新時期淤地壩系平衡理論與優(yōu)化布局關(guān)鍵技術(shù)研究

Equilibrium theory and key technologies for optimal layout of Yudiba dam systems in the new era

張攀2，姚文藝

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，450003，鄭州；2.水利部黃土高原水土保持重點實驗室，450003，鄭州）

摘要：淤地壩系是黃土高原水土流失綜合治理的關(guān)鍵工程體系，對調(diào)節(jié)黃河水沙關(guān)系具有重要作用。在極端強降水頻發(fā)、水沙條件變化的新時期，壩系安全保障與效能提升面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前壩系研究正從單壩工程向系統(tǒng)協(xié)同、從靜態(tài)平衡向動態(tài)平衡、從經(jīng)驗防控向智慧“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）演進(jìn)。針對淤地壩系對流域泥沙輸移-沉積過程的動力調(diào)節(jié)機制、單壩平衡與壩系群體平衡之間的風(fēng)險傳遞機制、流域新水沙條件與壩系攔截能力相對平衡的動態(tài)響應(yīng)機制等關(guān)鍵科學(xué)問題，以及淤地壩系空間分布與侵蝕環(huán)境多源特征解譯優(yōu)化算法、基于壩系平衡理論的壩系多目標(biāo)智能優(yōu)化配置技術(shù)、壩系多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)引擎與數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)難題，提出淤地壩系平衡研究思路框架和研究方向，并建議在今后的工作中加強壩系自動化監(jiān)測體系建設(shè)、構(gòu)建壩系風(fēng)險一體化普適化管理平臺、推進(jìn)壩系高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)體系研究，為黃土高原水土流失系統(tǒng)治理與黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：壩系平衡；淤地壩；優(yōu)化布局；水土流失治理；黃土高原；協(xié)同調(diào)控；級聯(lián)效應(yīng)

作者簡介：張攀，正高級工程師，主要從事水土保持與生態(tài)治理研究。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2025YFC3215500）；國家自然科學(xué)基金黃河水科學(xué)研究聯(lián)合基金項目（U2443214）；河南省自然科學(xué)基金項目（242300421042）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2026.07.003

淤地壩是黃土高原特有的一項水土保持措施，是抓住黃河水沙關(guān)系調(diào)節(jié)“牛鼻子”的重要發(fā)力點。長期以來，國家對淤地壩建設(shè)高度重視，先后通過設(shè)置專項建設(shè)資金、列為“亮點工程”等方式推動淤地壩建設(shè)快速發(fā)展，形成了世界上規(guī)模最大（覆蓋黃土高原主要水土流失區(qū)）、持續(xù)建設(shè)歷時最長（逾70年）的淤地壩工程體系。該工程體系通過大中小型壩相結(jié)合、上中下游相統(tǒng)籌，形成功能協(xié)調(diào)、具有樹形層級結(jié)構(gòu)（骨干壩控制、中小壩配套）的有機整體，可將溝道重力侵蝕環(huán)境逐漸變?yōu)槌练e環(huán)境，進(jìn)而大大減輕重力侵蝕強度，實現(xiàn)溝道重力侵蝕強度降級和壩系攔截能力相對平衡的穩(wěn)定格局。

當(dāng)前，通過持續(xù)開展水土保持工程建設(shè)，黃土高原水土流失治理取得顯著成效，流域水土保持率提升至69.07%，年均減少入黃泥沙4.35億t，水沙條件發(fā)生顯著變化。與此同時，黃土高原地區(qū)極端強降水頻發(fā)，對壩系工程安全構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此新形勢下，為持續(xù)提升淤地壩系對變化環(huán)境下水沙過程的調(diào)控能力，亟須開展新時期淤地壩系平衡理論與優(yōu)化布局關(guān)鍵技術(shù)研究，破解壩系安全防控、功能協(xié)同、智慧管理等瓶頸，為黃土高原水土流失系統(tǒng)治理提供理論與技術(shù)支撐，深化壩系在極端事件、新水沙條件下的適應(yīng)機制研究，構(gòu)建與當(dāng)前水沙條件相匹配的高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩工程體系，從系統(tǒng)化構(gòu)建、協(xié)同化治理、智慧化管理、可持續(xù)產(chǎn)生效益等多維度全方面推進(jìn)黃土高原淤地壩建設(shè)。

新時期淤地壩系平衡研究的戰(zhàn)略意義

淤地壩系是以小流域為單元，由大中小型淤地壩及小水庫等壩庫群構(gòu)成的工程設(shè)施體系。據(jù)《黃河流域水土保持公報（2024年）》統(tǒng)計，截至2024年，黃河流域共有淤地壩5.83萬座，其中大中型壩1.85萬座，小型壩3.98萬座，構(gòu)成了2000多個覆蓋主要小流域的完整壩系，形成了“骨干壩控制、中小壩配套”的布局。這些壩系不僅具備攔沙、淤地、減蝕、生態(tài)改善等多種功能，還在調(diào)控水沙關(guān)系、提升水資源利用能力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與固碳等流域綜合效益中發(fā)揮顯著作用。黃河流域現(xiàn)有淤地壩已淤成壩地8.53萬h，平均每座大中型淤地壩淤地面積分別為5.47h、2.07h。非汛期，部分淤地壩通過蓄水解決了64萬頭牲畜飲水問題，灌溉農(nóng)田1.33萬h。過去50年來，黃土高原地區(qū)淤地壩固碳能力達(dá)2160萬t，充分彰顯了壩系的多重功能協(xié)同效應(yīng)。

然而，近年來由于氣候變化加劇、局地暴雨洪水頻發(fā)，淤地壩系在運行管理中也面臨著失穩(wěn)風(fēng)險加劇、防洪壓力持續(xù)增大、效益未能充分發(fā)揮及度汛預(yù)警手段落后等諸多挑戰(zhàn)，已成為制約壩系工程安全保障與整體效能提升的關(guān)鍵瓶頸。與單壩工程相比，壩系呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)出平衡失穩(wěn)傳遞、時空放大和級聯(lián)響應(yīng)等特征。單壩平衡不等于壩系平衡，從某種意義上講，壩系平衡可以理解為在小流域內(nèi)，將單壩相對平衡的目標(biāo)以壩系的方式從時間和空間上進(jìn)行重新分配，通過各個壩庫工程間的相互聯(lián)系和協(xié)作，發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢，提升系統(tǒng)韌性，從而克服實現(xiàn)單壩相對平衡則必須建設(shè)高壩大庫的局限性，在結(jié)構(gòu)功能、投資分配、效益發(fā)揮等方面具有更為明顯的優(yōu)勢。

2015年，習(xí)近平總書記在陜西省延安市延川縣梁家河村調(diào)研考察時指出，淤地壩是流域綜合治理的一種有效形式，既可以增加耕地面積、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行。2019年，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上強調(diào)“有條件的地方要大力建設(shè)淤地壩”。2022年，《中華人民共和國黃河保護(hù)法》確立組織開展淤地壩建設(shè)、加快老舊淤地壩提升改造、建設(shè)安全監(jiān)測和預(yù)警設(shè)施的法律地位。2025年，水利部部長李國英在調(diào)研黃土高原時，要求立足黃土高原水土保持工作全局，系統(tǒng)總結(jié)壩系建設(shè)實踐，構(gòu)建新時期淤地壩系平衡理論。因此，開展新時期壩系平衡理論與優(yōu)化布局關(guān)鍵技術(shù)研究，圍繞壩系的動態(tài)平衡機制、系統(tǒng)韌性維持與適應(yīng)性調(diào)控等核心問題，構(gòu)建壩系平衡理論體系，研發(fā)壩系優(yōu)化配置技術(shù)，建立壩系平衡智能服務(wù)與風(fēng)險預(yù)警平臺，對于提升壩系整體防御洪水風(fēng)險能力、推動水土保持高質(zhì)量發(fā)展、支撐黃河重大國家戰(zhàn)略具有重要意義。

淤地壩系平衡研究發(fā)展趨勢與研究重點分析

1.淤地壩系平衡研究發(fā)展趨勢分析

經(jīng)過多年持續(xù)治理，黃土高原水土保持成效顯著。淤地壩作為關(guān)鍵工程措施，其功能定位與治理范式也隨之不斷深化與拓展，從單一的水土保持工程，逐步發(fā)展為集攔沙、淤地、防洪、供水及生態(tài)維護(hù)于一體的流域綜合調(diào)控系統(tǒng)。與之相應(yīng)，其研究范式也發(fā)生了深刻演進(jìn)。當(dāng)前，淤地壩系研究已超越單一壩體的工程范疇，在工程建設(shè)、平衡理論與風(fēng)險防控三個維度上，均呈現(xiàn)出向系統(tǒng)性、動態(tài)性與智慧化方向演進(jìn)的整體趨勢，共同構(gòu)成了新時期淤地壩系可持續(xù)發(fā)展的核心研究框架。

（1）淤地壩建設(shè)從早期的單壩攔沙淤地向多壩系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控演進(jìn)

我國淤地壩建設(shè)經(jīng)歷了從分散、零星布局到以小流域為單元推進(jìn)系統(tǒng)化壩系建設(shè)的演進(jìn)過程。

20世紀(jì)80年代之前，相關(guān)研究主要聚焦于單個壩體的結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定性與攔沙效率，形成了針對獨立工程的規(guī)劃、設(shè)計與評價技術(shù)體系。該階段建設(shè)任務(wù)主要圍繞攔沙淤地等單一目標(biāo)，缺乏從溝道系統(tǒng)、小流域尺度出發(fā)的壩系整體規(guī)劃概念，導(dǎo)致壩體布局分散、功能單一，難以發(fā)揮協(xié)同調(diào)控效益。

20世紀(jì)80—90年代，隨著黃土高原小流域系統(tǒng)治理理念的深化，淤地壩系研究進(jìn)入了以小流域為單元的壩系規(guī)劃與建設(shè)階段?！肮歉蓧巍备拍畋惶岢?，并在實踐中逐漸形成了“小多成群有骨干”的壩系工程模式。通過“上攔下保、中間淤地”的系統(tǒng)治理范式，實現(xiàn)了泥沙的分級攔蓄和水資源的高效利用，壩系研究也從單壩向注重整體性、層次性與關(guān)聯(lián)性的群體優(yōu)化發(fā)展。與此同時，淤地壩穩(wěn)定理論的分析視角，也從剖析單體特性轉(zhuǎn)變至探索壩系群體的系統(tǒng)性協(xié)同效應(yīng)。研究核心從單壩設(shè)計轉(zhuǎn)向壩系優(yōu)化布局理論、攔沙淤地過程調(diào)控、壩系防洪安全風(fēng)險控制及水資源高效利用等關(guān)鍵科學(xué)問題，凸顯壩系群體協(xié)同效應(yīng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，淤地壩系研究重點轉(zhuǎn)向定量化與模型化，借助數(shù)學(xué)模型對壩址選擇、壩高確定、數(shù)量配置及建設(shè)時序等進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)也從單一的攔泥淤地，逐漸拓展為防洪減災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源調(diào)控、生態(tài)改善等多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。然而，當(dāng)前研究仍多聚焦于壩系整體的蓄洪攔沙效益，對“單壩—壩系單元—支溝壩系—小流域壩系”各層級之間的結(jié)構(gòu)模式、響應(yīng)關(guān)系、聯(lián)結(jié)機制與作用機理尚缺乏深入揭示。在級聯(lián)壩系安全穩(wěn)定運行機制及其風(fēng)險防控方面，尚未形成完整的理論體系。此外，壩系多目標(biāo)之間存在著固有的競爭與權(quán)衡關(guān)系，目前也缺乏科學(xué)量化這些矛盾并實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的有效方法。

（2）淤地壩系平衡理論從單壩相對平衡向壩系群體平衡的級聯(lián)效應(yīng)發(fā)展

淤地壩系平衡理論的發(fā)展，經(jīng)歷了從局部靜態(tài)平衡到系統(tǒng)動態(tài)平衡的認(rèn)知深化。

20世紀(jì)60年代初，受天然聚湫（攔泥壩）對洪水泥沙“全攔全蓄、不滿不溢、穩(wěn)固不垮”現(xiàn)象的啟發(fā)，提出淤地壩“相對穩(wěn)定”與“相對平衡”概念。早期研究集中于單壩的結(jié)構(gòu)安全與攔沙效率，形成了以工程安全與防洪保收為核心的單一工程規(guī)劃布局原則，適配當(dāng)時單壩建設(shè)、重點攔沙的治理需求。

隨著壩系建設(shè)的發(fā)展，平衡理論的研究范疇從單壩擴展至壩系群體，開始關(guān)注壩系優(yōu)化布局、攔沙過程調(diào)控與防洪風(fēng)險控制的級聯(lián)效應(yīng)與系統(tǒng)平衡。

當(dāng)前，淤地壩系建設(shè)在實踐中仍往往側(cè)重于攔沙淤地等單一功能，系統(tǒng)協(xié)同效益未能充分發(fā)揮，難以統(tǒng)籌實現(xiàn)水土資源高效利用、泥沙精準(zhǔn)調(diào)控與壩地農(nóng)業(yè)發(fā)展等綜合目標(biāo)。對于壩系平衡的內(nèi)在機制、洪水與泥沙在壩系中的級聯(lián)調(diào)控作用、風(fēng)險傳遞的方式與效應(yīng)，以及級聯(lián)壩系安全穩(wěn)定的配置結(jié)構(gòu)等方面研究仍相對薄弱，尤其是壩系平衡與流域水沙過程的耦合機理、級聯(lián)效應(yīng)的量化方法等仍不明確，尚未形成完整的理論體系。

為實現(xiàn)壩系協(xié)同調(diào)控效益最大化，亟須突破傳統(tǒng)以泥沙為中心的壩系配置模式，系統(tǒng)融合流域水循環(huán)過程、泥沙侵蝕輸移機制與綜合效益評價技術(shù)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)壩系空間布局、壩型結(jié)構(gòu)設(shè)計與建設(shè)時序安排。通過耦合多目標(biāo)優(yōu)化算法與系統(tǒng)動力學(xué)模型，構(gòu)建能適應(yīng)不同流域下墊面與氣候情景的壩系協(xié)同配置方案，明確骨干壩、中型壩和小型壩的優(yōu)化組合與建設(shè)優(yōu)先級，從而全面提升壩系在水資源調(diào)蓄、減淤滯洪和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的整體效能。推動淤地壩系從單一的泥沙攔截工程向“水-沙-農(nóng)-穩(wěn)”（水資源調(diào)控-泥沙攔截-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-防洪安全）協(xié)同調(diào)控的流域綜合系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，已成為提升流域治理系統(tǒng)性與可持續(xù)性的關(guān)鍵路徑。

（3）淤地壩風(fēng)險防控從單壩靜態(tài)安全分析向“四預(yù)”體系化協(xié)同調(diào)控演進(jìn)

淤地壩風(fēng)險防控的理念與實踐，經(jīng)歷了從被動應(yīng)對到主動防控、從經(jīng)驗判斷到智慧決策的跨越式發(fā)展。

早期研究與實踐主要圍繞單壩的工程結(jié)構(gòu)安全與防洪能力，側(cè)重于壩體穩(wěn)定、泄洪設(shè)施可靠等靜態(tài)指標(biāo)的驗算，主要依賴人工巡查與隱患排除，缺乏系統(tǒng)性風(fēng)險預(yù)警與前瞻性調(diào)控體系。20世紀(jì)90年代以來，隨著淤地壩系規(guī)模不斷擴大及極端天氣事件增多，關(guān)注點逐步擴展到壩系連鎖潰決風(fēng)險、流域承災(zāi)體脆弱性及風(fēng)險傳遞的級聯(lián)效應(yīng)，并開始引入概率分析、情景模擬等量化方法。但該階段的防控整體仍局限于事后評價與被動應(yīng)急，調(diào)度手段多以經(jīng)驗性決策為主。

近年來，在智慧水利建設(shè)與防災(zāi)減災(zāi)關(guān)口前移的背景下，風(fēng)險防控的發(fā)展重心全面轉(zhuǎn)向“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）智慧化防控體系建設(shè)。研究與實踐聚焦于融合水文氣象預(yù)報與壩系工情監(jiān)測的動態(tài)風(fēng)險預(yù)報技術(shù)，發(fā)展基于實時數(shù)據(jù)與多級臨界閾值的分級預(yù)警模型，構(gòu)建暴雨—洪水—淤積—潰決全鏈條數(shù)字化情景預(yù)演平臺，以及形成涵蓋工程聯(lián)合調(diào)度、人員應(yīng)急轉(zhuǎn)移、多壩聯(lián)防協(xié)同的智慧化預(yù)案體系。然而，當(dāng)前“四預(yù)”工作仍處于初級階段，核心短板突出：一是氣象—水文—壩系—災(zāi)損過程的精準(zhǔn)耦合預(yù)報尚未實現(xiàn)，預(yù)報精度難以滿足風(fēng)險防控需求；二是預(yù)警指標(biāo)選取科學(xué)性不足，缺乏差異化、分級化的預(yù)警閾值；三是預(yù)演系統(tǒng)集成度與實際決策耦合不緊，難以支撐精準(zhǔn)調(diào)度；四是預(yù)案的協(xié)同性與可操作性有待加強。此外，“四預(yù)”各環(huán)節(jié)之間存在銜接不暢、數(shù)據(jù)共享不足、統(tǒng)一業(yè)務(wù)化平臺缺失等問題，距離建成全鏈條、閉環(huán)式、智慧化的“四預(yù)”協(xié)同防控體系仍有顯著差距。

2.當(dāng)前研究重點分析

面對當(dāng)前存在的理論短板、技術(shù)瓶頸與管理挑戰(zhàn)，面向新時期淤地壩系安全、功能與可持續(xù)性的更高要求，亟須從以下三個關(guān)鍵方向進(jìn)行重點攻關(guān)。

（1）變化環(huán)境下淤地壩系平衡理論體系構(gòu)建

在極端暴雨頻發(fā)、溝道重力侵蝕嚴(yán)重與流域水沙條件變化并存的復(fù)雜變化環(huán)境下，僅靠單一淤地壩工程及已有的壩系設(shè)計方法，難以有效發(fā)揮淤地壩應(yīng)對變化環(huán)境的作用。為此，需聚焦來水—蓄水、侵蝕—輸移、淤積—利用、降雨—墑情、作物需水—水源保障這五大平衡關(guān)系，發(fā)展壩系平衡閾值的定量判識、多目標(biāo)協(xié)同調(diào)控與長周期可持續(xù)性優(yōu)化等方法，構(gòu)建新時期變化環(huán)境下的淤地壩系平衡理論體系，推動水土流失治理從靜態(tài)配置向動態(tài)適應(yīng)與系統(tǒng)平衡跨越。

（2）適配新水沙條件的淤地壩系優(yōu)化布局技術(shù)研究

面對傳統(tǒng)壩系建設(shè)模式難以保障長周期安全與功能可持續(xù)性的挑戰(zhàn)，需以壩系穩(wěn)定為核心，以壩型結(jié)構(gòu)與新水沙條件適配為基礎(chǔ)，以壩系空間布局協(xié)同優(yōu)化為手段，重點突破壩系整體穩(wěn)定維持、壩型功能與流域水沙耦合、多目標(biāo)協(xié)同的空間配置等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建貫穿“安全—功能—布局”的壩系結(jié)構(gòu)、功能、形式優(yōu)化技術(shù)體系。形成適應(yīng)新時期變化環(huán)境的壩型選擇方法、壩系穩(wěn)定性提升途徑與壩系群體協(xié)同設(shè)計模式，推動淤地壩建設(shè)從經(jīng)驗式治理向科學(xué)化、系統(tǒng)化設(shè)計轉(zhuǎn)型。

（3）融合數(shù)字孿生的淤地壩系智慧管理平臺建設(shè)

面對傳統(tǒng)管理模式難以滿足壩系“四預(yù)”協(xié)同與流域治理智慧化的迫切需求，亟須以數(shù)字孿生技術(shù)為核心驅(qū)動，集成“空天地”一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建貫通“監(jiān)測—管理—評估—預(yù)警”的壩系智慧管理平臺，實現(xiàn)壩系運行狀態(tài)實時感知、暴雨—洪水—淤積—潰決鏈過程模擬、壩系級聯(lián)風(fēng)險智能預(yù)警與多目標(biāo)協(xié)同調(diào)度預(yù)案生成，全面提升極端事件下壩系安全風(fēng)險防控能力、工程布局與調(diào)度方案的優(yōu)化決策水平及全生命周期效益評估的精準(zhǔn)性，推動淤地壩系管理從科學(xué)決策向智能決策升級。

新時期淤地壩系平衡理論與優(yōu)化布局技術(shù)研究關(guān)鍵問題

為應(yīng)對前述在理論體系、技術(shù)方法與協(xié)同管理方面存在的瓶頸，推動淤地壩系向更高水平的動態(tài)平衡、系統(tǒng)韌性與智慧管控方向演進(jìn)，亟須在基礎(chǔ)理論認(rèn)知與技術(shù)方法創(chuàng)新兩個層面實現(xiàn)突破，目前有以下三個關(guān)鍵科學(xué)問題和三個關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.關(guān)鍵科學(xué)問題

（1）淤地壩系對流域泥沙輸移—沉積過程的動力調(diào)節(jié)機制

在黃土高原流域侵蝕產(chǎn)沙過程中，降雨驅(qū)動—水沙輸移—地形演變組成了一個復(fù)雜水文動力系統(tǒng)，此系統(tǒng)以降雨徑流為動力源，通過坡面—溝道水沙運移和能量交換影響泥沙沖淤動態(tài)分布，進(jìn)而深刻影響徑流、入滲、泥沙輸移和產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。同時，泥沙輸移—沉積過程加劇了水流與土體間的互反饋作用，使其非線性特征更加突出。淤地壩系的介入會改變這一動力系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，其對坡面—溝道水沙運移動力參數(shù)（如流速、含沙量、侵蝕強度）的調(diào)節(jié)機理、對泥沙輸移—沉積的空間分配效應(yīng)，仍是深入認(rèn)識流域侵蝕產(chǎn)沙物理過程、建立流域產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵科學(xué)問題。

（2）單壩平衡與壩系群體平衡之間的風(fēng)險傳遞機制

單個壩體的平衡與壩系群體的整體平衡之間存在緊密的功能耦合與風(fēng)險連鎖效應(yīng)。若單壩失穩(wěn)出險，會通過水沙動力鏈打破原有系統(tǒng)平衡，引發(fā)上下游壩體的連鎖響應(yīng)，導(dǎo)致風(fēng)險在壩系網(wǎng)絡(luò)中被逐級放大。其中，這種由局部至整體的風(fēng)險傳遞路徑，具體體現(xiàn)為單壩失穩(wěn)的臨界條件、風(fēng)險在“單壩—壩系單元—支溝壩系—小流域壩系”間的級聯(lián)擴散機制與量化規(guī)律，深刻影響著壩系的韌性與可持續(xù)性，是構(gòu)建淤地壩系平衡理論與安全預(yù)警技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)問題。

（3）流域新水沙條件與壩系攔截能力相對平衡的動態(tài)響應(yīng)機制

淤地壩系通過大中小型壩相結(jié)合、上中下游相統(tǒng)籌，可將溝道重力侵蝕環(huán)境逐漸改變?yōu)槌练e環(huán)境，進(jìn)而大大減輕重力侵蝕強度，實現(xiàn)溝道重力侵蝕強度降級和壩系攔截能力相對平衡的穩(wěn)定格局。當(dāng)前，黃土高原地區(qū)水沙條件已發(fā)生較大變化，新形勢下，為持續(xù)提升壩系對變化環(huán)境下水沙過程的調(diào)控能力，亟須基于侵蝕-攔截動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，深化壩系在多沙情景轉(zhuǎn)變下的適應(yīng)機制研究，明確新水沙條件與壩系攔截能力相對平衡的動態(tài)響應(yīng)閾值與量化方法，構(gòu)建與當(dāng)前水沙條件相匹配的高標(biāo)準(zhǔn)淤地壩工程體系，這已成為指導(dǎo)黃土高原淤地壩建設(shè)、實現(xiàn)其綜合效益長期可持續(xù)的關(guān)鍵科學(xué)方向。

2.關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）淤地壩系空間分布與侵蝕環(huán)境多源特征解譯優(yōu)化算法

當(dāng)前淤地壩遙感識別存在智能化提取難度大、人機交互解譯效率低、壩系要素（壩體、泄洪設(shè)施、淤積狀況）提取不全等技術(shù)難題，難以滿足動態(tài)監(jiān)測與壩系布局優(yōu)化的需求。為此，需以高分辨率遙感影像、激光雷達(dá)點云及地形數(shù)據(jù)為輸入，開發(fā)基于AI賦能的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測模型與多源特征融合算法，實現(xiàn)壩系及其關(guān)鍵附屬設(shè)施的智能識別；同時，耦合侵蝕溝道網(wǎng)絡(luò)、植被覆蓋、坡度坡向等因子自動提取技術(shù)，實現(xiàn)淤地壩系空間分布與侵蝕環(huán)境多源特征的協(xié)同解譯與關(guān)聯(lián)分析，為淤地壩系優(yōu)化布局提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

（2）基于淤地壩系平衡理論的壩系多目標(biāo)智能優(yōu)化配置技術(shù)

針對黃土高原不同水土流失重點區(qū)域壩系空間配置與多目標(biāo)協(xié)同的復(fù)雜需求，突破傳統(tǒng)淤地壩系配置技術(shù)中“重單壩、輕系統(tǒng)”“重經(jīng)驗、輕量化”的局限，打破多約束條件下壩系規(guī)模-結(jié)構(gòu)-功能協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)瓶頸。通過深度融合自然地理特征、暴雨頻率響應(yīng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求等多源數(shù)據(jù)，建立壩系攔泥庫容、滯洪庫容及泄洪建筑物型式的自適應(yīng)布局模型，實現(xiàn)“空間均衡—功能協(xié)同—動態(tài)適應(yīng)”的智能優(yōu)化決策，提升壩系配置的科學(xué)性與精準(zhǔn)性。

（3）淤地壩系多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)引擎與數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)

淤地壩系規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理、運用全生命周期數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)、時空不連續(xù)等特征，要構(gòu)建壩系數(shù)字孿生時空動態(tài)數(shù)據(jù)底板，亟須突破數(shù)據(jù)時空信息分散、尺度不一致、語義不對齊、提取效率低下的技術(shù)難題，研發(fā)時空基準(zhǔn)統(tǒng)一框架下的動態(tài)數(shù)據(jù)引擎，創(chuàng)新多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、歸集、抽取和主題數(shù)據(jù)生成、高效數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)，建立面向協(xié)同管理與共享服務(wù)的壩系管理數(shù)據(jù)倉庫。

淤地壩系平衡研究思路框架和研究方向

隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略實施，黃河流域壩系工程建設(shè)必將得到進(jìn)一步推進(jìn)，同時也必將促進(jìn)淤地壩系平衡理論與優(yōu)化布局研究的創(chuàng)新發(fā)展。未來，需要在研究思路創(chuàng)新、研究方向拓展等方面有所突破。

1.淤地壩系平衡研究思路框架

為破解新時期淤地壩系在平衡機制、優(yōu)化布局與風(fēng)險防控方面面臨的核心難題，推動研究與實踐范式從局部靜態(tài)、經(jīng)驗驅(qū)動向系統(tǒng)動態(tài)、智能協(xié)同的方向轉(zhuǎn)變，亟須圍繞“理論創(chuàng)新—技術(shù)突破—系統(tǒng)構(gòu)建”三個層面進(jìn)行創(chuàng)新與突破。

淤地壩系平衡研究思路框架

①突破傳統(tǒng)理論局限，通過系統(tǒng)解析流域坡面徑流侵蝕輸沙力學(xué)機理、溝道在重力和水流沖刷作用下的侵蝕力學(xué)機理、泥沙的產(chǎn)生和輸移機制，揭示坡面-溝道系統(tǒng)在壩系調(diào)控下的非平衡輸沙特征，建立黃土高原不同類型區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型；厘清來水—蓄水、侵蝕—輸移、淤積—利用、降雨—墑情、作物需水—水源保障間的響應(yīng)關(guān)系，揭示侵蝕強度和攔截能力的平衡關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出變化環(huán)境下壩系多目標(biāo)平衡的新概念與新內(nèi)涵，構(gòu)建多目標(biāo)協(xié)同的壩系多維評價指標(biāo)體系，定量識別功能協(xié)同發(fā)揮的臨界閾值與穩(wěn)定區(qū)間，最終形成系統(tǒng)闡釋壩系結(jié)構(gòu)、功能與演化規(guī)律的平衡理論新體系，為壩系優(yōu)化布局與風(fēng)險防控提供核心理論支撐，破解變化環(huán)境下壩系平衡的理論瓶頸。

②突破傳統(tǒng)壩系規(guī)劃模式的局限，通過深入研究壩系的規(guī)模、空間結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)能力與當(dāng)?shù)刈匀坏乩項l件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求等多因素的耦合機制，構(gòu)建壩系攔泥庫容、滯洪庫容及泄洪建筑物型式的自適應(yīng)布局模型；集成高精度地理信息與多源數(shù)據(jù)，基于壩系平衡理論與系統(tǒng)優(yōu)化方法，融合經(jīng)驗分析、動態(tài)仿真與非線性規(guī)劃技術(shù)，研發(fā)“空間均衡—功能協(xié)同—動態(tài)適應(yīng)”的壩系建壩密度、空間布局、建壩順序優(yōu)化新技術(shù)；通過設(shè)置極端防洪、最大攔沙和生態(tài)優(yōu)先等多種治理情景，評估優(yōu)化方案的效能，提出適用于黃土高原不同類型區(qū)和水沙條件的壩系空間配置新模式，為壩系工程布局優(yōu)化與功能協(xié)同提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，破解變化環(huán)境下壩系空間配置的規(guī)劃瓶頸。

③聚焦多目標(biāo)協(xié)同與極端事件頻發(fā)下的復(fù)雜調(diào)控需求，通過系統(tǒng)性集成數(shù)字孿生、智能感知、模型模擬與知識圖譜等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建一個貫穿“監(jiān)測—管理—評估—預(yù)警”全鏈條的壩系平衡智能決策新系統(tǒng)。以淤地壩數(shù)字孿生與空間信息智能管理系統(tǒng)為核心基底，依托統(tǒng)一時空數(shù)據(jù)底板與多主題知識圖譜，實現(xiàn)壩系全要素態(tài)勢的實時感知、業(yè)務(wù)全流程的智能管理與關(guān)聯(lián)關(guān)系的深度挖掘。在此基礎(chǔ)上，深度融合預(yù)報預(yù)警一體化的水沙模擬與級聯(lián)潰決風(fēng)險模型，構(gòu)建覆蓋全流域、全過程的壩系風(fēng)險預(yù)警與分級防控體系，實現(xiàn)對極端降雨、侵蝕加劇及連鎖潰壩風(fēng)險的高效感知與精準(zhǔn)預(yù)警，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型支撐、知識引導(dǎo)、業(yè)務(wù)協(xié)同的閉環(huán)智能決策新模式，破解多目標(biāo)協(xié)同與極端事件頻發(fā)背景下壩系平衡調(diào)控的技術(shù)瓶頸。

2.淤地壩系平衡研究方向與內(nèi)容

以全面提升淤地壩系安全保障水平和綜合效益為核心目標(biāo)，從壩系平衡機制、優(yōu)化配置技術(shù)、智能服務(wù)與預(yù)警平臺三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行全鏈條設(shè)計，重點解決淤地壩系對小流域產(chǎn)—輸—淤過程的影響機理及模擬、面向“水-沙-農(nóng)-穩(wěn)”協(xié)同的壩系平衡機制等理論難題，研發(fā)基于壩系平衡理論的淤地壩系空間優(yōu)化配置技術(shù)，完善黃土高原淤地壩系平衡智能服務(wù)與風(fēng)險管理平臺，實現(xiàn)理論、技術(shù)與實踐的深度融合。

淤地壩系平衡研究方向與內(nèi)容

①淤地壩系對小流域產(chǎn)—輸—淤過程的影響機理及模擬研究，需揭示淤地壩系對坡面—溝道系統(tǒng)泥沙產(chǎn)輸過程的調(diào)節(jié)機理、淤地壩系對坡面—溝道系統(tǒng)重力侵蝕的調(diào)控機制，構(gòu)建黃土高原坡面—溝道系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型，為壩系平衡理論構(gòu)建提供機理支撐。

②面向“水-沙-農(nóng)-穩(wěn)”協(xié)同的壩系平衡機制，需探明淤地壩系平衡影響因素及其耦合關(guān)系，建立“水-沙-農(nóng)-穩(wěn)”協(xié)同的壩系平衡多維評價指標(biāo)體系，明晰變化環(huán)境下淤地壩系平衡的臨界閾值。

③基于壩系平衡理論的淤地壩系空間優(yōu)化配置技術(shù)與示范，需研發(fā)多目標(biāo)約束下的壩系工程布局與空間優(yōu)化技術(shù)、黃土高原不同類型區(qū)新建和改造壩系的優(yōu)化配置模式，并在黃土高原不同類型區(qū)小流域壩系優(yōu)化布局中進(jìn)行應(yīng)用與示范。

④黃土高原淤地壩系平衡智能服務(wù)與風(fēng)險管理平臺，需開發(fā)淤地壩數(shù)字孿生時空數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)、淤地壩系平衡優(yōu)化布局和綜合效益評估系統(tǒng)，構(gòu)建面向數(shù)字孿生的壩系安全度汛風(fēng)險模擬預(yù)警平臺，為科學(xué)指導(dǎo)淤地壩建設(shè)實踐提供系統(tǒng)解決方案，為實現(xiàn)水土保持高質(zhì)量發(fā)展提供科技支撐。

建議

為實現(xiàn)淤地壩系相對平衡理論創(chuàng)新與技術(shù)突破，建議進(jìn)一步加強以下工作。

1.加強淤地壩系安全動態(tài)實時自動化監(jiān)測體系建設(shè)

面向?qū)崟r感知與預(yù)警防控需求，加快建設(shè)覆蓋“天空地”一體化的壩系安全動態(tài)實時自動化監(jiān)測體系。綜合利用遙感衛(wèi)星、無人機航測、地面物聯(lián)網(wǎng)傳感器等多源感知手段，實現(xiàn)對壩體變形、滲流狀況、庫容淤積、水位變化等關(guān)鍵安全參數(shù)的實時采集與傳輸；重點研發(fā)低功耗、長壽命、高精度的壩工專用傳感設(shè)備，并構(gòu)建穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，保障極端天氣下監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性與完整性；統(tǒng)一監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與接口規(guī)范，推動監(jiān)測體系與各級管理平臺無縫對接，為壩系安全狀態(tài)實時評估、風(fēng)險早期識別與預(yù)警提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.構(gòu)建淤地壩系風(fēng)險智慧評估預(yù)測預(yù)警一體化普適化管理平臺

面向基層管理和社會化服務(wù)需求，研發(fā)集風(fēng)險智能評估、情景模擬預(yù)測、分級預(yù)警發(fā)布及應(yīng)急決策支持于一體的智慧化管理平臺。平臺應(yīng)深度融合氣象水文預(yù)報、壩系工情監(jiān)測、地形地質(zhì)及承災(zāi)體信息，基于數(shù)字孿生與機理模型，實現(xiàn)暴雨—洪水—淤積—潰決全鏈條過程的動態(tài)模擬與風(fēng)險超前預(yù)測。創(chuàng)新預(yù)警指標(biāo)體系和閾值設(shè)定方法，實現(xiàn)風(fēng)險分級分類預(yù)警。特別注重平臺的普適化設(shè)計，開發(fā)輕量化、易操作的移動終端應(yīng)用，確?；鶎庸芾砣藛T、巡查責(zé)任人與社會公眾能夠?qū)崟r接收預(yù)警信息、查詢壩系安全狀況、上報險情隱患，形成“專業(yè)監(jiān)測+群測群防”的協(xié)同防控格局，增強風(fēng)險預(yù)警時效性，擴大風(fēng)險預(yù)警覆蓋面。

3.推進(jìn)淤地壩系高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)體系研究

為構(gòu)建與新時期水沙條件及高質(zhì)量發(fā)展要求相匹配的淤地壩工程體系，需系統(tǒng)推進(jìn)淤地壩系高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)體系研究。一方面，要著力健全覆蓋規(guī)劃、設(shè)計、施工、管護(hù)全鏈條的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，明確不同區(qū)域壩系布局、壩型結(jié)構(gòu)、防洪安全與生態(tài)保護(hù)的技術(shù)準(zhǔn)則，實現(xiàn)工程建設(shè)的規(guī)范化與精細(xì)化。另一方面，要聚焦關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)適用于壩體加固、防滲生態(tài)護(hù)坡的新材料與新工藝，突破老舊壩除險加固與功能提升的技術(shù)瓶頸，并集成智能感知與數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建支撐壩系“四預(yù)”的智慧化管理與決策系統(tǒng)。通過標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)與技術(shù)創(chuàng)新雙輪驅(qū)動，形成可復(fù)制推廣的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)模式，全面提升壩系的安全耐久性、功能協(xié)同性與綜合效益。

Abstract: Yudiba dam systems are critical engineering structures for the comprehensive control of soil and water loss on the Loess Plateau and play an important role in regulating the flow-sediment relationship of the Yellow River. In the new era characterized by frequent extreme heavy rainfall and changing flow-sediment conditions, the safety guarantee and performance improvement of dam systems are facing severe challenges. Current research on dam systems is evolving from single Yudiba dam engineering to system coordination, from static equilibrium to dynamic equilibrium, and from empirical prevention and control to intelligent “forecasting, early warning, rehearsal, and contingency planning”. Focusing on key scientific issues such as the dynamic regulation mechanism of Yudiba dam systems on watershed sediment transport-deposition processes, the risk transmission mechanism between single Yudiba dam equilibrium and dam system group equilibrium, and the dynamic response mechanism of the relative equilibrium between new watershed flow-sediment conditions and dam system interception capacity, as well as key technical problems including the optimal algorithm for interpreting the spatial distribution of Yudiba dam systems and multi-source characteristics of erosion environments, multi-objective intelligent optimal allocation technology for dam systems based on dam system equilibrium theory, and dynamic data engine and data service technology for multi-source heterogeneous spatiotemporal data of dam systems, this paper proposed a research framework and directions for the equilibrium of Yudiba dam systems. It is suggested that in future work, efforts should be made to strengthen the construction of an automatic monitoring system for dam systems, build an integrated and universal management platform for dam system risks, and promote research on the technical system for high-standard construction of dam systems, so as to provide theoretical and technical support for the systematic control of soil and water loss on the Loess Plateau and the ecological protection and high-quality development in the Yellow River basin.

Keywordsdam system equilibrium; Yudiba dam; optimal layout; soil and water loss control; Loess Plateau; collaborative regulation; cascade effect

本文引用格式：

攀，姚文藝.新時期淤地壩系平衡理論與優(yōu)化布局關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國水利，2026（7）：24-31.

封面供圖水利部黃河水利委員會

責(zé)編董林玥

校對劉磊寧

審核張瑜洪

監(jiān)制馬穎卓

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