治理、人民安全提供決策支持，以實現黃河流域資源要素的合理配置、產業結構的優化分工、生態系統的良性永續發展以及黃河文化的保護傳承，使黃河成為“造福人民的幸福河”。

黃河模擬器是一個龐大的科學裝置，其建設過程涉及眾多交叉學科和理論，面臨超復雜的技術難點和問題，其支撐體系包含四大塊。

1）學科與理論支撐。 黃河模擬器研發需要數學、物理學、地理學、地質學、大氣科學、生態學、計算機科學、水利工程學、管理學、社會學、經濟學等多學科的共同參與，需重點發展地球系統科學、經濟社會科學及信息科學理論［8］。

2）技術與方法支撐。 黃河模擬器研發依托移動通信、物聯網、大數據、云計算、互聯網、遙感、區塊鏈、虛擬現實、人工智能、數字孿生等現代信息技術，同時需充分發揮科技創新的引領作用。

3）工程與設施支撐。 黃河模擬器建設需要加強國家水網（水利工程基礎設施、水文站等）、電網、交通網（道路、橋梁、隧洞等）、監測網（衛星、傳感器、監控視頻等）、移動通信網、物流網等基礎設施和工程建設。

4）制度與管理支撐。 黃河模擬器以各項法律、政策和流域規劃為制度支撐（如《黃河流域生態環境保護規劃》《黃河文化保護傳承弘揚規劃》《中華人民共和國黃河保護法》《數字孿生黃河建設規劃（2022—2025）》等），采取行政、法律、經濟、教育等綜合手段推進黃河流域各項管理工作。

黃河模擬器概念認知及頂層設計見圖1。

圖1 黃河模擬器概念認知及頂層設計

2 黃河模擬器建設框架

基于上述黃河模擬器概念及認知，為落實頂層設計，按照未來50～100 a 的發展布局，提出黃河模擬器建設框架，其由感知體系、模擬體系和服務體系三大體系組成，見圖2。

2.1 感知體系

感知體系是黃河模擬器的信息來源，需要構建天-空-地全流域覆蓋監測網，包括高空、低空、地表、地下4 個空間維度。

1）高空。 主要利用氣象衛星、測繪衛星等人造衛星以及探空火箭、宇宙飛船等航天飛行器，開展覆蓋全流域的全天候實時監測，如對降水、氣溫、土地利用、植被覆蓋、道路交通、城市演變、地質地貌、泥石流、水土流失等的監測。

2）低空。 主要利用飛機、無人機、飛艇等低空飛行器，對流域局部地區進行定期或不定期的巡查和數據采集，如災害易發區域監控、森林火災巡查、河道或建筑集中區域現狀摸排、區域地形地貌信息快速采集、非法用地識別、自然資源調查、國土空間規劃監管等。

3）地表。 通過布設地面傳感器、監測車、監控設施或測站（氣象站、水文站等），或利用水下探測器、水下機器人等，實現對地面沉降、土壤、農作物、水位、流量、水質、水環境、噪聲、空氣質量、生物多樣性、生態環境等的監測，也可構建監測人口流動、生物遷移、道路交通流量等情況的視頻實時監控網。

4）地下。 利用地下傳感器、監測器或物探等手段，探測巖石類型、地下水特征、地質構造、地殼運動、礦產資源，或進行地下管道滲漏監測、地下工程安全監測等。

2.2 模擬體系

模擬體系是黃河模擬器的“大腦中樞”，以全流域數字化場景為基礎，以道路交通網、干支流水系為脈絡，以大型水利工程、建筑集中區域為重要節點，構建多時空多尺度模型，對物理流域進行仿真及可視化模擬，包括災害模擬、污染模擬、城市化模擬、流域水循環模擬以及經濟演變模擬等。

1）災害模擬。 包括自然災害模擬（地震、滑坡、泥石流、山洪、森林火災等）、工程災害模擬（建筑施工事故、水庫滲漏、煤礦透水、潰壩等）、公共突發事件模擬（交通事故、病毒傳染擴散、突發事故中的人口疏散）。

2）污染模擬。 包括水污染模擬（管網污水排放、水污染物擴散、水生態污染、地下水污染等）、土壤污染模擬（土壤輻射、重金屬污染、農藥化肥污染等）、大氣污染擴散模擬（粉塵、氣味等）、噪聲污染模擬（交通噪聲、建筑噪聲等）。

3）城市化模擬。 包括城市化模擬與預測（人口增長、經濟增長、城市規模擴張、城市群演變、土地利用變化等）、城市化影響因素模擬分析（城市化與工業化關系、區域差異等）。

4）流域水循環模擬。 包括自然水循環和社會水循環過程中涉及的一切與人類生產生活相關的模擬，包括自然水循環過程（降雨、徑流、蒸散發、水沙輸移、土壤侵蝕、土壤水分運動等）、社會水循環過程（水資源優化配置、農業面源污染、作物用水優化、地下水開采、水庫調度、閘壩調控等）。

5）其他模擬。 經濟演變模擬、產業布局方案優化模擬（國土空間規劃、產業結構調整等）、二氧化碳排放系統模擬、多系統耦合模擬（水文-氣象、人水關系、水資源-經濟社會-生態、水-能-糧-碳）等。

2.3 服務體系

服務體系提供黃河模擬器的應用功能，其由信息數據共享服務、應急管理決策服務、資源供給保障服務、流域系統治理服務、公共基礎管理服務、文化保護弘揚傳承服務六方面構成。

1）信息數據共享服務。 黃河模擬器的信息數據共享服務具有全要素（經濟、文化、金融、人口、交通、風土人情等人文要素，土壤、地形、地貌、地質構造、山脈、河流、礦藏分布、水文、氣候氣象等自然要素）、全空間（高空、低空、地表、地下）、全時段（過去、現在、未來）、多格式（數字、文字、音頻、視頻、圖像等）、多途徑（軟件、網頁、手機APP 等）、多功能（信息數據的存儲、搜索、提取、處理、分析、預測等）的特性，可面向個人、企業、政府、科研院校、社會組織等不同用戶開放不同權限級別的服務。

2）應急管理決策服務。 是黃河模擬器有效化解流域內部各種矛盾和危機的重要保障，包括風險預警機制（通過智慧監控與專人值守相結合，實現對自然災害、工程事故、公共突發事件等的風險研判和異常預警）、應急響應機制（制訂具有針對性和可操作性的應急預案，實時共享災情并做好人員的緊急疏散，多部門多行業聯動，確保醫療、通信、電力、物資、交通、人員等應急救援保障）、災后修復機制（包括災后損失評估、災后重建、災后心理疏導、經驗教訓復盤等），可有效提升黃河流域應急管理和防災減災能力。

3）資源供給保障服務。 是黃河模擬器保障黃河流域人民生活和各行業各部門正常運轉的最基本服務，包括流域資源供給（城鄉供水、能源開采、糧食生產、電力供應等）和流域安全保障（初級產品供給、防洪安全、水安全、糧食安全、能源安全、信息安全、生態環境安全、通信安全等）。

4）流域系統治理服務。 是改善流域生態環境、緩解黃河流域生態脆弱性的有力支撐，包括生態質量監測平臺（監測生態環境、水環境、水生態、水質、含沙量、植被覆蓋、水土流失、生物多樣性等［11］）、治理服務平臺（治理方案策劃與模擬、治理技術服務等）、治理創新平臺（通過項目競賽、方案征集等方式吸納多方智慧，推動黃河流域治理技術和治理方案可持續創新），可全面統籌黃河流域上中下游，針對黃河流域不同區域水源涵養、水沙調控、生態修復、高質量發展、“雙碳”目標實現、綠色低碳產業發展等提供治理策略和技術服務，實現黃河流域山水林田湖草沙系統化、整體化綜合治理［12］。

5）公共基礎管理服務。 是黃河模擬器為公眾提供公共基礎服務和支撐政府公共管理決策的重要工具，包括流域政務系統（信息公示、建議意見征集、數據獲取申請等）、導航與位置服務（電子地圖、出行信息、流量統計、路線規劃等）、網絡安全監測（數據安全保護、網絡輿情監測、網絡詐騙攔截、異常信息預警等）、戰略決策平臺（政策制定、行業管理、工程調度、產業布局、空間規劃等）。

6）文化保護弘揚傳承服務。 是黃河模擬器提供的一項承載黃河文化、引領正確文化方向的重要服務，包括黃河文物保護（文物資源數據庫、文物保護工程等）、文化遺產挖掘（黃河流域地域文化研究、治水思想、水利遺產、農業文化遺產等）、文化宣傳展示（教育實踐基地、文化遺址數字化仿真、文化旅游線路等）。

3 黃河模擬器發展布局

基于上述對于黃河模擬器的概念認知、頂層設計及其建設框架設計，從感知體系、模擬體系、服務體系三大體系出發，謀劃黃河模擬器未來發展藍圖，提出黃河模擬器1.0 ～4.0 發展布局（見圖3），分別對應黃河模擬器建設的基礎建設階段、全面升級階段、系統聯動階段和智慧完善階段。 需要強調的是，感知體系、模擬體系和服務體系是黃河模擬器建設的基礎和未來長時間研發的共同支撐，三者緊密聯系，相互依存，不可分割。 本文雖然將黃河模擬器的發展布局歸納為4 個階段，但實際上黃河模擬器研發需要由點到線再到面逐步推進，每個階段都包含感知體系、模擬體系和服務體系的逐步發展和共同建設，只是不同階段發展的側重點不同。

3.1 黃河模擬器1.0：基礎建設階段

從現在到2030 年，致力于建設黃河模擬器1.0，即基礎建設階段。 該階段的目標是實現黃河流域基礎感知、專題模擬和安全化服務，全面感知網絡的基礎建設是黃河模擬器1.0 的基礎任務。 該階段是黃河模擬器建設的初期摸索階段，可以再分為現在—2025 年的初步規劃設計和試驗階段、2026—2030 年的基礎建設實施階段2 個小階段。

1）基礎感知：對流域重點工程進行智能化改造，基本實現黃河流域數據采集和傳輸等基礎設施的全流域覆蓋，全面提升流域數字化水平。

2）專題模擬：實現對各類水文氣象要素、各種災害的精確化模擬與預測，以及工程調度、水庫運行等專題模擬的可視化呈現。

3）安全化服務：構建網絡安全防護體系，確保黃河流域各項資源供給，通過各類專題模擬，實現對各種災害的實時風險預警，重點保障黃河流域居民的生命和財產安全。

3.2 黃河模擬器2.0：全面升級階段

從2031 年到2040 年，致力于打造黃河模擬器2.0，即全面升級階段，也是黃河模擬器建設的技術準備階段。 該階段的目標是實現黃河流域全面感知、綜合模擬和綠色化服務，最為主要的任務是黃河流域生態環境全面治理。

1）全面感知：構建較為全面的全流域“天-空-地”一體化立體感知體系，基本實現全要素、全空間、全時段監測以及黃河流域場景的數字化。

2）綜合模擬：將專題模擬進行集成，同時大幅度提高模擬預測的精度，實現集多個專題模擬為一體的流域綜合模擬。

3）綠色化服務：采用先進治理技術和科學治理方案推進黃河流域一體化保護治理，針對黃河流域重點區域提供特色治理服務，科學調整產業結構、優化產業布局，發展綠色低碳產業，全面改善流域生態脆弱狀況，將黃河流域打造成綠色生態區。

3.3 黃河模擬器3.0：系統聯動階段

從2041 年到2050 年，打造黃河模擬器3.0，即系統聯動階段，也是黃河模擬器建設的試點應用階段。該階段的目標是實現黃河流域智能感知、智能模擬和智能化服務，建立黃河模擬器試點區是黃河模擬器3.0的重點。

1）智能感知：實現數據采集、存儲、傳輸和數據分析一體化，強化不同來源的數據融合，實現對數據的質量控制和自動校正，以提高數據的準確性和可靠性。

2）智能模擬：在黃河支流或部分行政區域建立黃河模擬器試點區，增強對復雜系統的多層次協同模擬和聯合優化能力，實現小流域或區域的智能化仿真模擬。

3）智能化服務：針對不同場景提供精準化決策，實現信息處理、決策制定、決策執行等服務流程的自動化和智能化，減少人工干預，提高服務效率和服務質量。

3.4 黃河模擬器4.0：智慧完善階段

2051 年以后，實現黃河模擬器4.0，即智慧完善階段，也是黃河模擬器建設的完善階段。 該階段的目標是實現黃河流域智慧感知、智慧模擬和智慧化服務，人工智能的普遍應用是黃河模擬器4.0 的突出特點。

1）智慧感知：進一步完善黃河模擬器的智慧感知體系，實現更為智能更為靈活的數據感知、更為快速的數據存儲和數據傳輸、更為智能的數據分析和多尺度數據融合。

2）智慧模擬：隨著人工智能的普遍應用，黃河模擬器可吸收大量人工經驗和人類智慧，甚至實現黃河模擬器自身的模擬進化。

3）智慧化服務：在人工智能、機器人等現代科技的加持下，黃河模擬器成為真正的“智慧大腦”，集智慧水務、智慧水利［13］、智慧交通、智慧城市等于一體，可針對不同主體提供個性化、全面化、特色化的智慧服務。

4 結束語

本文以黃河流域為對象，以流域自然水循環和社會水循環為紐帶，聯系黃河流域經濟、社會、資源、生態、文化等各子系統，提出重點解決黃河保護治理問題的黃河模擬器及其頂層設計，從感知體系、模擬體系、服務體系三方面系統闡述了黃河模擬器的建設框架，并提出黃河模擬器1.0 ～4.0 發展布局，擘畫黃河模擬器未來發展藍圖，致力于將黃河打造成“造福人民的幸福河”，推進黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略實施。

黃河模擬器是一個十分龐大的系統和科學裝置，涉及眾多學科和理論。 本文提出的建設框架是一個長期的前瞻性規劃，其實現需要多行業、多部門、多學科以及廣大科技工作者的共同努力，需要長期的資金投入和人才與技術支持，需要不斷進行科技創新，以應對未來不斷變化的社會與自然環境挑戰。 黃河模擬器建設框架和發展布局的實施是一個漫長而艱巨的過程，需要感知體系、模擬體系和服務體系的同步建設與支撐，預計需要50～100 a 的時間。 需要說明的是，本文提出的黃河模擬器1.0～4.0 僅是對未來黃河保護治理科技發展的戰略思考，其規劃布局還有待今后進一步研究完善、付諸實施和檢驗。