數字孿生黃河河防工程建設的思考

關鍵詞：數字孿生；河防工程；四預；洪水防御；黃河流域中圖分類號：TV87：TP399；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.08.001引用格式：.數字孿生黃河河防工程建設的思考[J].人民黃河，2025，47（8）：1-4，14.

Reflections on the Construction of Digital Twin Yellow River for Flood Control Projects

XU Xuehong

（Yellow River Conservancy Commission，Zhengzhou 45ooo3，China）

Abstract：ohplhlgesshsgialtrtaliteligene，obilmtiondthtettoblete ligentmanagementofteYelowRiverconsevationndgoveane，teconstructionofdigialtinYelowivercanrealiztealtie monitoring，priseearlywagsficientomndnddspatchndientficcisioakingIndertoprovdeferecodig italtwinConstructionintheYellowRverBasinandnationide，tispaperanalyedthe“TreeYelowRivers”constructionsysteofYelow RiverConservancyCommisson（YCC），particularlytheprogresandacheveentsinthecostructionofdigitaltinYeloRiverFoc singontheimprovementofcapabilitiesoffodcontrolprojectsfetyandflooddefenseihelowerreachesofteYellowRiverhispaper proposedteyproritfodiialtwifodotolprotosructi：tregtetegated“syspacewater-roe” nitoringadssortork，stablsngdategaio，veancesadardsnddatehanis，provingtedatafodifor floodcontrolprojects，eleratigtintegatoofathematicalodelsitfoodcotrolpoectdataaningthTreYlli ers”linkage and business applications.

Key words： digital twin; flood control projects; four predictions; flood defense; Yellow River Basin

0 引言

黃河是中華民族的母親河，以占全國 2% 的水資源量，承載了全國 12% 的人口、 17% 的耕地和 14% 的國內生產總值，水資源開發利用率高達 80% ，遠超一般流域 40% 的生態警戒線[1]。黃河以其善淤善決善徙、洪水災害頻發聞名于世，存在水少沙多、水沙關系不協調、地上“懸河”形勢嚴峻等挑戰，是全球最具治理難度的河流之一。

習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上指出，“洪水風險依然是流域的最大威脅”“盡管黃河多年沒出大的問題，但黃河水害隱患還像一把利劍懸在頭上，絲毫不能放松警惕”，要“保障黃河長治久安”[2]。在全球氣候變化背景下，黃河流域“黑天鵝”極端天氣事件頻發，其突發性和嚴重性日益突出，對黃河防洪構成嚴峻挑戰。目前，黃河基本形成了“上攔下排、兩岸分滯”的防洪工程體系以及“攔、調、排、放、挖\"綜合處理和利用泥沙體系，但高村以上299km 游蕩型河段河勢未得到完全控制，二級“懸河”易發生橫河、滾河等情況，灘區防洪運用和經濟發展矛盾長期存在。2021年黃河發生新中國成立以來最嚴重的秋汛洪水，多個水文站發生歷史同期最大洪水，花園口站以上秋汛來水量244.5億 m³ ，小浪底、河口村、故縣等水庫防洪運用水位創歷史新高，嚴重威脅下游灘區群眾生命財產安全，對黃河防汛安全提出了更高的要求[3]

早在21世紀初期，黃委黨組就提出了建設“三條黃河\"（原型黃河、模型黃河、數字黃河）的戰略措施。原型黃河指現實中的黃河；數字黃河就是把黃河“裝進”計算機，是原型黃河的虛擬對照體；模型黃河就是把黃河“做進”實驗室，它是利用物理模擬技術，將原型黃河按比例縮小后的實際對照體[4]?！叭龡l黃河”的建設相互關聯、相互作用。

2022年以來，按照水利部的統一部署，在“三條黃河”框架體系下，黃委開展了數字孿生黃河建設。數字孿生黃河建設通過應用數字孿生、人工智能、移動通信以及互聯網等技術，對黃河保護治理工作進行智能化管理，實現實時監測、精準預警、高效指揮調度和科學決策。本文對數字孿生黃河建設階段性進展及成效進行了介紹，圍繞黃河下游河防工程安全和提升洪水防御能力，提出了數字孿生黃河河防工程建設的重點，旨在為黃河流域乃至全國范圍內的數字孿生水利建設提供參考。

1數字孿生黃河建設進展

黃委落實“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”總體要求，把數字孿生黃河建設作為推動新階段黃河流域水利高質量發展的重大任務和重要途徑，舉黃委之力，基于“三條黃河”前期建設成果，在黃河三門峽以下干流典型河段開展了先行先試建設工作，取得了顯著的成效，全鏈條驅動了“三條黃河”的提檔升級。初步構建了原型黃河“天空地水工”一體化監測感知網，強化了模型黃河發展和運用，建設數字孿生黃河提升了預報、預警、預演、預案能力[5]，主要建設內容及階段性進展情況見表1。

在業務應用方面，以流域防洪、水資源管理為重點，建設黃河水旱災害防御“四預”（預報、預警、預演、預案）系統、黃河水資源管理與節約保護系統，同步開展黃河河防工程信息管理、淤地壩管理、河湖管理保護等系統建設，初步形成“ 2+N ”智能業務應用體系。在防洪方面，整合水情、沙情、雨情、工情和災情信息，建成了預報調度一體化系統，有機融合模型黃河實體試驗與數值模擬預演成果。該系統在2024年汛期發揮關鍵作用，成功應對渭河1號洪水、黃河1號洪水等多次重大汛情，精準實施3次以小浪底水庫為核心的調水調沙，將花園口及以下河段流量嚴格控制在4000m³/s 以下，調水調沙期間三門峽、小浪底兩水庫分別高效排沙2.36億t和1.97億t；2024年9月，通過統籌調度黃河上中游水庫群，實現海勃灣、萬家寨等5座水庫聯合排沙1.44億t，同步實現抗旱保供、騰庫迎汛、河道減淤和生態補水等綜合效益。

表1數字孿生黃河建設主要內容及階段性進展情況

Tab.1 Main Content and Stage Progress of the

2 聚焦下游河防工程，提升黃河洪水防御能力

萬里黃河，險在下游。黃河下游河防工程包括堤防、河道整治（控導、險工、防護壩）水閘等，已經建成標準化堤防工程 1 371km ，建設河道整治工程477處、壩垛10986道，各類水閘193座。由黃委山東局、河南局所轄14個市級河務局、56個縣級河務局管理，承擔工程巡查、維修養護、安全監測等工作任務，定期實施根石探測、堤防工程隱患探測，深入排查分析工程安全風險，確保做到搶早、搶小、搶住。

黃河下游河防工程在控制河勢、引導主流、保護灘地等方面發揮了重要作用，目前高村以上河段 108km 主流游蕩范圍大幅縮小、減小了“橫河”發生的概率，高村以下河段河勢得到進一步控制。與此同時，黃河下游因泥沙淤積造成地上“懸河”，河床由泥沙堆積形成，堤防工程遭遇大洪水時極易產生淘刷危險[6]；堤防是土質大堤，控導、險工等工程是在土堤外鋪設防護石，長時間浸泡易發生滲流破壞、邊坡滑塌等險情。此外，下游堤防是在民的基礎上經過歷代逐步加高培厚、搶險修筑而成的，存在秸料層腐爛等隱患。2021年黃河秋汛期間，黃河下游大流量歷時長，防守壓力大，黃委每日會商，滾動分析研判雨情、水情、工情，跟蹤監測洪水演進，各級河務部門會同地方黨委政府，高峰期3.3萬人日夜堅守在控導、險工等工程和偎水河段現場，采取巡查蹲守、預加固等措施，累計完成276處工程3597壩次的險情搶護任務[3]

2001年以來，黃委先后建設了“雨水情查詢會商系統”“黃河下游工情險情會商系統”，包括基礎數據層、基于GIS的服務層、業務信息應用層，初步實現了防洪工程、防汛部署、險情報警等信息的查詢統計功能。2021年以來，黃委加強系統整合集成，建設了黃河水旱災害防御“四預”系統；在工程安全運行管理方面，建立“人防 + 技防\"的河防工程巡查模式，結合無人機、工程險情預警設備、視頻監控等手段強化重點工程運行情況動態監測

同時，黃委每年開展年度咨詢研究，汛前跟蹤黃河水情河情工情險情等重大問題，汛期實施大洪水物理模型試驗和水沙數值模擬，持續開展洪水防御、水沙調控、游蕩型河道治理等研究。但是，相關研究和試驗都是對原型黃河部分場景的概化分析，缺少數字孿生黃河河防工程的決策支撐，在“天空地水工”一體化監測感知網、數據匯聚治理標準和更新機制、數據底板建設及與數學模型的耦合、“三條黃河”聯動應用等方面仍存在不足。

3對數字孿生黃河河防工程建設重點的思考

3.1 基礎工作是加快“天空地水工”一體化監測感知網建設

數字孿生黃河河防工程感知對象包括河防工程、工程管理范圍內相關建設項目和涉河活動等；河道灘區緊鄰河防工程，既是黃河行滯洪通道，也是灘區160多萬群眾的生息地，是監測感知的重要對象。需要綜合運用衛星遙感、無人機、物聯網等多種監測技術與裝備，構建“天空地水工”一體化立體監測感知體系，提升工程監測對象全要素、管理全過程的協同立體監測能力[7]

建筑物、冰凌等遙感智能識別精度達到 85% 以上，遙感監測信息統一存儲和高效共享；黃委無人機裝備信息管理全覆蓋，實現無人機關鍵數據的入庫管理，以及重點應急事件及時響應和實時調度；實現二級及以上堤防關鍵部位、險工險段穿（跨）堤建筑物等視頻監視全覆蓋，大中型水閘安全監測全覆蓋；在建工程、已建工程各類安全監測信息匯聚；“智能石頭”“壩岸智能衛士”與人工巡查相結合；每年開展根石探測，整合歷史數據構建結構化數據庫，并與工程險情分析耦合應用；堤防隱患探測儀進行技術升級，動態快速監測堤防安全狀態

灘區信息監測方面，加快建設統一的衛星遙感影像處理分析服務平臺，匯聚“水利一號”等衛星遙感影像，接人水利部信息中心共享高精度亞米級遙感影像；研發黃河灘區下墊面智能解譯模型，構建基于時空基準統一的多源遙感影像數據標準化處理框架，自動提取水體、房屋、耕地、道路等下墊面信息；河務部門、技術支撐單位利用平臺將涉河建設項目與監管事項，以及灘區房屋、耕地、道路等基礎設施情況上圖，動態更新工程和灘區下墊面數據，優化細化發生超標準洪水時的撤退路線。

推進數據采集、傳輸、處理、分析及應用全鏈條數字化、網絡化、智能化建設，在公網覆蓋不到的區域、工控網以及重點堤段、重要險工，充分利用5G微波通信技術，構建保底信息傳輸系統，實現黃河防汛重點工程信息傳輸無盲區、無死角，保障各類信息在極端惡劣環境下的安全可靠傳輸。

3.2 首要任務是建立數據匯聚治理標準和更新機制，完善河防工程數據底板

河防工程數據來源于多系統、多部門，通過多要素分析，按照數據基本屬性及所屬具體業務進行分類，將河防工程數據底板劃分為4類。一是基礎數據：包括堤防、水閘、險工、控導等工程實體屬性數據（如工程位置、規模、結構參數、設計標準等），根據設計圖、施工圖等工程資料獲取。二是監測數據：包括水閘安全監測、堤防滲流、變形沉降、“智能石頭”“壩岸智能衛士\"監測數據、河勢演變、視頻監控和無人機巡查等數據，主要由工程及周邊環境的各類物聯感知設備實時或準實時采集。三是地理空間數據：包括工程矢量邊界、灘區下墊面數據、數字正射影像（DOM）數字高程模型（DEM）、激光點云、傾斜攝影三維模型、水下地形等，主要通過衛星遙感、航空攝影測量、無人機航測、無人船及大比例尺地面測繪等方式獲取。四是業務管理數據：包括堤防隱患探測報告、安全評價/鑒定結論、標準化評價數據、汛前安全隱患排查記錄、根石探測結果、現場巡查、維修養護數據等，主要由工程管理部門和技術支撐單位整編錄人。

水利部2021年頒布的《水利對象基礎數據庫表結構及標識符》，表結構中僅定義了治河工程的基礎靜態屬性[8]，缺失黃河河防工程特有的工程分類（如控導、險工等工程）、業務管理和運行維護等多維特征數據結構模型定義，這種結構性缺陷導致數字孿生應用時出現語義斷層。同時，委屬河務部門根據自身需要建設了滿足管理需要的河防工程數據庫，存在數據標準不統一、數據項不一致等問題。為建設標準統一的河防工程數據底板，亟須建立包含多源異構數據融合規范、全生命周期數據治理模型、動態更新機制的標準體系。

研究編制《黃河河防工程數據匯聚標準規范》，明確定義統一的數據匯聚、治理及服務共享要求，構建“縣級采集、市局審核、省局匯總、委級共享”的分級協同治理機制，打通縣局、市局、省局至黃委的數據鏈條，實現“一數一源、一數多用”的標準化數據服務與應用體系，為數據底板提供高質量、標準化的輸入源。加快建設河防工程數據治理平臺，完善河防工程L2、L3級數據底板，重點突破動態異構數據融合、跨系統數據協同調度、智能數據治理等關鍵技術，研究實現跨平臺、跨系統的多源異構防洪工程數據歸集，為數字孿生河防工程提供目錄化、標準化的數據支撐服務。

3.3 重點攻關數學模型與河防工程數據底板的耦合應用

在動態時空數據底板的基礎上，加快數學模型的升級改造，實現模型與多維時空數據的耦合模擬分析，并構建多級協同的模型平臺，持續迭代優化[9-0]。在模型運行速度方面，充分利用 CPU+GPU 異構并行加速技術，對基于物理機理的水文預報、水沙動力學等模型進行提檔升級。在模型精度方面，創新升級現有模型，充分利用大數據、人工智能等新一代信息技術，融合流域多源信息，對已有模型開展全鏈路、網格化、分布式的升級改造。

以水沙動力學模型為例，需要引人渾水密度自適應調整機制，探索適用于黃河泥沙研究的非均勻沙沉速算法、懸移質挾沙能力動態計算及泥沙紊動擴散系數各向異性表征方法；構建床沙級配動態分層反饋機制及動床的阻力時空演化模式，提出考慮床面微地形自組織調整的“動床”糙率動態計算方法；構建“動床”與水沙模擬的互饋響應機制，提升水沙演進過程中水流、泥沙、河床協同演變的模擬精度。

在河防工程安全模型研發方面，一是綜合汛前河勢、根石查勘、歷史出險情況等，科學預測汛期河防工程出險情勢；二是將人工智能技術與衛星遙感、無人機航拍、視頻監控、人工巡查等深度融合，動態監測河防工程位移、邊坡坍塌和河勢變化等風險，構建人工智能驅動的工程安全評估模型；三是加快水工程聯合調度模型、水沙動力學模型等與數據底板的耦合應用，實現模型對灘區地物地貌、線狀構筑物等計算邊界精細刻畫，在灘-槽水沙交換、順堤行洪、堤防偎水及橫河、斜河、滾河水流頂沖防洪工程等過程模擬方面，提高模型對黃河下游二級“懸河”特征的適用性，提升模型計算精度，多維度提供決策支撐。

3.4落地應用是強化“三條黃河”聯動，加強業務應用

堅持應用至上，以“四預”功能為核心[1]，強化“三條黃河”耦合聯動，升級科學決策場。一是強化原型監測一數學模擬一模型試驗過程的動態聯動驗證，利用實測洪水數據對水沙動力學等數學模型進行驗證和優化，提高模型的準確性；利用物理模型開展大洪水（洪水流量為 10 000～22 000m³/s， 演進試驗，為數學模型提供更廣流量范圍內的驗證數據，有效提升模型的適用性和可靠性；二是基于多源匯聚、時空動態的數據底板和科學的數學模型，正向預演洪水風險形勢和影響，逆向推演河防工程安全運用條件，從而提出更加精準的預案；三是針對黃河流域產匯流預報復雜、水沙及河勢變化劇烈等不利因素，制定不同流量情景下的河防工程安全運行預案，提升洪水防御能力。

4結束語

黃河是世界上最難治理的河流之一，由于氣候變化與人類活動引發的氣象不確定性因素增多，因此發生超標準洪水的風險依然存在。黃委積極開展雨水情監測預報“三道防線”體系建設，通過加強測雨雷達建設、實施流域雨量站和水文站智能化升級、建設水文預報數學模型和大模型等，延長洪水預見期和提高預報精準度；研究黃河中游洪水泥沙及下游河勢預報關鍵技術，積極運用大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術，不斷豐富黃河保護治理的算據，研發新一代水利專業模型和黃河大模型，建設統一高效的黃河云，加強網絡安全防護能力；強化共建共享，集成貫通黃河干流萬家寨、古賢、三門峽、小浪底等水利樞紐及下游河防工程，融合聯通渭河、伊洛河、大汶河等重要支流數字孿生建設成果，加快建設全流域貫通、全領域覆蓋、全鏈條聯動的數字孿生黃河，為黃河保護治理提供決策支撐。

數字孿生黃河河防工程建設是黃委今后一個時期建設的重點，本文總結闡述了數字孿生黃河防汛的建設成效，分析了當前的挑戰問題，并指出了下一步數字李生黃河河防工程建設的方向：加快“天空地水工”一體化監測感知網建設，建立數據匯聚治理標準和更新機制，完善河防工程數據底板，加快數學模型與河防工程數據底板的耦合，加強“三條黃河”聯動應用等。

參考文獻：

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[11] 蔡陽，成建國，曾焱，等.加快構建具有“四預”功能的智慧水利體系[J].中國水利，2021（20）：2-5.

【責任編輯 趙宏偉】