揭秘被“复刻”至计算机的“云黄河”

早在2001年，黄委就提出建设“三条黄河”，即“原型黄河”“模型黄河”和“数字黄河”，其中“数字黄河”的建设目标是借助现代化手段，对黄河流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境，“数字孪生黄河”正是“数字黄河”的延续和发展。

构建数字化场景、开展智能化模拟、支撑精准化决策是数字孪生黄河建设的“三部曲”。在这个过程中，构建智能高效的监测感知网络，获取“原型黄河”的动态数据，是基础，也是关键。

现如今，在河南、山东黄河的靠河工程上,一座座监控系统全天候“注视”着脚下的黄河，天眼系统、巡查预警机、自计水尺、移动监测车等信息化装备正让防汛日益“耳聪目明”；在水中，埋在根石里的传感器“智能石头”与“坝岸智能卫士”实现了根石实时监测预警，为险情“抢早、抢小、抢住”发挥了关键作用……这些，仅仅是黄委建设天空地一体化监测感知网络的亮点之一。

智能石头硬件展示

先进设备——黄河智能半潜式测量艇

黄河基层人员使用坝岸智能卫士——水下智能探水杆探测根石深度

河水一石，其泥几斗？

黄河是世界上含沙量最高的河流，由于其水沙条件的特殊性，市面上常见的测沙仪均不能满足黄河实际应用场景。如何破解这一难题？

黄委水文局以黄河泥沙为研究对象，收集了68万组原始数据，不断进行分析验证，开展实验1853次，连续运行2304小时，历时3年，成功研发光电测沙仪。该仪器解决了泥沙在线监测的世界难题，经过人工比测，证实效果良好，应用范围在黄河流域内外不断扩大。

数字引领、虚实相生在浩浩长河里留下了坚实足迹，也成就了全息感知、万物皆“数”的精彩蝶变：卫星遥感技术在黄河流域防汛、水资源、河湖管理等业务中广泛应用；145处水文站、93处水位站、900处雨量站、17处水土保持监测站点形成现代化监测站网，3411个水情站点实现实时报汛；黄河下游已建成全覆盖的“监测、感知、巡查、指挥”全流程系统；三门峡等直管水库的安全监测感知系统建设稳步推进……

数字孪生三门峡系统综合监视界面

随着“原型黄河”监测感知网络的不断健全，黄委积累了海量数据资源。处理如此庞杂的数据，离不开算据、算法和算力的支撑。黄委信息中心充分发挥委级信息平台作用，聚焦信息采集、通信传输、数据管理、应用开发、运行维护全链条，加强系统研发与迭代升级，以遥感技术优势赋能数据采集，夯实通信网络基础，推动黄河云升级改造，完善网络安全管理，同步提升算据、算法、算力，着力打造“2+N”“四预”应用系统，以算力突破实现了技术之变。

黄河水旱灾害防御四预系统

同时，黄委对数据进行集成调控，构建黄河流域数据底板，为数字孪生业务应用系统提供基础支撑。当前，黄委在共享全国L1级数据底板的基础上，已基本建成三门峡至河口长度1100多千米、面积约2.3万平方千米的L2级数据底板，三门峡大坝、马渡河防工程等20余处L3级数据底板构建稳步推进。数字技术，正一步步把黄河“装进”计算机，形成像“双胞胎”一样的数字孪生黄河。

三门峡至河口L2级数据底板

智能化模拟处于数字孪生黄河建设的中枢地位，是精准化决策的重要基础。黄委集智创新，以重点突破带动整体推进，通过新建或升级改造等方式，让一个个功能强大的数学模型如雨后春笋破土而出，似百花争艳迎春怒放。

在迎战2023年第5号台风“杜苏芮”暴雨洪水过程中，由黄河设计院自主研发的分布式洪水预报模型，准确、快速预报了黄河一级支流伊洛河主要控制站的洪水过程，实现了洪水预报的“准早快”，为黄河防汛赢取了主动。

黄科院提高“三条黄河”贯通融合的深度，利用“模型黄河”持续开展大洪水模拟试验，升级黄河智慧防汛平台，集成应用多个核心业务模型、多种数字孪生技术，实现了数字化场景、智慧化模拟、支持精准化决策的功能；研发的用水需求及水资源配置模型，能够精准预测黄河流域灌区未来10至15天的引黄灌溉需水量，让“大水漫灌”隐了身、农民心里有了底。

山东河务局利用自主研发的冰凌密度智能算法，已初步实现冰凌自动观测、智能识别和动态预警。

黄河水旱灾害防御四预系统——凌情（气温、水温）

黄河水旱灾害防御四预系统——凌情（凌情预报）

黄河三门峡至花园口区间降雨径流模型突破无控区预报瓶颈，预报精度提升5%；水工程联合调度模型实现精准到每个流量、每立方米库容、每厘米水位的精细调度；将洪水泥沙演进模型进行基于GPU并行计算改造，场次洪水计算时间从2小时缩短至0.5小时；构建黄河防汛知识模型，在统一框架下完成涉水对象关联关系、历史场景和专家经验库等的知识建模与表达，形成特定场景下调度方案的知识图谱，支撑调度方案智能决策……

黄委国科局负责人介绍，黄委现已基本形成水文预报、工程调度、灾情评估、冰凌预报、河口治理等自主知识产权的黄河模型架构体系，同时开展流域特色人工智能模型和可视化模型建设，构筑基于云服务的黄河水利专业数学模拟系统和知识模型，可统筹分析上下游、左右岸、干支流各要素的关联性、耦合性，综合评价流域及区域水网工程建设、防洪工程体系完善等相互作用及影响，为流域统一治理提供支撑。

与此同时，黄委自主研发的耦合水文、水动力、冰凌等多种模型于一体、安全可控的模型平台在2023年汛期上线。该平台标准统一、接口规范、通用共享，模型计算时间较在单机上平均节省10%以上，发挥了“1+1>2”的效应。

小花间典型数字化场景

这个将监测感知系统、应用支撑系统、应用系统的海量数据汇集于手机端的APP，已成为河南黄河人日常巡河用到的常态化工具，与电脑端的“四预”一体化平台相辅相成，开启了河南黄河“掌上治河”新时代。

类似的“神器”，也广泛应用在山东黄河。

“系统识别出管理段门口限高杆以北疑似出现垃圾”，一条来自智巡APP的预警信息显示在山东章丘河务局职工陈扬的手机上，收到消息后，他立刻赶到事发地点，通过智巡APP将事件上报，很快进行了处理。

在山东黄河121个基层管理段（所），每名职工的手机上都安装了智巡APP，从晨会打卡、智能预警到上报工作、数据共享都离不开它，实现一次巡查、一键录入、一表多用，提高了一线职工的工作质效。

以智慧山东黄河防汛平台、水资源管理与调度平台为两翼的“2+N”智能业务应用系统已在山东黄河搭建成型，与智巡APP一道，共同推动了基层管理模式创新和工作流程再造。

黄河水文数字孪生平台水文数字测验

数字孪生建设的出发点和落脚点是赋能管理、支撑决策。黄委以流域防洪、水资源管理为建设重点，坚持“急用先建，边建边用”原则，同步开展水工程安全、淤地坝、河湖管理保护等业务应用系统建设，奔涌的黄河水与互联网云时代深度交汇，初步形成了“2+N”智能业务应用体系，治黄业务专业化、精细化、智能化水平不断提升。

“点击预演系统中左侧‘雨情’栏下的‘雨量预报’，7日内的降雨预测情况跃然屏幕之上；点击‘水情’栏下的‘水情告警’，‘一张图’上闪烁提示超警戒水位站点等信息；点击‘水情’栏‘洪水预报’中的某重要站点，该站点当前及未来15日内的预报水位、流量曲线随即生动展现在眼前。”在黄委防汛调度中心，防御局技术人员利用黄河中下游防汛会商预演系统汇报防汛形势。

黄河中下游防汛会商预演系统能够清晰呈现和预演雨量预报、洪水预报预警、水库调度及工程险情等内容，已成为黄河防汛的“智慧大脑”，助力黄委开展2021年黄河秋汛洪水复盘、成功应对2022年泾河洪水、开展年度防汛防凌会商和防洪调度演练及调水调沙方案制订、有效应对2023年第5号台风强降雨防御等工作，让黄河防汛更科学高效。

黄河水资源管理与节约保护应用系统——取水口专题图

在黄委水资源局，初步建成的黄河水资源管理与节约保护系统已投入使用。“就好像有了一个黄河水资源的‘数字大管家’，在水资源信息服务系统的数字化场景里，全流域1万多个取水口在‘黄河一张图’上尽收眼底。”该局工作人员点开应用系统介绍，“系统强化‘四预’功能对黄河水资源管理的支撑作用，并开发了黄河干流实时调度及典型灌区需水预测等专业模型，为高效利用、节约保护水资源提供了帮助。2022—2023调度年，黄河可供水量偏少40亿立方米，水资源利用质效却并未受到影响，黄河水资源管理与节约保护系统的应用是关键因素之一。

黄土高原千沟万壑中筑起的淤地坝，是减少入黄泥沙的“卫士”，淤地造田、增产粮食的“功臣”。在黄委水保局，初步建成的淤地坝信息管理系统，将黄土高原1.69万座中型以上淤地坝数据整编入库，降雨覆盖区淤地坝实现动态统计与查看，淤地坝身份认证做到“一坝一码”。“利用该系统，2023年我们进行了24次防汛会商，发送强降雨提醒5.23万坝次，发送暴雨预警信息18期600余坝次，工作成效显著提升。”黄委水保局相关负责人介绍。黄委还开发完成了淤地坝安全巡检APP，实现“三个责任人”在线呼叫。

淤地坝信息管理系统

风云际会二十余载，“三条黄河”建设已从最初的涓涓细流汇聚成浩荡之势，不断为“让黄河成为造福人民的幸福河”蓄势赋能。黄委将持续勇立数字化发展潮头，抢抓水利高质量发展机遇，让数字孪生黄河建设在不断满足黄河流域生态保护和高质量发展的方向上步履不停、一路向前。