智能大壩建設(shè)的重大意義及其相關(guān)問(wèn)題探討

Discussion on significance of smart dam construction and related issues

中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì)

摘要：智能大壩是新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)水利工程深度融合的產(chǎn)物，其核心在于通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大壩全生命周期的數(shù)字化感知、智能化分析、精準(zhǔn)化決策與協(xié)同化管理。我國(guó)作為全球大壩數(shù)量最多、規(guī)模最大的國(guó)家，推進(jìn)智能大壩建設(shè)不僅是新形勢(shì)下發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、不斷提升水庫(kù)大壩現(xiàn)代化建設(shè)運(yùn)行管理能力的迫切需求，也是保障國(guó)家水安全、能源安全、生態(tài)安全及行業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略舉措。從我國(guó)水庫(kù)大壩智能化建設(shè)的現(xiàn)狀出發(fā)，深入剖析了推進(jìn)智能大壩建設(shè)在體制機(jī)制、支撐技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系、人才儲(chǔ)備等方面存在的瓶頸，提出推進(jìn)智能大壩建設(shè)需要堅(jiān)持系統(tǒng)思維，構(gòu)建“頂層設(shè)計(jì)—技術(shù)突破—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范—人才支撐”的全鏈條推進(jìn)路徑，即：強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制；突破核心技術(shù)，構(gòu)建自主創(chuàng)新體系；健全標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范行業(yè)發(fā)展；完善人才培養(yǎng)，夯實(shí)智力支撐。通過(guò)分階段、有重點(diǎn)地突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)智能大壩建設(shè)的統(tǒng)籌推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：智能大壩；水安全；數(shù)字孿生；水利現(xiàn)代化；信息技術(shù)

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.002

引言

水庫(kù)大壩作為現(xiàn)代水利工程的核心組成部分，既是國(guó)家水安全保障體系的核心支柱，也是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。從防洪減災(zāi)守護(hù)億萬(wàn)民眾生命財(cái)產(chǎn)安全，到灌溉供水維系糧食安全，再到蓄水發(fā)電、多能互補(bǔ)保障能源安全，水庫(kù)大壩在國(guó)家戰(zhàn)略全局中始終扮演著不可替代的“基石”角色。我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)大壩近9.5萬(wàn)座，總庫(kù)容約1萬(wàn)億m3，2024年水電裝機(jī)容量達(dá)4.36億kW，約占全球水電總裝機(jī)容量的30%，位居世界第一。

隨著氣候變化加劇、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源調(diào)控需求升級(jí)，傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)、人工主導(dǎo)”大壩管理模式在運(yùn)行管理中逐漸顯露出局限性：監(jiān)測(cè)感知多依賴單點(diǎn)、局部布設(shè)，難以實(shí)現(xiàn)全要素、全天候動(dòng)態(tài)捕捉；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警多基于經(jīng)驗(yàn)判斷，對(duì)極端水文事件的預(yù)見(jiàn)性不足；調(diào)度決策多側(cè)重單一目標(biāo)，難以兼顧防洪、發(fā)電、生態(tài)等多元協(xié)同需求。在應(yīng)對(duì)復(fù)雜水安全挑戰(zhàn)時(shí)，水庫(kù)大壩逐漸面臨“被動(dòng)應(yīng)對(duì)”的困境。

在此背景下，水利部提出建設(shè)“智能大壩”,以“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)、全周期智能管控”來(lái)突破傳統(tǒng)運(yùn)行管理模式制約，通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，構(gòu)建物理實(shí)體與數(shù)字虛擬的智能大壩實(shí)時(shí)交互映射，實(shí)現(xiàn)從“事后處置”向“事前預(yù)測(cè)、事中調(diào)控”轉(zhuǎn)變，從“經(jīng)驗(yàn)決策”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能推演”升級(jí)。這種范式革新不僅能大幅度提升大壩安全運(yùn)行的可靠性，更能充分釋放水資源綜合利用效益，為保障國(guó)家水安全、支撐高質(zhì)量發(fā)展提供全新動(dòng)能。

本文從我國(guó)水庫(kù)大壩智能建設(shè)發(fā)展的現(xiàn)狀出發(fā)，深入剖析了智能大壩建設(shè)在體制機(jī)制、支撐技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系、人才儲(chǔ)備等方面存在的瓶頸，提出推進(jìn)智能大壩建設(shè)發(fā)展路徑的有關(guān)建議。

智能大壩建設(shè)的重大意義

智能大壩是以物理大壩為基礎(chǔ)，采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化手段，賦予大壩感知、診斷、決策、控制等功能，實(shí)現(xiàn)大壩高水平安全、高質(zhì)量運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。智能大壩建設(shè)并非簡(jiǎn)單的技術(shù)升級(jí)，而是重構(gòu)水利工程功能邊界，重塑行業(yè)發(fā)展邏輯的范式革新，其戰(zhàn)略價(jià)值體現(xiàn)在國(guó)家水安全保障、能源革命、行業(yè)轉(zhuǎn)型、生態(tài)保護(hù)等多重維度，是支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略實(shí)施的“隱形基礎(chǔ)設(shè)施”。

1.筑牢國(guó)家水安全防線：從“被動(dòng)應(yīng)對(duì)”到“主動(dòng)防控”

水安全是國(guó)家安全的重要基石，智能大壩通過(guò)構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與智能調(diào)度體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)水旱災(zāi)害、水資源短缺的精準(zhǔn)防控，為國(guó)家水安全提供全鏈條保障。

（1）提升防洪減災(zāi)的精準(zhǔn)性與時(shí)效性

大量中小型水庫(kù)大壩防洪依賴人工巡查與經(jīng)驗(yàn)調(diào)度，面對(duì)極端天氣時(shí)往往存在響應(yīng)滯后、決策偏差等問(wèn)題。例如2020年長(zhǎng)江流域大洪水期間，部分中小型水庫(kù)因監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滯后，未能及時(shí)預(yù)泄騰庫(kù)，導(dǎo)致下游堤防壓力驟增。而智能大壩則可通過(guò)布設(shè)大量的內(nèi)外傳感器、無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集壩體變形、滲流、庫(kù)水位等數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象部門的降水預(yù)報(bào)，構(gòu)建起“流域-庫(kù)區(qū)-壩體”三級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，大大提升防洪減災(zāi)的精準(zhǔn)性和時(shí)效性。

以三峽大壩為例，其智能防洪調(diào)度系統(tǒng)可整合長(zhǎng)江流域1500個(gè)雨水情站點(diǎn)、20000多個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站點(diǎn)的氣象水文信息，其監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)范圍覆蓋了長(zhǎng)江上游近80%的流域面積，能在10min內(nèi)完成主要控制站以及控制性水庫(kù)的信息收集，實(shí)現(xiàn)了洪水“10d以內(nèi)預(yù)測(cè)趨勢(shì)，5d以內(nèi)預(yù)測(cè)量級(jí)，2d以內(nèi)預(yù)測(cè)過(guò)程”。2023年長(zhǎng)江流域編號(hào)洪水期間，該系統(tǒng)提前48h預(yù)測(cè)洪峰流量達(dá)7.5萬(wàn)m3/s，精準(zhǔn)調(diào)度三峽水庫(kù)預(yù)泄騰庫(kù)，使下游沙市站水位較預(yù)報(bào)值降低0.8m，避免了荊江分洪區(qū)啟用，減少直接經(jīng)濟(jì)損失超120億元；金沙江梯級(jí)電站通過(guò)智能聯(lián)合調(diào)度，保障了中下游2000萬(wàn)人口的生命財(cái)產(chǎn)安全。

（2）優(yōu)化水資源統(tǒng)籌調(diào)配的科學(xué)性

我國(guó)水資源時(shí)空分布極不均衡。智能大壩可通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，整合防洪減災(zāi)、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水等多維度需求，構(gòu)建動(dòng)態(tài)調(diào)配模型，實(shí)現(xiàn)“量水而行、以水定需”。黃河流域的實(shí)踐極具代表性。小浪底水利樞紐智能調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)分析上游來(lái)水、下游灌區(qū)需水、河口生態(tài)流量等要素，制定“豐增枯減”的調(diào)度策略：在灌溉高峰期（每年5—6月），將下泄流量從500m3/s動(dòng)態(tài)調(diào)整至800m3/s，保障河南、山東等小麥主產(chǎn)區(qū)灌溉用水，使農(nóng)田灌溉保證率從85%提升至92%；在枯水期（12月至次年2月），嚴(yán)格控制下泄流量不低于200m3/s，確保河口濕地生態(tài)需水。2023年黃河三角洲濕地面積較2018年增加180km2。再如，南水北調(diào)中線工程通過(guò)智能調(diào)控丹江口水庫(kù)出庫(kù)流量，使輸水干線供水保證率達(dá)95%以上，惠及沿線1.4億人口。

2.支撐能源安全與“雙碳”目標(biāo)：從“單一發(fā)電”到“多能協(xié)同”

水電作為清潔低碳的可再生能源，在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中承擔(dān)“穩(wěn)定器”與“調(diào)節(jié)器”角色，智能大壩可通過(guò)提升水電效率、促進(jìn)多能互補(bǔ)，為國(guó)家能源安全與“雙碳”目標(biāo)提供核心支撐。

（1）提升水電出力穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性

傳統(tǒng)水電機(jī)組運(yùn)維依賴定期檢修，存在“過(guò)度維護(hù)”或“故障突發(fā)”等問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)組等效可用系數(shù)總體低于國(guó)際先進(jìn)水平。智能大壩可通過(guò)在機(jī)組關(guān)鍵部位安裝振動(dòng)傳感器、溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，結(jié)合AI診斷算法可提前預(yù)警潛在故障，實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)檢修”替代“定期檢修”。

白鶴灘水電站的實(shí)踐顯示，其智能運(yùn)維系統(tǒng)使水電機(jī)組等效可用系數(shù)從85%提升至92%，每年減少停機(jī)時(shí)間約300h，增加發(fā)電量約8億kW·h。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化機(jī)組開(kāi)機(jī)組合與負(fù)荷分配，使棄水率從3%降至1.5%，年增發(fā)電量約5億kW·h。按每千瓦時(shí)水電替代0.3kg標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，每年可減少碳排放約39萬(wàn)t。此外，長(zhǎng)江電力梯級(jí)電站通過(guò)智能調(diào)度，2023年總發(fā)電量達(dá)2100億kW·h，相當(dāng)于減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗6300萬(wàn)t，減排二氧化碳1.6億t。

（2）促進(jìn)多能互補(bǔ)與電網(wǎng)協(xié)同

風(fēng)能、光伏發(fā)電的間歇性與波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成挑戰(zhàn)，智能大壩可通過(guò)預(yù)測(cè)來(lái)水過(guò)程與電網(wǎng)負(fù)荷，優(yōu)化水電出力計(jì)劃，為新能源消納提供“調(diào)峰”支撐。雅礱江、金沙江和黃河上游梯級(jí)電站構(gòu)建了“風(fēng)光水儲(chǔ)”多能互補(bǔ)系統(tǒng)，通過(guò)AI算法預(yù)測(cè)未來(lái)7天來(lái)水與風(fēng)電、光伏出力，在風(fēng)電、光伏大發(fā)時(shí)段（如白天光照強(qiáng)、夜間風(fēng)速高時(shí)段），水電適當(dāng)降低出力；在風(fēng)光出力低谷時(shí)段（如陰天、無(wú)風(fēng)期），水電快速提升出力補(bǔ)位，使區(qū)域電網(wǎng)新能源消納率從88%提升至95%，顯著提升了區(qū)域電網(wǎng)新能源消納率。

3.引領(lǐng)水利行業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型：從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”到“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”

智能大壩是水利行業(yè)從“粗放管理”向“精細(xì)治理”轉(zhuǎn)型的核心載體，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、管理重構(gòu)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)行業(yè)全鏈條現(xiàn)代化。

（1）倒逼關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新

智能大壩建設(shè)催生了高精度傳感、數(shù)字孿生、智能決策等技術(shù)需求，倒逼國(guó)內(nèi)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)突破“卡脖子”瓶頸。在傳感技術(shù)領(lǐng)域，有關(guān)單位研發(fā)的分布式光纖應(yīng)變測(cè)量傳感器、混凝土應(yīng)力測(cè)量傳感器等先進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，打破了歐美壟斷；在數(shù)字孿生領(lǐng)域，水利部黃河水利委員會(huì)構(gòu)建的壩體數(shù)字孿生模型，可實(shí)時(shí)模擬壩體變形、滲流等狀態(tài)，誤差控制在1%以內(nèi)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)了水利裝備國(guó)產(chǎn)化率的躍升，2018—2023年大型水利工程核心裝備國(guó)產(chǎn)化率從65%提升至88%，其中水電機(jī)組、智能監(jiān)測(cè)設(shè)備等關(guān)鍵領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率超90%，擺脫了對(duì)國(guó)外品牌的依賴。

（2）重構(gòu)工程管理模式

傳統(tǒng)大壩管理存在信息孤島、流程割裂等問(wèn)題，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維數(shù)據(jù)難以互通。智能大壩可通過(guò)構(gòu)建全生命周期數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“規(guī)劃-設(shè)計(jì)-建設(shè)-運(yùn)維-退役”數(shù)據(jù)貫通，使管理效率大幅提升。以珠江三角洲水資源配置工程為例，其數(shù)字孿生平臺(tái)整合了130km輸水隧洞和30座水閘的設(shè)計(jì)參數(shù)、施工進(jìn)度、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使工程建設(shè)工期縮短6個(gè)月，管理成本降低20%；運(yùn)行階段，通過(guò)智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化輸水路徑，使水資源輸送效率提升15%。

（3）培育新興產(chǎn)業(yè)生態(tài)

智能大壩建設(shè)帶動(dòng)了水利信息化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，形成“硬件制造—軟件開(kāi)發(fā)—服務(wù)集成”的完整產(chǎn)業(yè)鏈。隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智能建造、智慧運(yùn)維相關(guān)市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，催生培育了華為（水利云平臺(tái)）、東方電機(jī)（智能機(jī)組）、中電科（傳感器）等一批領(lǐng)軍企業(yè)的創(chuàng)新產(chǎn)品，同時(shí)，催生了“智能監(jiān)測(cè)工程師”“數(shù)字孿生建模師”等新職業(yè)，帶動(dòng)了新業(yè)態(tài)就業(yè)。

4.保障生態(tài)安全：從“工程優(yōu)先”到“生態(tài)友好”

大壩建設(shè)與生態(tài)保護(hù)的平衡是全球共同面臨的挑戰(zhàn)，智能大壩是通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控、生態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)工程效益與生態(tài)保護(hù)的協(xié)同。

（1）優(yōu)化水庫(kù)生態(tài)調(diào)度

在水庫(kù)調(diào)度優(yōu)先考慮防洪、發(fā)電的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步納入生態(tài)調(diào)度。智能大壩通過(guò)監(jiān)測(cè)下游生態(tài)指標(biāo)，如水溫、流量、魚類活動(dòng)等，形成綜合調(diào)度方案。例如，長(zhǎng)江三峽水庫(kù)實(shí)施的“四大家魚”產(chǎn)卵期生態(tài)調(diào)度，在每年5—6月通過(guò)人造洪峰，模擬自然水文過(guò)程，刺激魚類產(chǎn)卵。2025年長(zhǎng)江沙市江段監(jiān)測(cè)到的產(chǎn)漂流性魚類總產(chǎn)卵規(guī)模達(dá)696億粒，監(jiān)利江段魚苗總規(guī)模約1498億尾，均創(chuàng)歷史最高紀(jì)錄。

（2）減少工程建設(shè)生態(tài)影響

智能施工技術(shù)可優(yōu)化施工布置，減少對(duì)工程建設(shè)區(qū)的生態(tài)擾動(dòng)。雅礱江兩河口水電站通過(guò)智能爆破系統(tǒng)控制開(kāi)挖范圍，使施工區(qū)植被破壞面積減少20%；通過(guò)智能廢水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工廢水100%回用，避免了對(duì)河道水質(zhì)的污染。

智能大壩建設(shè)面臨的系統(tǒng)性挑戰(zhàn)

盡管中國(guó)智能大壩建設(shè)取得顯著進(jìn)展，但在管理機(jī)制、技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)體系、人才儲(chǔ)備等方面仍存在深層次的瓶頸，制約著智能大壩規(guī)?；茝V與高質(zhì)量發(fā)展。

1.管理機(jī)制協(xié)同性與適配性不足

（1）跨部門數(shù)據(jù)壁壘與權(quán)責(zé)交叉

智能大壩涉及水利、能源、氣象、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)部門，各部門數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一、平臺(tái)獨(dú)立，易形成“數(shù)據(jù)孤島”。例如，水利部門掌握水庫(kù)水位、泄流數(shù)據(jù)，能源部門掌握機(jī)組發(fā)電數(shù)據(jù)，氣象部門掌握降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，但因缺乏共享機(jī)制，流域級(jí)智能調(diào)度難以有效實(shí)現(xiàn)。據(jù)有關(guān)調(diào)研資料顯示，梯級(jí)電站與下游灌溉部門的數(shù)據(jù)共享率不足30%，導(dǎo)致水資源利用效率損失約8%。權(quán)責(zé)劃分不清也制約協(xié)同效率，例如，水庫(kù)防洪調(diào)度由水利部門主導(dǎo)，發(fā)電調(diào)度由能源部門負(fù)責(zé)，當(dāng)防洪與發(fā)電需求沖突時(shí)（如汛期需泄洪，電網(wǎng)需保電），缺乏明確的協(xié)調(diào)機(jī)制，2021年某水庫(kù)因部門協(xié)調(diào)滯后，導(dǎo)致棄水2億m3，損失發(fā)電量約1億kW·h。

（2）基層運(yùn)維能力與智能系統(tǒng)不匹配

智能大壩系統(tǒng)需要專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)解讀、模型優(yōu)化與系統(tǒng)維護(hù)，但基層水利單位普遍存在“人才斷層”問(wèn)題。根據(jù)有關(guān)資料，縣級(jí)水利部門中，具備信息技術(shù)背景的人員占比不足15%，50歲以上人員占比超40%，難以適應(yīng)智能系統(tǒng)操作需求。部分工程出現(xiàn)“重建設(shè)、輕運(yùn)維”現(xiàn)象，智能系統(tǒng)建成后因缺乏維護(hù)，3~5年便無(wú)法正常運(yùn)行。

（3）投入機(jī)制與長(zhǎng)效運(yùn)維保障不足

智能大壩建設(shè)成本較高，且需持續(xù)投入運(yùn)維費(fèi)用，但基層單位普遍面臨資金壓力。中西部地區(qū)中小型水庫(kù)尤為突出，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，70%的縣級(jí)水庫(kù)因資金不足，未能開(kāi)展智能改造；已改造的水庫(kù)中，40%因缺乏運(yùn)維經(jīng)費(fèi)，導(dǎo)致系統(tǒng)功能退化。

2.技術(shù)創(chuàng)新架構(gòu)體系面臨挑戰(zhàn)

（1）智能工程感知體系“全要素、高精度、高可靠”感知能力不足

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備的覆蓋范圍與環(huán)境適應(yīng)性存在局限。大壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及壩體、壩基、庫(kù)區(qū)、邊坡等多區(qū)域，傳統(tǒng)傳感器多部署于關(guān)鍵點(diǎn)位，難以實(shí)現(xiàn)“無(wú)死角”監(jiān)測(cè)，尤其在水下、高邊坡等極端環(huán)境中，設(shè)備易受水壓、腐蝕、振動(dòng)影響，穩(wěn)定性大打折扣。

感知維度的片面性制約全要素認(rèn)知。當(dāng)前感知多聚焦于位移、應(yīng)力等物理量，對(duì)水質(zhì)、生態(tài)流量等環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)精度不足，且缺乏對(duì)各要素關(guān)聯(lián)性的同步捕捉，難以形成“結(jié)構(gòu)-環(huán)境-運(yùn)行”的聯(lián)動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)。

此外，傳感器的能耗與壽命問(wèn)題突出，大量設(shè)備需要頻繁更換電池或進(jìn)行維護(hù)，不僅增加成本，更可能因停機(jī)導(dǎo)致數(shù)據(jù)斷層。

（2）智能分析診斷體系“動(dòng)態(tài)建模與深度解析”能力欠缺

數(shù)字孿生模型作為分析診斷的核心載體，其精度與實(shí)時(shí)性難以滿足復(fù)雜場(chǎng)景需求。大壩運(yùn)行受水文、地質(zhì)、氣候等多因素動(dòng)態(tài)影響，現(xiàn)有模型多基于靜態(tài)參數(shù)構(gòu)建，對(duì)極端天氣（如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、特大暴雨）下的壩體響應(yīng)模擬誤差較大。同時(shí)，數(shù)據(jù)解析的深度不足，海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的隱性風(fēng)險(xiǎn)信號(hào)難以被有效挖掘。傳統(tǒng)分析方法多依賴人工經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單算法，對(duì)非線性、突發(fā)性故障的識(shí)別靈敏度低，往往在故障顯現(xiàn)后才能追溯原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警”。此外，不同來(lái)源數(shù)據(jù)的融合難度大，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等格式各異，時(shí)空尺度不一，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)清洗與融合算法，導(dǎo)致分析結(jié)果的整體性與可靠性受限。

（3）智能決策控制體系面臨“多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化與自主決策”技術(shù)壁壘

大壩運(yùn)行需要平衡防洪、發(fā)電、供水、生態(tài)等多元目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)各目標(biāo)在不同場(chǎng)景下的優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)變化。現(xiàn)有智能決策模型多基于單一工程數(shù)據(jù)訓(xùn)練，缺乏跨流域、多工況適應(yīng)性，難以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解。例如，汛期防洪與發(fā)電存在明顯沖突，傳統(tǒng)模型多采用固定權(quán)重分配，無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)水情動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，可能導(dǎo)致防洪風(fēng)險(xiǎn)增加或發(fā)電效益損失。同時(shí)，決策的自主性不足，高度依賴人工干預(yù)。智能決策系統(tǒng)需要具備應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的應(yīng)急處置能力，但在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、設(shè)備突發(fā)故障等極端場(chǎng)景時(shí)，現(xiàn)有系統(tǒng)的預(yù)案庫(kù)覆蓋不全，難以生成精準(zhǔn)有效的控制指令，仍需依賴專家經(jīng)驗(yàn)判斷。此外，決策與執(zhí)行的聯(lián)動(dòng)性差，決策指令下達(dá)到閘門、發(fā)電機(jī)組等執(zhí)行設(shè)備的響應(yīng)延遲較長(zhǎng)，尤其在跨區(qū)域聯(lián)合調(diào)度中，不同大壩的控制協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致協(xié)同決策難以落地。

（4）智能信息網(wǎng)絡(luò)體系面臨“安全與效率雙重保障”的技術(shù)挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的兼容性與擴(kuò)展性不足。智能大壩需要連接海量傳感器、控制系統(tǒng)、云端平臺(tái)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)多采用單一通信協(xié)議（如工業(yè)以太網(wǎng)），難以適應(yīng)不同設(shè)備的接入需求，且網(wǎng)絡(luò)帶寬隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)增多易出現(xiàn)瓶頸，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲。如在無(wú)人機(jī)巡檢中高清圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳常因帶寬不足出現(xiàn)卡頓，影響巡檢效率。

網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)凸顯。智能大壩作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其數(shù)據(jù)涉及國(guó)家水安全與能源安全，而當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)防護(hù)多側(cè)重于外部攻擊，對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)泄露、設(shè)備固件篡改等風(fēng)險(xiǎn)防范不足。此外，邊緣計(jì)算與云計(jì)算的協(xié)同機(jī)制不完善，部分實(shí)時(shí)性要求高的控制指令（如閘門緊急關(guān)閉）若依賴云端處理，可能因網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致響應(yīng)滯后，威脅大壩安全。

此外，數(shù)據(jù)共享與安全邊界未明確，部門間數(shù)據(jù)交換存在不敢共享、不愿共享等問(wèn)題，制約數(shù)據(jù)價(jià)值發(fā)揮。

3.標(biāo)準(zhǔn)體系碎片化與覆蓋不全

（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏全生命周期覆蓋

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)多針對(duì)智能大壩建設(shè)的單一環(huán)節(jié)（如監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集），缺乏“規(guī)劃—設(shè)計(jì)—建設(shè)—運(yùn)維—退役”的全鏈條統(tǒng)一規(guī)范。例如水利部發(fā)布的《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》聚焦建設(shè)階段，未涉及運(yùn)維階段的技術(shù)要求；國(guó)家能源局發(fā)布的《水電站智能化導(dǎo)則》側(cè)重發(fā)電環(huán)節(jié)，對(duì)防洪、生態(tài)調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)缺失。標(biāo)準(zhǔn)的碎片化導(dǎo)致不同工程的智能系統(tǒng)兼容性差，三峽大壩與葛洲壩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因格式不一，無(wú)法直接互通，需額外投入資金進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；流域梯級(jí)電站因調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)差異，難以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合智能調(diào)度，影響整體效益。

（2）安全標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)體系缺失

數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后，尚缺乏智能大壩系統(tǒng)的安全等級(jí)劃分、加密要求、應(yīng)急響應(yīng)等規(guī)范。有不少的智能大壩項(xiàng)目未開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)，存在重大安全隱患。同時(shí)，智能大壩性能評(píng)價(jià)體系缺失，缺乏統(tǒng)一的“智能化水平”評(píng)估指標(biāo)（如感知覆蓋率、決策準(zhǔn)確率），導(dǎo)致工程建設(shè)重形式、輕實(shí)效，部分項(xiàng)目?jī)H安裝傳感器便宣稱“實(shí)現(xiàn)智能化”，實(shí)際未發(fā)揮效益。

4.人才儲(chǔ)備結(jié)構(gòu)性短缺

（1）復(fù)合型人才供需矛盾突出

智能大壩建設(shè)需要既懂水利工程（壩工、水文、地質(zhì)），又掌握信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、AI、大數(shù)據(jù)）的復(fù)合型人才，但現(xiàn)有培養(yǎng)體系存在“兩張皮”問(wèn)題：高校水利專業(yè)側(cè)重傳統(tǒng)工程知識(shí)，信息技術(shù)課程占比不足10%；計(jì)算機(jī)專業(yè)人才又缺乏水利行業(yè)認(rèn)知，難以開(kāi)發(fā)適配的智能系統(tǒng)。據(jù)教育部統(tǒng)計(jì)，2023年全國(guó)水利類專業(yè)畢業(yè)生約2萬(wàn)人，其中具備信息技術(shù)能力的不足15%，遠(yuǎn)低于市場(chǎng)需求。

（2）基層技術(shù)人員培訓(xùn)不足

基層水利單位人員老齡化嚴(yán)重，對(duì)智能技術(shù)接受度低，而現(xiàn)有培訓(xùn)多為短期講座，缺乏系統(tǒng)性實(shí)操訓(xùn)練。對(duì)中西部地區(qū)的調(diào)研顯示，僅30%的基層人員能較熟練操作智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，60%的人員表示“看不懂?dāng)?shù)據(jù)分析結(jié)果”，導(dǎo)致智能系統(tǒng)存在“建而不用”現(xiàn)象。

智能大壩建設(shè)的發(fā)展路徑

面向水利高質(zhì)量發(fā)展要求，針對(duì)中國(guó)智能大壩建設(shè)在架構(gòu)體系層面面臨的技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)，需從系統(tǒng)思維出發(fā)，構(gòu)建“頂層設(shè)計(jì)—技術(shù)突破—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范—人才支撐”的全鏈條推進(jìn)路徑，分階段、有重點(diǎn)地突破瓶頸。

1.強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制

智能大壩頂層設(shè)計(jì)的目的是引領(lǐng)智能大壩建設(shè)的技術(shù)框架、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、推進(jìn)模式及保障機(jī)制，保障智能大壩工程有序推進(jìn)和持續(xù)發(fā)展，為水利工程智能化轉(zhuǎn)型提供堅(jiān)實(shí)支撐。

破解智能大壩技術(shù)創(chuàng)新的協(xié)同難題，首先需要從國(guó)家戰(zhàn)略層面構(gòu)建跨領(lǐng)域、跨區(qū)域的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)體系。建議從國(guó)家、流域、區(qū)域發(fā)展和水功能區(qū)等多層次考慮，著眼水利行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展需求和產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力，布局智能大壩建設(shè)，以全面實(shí)現(xiàn)高水平智能大壩建設(shè)和構(gòu)建全面覆蓋、高效協(xié)同的智能大壩管理體系為總體建設(shè)目標(biāo)，確定新建智能大壩和改造已建工程的建設(shè)任務(wù)、實(shí)施計(jì)劃、考核指標(biāo)，建立健全資源投入保障措施。

建立“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，推動(dòng)水利工程管理單位、信息技術(shù)企業(yè)、高?？蒲袡C(jī)構(gòu)形成創(chuàng)新聯(lián)合體，例如通過(guò)設(shè)立國(guó)家級(jí)智能大壩技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)，定向支持跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)感知體系的全要素監(jiān)測(cè)、決策系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化等核心難題。此外，需強(qiáng)化區(qū)域協(xié)同機(jī)制，針對(duì)長(zhǎng)江、黃河等流域的跨省份大壩群，制定統(tǒng)一的技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃，打破數(shù)據(jù)壁壘，推動(dòng)流域內(nèi)智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與調(diào)度指令的互聯(lián)互通，解決不同大壩控制協(xié)議不統(tǒng)一的問(wèn)題。

分類推動(dòng)示范工程建設(shè)，探索形成可復(fù)制經(jīng)驗(yàn)。可選擇不同類型（壩型、規(guī)模、功能）的工程開(kāi)展試點(diǎn)，形成差異化經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于流域梯級(jí)示范，以金沙江、黃河流域?yàn)橹攸c(diǎn)，建設(shè)梯級(jí)智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雨情、水情、工情數(shù)據(jù)共享與聯(lián)合決策；對(duì)于單壩全能示范，以三峽、白鶴灘為重點(diǎn)，打造“感知-分析-決策-執(zhí)行”全鏈條智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)、發(fā)電調(diào)度、生態(tài)保護(hù)一體化；對(duì)于中小型水庫(kù)示范，以南方丘陵區(qū)為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)低成本智能改造方案，適合基層推廣。

2.突破核心技術(shù)，構(gòu)建自主創(chuàng)新體系

將智能大壩相關(guān)科研規(guī)劃納入國(guó)家、行業(yè)重大科技項(xiàng)目支撐計(jì)劃，促進(jìn)智能大壩關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，如“十五五”水安全保障規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南、水利部重大科技項(xiàng)目計(jì)劃等，加大智能大壩方向基礎(chǔ)性和應(yīng)用型技術(shù)科學(xué)研究資助，推動(dòng)智能大壩建設(shè)系統(tǒng)性科研攻關(guān)。

在智能工程感知體系方面，行業(yè)需加大高精度傳感器的研發(fā)投入，重點(diǎn)突破水下抗壓、抗腐蝕傳感器的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)瓶頸，降低對(duì)進(jìn)口設(shè)備的依賴；開(kāi)發(fā)低功耗、長(zhǎng)壽命的物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)，結(jié)合太陽(yáng)能與能量收集技術(shù)，解決設(shè)備頻繁維護(hù)的痛點(diǎn)。

在智能分析診斷體系中，重點(diǎn)提升數(shù)字孿生模型的動(dòng)態(tài)仿真能力，引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化模型參數(shù)，提高極端天氣下壩體響應(yīng)模擬的精度；研發(fā)多源數(shù)據(jù)融合算法，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)清洗與標(biāo)準(zhǔn)化處理流程，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、水文、氣象等數(shù)據(jù)的深度關(guān)聯(lián)分析。

在智能決策控制體系領(lǐng)域，突破多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法，構(gòu)建基于實(shí)時(shí)水情的目標(biāo)優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整模型，實(shí)現(xiàn)防洪與發(fā)電的智能協(xié)同；開(kāi)發(fā)具備自主應(yīng)急處置能力的決策系統(tǒng)，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)積累極端場(chǎng)景處置經(jīng)驗(yàn)，逐步減少對(duì)人工干預(yù)的依賴。

在智能信息網(wǎng)絡(luò)體系中，研發(fā)兼容多協(xié)議的融合通信技術(shù)，構(gòu)建“邊緣-云端”協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確保高清巡檢數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與緊急控制指令的低延遲響應(yīng)。同時(shí)，建立網(wǎng)絡(luò)安全“主動(dòng)防御”體系，部署區(qū)塊鏈技術(shù)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，運(yùn)用零信任架構(gòu)防范內(nèi)外部安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.健全標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范行業(yè)發(fā)展

標(biāo)準(zhǔn)體系的完善是智能大壩規(guī)?；瘧?yīng)用的前提，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系是推進(jìn)智能大壩建設(shè)的重要途徑。應(yīng)堅(jiān)持統(tǒng)籌高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全，統(tǒng)籌水利勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行全生命周期，圍繞智能大壩建設(shè)目標(biāo)與建設(shè)原則，在總結(jié)先行先試建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定面向發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋工程設(shè)計(jì)建設(shè)方法、數(shù)據(jù)采集與感知、數(shù)據(jù)處理與分析、智能控制系統(tǒng)、安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)等方面，以求智能大壩在技術(shù)體系、建設(shè)內(nèi)容、管理方式、安全要求等方面具有一致性，滿足建設(shè)質(zhì)量、軟硬件開(kāi)放兼容需要，支撐智能大壩技術(shù)的全面推廣實(shí)施和不斷迭代優(yōu)化。

需要加快構(gòu)建覆蓋全生命周期標(biāo)準(zhǔn)框架，制定傳感器布設(shè)規(guī)范、數(shù)據(jù)精度標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)，統(tǒng)一水下、高邊坡等特殊場(chǎng)景監(jiān)測(cè)技術(shù)要求；明確數(shù)字孿生模型的建模標(biāo)準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)更新頻率及誤差允許范圍，規(guī)范數(shù)據(jù)融合與故障診斷的流程方法；建立多目標(biāo)優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，制定不同場(chǎng)景下決策模型的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，確?？鐓^(qū)域調(diào)度指令的兼容性；出臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及安全防護(hù)要求，明確邊緣計(jì)算與云計(jì)算的協(xié)同接口。同時(shí)，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化對(duì)接，積極參與國(guó)際智能大壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，將我國(guó)大壩建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為國(guó)際規(guī)則，提升行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。此外，需建立標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，根據(jù)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用反饋，定期修訂完善標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，確保標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性與適用性。

4.完善人才培養(yǎng)，夯實(shí)智力支撐

復(fù)合型人才的短缺是制約技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵，需構(gòu)建多層次的人才培養(yǎng)體系。在高校教育層面，推動(dòng)水利工程與信息技術(shù)學(xué)科交叉融合，設(shè)立“智能大壩”專業(yè)方向，開(kāi)設(shè)數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等課程，建立跨學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)基地，聯(lián)合企業(yè)開(kāi)展訂單式培養(yǎng)。在職業(yè)培訓(xùn)方面，針對(duì)現(xiàn)有從業(yè)人員，開(kāi)展智能監(jiān)測(cè)設(shè)備操作、數(shù)字孿生模型應(yīng)用、智能決策系統(tǒng)運(yùn)維等技能培訓(xùn)，通過(guò)“理論+實(shí)操”的方式，提升其智能化管理能力。建立人才引進(jìn)機(jī)制，面向全球吸引智能傳感、大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域的高端人才，給予科研經(jīng)費(fèi)、項(xiàng)目支持等激勵(lì)政策。

搭建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，定期舉辦智能大壩技術(shù)論壇，推動(dòng)國(guó)內(nèi)外專家的經(jīng)驗(yàn)共享與合作研究，形成“培養(yǎng)—引進(jìn)—交流”人才生態(tài)循環(huán)，為技術(shù)創(chuàng)新提供持續(xù)的智力保障。

結(jié)論與展望

智能大壩建設(shè)是中國(guó)從“大壩大國(guó)”邁向“大壩強(qiáng)國(guó)”的必由之路，其意義不僅在于提升水利工程的安全與效益，更在于重構(gòu)水利行業(yè)發(fā)展范式，支撐國(guó)家水安全、能源安全與“雙碳”目標(biāo)。當(dāng)前，中國(guó)智能大壩建設(shè)已進(jìn)入“試點(diǎn)示范向規(guī)模化推廣”的關(guān)鍵階段，面臨技術(shù)、機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)、人才等多重挑戰(zhàn)，但也具備政策支持、市場(chǎng)需求、技術(shù)基礎(chǔ)等有利條件。未來(lái)，通過(guò)強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)、突破核心技術(shù)、完善標(biāo)準(zhǔn)體系、培育專業(yè)人才，中國(guó)智能大壩將實(shí)現(xiàn)三個(gè)跨越：從“單體智能”到“流域協(xié)同”，從“被動(dòng)響應(yīng)”到“主動(dòng)防控”，從“技術(shù)跟隨”到“標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)”。

相信不遠(yuǎn)的將來(lái)，中國(guó)將建成全球最完善的智能大壩體系，為全球水利工程智能化提供中國(guó)方案，為人類水治理貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。智能大壩的終極目標(biāo)，不僅是“工程的智能”，更是“治理的智能”——通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)決策，實(shí)現(xiàn)水資源、能源、生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

Abstract: Smart dams are generated by deep integration of new-generation information technology and traditional hydraulic engineering. Their core lies in achieving digital perception, intelligent analysis, precise decision-making and collaborative management throughout the entire lifecycle of dam by means of Internet of Things, Big Data, Artificial Intelligence and Digital Twins. As the country with the largest number and scale of dams in the world, smart dam construction in China is not only an urgent need to develop new productive forces and continue modernization and enhance operational management capabilities under new circumstances, but also a strategic measure to ensure national water security, energy security, ecological security, and industrial modernization transformation. Based on current situation of intelligent technology application in China, an in-depth analysis was made on the bottleneck issues in advancing smart dam construction in terms of institutional mechanism, supporting technologies, standard system and talent reserve. It proposes to boost smart dam construction by adhering to systematic thinking and adopt a full-chain approach of “top-level design-technology breakthrough-standardization-talent backup” that include top-level design and a coordinated mechanism; core technologies and an independent innovation system; standard system and industry development; and talent cultivation and intellectual support. By breaking through bottlenecks in a phased and focused manner, coordinated development of smart dam shall be achieved.

Keywordssmart dam; water security; digital twin; water resources modernization; information technology

本文引用格式：

中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì).智能大壩建設(shè)的重大意義及其相關(guān)問(wèn)題探討[J].中國(guó)水利，2025（16）：4-9+30.

封面攝影張偉革

責(zé)編呂彩霞

校對(duì)董林玥

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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