安全-生態(tài)-智能庫(kù)壩建設(shè)的挑戰(zhàn)與展望

Challenges and prospects of safe, ecological, and smart reservoir and dam construction

周創(chuàng)兵向衍2姚池1盛金保2

1.南昌大學(xué)流域碳中和教育部工程研究中心，330031，南昌；2.水利部 交通運(yùn)輸部 國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，210029，南京；3.水利部大壩安全管理中心，210029，南京

摘要：我國(guó)已建成全球規(guī)模最大的庫(kù)壩體系，水庫(kù)大壩在防洪、發(fā)電、通航、供水等方面發(fā)揮了不可替代的作用。然而，大量早期建設(shè)的庫(kù)壩工程服役時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)運(yùn)行環(huán)境和功能需求變化的適應(yīng)性不夠；超標(biāo)準(zhǔn)洪水增大了土壩潰決風(fēng)險(xiǎn)；快速城鎮(zhèn)化加大了“城市頭頂一盆水”的庫(kù)壩潛在風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，水庫(kù)淤損、生態(tài)環(huán)境影響以及非常規(guī)安全風(fēng)險(xiǎn)等也帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩是應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的庫(kù)壩發(fā)展新理念，具有內(nèi)在的歷史邏輯、理論邏輯和現(xiàn)實(shí)邏輯。安全層面，需從傳統(tǒng)工程安全拓展至系統(tǒng)安全層次，通過(guò)功能評(píng)估、韌性提升與除險(xiǎn)加固等提升風(fēng)險(xiǎn)防控能力；生態(tài)層面，要求通過(guò)工程和非工程措施，最大限度減小工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，并主動(dòng)發(fā)揮其防洪減災(zāi)、調(diào)水調(diào)沙等正向生態(tài)效益；智能層面，應(yīng)加快庫(kù)壩透徹感知、智能運(yùn)維、智能診斷和自主決策的技術(shù)突破，建設(shè)數(shù)字孿生庫(kù)壩系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩全生命周期的數(shù)智化管控。未來(lái)，需要從保障國(guó)家水安全的戰(zhàn)略高度，統(tǒng)籌推進(jìn)安全-生態(tài)-智能庫(kù)壩建設(shè)與運(yùn)維，為流域防洪工程建設(shè)、國(guó)家水網(wǎng)工程建設(shè)及復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境等提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大壩；安全；生態(tài)；智能；庫(kù)壩工程；數(shù)字孿生

作者簡(jiǎn)介：周創(chuàng)兵，中國(guó)工程院院士，流域碳中和教育部工程研究中心主任

基金項(xiàng)目：中國(guó)工程院科技戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目（2025-XZ-61）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52479130、U23B0150、U2443230）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2026.02.001

引言

2025年12月5日，習(xí)近平總書(shū)記在四川省成都市都江堰同法國(guó)總統(tǒng)馬克龍進(jìn)行友好交流。都江堰令我們深切感受到了中華民族卓越的治水智慧及古代水利工程的不朽偉績(jī)?？梢哉f(shuō)，一部中華文明史，大半部治水史。這與我國(guó)獨(dú)特的地理地形和季風(fēng)性氣候特征密切相關(guān)。習(xí)近平總書(shū)記指出，水資源時(shí)空分布極不均勻、水旱災(zāi)害頻發(fā)，自古以來(lái)是我國(guó)基本水情。正是在這樣的自然環(huán)境下，水利工程建設(shè)在我國(guó)自古以來(lái)就占據(jù)著極其重要的地位。

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)經(jīng)過(guò)70多年持續(xù)不懈的實(shí)踐探索，水庫(kù)大壩建設(shè)取得了舉世矚目的成就。目前，我國(guó)已建成水庫(kù)大壩約9.5萬(wàn)座，高壩數(shù)量居世界首位，100m以上高壩超過(guò)250座，占全球總數(shù)的25%，尤其是300m級(jí)高壩建設(shè)和運(yùn)行處于國(guó)際領(lǐng)先水平。從規(guī)模宏大的三峽水利樞紐，到代表不同類(lèi)型壩工技術(shù)巔峰的錦屏一級(jí)拱壩（壩高305m）、雙江口心墻堆石壩（壩高315m）及大石峽混凝土面板砂礫石壩（壩高247m），一系列“世界之最”標(biāo)志著我國(guó)已從水利大國(guó)邁向水利強(qiáng)國(guó)。這些工程在防洪減災(zāi)、清潔能源生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水、內(nèi)河航運(yùn)及生態(tài)調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮了不可替代的綜合效益，成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

庫(kù)壩工程在發(fā)揮綜合效益的同時(shí)，亦存在著巨大潛在風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)外歷史上不乏慘痛教訓(xùn)。如1959年法國(guó)馬爾帕塞拱壩壩肩失穩(wěn)、1963年意大利瓦依昂拱壩庫(kù)岸滑坡、1976年美國(guó)提堂土壩管涌、我國(guó)“75·8”板橋水庫(kù)潰壩等重大災(zāi)害案例，均警示著庫(kù)壩安全的極端重要性。我國(guó)庫(kù)壩安全形勢(shì)曾一度嚴(yán)峻：土石壩占比高達(dá)92%，老化病害問(wèn)題普遍，1954—2021年累計(jì)潰壩3558起，多年平均潰壩率約0.5‰。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期持續(xù)不懈的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固與安全管理體系強(qiáng)化，進(jìn)入21世紀(jì)后，潰壩率顯著下降至0.05‰以下，并于2022—2025年連續(xù)4年實(shí)現(xiàn)潰壩事故“零發(fā)生”。這一歷史性轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著我國(guó)水庫(kù)大壩安全狀況得到了根本性改善，我國(guó)已穩(wěn)步邁入世界低潰壩率國(guó)家前列。

盡管成就斐然，但我國(guó)庫(kù)壩安全仍面臨多重疊加的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，自然因素風(fēng)險(xiǎn)加?。航胨畮?kù)已服役運(yùn)行超50年，工程老化與材料性能劣化問(wèn)題日益凸顯；普遍存在的庫(kù)區(qū)淤積導(dǎo)致有效庫(kù)容衰減，功能效益降低；極端天氣事件頻發(fā)、超標(biāo)準(zhǔn)洪水及強(qiáng)震等持續(xù)考驗(yàn)工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)急能力。其次，社會(huì)承災(zāi)體脆弱性上升：水庫(kù)下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高度聚集，一旦水庫(kù)失事，后果將呈指數(shù)級(jí)放大。此外，非傳統(tǒng)安全威脅增強(qiáng)：在全球地緣政治復(fù)雜多變的背景下，關(guān)鍵水利基礎(chǔ)設(shè)施可能面臨的非對(duì)稱威脅增加。因此，庫(kù)壩安全已超越一般工程安全范疇，日益成為關(guān)乎人民生命財(cái)產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展乃至國(guó)家總體安全的重要組成部分。

面對(duì)新形勢(shì)、新要求，庫(kù)壩工程已逐步超越防洪、發(fā)電、通航、供水等傳統(tǒng)功能范疇，全球壩工領(lǐng)域正經(jīng)歷理念重塑、技術(shù)革新與模式再造的深刻變革。2025年5月，水利部部長(zhǎng)李國(guó)英在國(guó)際大壩委員會(huì)第28屆大會(huì)暨93屆年會(huì)上提出的“構(gòu)建安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩”倡議，被完整納入《世界（成都）宣言》，成為國(guó)際壩工界的普遍共識(shí)。水庫(kù)大壩已成為流域防洪工程體系的重要組件、國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)的重要結(jié)點(diǎn)、河湖生態(tài)環(huán)境復(fù)蘇的重要支撐。

安全-生態(tài)-智能庫(kù)壩的內(nèi)在邏輯與本質(zhì)特征

1.內(nèi)在邏輯

安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩的提出，具有深刻的歷史邏輯、理論邏輯和現(xiàn)實(shí)邏輯。我國(guó)是水利大國(guó)，更是水利古國(guó)。因勢(shì)利導(dǎo)利用自然、改造自然，實(shí)現(xiàn)興水利、除水害的目的，是古代水利的基本特征，并由此建成了都江堰、鄭國(guó)渠工程。從歷史邏輯看，中國(guó)幾千年治水實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，水庫(kù)大壩作為重要水利工程設(shè)施，安全是永恒底線，生態(tài)是內(nèi)在要求，而智能化則是古老智慧在數(shù)字時(shí)代的拓新。三者層層遞進(jìn)，統(tǒng)一于人水和諧的生態(tài)文明發(fā)展理念。河湖是一個(gè)不斷演化的自然系統(tǒng)，水庫(kù)大壩建設(shè)使這一系統(tǒng)成為“自然-工程”耦合系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有復(fù)雜的物質(zhì)-能量-信息的輸入輸出及運(yùn)行機(jī)制，有生態(tài)系統(tǒng)與生命周期。為應(yīng)對(duì)極端天氣、地質(zhì)災(zāi)害等影響，系統(tǒng)應(yīng)具備自適應(yīng)性和可恢復(fù)力。因此，庫(kù)壩安全是該系統(tǒng)的本質(zhì)屬性，是興利除害的前提。水庫(kù)大壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響既有負(fù)效應(yīng)，也有正效應(yīng)，關(guān)鍵在于“趨利避害”，主動(dòng)創(chuàng)造生態(tài)價(jià)值?，F(xiàn)代水利工程是涉及防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)、供水、灌溉等功能的復(fù)雜巨系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)智技術(shù)等進(jìn)行水庫(kù)大壩智能建設(shè)和智慧運(yùn)維，可以更好發(fā)揮其綜合效益。因此，系統(tǒng)論、演化論、控制論及協(xié)同論等是安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩建設(shè)的理論邏輯。從現(xiàn)實(shí)邏輯看，安全大壩是應(yīng)對(duì)極端天氣、超標(biāo)準(zhǔn)洪水、強(qiáng)烈地質(zhì)作用的安全底線；生態(tài)大壩是踐行習(xí)近平生態(tài)文明思想、推進(jìn)人水和諧的剛性約束；智能大壩是實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩工程高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家水安全的強(qiáng)大引擎。

2.本質(zhì)特征

安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩是面向新需求、應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)所提出的庫(kù)壩工程發(fā)展的戰(zhàn)略理念，三者相互關(guān)聯(lián)，是有機(jī)統(tǒng)一的整體，共同構(gòu)成了現(xiàn)代水庫(kù)大壩高質(zhì)量發(fā)展的核心內(nèi)涵。

新時(shí)代庫(kù)壩系統(tǒng)建設(shè)和管理的核心理念

首先是安全大壩，其內(nèi)涵已超越了傳統(tǒng)工程安全的范疇，拓展到了系統(tǒng)安全，涵蓋工程安全、公共安全、生態(tài)安全、生產(chǎn)安全與防災(zāi)安全等。其核心目標(biāo)是不僅要確保工程自身穩(wěn)定可靠，更致力于在極端災(zāi)害事件中保障人員安全、減輕災(zāi)害損失、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，體現(xiàn)了從單一結(jié)構(gòu)防御到全過(guò)程、多維度風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)管控的演進(jìn)。本質(zhì)要求是構(gòu)建貫穿規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)行全生命周期的韌性安全保障體系。近年來(lái)，水利行業(yè)構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣，推進(jìn)全覆蓋、全要素、全天候、全周期“四全”管理，強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”措施，確保風(fēng)險(xiǎn)隱患早預(yù)測(cè)、早發(fā)現(xiàn)、早處置、早消除，接續(xù)推進(jìn)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固，嚴(yán)格落實(shí)大壩安全責(zé)任制等，安全大壩建設(shè)取得顯著成效。

其次是生態(tài)大壩，其內(nèi)涵是踐行“人水和諧”理念，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)置于優(yōu)先位置，建設(shè)的不僅是系統(tǒng)安全的庫(kù)壩，更是生態(tài)友好的庫(kù)壩。其核心目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩功能的同時(shí)，維護(hù)和改善流域生態(tài)環(huán)境，保障河湖生存與健康演化。本質(zhì)要求是要充分認(rèn)識(shí)庫(kù)壩阻隔對(duì)河流連續(xù)性、水文節(jié)律、水沙輸移及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，通過(guò)工程與非工程措施，主動(dòng)減緩、修復(fù)、補(bǔ)償其對(duì)水環(huán)境與水生態(tài)的不利影響。近年來(lái)，水利水電行業(yè)通過(guò)推行生態(tài)融合設(shè)計(jì)、建設(shè)大壩過(guò)魚(yú)設(shè)施、創(chuàng)新分層取水技術(shù)、發(fā)展綠色施工工藝等，最大限度減輕工程對(duì)生態(tài)的影響。統(tǒng)籌流域水資源、水生態(tài)、水環(huán)境，開(kāi)展以水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度為手段的生態(tài)調(diào)度，主動(dòng)修復(fù)河流生態(tài)。同時(shí)，開(kāi)展典型水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙、生態(tài)補(bǔ)水、河口壓咸等，在生態(tài)大壩建設(shè)方面取得了重要進(jìn)展。

再者是智能大壩，其內(nèi)涵是通過(guò)透徹感知與數(shù)智技術(shù)，使得庫(kù)壩具有全域感知、智能診斷和決策、自主饋控等能力，優(yōu)質(zhì)高效地服務(wù)于安全大壩、生態(tài)大壩建設(shè)。其核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩服役狀態(tài)的透徹感知、智能分析、前瞻決策與智慧運(yùn)維。本質(zhì)要求是構(gòu)建一個(gè)與物理庫(kù)壩實(shí)時(shí)交互、深度耦合的數(shù)字孿生體。近年來(lái)水利行業(yè)加快推進(jìn)數(shù)字孿生水利體系建設(shè)，建立“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)，全覆蓋、全要素、全天候、全時(shí)空采集庫(kù)壩性態(tài)和環(huán)境信息，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步映射、診斷分析，強(qiáng)化數(shù)字孿生“四預(yù)”功能，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、更高效的工程運(yùn)維和更科學(xué)的應(yīng)急管理，從而全面提升災(zāi)害防御、工程可靠性與公共安全保障能力。面對(duì)復(fù)雜條件和極端環(huán)境挑戰(zhàn)，智能庫(kù)壩建設(shè)將貫穿全生命周期，在流域尺度實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)超前預(yù)警與多目標(biāo)精準(zhǔn)調(diào)控，協(xié)同保障庫(kù)壩安全并動(dòng)態(tài)滿足生態(tài)需求，有力支撐智慧水利建設(shè)。

安全庫(kù)壩面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問(wèn)題

從系統(tǒng)安全角度，探討幾個(gè)有代表性的庫(kù)壩安全挑戰(zhàn)與問(wèn)題。

1.極端水文事件下的土壩潰決問(wèn)題

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，過(guò)去70年間，我國(guó)400mm等降水量線整體呈向西北移動(dòng)的趨勢(shì)，降水總量偏多、暴雨頻發(fā)成為常態(tài)。近年來(lái)，我國(guó)極端水旱災(zāi)害呈現(xiàn)氣溫升高引起暴雨洪水和干旱事件增加，極端水旱災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)隨機(jī)、時(shí)間隨機(jī)、強(qiáng)度隨機(jī)的“一增加三隨機(jī)”明顯態(tài)勢(shì)，特別是區(qū)域性洪水、突發(fā)性山洪、長(zhǎng)歷時(shí)干旱增多，致災(zāi)因素和傳導(dǎo)鏈條復(fù)雜，災(zāi)害疊加外溢效應(yīng)加劇。案例表明，土壩潰決風(fēng)險(xiǎn)主要由超標(biāo)準(zhǔn)洪水等極端水文事件引發(fā)，潰壩形式以漫頂和滲透破壞（流土、管涌等）為主。為了保證超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下水庫(kù)大壩“漫而不潰、漫而緩潰”的安全底線所采取的工程措施包括壩頂硬化與加設(shè)防浪墻、開(kāi)挖臨時(shí)泄洪通道、建設(shè)防滲墻、采用高壓噴射灌漿及土工膜防滲等。上述措施中，有的看似技術(shù)門(mén)檻不高，卻非常實(shí)用有效。如在應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，開(kāi)挖臨時(shí)溢洪道便是一種及時(shí)有效的應(yīng)急處置方式。但也需注意，某些臨時(shí)工程在長(zhǎng)期泄洪振動(dòng)下，可能與壩體之間產(chǎn)生空隙，間接引發(fā)滲流問(wèn)題，成為一種潛在病害。

2.動(dòng)物巢穴對(duì)堤壩安全的威脅與防控問(wèn)題

在氣候變化背景下，白蟻、老鼠、獾等動(dòng)物在堤壩中形成的巢穴，已成為引發(fā)管涌、滲漏甚至潰壩的重要原因。依賴人工巡查或普通探地雷達(dá)，難以有效識(shí)別壩體內(nèi)的小型孔洞或動(dòng)物早期巢穴。在治理方面，傳統(tǒng)的灌漿治理常需大面積開(kāi)挖，不僅破壞壩體結(jié)構(gòu)，而且成本高、周期長(zhǎng)，不適用于分布廣泛、規(guī)模較小的洞穴治理。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（依托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院）在智能檢測(cè)與治理技術(shù)上已取得相應(yīng)進(jìn)展，研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套四頻超寬帶脈沖三維探地雷達(dá)與多頻超寬帶脈沖三維探地聲吶，顯著提升了對(duì)小型洞穴的探測(cè)靈敏度，研制的“錐探驗(yàn)證—灌漿一體化微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了探、診、治的微創(chuàng)化作業(yè)，減少了對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的破壞。值得指出的是，此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)管控未來(lái)應(yīng)轉(zhuǎn)向“源頭防控、早期阻斷”，研究白蟻等動(dòng)物的生物習(xí)性，在洞穴形成早期甚至動(dòng)物活動(dòng)初期即進(jìn)行干預(yù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)前置、防患于未然。

3.水庫(kù)淤損情勢(shì)與對(duì)策問(wèn)題

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)水庫(kù)平均淤積率約11.28%，但不同流域差異顯著，黃河流域水庫(kù)淤積率超過(guò)36%，而長(zhǎng)江流域約為4.24%，呈現(xiàn)“北高南低”區(qū)域特征。水庫(kù)淤積導(dǎo)致的庫(kù)容損失問(wèn)題已不容忽視。針對(duì)淤積問(wèn)題，可從兩類(lèi)思路著手應(yīng)對(duì)：對(duì)于具備排沙條件的水庫(kù)，可通過(guò)沙峰調(diào)度、高頻排沙、射流或氣動(dòng)擾動(dòng)等動(dòng)態(tài)清淤手段，增強(qiáng)泥沙輸移能力；對(duì)于無(wú)排沙設(shè)施的水庫(kù)，則需采取工程清淤措施。當(dāng)前技術(shù)難點(diǎn)不在于清淤設(shè)備本身——我國(guó)在清淤船、絞吸船等技術(shù)上已處于世界領(lǐng)先水平，真正的挑戰(zhàn)在于清淤過(guò)程與生態(tài)保護(hù)、資源環(huán)境的協(xié)調(diào)，特別是清淤固廢的消納與資源化利用問(wèn)題。

4.“城市頭頂一盆水”水庫(kù)大壩安全問(wèn)題

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市空間不斷向河流上游及周邊丘陵區(qū)域擴(kuò)展，使得城市的大量人口、資產(chǎn)與關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施暴露在上游水庫(kù)可能因極端天氣和超標(biāo)準(zhǔn)洪水引發(fā)的水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)之下，此即“城市頭頂一盆水”水庫(kù)的由來(lái)。當(dāng)前，主要存在以下風(fēng)險(xiǎn)：一是部分早期建設(shè)的庫(kù)壩工程標(biāo)準(zhǔn)偏低，防洪與抗震能力不足；二是預(yù)測(cè)預(yù)警體系相對(duì)滯后，小型水庫(kù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)覆蓋率較低，甚至存在監(jiān)測(cè)空白；三是城市擴(kuò)張侵占行洪區(qū)與蓄滯洪區(qū)，加之下游河道縮窄，進(jìn)一步加劇洪水威脅。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)通過(guò)綜合措施，將此類(lèi)水庫(kù)大壩的潛在風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為可預(yù)測(cè)、可調(diào)控、可承受的安全狀態(tài)。首先，要加快工程加固與升級(jí)改造，優(yōu)先解決可能引發(fā)重大公共安全問(wèn)題的隱患。其次，要優(yōu)化國(guó)土空間與系統(tǒng)規(guī)劃，嚴(yán)格控制城市向高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)張，逐步恢復(fù)河道自然滯洪空間。第三，要推進(jìn)水利工程復(fù)合災(zāi)害鏈衍生研究，創(chuàng)新水利工程韌性提升成套關(guān)鍵技術(shù)。第四，要健全城市水災(zāi)害應(yīng)急與管理體系，持續(xù)提升城市安全相關(guān)應(yīng)急管理能力。

5.非常規(guī)因素引發(fā)的庫(kù)壩安全問(wèn)題

當(dāng)前復(fù)雜國(guó)際環(huán)境下，由非常規(guī)因素引發(fā)的庫(kù)壩安全問(wèn)題不容忽視。高壩大庫(kù)因其顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響與重要戰(zhàn)略價(jià)值已成為戰(zhàn)爭(zhēng)及恐怖襲擊的潛在重點(diǎn)目標(biāo)。典型的如俄烏沖突中第聶伯河梯級(jí)水電站遭到系統(tǒng)性破壞，特別是卡霍夫卡大壩的精準(zhǔn)打擊與潰決進(jìn)一步凸顯了高壩大庫(kù)在非常規(guī)情況下的脆弱性，應(yīng)引起各方的高度關(guān)注。對(duì)此亟須研究極端沖擊荷載下的高壩大庫(kù)毀傷機(jī)理與破壞模式，闡明不同壩型在不同沖擊荷載下的損傷過(guò)程與傳播規(guī)律，研發(fā)受損后的快速識(shí)別與安全評(píng)估技術(shù)，建立不同壩型的評(píng)估方法與判據(jù)。

從工程運(yùn)行角度看，要更加關(guān)注梯級(jí)水庫(kù)的安全調(diào)控與應(yīng)急方案，尤其是在極端狀況下水庫(kù)運(yùn)行控制水位的確定。高壩大庫(kù)一旦遭受到高風(fēng)險(xiǎn)的非常規(guī)因素影響，其快速放空能力與智慧化調(diào)控技術(shù)就顯得至關(guān)重要。當(dāng)前許多高壩存在放水速度慢甚至無(wú)法完全放空的問(wèn)題，近年中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等單位已針對(duì)高壩大庫(kù)放空問(wèn)題開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)并取得了重要進(jìn)展，應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注。

6.服役性能演化與鏈生災(zāi)害庫(kù)壩安全問(wèn)題

由于工程長(zhǎng)期運(yùn)行，材料老化問(wèn)題日益凸顯。服役性能演化涉及復(fù)雜的物理、力學(xué)與化學(xué)作用，包括多場(chǎng)耦合、多過(guò)程交互影響等關(guān)鍵機(jī)理。為此，需要揭示材料劣化與結(jié)構(gòu)老化規(guī)律，明確損傷擴(kuò)展對(duì)庫(kù)壩應(yīng)力、滲流狀態(tài)的改變及其對(duì)整體安全穩(wěn)定的影響程度。庫(kù)壩服役性能劣化可能會(huì)引發(fā)壩體變形損傷開(kāi)裂、溶蝕性滲漏等病害。一些水下或深埋病害已成為庫(kù)壩安全探測(cè)和加固的重點(diǎn)。

強(qiáng)震是鏈生災(zāi)害的重要災(zāi)害源。我國(guó)西部地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地震烈度高，容易因強(qiáng)震引發(fā)一系列次生災(zāi)害，對(duì)庫(kù)壩區(qū)泄水閘門(mén)、泄洪洞、壩肩高邊坡等關(guān)鍵水工建筑物影響顯著，嚴(yán)重時(shí)危及庫(kù)壩安全，必須加強(qiáng)針對(duì)性防治。

滑坡災(zāi)害在高壩大庫(kù)區(qū)極為典型。強(qiáng)降雨及庫(kù)水位周期性變動(dòng)常引發(fā)岸坡變形失穩(wěn)，進(jìn)而產(chǎn)生滑坡、涌浪等連鎖反應(yīng)，對(duì)庫(kù)壩安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。我國(guó)西南高山峽谷區(qū)曾多次因巨型滑坡堵江形成堰塞湖，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)，危及公共安全。對(duì)此需要研究鏈生災(zāi)害孕育機(jī)制、傳導(dǎo)規(guī)律、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防控等。

圍繞庫(kù)壩安全，我國(guó)已在“十三五”“十四五”期間開(kāi)展了系列技術(shù)攻關(guān)。例如，“十四五”期間，南京水利科學(xué)研究院依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高壩深埋病害精準(zhǔn)診斷與可視化除險(xiǎn)技術(shù)裝備”，在高土石壩病變?yōu)淖兡M理論與深埋病害探測(cè)修復(fù)技術(shù)、高混凝土壩病變?yōu)淖兡M方法與隱性裂縫探測(cè)修復(fù)技術(shù)，以及300m級(jí)水頭高壩大庫(kù)安全高效放空與智能控制技術(shù)等方面取得重要進(jìn)展。

生態(tài)庫(kù)壩面臨的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

生態(tài)庫(kù)壩建設(shè)就是要通過(guò)工程和非工程措施抑制或減緩庫(kù)壩生態(tài)負(fù)效應(yīng)，強(qiáng)化其生態(tài)正效應(yīng)。

1.高壩下泄水流水溫調(diào)節(jié)技術(shù)

庫(kù)壩蓄水后常形成明顯的水溫分層現(xiàn)象。對(duì)于200～300m級(jí)高壩，水庫(kù)水溫夏季通常表現(xiàn)為上暖下冷，冬季則相反，而底層水溫常年趨于穩(wěn)定。若直接從固定高程泄水，會(huì)導(dǎo)致下泄水溫與自然河道的水溫節(jié)律出現(xiàn)顯著偏差——夏季過(guò)低、冬季過(guò)高，從而對(duì)下游水生生物尤其是魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)與繁殖造成不利影響。

我國(guó)大多數(shù)已建水庫(kù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段未充分考慮該問(wèn)題，缺乏有效的水溫調(diào)控措施。新建水庫(kù)雖可通過(guò)設(shè)置疊梁門(mén)、多層取水口或前置擋墻等結(jié)構(gòu)緩解水溫分層影響，但對(duì)大量已蓄水運(yùn)行的水庫(kù)而言，這類(lèi)改造往往難以實(shí)施。

近年來(lái)中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院研發(fā)了“柔性幕墻技術(shù)”，為解決這一難題提供了可行路徑。該技術(shù)通過(guò)在進(jìn)水口前方布設(shè)柔性幕墻有效阻隔中下層低溫水，并通過(guò)調(diào)節(jié)幕墻頂部高程實(shí)現(xiàn)分層取水。其突出優(yōu)勢(shì)在于：①支持水下施工，適用于已蓄水水庫(kù)，改造過(guò)程不影響水庫(kù)正常運(yùn)行；②在保障電站發(fā)電效益的同時(shí)，顯著調(diào)節(jié)下泄水溫，減輕對(duì)下游生態(tài)的負(fù)面影響。該技術(shù)已形成設(shè)計(jì)方法、柔性結(jié)構(gòu)體系、專用施工裝備與控制系統(tǒng)，并在貴州三板溪水庫(kù)成功應(yīng)用。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)在生態(tài)大壩領(lǐng)域具有重要的創(chuàng)新價(jià)值與應(yīng)用潛力。

2.高壩過(guò)魚(yú)技術(shù)

水庫(kù)大壩建成后，阻隔了上下游之間的物質(zhì)與能量交換，對(duì)魚(yú)類(lèi)洄游造成顯著影響。低壩及閘壩尚可通過(guò)魚(yú)道等設(shè)施輔助魚(yú)類(lèi)通行，而高壩過(guò)魚(yú)則一直是一項(xiàng)世界性難題。其困難主要源于：一是現(xiàn)有工程大多在初期設(shè)計(jì)中未系統(tǒng)考慮過(guò)魚(yú)需求；二是高壩水頭大、水流條件復(fù)雜，傳統(tǒng)過(guò)魚(yú)設(shè)施適用性受限；三是存在“生態(tài)陷阱”風(fēng)險(xiǎn)，即若將下游魚(yú)類(lèi)直接放入上游水庫(kù)，會(huì)因水溫、流速等生境差異導(dǎo)致其難以適應(yīng)甚至無(wú)法繁殖，從而喪失生態(tài)意義。

我國(guó)自2010年起在彭水、龍開(kāi)口等水電站開(kāi)展相關(guān)研究，重點(diǎn)攻關(guān)集魚(yú)效率、高壩適用性以及避免“生態(tài)陷阱”等三大技術(shù)難題。長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司針對(duì)300m級(jí)高壩研發(fā)了“水電站發(fā)電尾水口集魚(yú)方法及升魚(yú)機(jī)裝置”。該技術(shù)利用電站尾水流態(tài)，構(gòu)建三維誘魚(yú)流場(chǎng)，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)優(yōu)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)，顯著提升集魚(yú)效率。系統(tǒng)還配套生態(tài)化運(yùn)轉(zhuǎn)與動(dòng)態(tài)放養(yǎng)監(jiān)控機(jī)制，確保魚(yú)類(lèi)在適宜流動(dòng)水體中存活與繁衍。該套技術(shù)方案已在烏東德水電站成功應(yīng)用，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明其過(guò)魚(yú)效果顯著優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)施；在白鶴灘水電站等工程中的推廣應(yīng)用效果也良好。該成果為高壩工程有效過(guò)魚(yú)及生態(tài)保護(hù)提供了重要技術(shù)支撐。

3.生態(tài)調(diào)度與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

除工程措施外，非工程手段同樣至關(guān)重要。生態(tài)調(diào)度方面，南京水利科學(xué)研究院、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院等單位共同研發(fā)了水量-水質(zhì)-生物多要素耦合的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度技術(shù)。該技術(shù)重點(diǎn)研究水動(dòng)力與水溫對(duì)魚(yú)類(lèi)繁殖的影響，提出“漲水促進(jìn)產(chǎn)卵、落水促進(jìn)孵化”的協(xié)同調(diào)度策略，并構(gòu)建統(tǒng)籌防洪、發(fā)電與生態(tài)的多目標(biāo)調(diào)度模型，已在實(shí)踐中取得積極成效。

在生態(tài)修復(fù)方面，也涌現(xiàn)出一些具有廣泛前景的技術(shù)。南昌大學(xué)提出的共軛土工程技術(shù)，主要針對(duì)工程裸露面、水庫(kù)消落帶及底泥改造等場(chǎng)景，通過(guò)生物基質(zhì)與高分子材料改造土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，使其更符合植被恢復(fù)與生境營(yíng)造的要求，在工程裸露面、礦山、河湖消落帶生態(tài)修復(fù)中得到成功應(yīng)用，已具備規(guī)?；茝V潛力。重慶大學(xué)提出的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）裂縫修復(fù)技術(shù)（亦稱“生物建造”），在南海島礁加固與文物修復(fù)領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用，其核心是利用微生物代謝誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體裂縫的仿生修復(fù)，目前已在土木與巖土工程中形成一套完整的技術(shù)體系，具備在水利工程中推廣應(yīng)用的潛力。

4.庫(kù)壩生態(tài)正效應(yīng)及典型工程

我們既要切實(shí)建設(shè)好生態(tài)友好型大壩，又要實(shí)事求是地宣傳庫(kù)壩系統(tǒng)的正向生態(tài)效益。首先，防洪減災(zāi)是庫(kù)壩最根本的生態(tài)效益。洪水失控必然引發(fā)河道變遷與生態(tài)災(zāi)難，歷史經(jīng)驗(yàn)表明，有效防洪是流域安瀾與生態(tài)穩(wěn)定的基石，是關(guān)乎民生福祉的最大生態(tài)保障。其次，庫(kù)壩工程調(diào)水調(diào)沙是生態(tài)保護(hù)的生動(dòng)實(shí)踐。以小浪底水利樞紐工程為代表的調(diào)水調(diào)沙運(yùn)行，有效緩解了黃河下游河道萎縮狀況，抑制了河口侵蝕，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵河段的沖淤平衡，生態(tài)效益顯著。第三，水庫(kù)在壓咸補(bǔ)淡方面起到了關(guān)鍵作用。例如在珠江口，通過(guò)水庫(kù)調(diào)度抵御咸潮、保障淡水供應(yīng)。第四，生態(tài)補(bǔ)水功能日益凸顯。例如在2022年長(zhǎng)江全流域罕見(jiàn)旱情中，通過(guò)水利部“長(zhǎng)江流域水庫(kù)群抗旱保供水聯(lián)合調(diào)度專項(xiàng)行動(dòng)”實(shí)施的生態(tài)補(bǔ)水有效緩解了區(qū)域用水緊張狀況，保障了下游農(nóng)田灌溉與生態(tài)基流。

生態(tài)庫(kù)壩建設(shè)不應(yīng)停留于“建壩與否”的簡(jiǎn)單爭(zhēng)論，而應(yīng)轉(zhuǎn)向如何以更具生態(tài)適應(yīng)性的方式，進(jìn)行庫(kù)壩的規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)維。這就要求我們體現(xiàn)“上善若水，水利萬(wàn)物而不爭(zhēng)”的文化精髓，在開(kāi)發(fā)與保護(hù)中實(shí)現(xiàn)人水和諧共生。如鄱陽(yáng)湖水利樞紐，其作為一項(xiàng)規(guī)劃多年的水利工程，建設(shè)理念具有鮮明的生態(tài)導(dǎo)向，體現(xiàn)“建閘不建壩、調(diào)枯不控洪、攔水不發(fā)電，江湖兩利、動(dòng)態(tài)調(diào)控，生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”原則，然而因引發(fā)廣泛討論導(dǎo)致該工程長(zhǎng)期未能實(shí)施，究其本質(zhì)是對(duì)傳統(tǒng)水利工程生態(tài)化實(shí)踐存在誤解。第一，須跳出鄱陽(yáng)湖、立足長(zhǎng)江大系統(tǒng)看待這個(gè)工程。鄱陽(yáng)湖流域是長(zhǎng)江的重要組成部分，其流域面積占長(zhǎng)江流域的9%，年均入江水量約占長(zhǎng)江徑流量的16%，因此鄱陽(yáng)湖的治理與保護(hù)不僅僅是鄱陽(yáng)湖流域或江西省的局部事宜，更是事關(guān)長(zhǎng)江流域大保護(hù)的重大工程。第二，須從歷史演化視角，評(píng)估工程的必要性與緊迫性。近幾十年來(lái)受氣候變化與高強(qiáng)度人類(lèi)工程活動(dòng)共同影響，鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)與生態(tài)系統(tǒng)已發(fā)生顯著變化，例如枯水期提前、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，“豐水一片、枯水一線”的自然節(jié)律受到嚴(yán)重干擾，湖區(qū)生態(tài)功能退化風(fēng)險(xiǎn)加劇，已經(jīng)到了不得不采取人工干預(yù)修復(fù)生態(tài)的緊要關(guān)頭。第三，需要把握工程本質(zhì)屬性，科學(xué)定位工程功能。該工程雖被冠以“水利樞紐”之名，但其主要功能并非防洪、發(fā)電，而是生態(tài)調(diào)控。其根本目標(biāo)在于通過(guò)水位調(diào)節(jié)，涵養(yǎng)湖區(qū)水源，維持濕地生境穩(wěn)定，保護(hù)生物多樣性，并輔助改善區(qū)域小氣候，本質(zhì)上是維持鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)健康的水利基礎(chǔ)設(shè)施，是傳統(tǒng)水利工程生態(tài)化的生動(dòng)實(shí)踐。第四，應(yīng)堅(jiān)持對(duì)立統(tǒng)一，辯證地看待這一工程。任何工程皆具有雙重性，關(guān)鍵是其利大于弊還是弊大于利。該樞紐采用閘壩設(shè)計(jì)，汛期可敞泄行洪，最大程度減少對(duì)自然水文過(guò)程的干擾，在非汛期通過(guò)科學(xué)調(diào)控能發(fā)揮積極的生態(tài)效益。生態(tài)水利的核心在于“趨利避害”，科技創(chuàng)新正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)、優(yōu)化工程效益的重要支撐。

智能庫(kù)壩面臨的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

智能庫(kù)壩建設(shè)覆蓋智能設(shè)計(jì)、智能建造、智能感知、智能分析、智能決策與智能運(yùn)維，涉及技術(shù)模式與管理體系的系統(tǒng)性變革。

1.智能庫(kù)壩核心架構(gòu)及技術(shù)挑戰(zhàn)

智能庫(kù)壩的核心架構(gòu)，一般可劃分為感知、分析、決策、應(yīng)用四個(gè)層次。感知層是基礎(chǔ)，需要實(shí)現(xiàn)全域、連續(xù)、精準(zhǔn)的透徹感知，覆蓋庫(kù)壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境。分析層是核心，需要針對(duì)單個(gè)工程、梯級(jí)系統(tǒng)及流域等不同尺度，構(gòu)建相應(yīng)的分析模型與分析軟件。決策層是關(guān)鍵，需要依據(jù)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的融合與反饋，形成決策支持。應(yīng)用層是目標(biāo)，需要構(gòu)建智慧決策系統(tǒng)與云服務(wù)平臺(tái)，形成“端-網(wǎng)-云”融合的完整體系，完成從智能感知、融合挖掘到輔助決策的全過(guò)程。推進(jìn)智能庫(kù)壩建設(shè)面臨如下技術(shù)挑戰(zhàn)：

其一，全面精準(zhǔn)感知難度大。實(shí)現(xiàn)“天空地水工”一體化透徹監(jiān)測(cè)實(shí)屬不易，而最困難的部分在于巖土體與結(jié)構(gòu)內(nèi)部等“看不見(jiàn)、摸不著”區(qū)域的監(jiān)測(cè)感知。既有工程存在傳感器歷史埋設(shè)不足、設(shè)備老化失效等問(wèn)題，新建或改造監(jiān)測(cè)體系又面臨成本與技術(shù)的約束。多模態(tài)感知能力不足，不同感知手段（如視覺(jué)、聲學(xué)、變形、滲流）的數(shù)據(jù)融合技術(shù)尚不成熟。

其二，感知體系協(xié)同性不足。天基（衛(wèi)星遙感）、空基（航空）、地基監(jiān)測(cè)的精度、頻次各異，如何實(shí)現(xiàn)一般性監(jiān)測(cè)與關(guān)鍵部位專項(xiàng)監(jiān)測(cè)的協(xié)同，是提升感知效率的難點(diǎn)。

其三，數(shù)據(jù)治理與應(yīng)用存在瓶頸。海量數(shù)據(jù)在匯集、管理過(guò)程中面臨標(biāo)準(zhǔn)不一、質(zhì)量不高、關(guān)鍵屬性缺失等問(wèn)題，導(dǎo)致“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象普遍存在。數(shù)據(jù)處理算法與前沿智能技術(shù)存在“代差”，制約了數(shù)據(jù)價(jià)值的深度挖掘。

其四，數(shù)字孿生技術(shù)有待深化。當(dāng)前許多數(shù)字孿生項(xiàng)目仍停留于可視化層面，其核心應(yīng)是物理實(shí)體與數(shù)字模型之間基于內(nèi)在物理力學(xué)機(jī)制的實(shí)時(shí)、高保真映射與同步，并融合機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析。

2.既有庫(kù)壩數(shù)智化改造的差異化路徑

黨的二十屆四中全會(huì)提出推進(jìn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施更新和數(shù)智化改造。我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)數(shù)量龐大，工程規(guī)模、管理技術(shù)等差異性大。針對(duì)既有庫(kù)壩的改造問(wèn)題，要理解數(shù)智化改造的本質(zhì)要求，應(yīng)遵循差異化技術(shù)路徑。

數(shù)智化改造不僅是技術(shù)更新，更是系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變。一是理念轉(zhuǎn)變，這是根本；二是手段更新，特別是對(duì)大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用；三是模式轉(zhuǎn)換，即從原有發(fā)展模式轉(zhuǎn)向新的運(yùn)維管理模式；四是效益提升，最終實(shí)現(xiàn)工程安全與綜合效益的協(xié)同提升。因此，數(shù)智化改造不能僅僅停留在購(gòu)買(mǎi)傳感器或構(gòu)建模型的層面，而應(yīng)從底層邏輯出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)化、體系化的重構(gòu)。

對(duì)于已建水庫(kù)的數(shù)智化改造，必須堅(jiān)持從實(shí)際出發(fā)，分級(jí)分類(lèi)、因地制宜實(shí)施。我國(guó)水庫(kù)數(shù)量眾多，壩型、建設(shè)年代、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及既有數(shù)字化程度各不相同，不能“一刀切”。需要首先按壩型與建設(shè)年代進(jìn)行分類(lèi)，再依據(jù)庫(kù)容與工程重要性進(jìn)行分級(jí)。在此基礎(chǔ)上，可選取具有代表性的庫(kù)壩開(kāi)展數(shù)智化改造試點(diǎn)，針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和基礎(chǔ)條件，制定相應(yīng)的改造方案。

要充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)特別是“天空地水工”一體化感知、智能監(jiān)測(cè)等先進(jìn)手段的作用，對(duì)缺失環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充，對(duì)薄弱部分進(jìn)行增強(qiáng)，對(duì)落后系統(tǒng)進(jìn)行更新。數(shù)智化改造應(yīng)聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域，例如城市上游重要水庫(kù)（“頭頂庫(kù)”），以及涉及公共安全、風(fēng)險(xiǎn)突出的庫(kù)壩工程；應(yīng)注重代表性、可推廣性和實(shí)效性，確保改造工作落到實(shí)處、發(fā)揮實(shí)效。需要指出的是，數(shù)智化改造升級(jí)需要大量數(shù)據(jù)，新一代人工智能的典型特征是大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，這要求打破部門(mén)壁壘，整合設(shè)計(jì)、施工、業(yè)主、行業(yè)主管部門(mén)等多方數(shù)據(jù)，開(kāi)展有組織的科研，挖掘兩大核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價(jià)值：一是國(guó)內(nèi)積累的大量巖土工程室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是高壩大庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行中產(chǎn)生的變形、滲流等安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.“模型-數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動(dòng)的研究范式

智能庫(kù)壩的發(fā)展應(yīng)堅(jiān)持機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動(dòng)的分析范式。一方面，需發(fā)展融合物理機(jī)制的智能分析模型，如力學(xué)參數(shù)智能反演模型、變形滲流演化預(yù)測(cè)模型與安全評(píng)價(jià)模型等；另一方面，應(yīng)充分利用真實(shí)數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工智能模型，彌補(bǔ)純機(jī)理模型在應(yīng)對(duì)復(fù)雜非線性問(wèn)題時(shí)的不足。通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史規(guī)律的深度分析和對(duì)未來(lái)態(tài)勢(shì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，最終推動(dòng)庫(kù)壩安全管理從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ较蛑悄芑?、精?xì)化方向轉(zhuǎn)變。

以白鶴灘工程為例，該工程曾明確提出需研究降雨入滲及庫(kù)水位周期性變化條件下庫(kù)壩滲流穩(wěn)定狀態(tài)。面對(duì)該實(shí)際需求，若純粹采用傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法，則就現(xiàn)場(chǎng)巖體而言，全球尚無(wú)成功測(cè)試和分析其非飽和特征參數(shù)的方法。然而，工程積累了大量巖體地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可探索利用這些數(shù)據(jù)開(kāi)展“模型-數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動(dòng)研究，以期獲得所需的特征參數(shù)。為此，我們構(gòu)建了與實(shí)體模型對(duì)應(yīng)的虛擬數(shù)字模型，通過(guò)物理機(jī)理模型與大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合反演，有效模擬暴雨入滲過(guò)程及其對(duì)地下滲流場(chǎng)的長(zhǎng)期影響。這里假定上層非飽和區(qū)與下部飽和地下水之間存在水力聯(lián)系，顯然這是成立的，從而可以聯(lián)合推演所需的特征參數(shù)。我國(guó)類(lèi)似工程積累了大量未被充分利用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，均可通過(guò)此類(lèi)“模型-數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動(dòng)手段，構(gòu)建高保真模型，并用于預(yù)測(cè)未來(lái)工況下的演變趨勢(shì)。

采用“模型-數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動(dòng)的研究范式，首先應(yīng)明確建模思路。物理模型提供機(jī)理約束下的預(yù)測(cè)值，其與真實(shí)系統(tǒng)觀測(cè)值之間的偏差是由各種不確定因素引起的。當(dāng)前許多研究過(guò)于追求物理模型的復(fù)雜性，反而脫離了工程實(shí)際。實(shí)踐表明，物理模型應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，重在揭示核心機(jī)理，而復(fù)雜的非線性偏差部分則交由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型刻畫(huà)。這樣既能保持物理可解釋性，又能充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免陷入過(guò)度復(fù)雜的唯象建模，喪失數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的靈活性等優(yōu)勢(shì)。

4.庫(kù)壩工程全生命周期數(shù)智賦能

智能技術(shù)應(yīng)賦能庫(kù)壩安全的全生命周期。首先應(yīng)從勘測(cè)階段開(kāi)始轉(zhuǎn)型，融合勘測(cè)數(shù)據(jù)、原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)與傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)建未來(lái)可支撐透明化地質(zhì)與智能分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境。庫(kù)壩安全約60%～70%的風(fēng)險(xiǎn)源于不良地質(zhì)體，如斷層、破碎帶、溶洞等。通過(guò)智能勘測(cè)，旨在構(gòu)建盡可能“透明化”的地質(zhì)模型，刻畫(huà)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的時(shí)空變異特征。

在設(shè)計(jì)階段，人工智能可從三方面賦能。通過(guò)“AI+CAD”，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化；采用“AI+CAE”，提升科學(xué)計(jì)算（如流固耦合分析）的效率與精度，覆蓋開(kāi)挖、填筑、錨固、滲控等全流程數(shù)值仿真；研發(fā)“AI+BIM”，推動(dòng)數(shù)據(jù)共享與多專業(yè)智能協(xié)同。施工階段則重在解決極端環(huán)境下的施工難題，如高溫、高海拔、危險(xiǎn)環(huán)境下的施工作業(yè)?？赏ㄟ^(guò)智能鑿巖臺(tái)車(chē)、機(jī)器人等裝備，實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化與智能化，并在統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行施工組織與調(diào)度。

運(yùn)行階段是數(shù)智賦能的重點(diǎn)。需通過(guò)大模型理解壩體性態(tài)演化，識(shí)別工作狀態(tài)，診斷潛在隱患，并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警。例如，高壩壩基系統(tǒng)是一個(gè)整體，需在統(tǒng)一數(shù)字空間中耦合模擬壩體、地基及庫(kù)水的相互作用，構(gòu)建真正反映演化機(jī)制的數(shù)字孿生系統(tǒng)。針對(duì)我國(guó)大量庫(kù)壩壩齡較長(zhǎng)的現(xiàn)狀，延壽與韌性提升成為迫切需求。應(yīng)通過(guò)AI模型準(zhǔn)確判別壩體的服役性態(tài)與演化趨勢(shì)，識(shí)別關(guān)鍵薄弱部位，并采取針對(duì)性加固與提升技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程的長(zhǎng)壽安全服役。

對(duì)于流域梯級(jí)水庫(kù)群，協(xié)同綜合調(diào)度成為新課題。相對(duì)于單體工程，流域尺度上的智能庫(kù)壩建設(shè)更為復(fù)雜，也更體現(xiàn)水利系統(tǒng)的大尺度特征。它超越了個(gè)體工程范疇，涉及梯級(jí)庫(kù)壩群系統(tǒng)的安全、生態(tài)與智能化協(xié)同。首先，需要在全流域范圍內(nèi)，對(duì)氣象、地震及極端事件等進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與感知。目前水利部門(mén)在此方面已開(kāi)展不少工作，例如雨情、水情、工情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。這是“第一道防線”，關(guān)鍵是要在流域?qū)用鎸?shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)早識(shí)別、形勢(shì)早研判。其次，應(yīng)系統(tǒng)研究區(qū)域尺度上災(zāi)害鏈的演化過(guò)程及其對(duì)庫(kù)壩安全與生態(tài)的累積性影響，從而建立從災(zāi)變識(shí)別到防控的一體化體系。再者，是多目標(biāo)協(xié)同調(diào)度。流域系統(tǒng)的最終目標(biāo)，是要在防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等多目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡與協(xié)同，在保障防洪安全的前提下，統(tǒng)籌發(fā)揮發(fā)電、航運(yùn)及水生態(tài)等綜合效益。智能大壩應(yīng)在流域調(diào)度中成為關(guān)鍵智慧節(jié)點(diǎn)，推動(dòng)安全、生態(tài)等效益的多維協(xié)同。

5.若干關(guān)鍵技術(shù)

未來(lái)需聚焦以下幾個(gè)方向的技術(shù)創(chuàng)新：

①透徹感知與全域監(jiān)測(cè)技術(shù)：推進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化與高端化，研發(fā)適用于深水、隱蔽部位的非接觸式、廣域監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備，如深水探測(cè)機(jī)器人等。

②新材料與韌性提升技術(shù)：研發(fā)自感知、自修復(fù)的智能材料（如微膠囊自修復(fù)混凝土），以及高抗震性能的材料與結(jié)構(gòu)體系。

③數(shù)據(jù)分析與庫(kù)壩大模型：研發(fā)機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的庫(kù)壩滲流、變形分析與安全評(píng)價(jià)專用大模型，破解數(shù)據(jù)豐富而模型匱乏的困境。

④高保真數(shù)字孿生技術(shù)：構(gòu)建實(shí)時(shí)同步、機(jī)理清晰的高保真數(shù)字孿生體，真正實(shí)現(xiàn)典型庫(kù)壩工程預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的智能化功能。

⑤智能建造新技術(shù)：針對(duì)深埋大型隧洞、超大型地下洞室、特高壩樞紐工程等，研發(fā)智能鉆爆機(jī)器人、智能壓實(shí)、智能溫控等新一代智能建造技術(shù)。

⑥多目標(biāo)協(xié)同調(diào)度與平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)體系：建立統(tǒng)籌防洪、發(fā)電、供水、生態(tài)等多目標(biāo)的智慧調(diào)度系統(tǒng)，并形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與平臺(tái)體系。

展望

安全大壩、生態(tài)大壩與智能大壩，三者相互關(guān)聯(lián)、彼此促進(jìn)，定義了未來(lái)庫(kù)壩工程高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略理念，擘畫(huà)了全球壩工領(lǐng)域建設(shè)與運(yùn)行的戰(zhàn)略目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書(shū)記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路和關(guān)于治水重要論述精神，強(qiáng)化頂層戰(zhàn)略謀劃，推進(jìn)科技自立自強(qiáng)，提升庫(kù)壩治理體系和能力現(xiàn)代化水平。

1.把握戰(zhàn)略定位

首先，庫(kù)壩工程安全穩(wěn)定運(yùn)行涉及水資源配置、防洪減災(zāi)、能源供給與生態(tài)保障等各方面，是保障國(guó)家水安全乃至流域整體安全不可或缺的基石。因此，安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩建設(shè)應(yīng)當(dāng)跳出庫(kù)壩工程自身，立足流域防洪減災(zāi)、國(guó)家水網(wǎng)體系、河湖生命健康等方面，從保障國(guó)家水安全的戰(zhàn)略高度整體謀劃、一體推進(jìn)。

其次，中國(guó)式現(xiàn)代化強(qiáng)調(diào)人與自然和諧共生，水利現(xiàn)代化是中國(guó)式現(xiàn)代化的重要組成部分。安全、生態(tài)、智能的庫(kù)壩建設(shè)，正是水利現(xiàn)代化不可或缺的戰(zhàn)略支柱與實(shí)體支撐，是諸多水利功能得以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，庫(kù)壩工程建設(shè)必須滿足并引領(lǐng)水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

第三，國(guó)家水網(wǎng)是一個(gè)與自然和社會(huì)系統(tǒng)深度耦合互饋的開(kāi)放巨系統(tǒng)，其復(fù)雜性與開(kāi)放性遠(yuǎn)超交通網(wǎng)、物流網(wǎng)和能源網(wǎng)等封閉或半封閉系統(tǒng)。在此復(fù)雜體系中，庫(kù)壩作為“結(jié)”，發(fā)揮著承上啟下、調(diào)蓄結(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵作用，具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。因此，庫(kù)壩工程建設(shè)需融入國(guó)家水網(wǎng)“綱、目、結(jié)”的總體布局。

第四，應(yīng)當(dāng)將安全、生態(tài)、智能的庫(kù)壩建設(shè)置于“未來(lái)水利”的發(fā)展格局中?！拔磥?lái)水利”不僅是一個(gè)時(shí)間概念，更是一種發(fā)展觀，要求我們始終秉持面向未來(lái)、持續(xù)演進(jìn)的理念，不斷更新理論方法、技術(shù)裝備與管理體系?？v觀我國(guó)幾千年的治水史，中國(guó)水利走過(guò)了古代水利、近代水利、現(xiàn)代水利階段，正在向未來(lái)水利發(fā)展，體現(xiàn)了從古代順應(yīng)自然，到近代主動(dòng)利用自然，再到現(xiàn)代高強(qiáng)度調(diào)控自然，進(jìn)而邁向與自然智慧化共生的演進(jìn)規(guī)律。

未來(lái)水利首先將深刻回應(yīng)當(dāng)代中國(guó)社會(huì)發(fā)展的綠色低碳化、信息網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字智能化、系統(tǒng)綜合化四大轉(zhuǎn)型趨勢(shì)，其次要強(qiáng)化科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的戰(zhàn)略定力。庫(kù)壩工程正朝著“安全韌性強(qiáng)化、綠色低碳轉(zhuǎn)型、數(shù)智賦能升級(jí)、新質(zhì)高效發(fā)展”方向躍升，安全韌性是底線要求，綠色低碳是剛性約束，數(shù)智賦能是實(shí)現(xiàn)路徑，新質(zhì)高效是工程目標(biāo)，這四者構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。

2.深化科技創(chuàng)新

鑒于庫(kù)壩在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施體系中的重要地位，有必要組織實(shí)施國(guó)家級(jí)重大科技研發(fā)專項(xiàng)，強(qiáng)化基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、高新技術(shù)研發(fā)等方面全鏈條部署、全領(lǐng)域布局、體系化推進(jìn)，尤其要彌補(bǔ)水利領(lǐng)域在高端裝備產(chǎn)業(yè)化方面的短板。同時(shí)，要更好地發(fā)揮水利領(lǐng)域全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新平臺(tái)作用，圍繞安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)。此外，要強(qiáng)化高素質(zhì)專業(yè)化人才隊(duì)伍建設(shè)，推進(jìn)水利工程教育、科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)需求的深度融合，為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供持續(xù)的人才與智力支持。

安全、生態(tài)、智能庫(kù)壩建設(shè)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“本質(zhì)安全+韌性提升+數(shù)字賦能+災(zāi)變防控”的研究策略，建立系統(tǒng)化的庫(kù)壩安全風(fēng)險(xiǎn)防控研究體系，在空間域上實(shí)現(xiàn)整體建模與多尺度分析，在時(shí)間域上把握動(dòng)態(tài)演化與全過(guò)程反饋，在多場(chǎng)域上實(shí)施耦合互饋與協(xié)同控制。

3.完善管理體系

庫(kù)壩安全不僅是技術(shù)問(wèn)題，更是復(fù)雜的社會(huì)公共管理問(wèn)題，必須同步推進(jìn)庫(kù)壩管理體系的現(xiàn)代化。建議重點(diǎn)推動(dòng)兩方面工作：

第一，推動(dòng)《水庫(kù)大壩安全管理?xiàng)l例》從行政法規(guī)升級(jí)為國(guó)家法律，提升庫(kù)壩安全管理的法律效力和權(quán)威性，為國(guó)家水網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)安全提供堅(jiān)實(shí)法律保障。

第二，加快構(gòu)建涵蓋安全、生態(tài)、智能三個(gè)維度的庫(kù)壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。該體系需具有前瞻性和系統(tǒng)性，能引導(dǎo)和規(guī)范新建工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，并為既有工程的升級(jí)改造提供依據(jù)。

回顧發(fā)展歷程，中國(guó)庫(kù)壩工程建設(shè)已經(jīng)取得了歷史性成就，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破，建立了兩座具有世界意義的豐碑。第一座豐碑以三峽工程為代表，譜寫(xiě)了我國(guó)從庫(kù)壩大國(guó)向庫(kù)壩強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的新篇章；第二座豐碑以白鶴灘工程為代表，引領(lǐng)了世界300m級(jí)特高壩勘測(cè)設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)維的新征程。面向未來(lái)，依托國(guó)家水網(wǎng)工程建設(shè)，通過(guò)戰(zhàn)略層面的高位推動(dòng)、科技創(chuàng)新的持續(xù)驅(qū)動(dòng)、管理體系的協(xié)同優(yōu)化，安全、生態(tài)、智能庫(kù)壩建設(shè)必將建立第三座豐碑。

Abstract: China has established the world’s largest reservoir and dam system, in which reservoirs and dams play irreplaceable roles in flood control, power generation, navigation, and water supply. However, a large number of projects constructed in the early stages feature long service life and insufficient adaptability to changes in operating environments and functional requirements. Floods exceeding design standards increase the risk of earth dam failure, while rapid urbanization poses greater potential risk to the reservoirs and dams described as “a basin of water over cities”. Meanwhile, reservoir sedimentation, ecological and environmental influences, and unconventional safety risks pose severe challenges. The concepts of safe dams, ecological dams, and smart dams represent the new development philosophy for addressing the emerging challenges, possessing their inherent historical, theoretical, and practical logic. From a safety perspective, it is necessary to expand from traditional engineering safety to system safety level, and enhance risk prevention and control capacity via functional assessment, resilience improvement, and risk mitigation and reinforcement. From the ecological perspective, both engineering and non-engineering measures are required to minimize the adverse effect of projects on river ecosystems, while proactively giving play to the positive ecological benefits of reservoirs and dams, such as flood control and disaster reduction, and water-sediment regulation. From the intelligence perspective, greater efforts should be made to achieve technological breakthroughs in comprehensive perception, intelligent operation and maintenance, intelligent diagnosis, and autonomous decision-making of reservoirs and dams, and digital twin reservoir-dam systems should be established to enable the digital and intelligent management of reservoirs and dams throughout the entire life cycle. In the future, from the strategic height of ensuring national water security, it is necessary to coordinate the construction, operation, and maintenance of safe, ecological, and smart reservoirs and dams to provide a solid foundation for the construction of basin flood control projects, the development of national water networks, and the restoration of river and lake ecosystems

Keywordsdam; safety; ecology; smart; reservoir and dam project; digital twin

本文引用格式：

周創(chuàng)兵，向衍，姚池，等.安全-生態(tài)-智能庫(kù)壩建設(shè)的挑戰(zhàn)與展望[J].中國(guó)水利，2026（2）：1-10.

封面攝影｜謝雷

責(zé)編王慧

校對(duì)李盧祎

審核楊軼

監(jiān)制李坤

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對(duì)該稿件內(nèi)容有任何疑問(wèn)或質(zhì)疑，請(qǐng)立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。