智能大壩發展階段和實踐路徑

Development stages and practical paths of smart dam

柴福鑫，辛建達，程恒，張磊

中國水利水電科學研究院 流域水循環與水安全全國重點實驗室，100038，北京

摘要：在全球氣候變化影響加劇背景下，大壩面臨的環境愈發復雜極端，構建智能大壩是保障大壩高水平安全、高質量發展的關鍵，是壩工技術發展的必然。系統闡述了智能大壩的發展階段和實踐路徑。根據功能需求與技術可行性，智能大壩發展分為三個階段：初級階段，搭建起比較完備的監測感知體系，主要依托傳統理論方法結合工程經驗分析診斷，決策與調控依賴人工完成；中級階段，升級為完備的監測感知體系，分析診斷以仿真技術為核心，決策與調控借助智能化輔助決策平臺實現；高級階段，構建起透徹的監測感知體系，分析診斷、決策及調控全過程由人工智能技術主導。智能大壩的實踐路徑是數字孿生，通過映射物理大壩與數字大壩構建同步仿真運行平臺，對大壩性態全要素和運行管理全過程進行數字化映射、智能化模擬，虛實交互、耦合優化，提升調度指揮的科學性與安全性。在此基礎上分階段、分類別推進智能大壩建設，推動大壩建設與運維模式實現系統性變革。

關鍵詞：智能大壩；監測感知；分析診斷；決策調控；數字孿生

作者簡介：柴福鑫，正高級工程師，主要從事防洪減災技術研究。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.011

智能大壩建設是應對全球氣候變化挑戰、推動水利工程現代化轉型的核心路徑，其發展歷程與技術迭代深刻影響著水安全與資源高效利用。在傳統工程管理模式難以適應全球極端天氣事件頻發背景下，智能大壩通過融合物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術，正逐步實現從“被動防御”到“主動預判”范式轉變。習近平總書記在黨的二十大報告中指出要“構建現代化基礎設施體系”，在主持中央政治局第十一次集體學習時強調“發展新質生產力是推動高質量發展的內在要求和重要著力點”。水利部部長李國英指出，構建智能大壩是應對風險挑戰、把握時代之變、塑造發展動能的關鍵之舉。智能大壩是壩工事業現代化的重要方向，基于我國水庫大壩建設管理的現實需求，深入研究智能大壩發展階段與實踐路徑，對于提升大壩現代化水平、保障流域安全和水資源高效利用具有重要意義，是推動水利工程智能化轉型的關鍵任務。

智能大壩發展階段

智能大壩建設統籌考慮功能需求與技術可能，分階段逐步推進，在應用中不斷迭代升級，可分為初級、中級、高級三個發展階段。

智能大壩發展階段

①初級階段：具有基礎完善的監測感知體系，可實現對主要物理量的監測與感知，分析診斷以傳統理論、數理統計結合工程經驗為核心，決策控制與調控依賴人工操作，側重數據的收集、存儲及人工處理，實時性與交互性較弱。

當前我國大型水庫大壩已建立了較為完善的監測感知體系，但由于70%以上中小型水庫建于20世紀50—70年代，普遍存在建設標準低、老化失修嚴重、監測手段原始等問題，中小型水庫智能大壩建設底子薄、基礎弱。為提升中小型水庫防汛預警能力、優化水資源管理，我國自2021年全面啟動中小型水庫智能化改造項目，“十四五”以來，完成425座大中型水庫安全監測設施建設、5.1萬余座小型水庫大壩安全監測設施建設和5.7萬余座雨水情測報設施建設，監測覆蓋率與自動化程度大幅度提高，水庫安全管理已基本實現從“模糊感知”到“精準掌控”的跨越式轉變。例如：江西新干縣作為全國首批試點縣，為98座小型水庫安裝滲壓計、量水堰等設施，整合滲流、位移、水位等8類數據接入省級平臺，實現大壩安全指標動態監測與科學處置；安徽龍河口水庫引入北斗高精度位移監測與機器視覺變形監測技術，結合無人機自動巡航系統，構建了全天候立體感知網絡，大壩監測精度和巡查效率顯著提升；云南彌勒市通過部署“天空地水工”一體化監測感知網絡，實現壩體毫米級形變實時捕捉，配合AI視頻分析自動識別管涌等13類風險，風險預警響應時間大幅度縮短。智能化改造正推動中小型水庫從被動應對轉向主動防控、從經驗驅動轉向數據驅動。總體而言，目前我國大部分已建水庫大壩已構建起適應工程需求的監測感知基礎，但大部分水庫尤其中小型水庫大壩的分析診斷仍主要依賴傳統理論與經驗積累，決策控制依賴人工操作，處于智能大壩建設初級階段。

②中級階段：具備系統完備的監測感知體系，可覆蓋上下游庫區、大壩及河道的各類物理量，分析診斷以仿真技術為核心，依托智能輔助決策系統實現調控，側重數據分析與輔助決策，具備初步自動化調控能力，實時性與交互性良好。

目前國內開展數字孿生工程、在線監控系統建設以及矩陣管理的水庫大壩工程處于中級階段，部分建設初步達到了高級階段。例如：三峽工程構建了覆蓋壩體、庫區及上下游河道的立體監測網，布設萬余個傳感器，實時采集壩體應力、水位、流速及氣象數據；“數字孿生三峽”平臺融合BIM+GIS技術，將監測數據與三維模型聯動，動態渲染壩體變形、滲流場等狀態，直觀展示船閘運行時序；建立的壩體三維有限元實時仿真系統，將采集的龐大監測數據清洗后輸入模型，模擬不同水位組合下的壩體位移響應，預測壩體變形趨勢；平臺通過整合雨水情等數據，運用流域預報模擬成果，結合防洪調度出庫流量，對比分析不同調度方案下的水庫輸沙排沙效果、庫區淤積量及淤積分布等，預演多種調度情景。小浪底工程聚焦黃河水沙特性，部署泥沙濃度、壩前沖淤等專項監測設備，結合衛星遙感監測庫區淤積；通過開發水沙耦合仿真模型，利用多年調水調沙數據訓練算法，模擬不同來水條件下的庫區沖淤過程，精準預測排沙效率；結合實際情況動態調整出庫流量，具備了突發險情的快速響應能力，呈現出智能大壩建設中級階段“數據驅動、人機協同”的特征。

③高級階段：構建全域透徹的監測感知體系，可實現庫區、大壩及上下游河道全要素全過程的透徹感知，深度融合物聯網、大數據等新技術，以人工智能為核心開展分析、決策與調控，具備自主感知、診斷、決策、執行及學習能力，擁有預報、預警、預演、預案“四預”及智能防洪、水資源調控等功能，可支撐工程智能運維與效益最大化。

智能大壩建設的高級階段是智能大壩的最終建設目標，具有強大的自主感知能力、自主分析診斷能力、自主決策控制能力和自主學習能力。例如：作為智能大壩建設期試點的古賢水利樞紐工程，通過研發參數化建模與大壩智能設計平臺，實現對碾壓混凝土重力壩、水工隧洞、金屬結構、電站廠房的智能設計；研發大壩施工仿真與動態優化模型，實現對大壩施工組織設計方案的仿真預演等。作為智能大壩運行期試點的西藏旁多水利樞紐補齊信息化監測短板，構建“天空地水工”一體化全要素全天候動態監控體系，通過整合衛星、無人機、視頻監控、北斗應用等新設備和新技術形成全方位、多維度監控網；通過開展潰壩分析計算進行下游洪水淹沒模擬計算，精準掌握下游區域淹沒范圍人員分布，劃定風險點位及區域，實現有效預警，確保下游河道安全，呈現出智能大壩建設高級階段“人機融合與自主決策、全域協同與動態適配”躍升性特征，實現從“輔助支持”向“自主智能”的質變。

智能大壩實踐路徑

智能大壩是壩工技術發展的必然趨勢，其全面實踐是一個長期漸進過程，依賴前沿技術突破與多學科深度融合。智能大壩的實踐路徑之一是數字孿生，通過耦合物理大壩與數字大壩，構建同步仿真運行平臺，對大壩性態全要素和運行管理全過程進行數字化映射、智能化模擬，虛實交互、耦合優化，提升調度指揮的科學性與安全性，通過強化頂層設計、突破關鍵技術、開展先行先試、完善標準體系等舉措，分階段、分類別推進智能大壩建設。

物理大壩和數字大壩交互

智能大壩實踐路徑

1.在役工程

對于在役工程，全面評估其結構安全、運行狀態、調度情況及管理流程，據此明確智能化升級的需求和目標，提出感知、診斷、控制、調度、算力等系統的升級改造方案，選取適配的軟硬件技術和設備逐步實施改造并聯調聯試；收集運行信息，總結試點中存在的問題，為后續迭代改進提供依據。圍繞“監測補盲、模型升級、決策自主”關鍵核心，構建“全域感知—智能診斷—自主調控”閉環體系。通過開展系統評估、精準改造、能力補強、持續優化，構建高效可持續的在役智能大壩體系。在役工程的升級改造流程應因壩施策、漸進改造，以智能技術賦能提升在役工程“可感、可知、可控”能力。

（1）監測體系全域化改造

在役工程需以“補盲、提質、自主”為核心，構建覆蓋壩體、庫區及上下游河道的全要素感知網絡。在硬件層面，增設高精度分布式傳感設備、北斗終端等先進設備，形成天空地一體化監測矩陣，實現從單點監測向全域感知的轉變。截至2024年年底，現代化水庫運行管理矩陣全國平臺基本建成，8246座水庫開展了矩陣建設。上海、吉林、浙江等省（直轄市）以及廣東省永漢河等流域已基本建成區域矩陣平臺；小浪底、丹江口、萬家寨、大藤峽、密云等水庫大壩已基本建成數字化應用平臺并上線運行。以提升水庫現代化測報能力為目標，聚焦流域防洪與水庫調度需求，2023年7月，水利部啟動由氣象衛星和測雨雷達、雨量站、水文站組成的雨水情監測預報“三道防線”建設。通過研發產匯流水文模型、水動力洪水演進模型等技術，實現云中雨—落地雨—河道徑流全過程監測預報，實現延長洪水預見期和提高洪水預報精準度的有效統一。2025年年底前實現氣象衛星強降雨預警全覆蓋，在重點區域開展測雨雷達試點，初步構建雨水情監測預報“三道防線”；2035年年底全面建成雨水情監測預報“三道防線”。目前已在山東大汶河、北京永定河等流域落地應用，為智能大壩建設提供基礎支撐。

（2）分析診斷智能化升級

基于既有監測數據積累，構建多維度智能分析模型。針對壩體結構性態，開發融合有限元理論與深度學習算法的混合診斷模型，自主識別裂縫擴展、材料劣化等隱性風險，并預測大壩性態演變趨勢。針對水文過程，引入時空序列預測算法，結合氣象預報數據生成未來入庫流量過程，支撐防洪與興利調度決策。在數據治理方面，建立全生命周期數據清洗模型，自動識別異常值、缺失值并完成修復；構建工程知識圖譜，整合設計標準、運維記錄及專家經驗，形成可動態更新的規則庫，為智能診斷提供知識支撐。為響應水利現代化要求，提升水利工程管理水平，三峽、小浪底、丹江口、大藤峽、萬家寨、太浦閘等重大水利樞紐加快推進數字孿生建設。通過構建數字孿生平臺，完善水利感知網、信息網等基礎設施，搭建數據底板，開發專業與智能識別模型，圍繞防洪調度、工程安全、庫區管理等業務實現“四預”功能，針對各樞紐特點開展特色應用建設。

（3）預警防控系統化強化

構建多層級水位監測體系，結合激光測距與視頻識別技術實現壩頂水位的厘米級實時感知。開發暴雨洪水耦合模型，整合流域雨情、產匯流數據，提前預判漫頂風險，并生成分級預警閾值。配套建設智能應急體系，包括壩頂防漫頂擋墻自動升降裝置、庫區周邊聲光預警終端，形成“監測—預警—處置”閉環調控體系。目前，三峽實現1.2萬多個測點在線監測，支撐長江2024年第1號洪水防御，小浪底智能系統連續3年支撐調水調沙，丹江口在2023年秋汛中實現大壩性態動態推演，大藤峽、萬家寨、太浦閘等在防洪、工程安全、庫區管理等方面成效顯著，有力提升了水利工程調度與管理的科學化、精準化水平，為水利高質量發展提供支撐。

（4）功能適配差異化提升

針對以防洪為主的在役工程，強化流域協同調度能力，通過標準化數據共享接口，實現與上下游水庫的實時信息交互。構建防洪風險動態評估模型，可根據來水情景自主調整調度策略，在保障安全的前提下提升洪水資源利用率。對于以供水為核心功能的在役工程，重點升級水資源調配系統。對于以發電為主的在役工程，優化機組運行控制算法，構建多目標優化模型，自主選擇開機組合與負荷分配方案，提升發電效率。

為提升流域梯級工程協同運行水平，金沙江下游、大渡河流域推進梯級調度智能化建設。金沙江下游構建梯級水電集控系統，整合遠程監控、水庫調度等業務系統，實現數據匯集與聯合優化調控；大渡河流域研發智能感知設備，構建大數據預測預警模型，建成自學習、自預警、自決策智慧化梯級電站群。通過流域梯級調度，金沙江下游梯級集控系統實現閘門遠程控制成功率100%，年降低運維成本超百萬元。大渡河流域成功預警地質災害30余次，2022年瀘定地震后快速處置險情，2020年“8·18”洪水削峰率達80%。新技術應用提升了資源利用率與防洪能力，為流域防洪安全和資源優化利用提供支撐。

2.新建工程

對于新建工程，根據其工程等級、開發任務等特點，擬定詳細的設計和建設方案，涵蓋智能建設及感知、診斷、控制、調度、算力等系統，確保各系統協同運轉以提升大壩整體性能。投入運行后，根據實際需求持續優化升級，總結成功經驗，打造行業標桿，引導其他大壩工程向智能方向發展。

（1）感知體系的原生構建

在設計階段即嵌入全域感知理念，形成“天空地水工”一體化監測感知體系，實現水庫—大壩—下游一體化透徹感知。在壩體混凝土澆筑中同步布設智能設備，實現從施工期到運行期的全生命周期監測。針對庫區地形特點，采用北斗導航、無人機航測等技術構建三維基礎模型，配套部署水質、泥沙、氣象等一體化監測站，形成覆蓋壩體、庫區、河道的立體感知網絡。融合BIM與GIS技術構建數字孿生底座，將感知數據與三維模型實時關聯，實現工程狀態的可視化動態呈現。開發感知設備自校準模型，通過物理場仿真與實測數據比對，自主修正傳感器漂移誤差，確保長期監測精度。例如：作為智能大壩建設期試點的浙江鏡嶺水庫，研發基于磁柵技術的新型混凝土壩應力與變形直接監測設備以及混凝土智能拌和監測設備，重慶市跳蹬水庫開展工程建設管理工地“人、機、料、法、環”全要素全過程的即時感知、實時可視、安全在控和環保監控，有效提升大壩智能建設感知能力。

（2）分析診斷的智能融合

構建以物理機理為根基、AI算法為引擎的融合分析診斷體系，在設計階段即植入多維度分析模型框架，整合壩體結構力學、水文水動力學、材料科學等領域理論，形成“物理模型+數據模型”雙驅動架構。建立全生命周期數據驅動的診斷機制，開發時序預測模型，提前預警壩體異常性態。構建情景庫與推理引擎，模擬強震等極端風險場景下的工程響應，自動生成損傷演化路徑與應急處置閾值。打造“診斷-反饋-迭代”閉環系統，將專家評估、工程案例作為訓練樣本，通過遷移學習優化診斷模型泛化能力。例如：以城市供水為主的太平水庫，在建設環節結合深度學習和計算機視覺技術，實現對施工現場人員的不安全行為、設備的不安全狀態及環境的風險因素的智能識別與預警，有效提升大壩智能建設分析診斷能力。

（3）智能決策的深度集成

構建以AI為核心的決策中樞，整合水文、結構、生態等多領域風險評估和調控模型，開發自適應調度算法，根據實時雨水情、電力負荷、生態流量、缺陷分級等約束條件，自主生成多目標優化方案，并通過數字孿生仿真預判方案實施效果。建立情景推演模型，模擬地震、特大洪水等事件的工程響應，提前生成應急處置預案。構建工程聯合調度及其優化求解算法集，實現面向多調度方案的智能化優選。研發迭代算法模型，提升決策方案與實際需求的匹配度，在支持系統自主決策的同時，允許人工干預調整，實現智能與經驗的有機融合。例如：對于以防洪減淤、水資源調蓄為首要功能的古賢水利樞紐工程，通過強化流域協同能力，構建跨區域數據共享平臺，實現與上下游水庫的聯合調度。開發洪水演進數字孿生系統，精準模擬洪水在流域內的傳播過程，為錯峰調度提供量化支撐。配套建設生態流量智能調控設施，在防洪的同時保障河道生態用水需求，有效提升大壩智能建設決策能力。

（4）算力系統的全域支撐

通過搭建存儲資源、計算資源、高速網絡、數據共享和應急通信系統，形成算力支撐體系，為新建工程智能分析、決策提供全域算力保障。構建算力調度接口，滿足極端工況仿真、大尺度流域協同分析等超算需求。開發智能算力調度算法，根據任務優先級與實時負載動態分配資源；配套建設算力安全防護體系，確保數據傳輸與計算過程的安全性，為智能大壩的自主感知、分析、決策提供持續可靠的算力支撐。

結論

構建智能大壩是應對風險挑戰、把握時代之變、塑造發展動能的關鍵舉措。本文系統闡述了智能大壩的發展階段和實踐路徑，為智能大壩建設提供了目標指引和步驟規劃，助力智能大壩建設科學、高效、穩步落地。

智能大壩建設需遵循技術演進規律，分階段穩步推進。初級階段以搭建基礎監測體系為核心，決策模式仍以人工為主導；中級階段依托仿真技術實現輔助決策與初步自動化調控，管理效率得到顯著提升；高級階段則通過人工智能深度賦能，達成全流程智能化管理，實現自主感知、診斷、決策與優化。其中，數字孿生技術作為貫穿各階段的核心實施路徑，通過物理實體與虛擬模型的實時虛實耦合，有效增強大壩運行的安全性與調度的科學性，為各階段目標的實現提供關鍵技術支撐。

未來將分級分類加快推進智能大壩建設，在應用實踐中不斷迭代升級，并推動其與數字孿生流域、數字孿生水網有效銜接，加速水利行業智能化進程。

Abstract: Under the background of intensifying of global climate change, dam construction faces more challenges and complex environments. Smart dam construction becomes the key to ensure high-level dam safety and high-quality development and inevitable for dam engineering technology development. A systematic analysis was conducted on stages and practical paths of smart dam development. According to functions and technical feasibility, its development is divided into three stages. In the primary stage, a relatively complete monitoring and perception system shall be built to rely on traditional theoretical methods combined with lessons learned from projects for decision-making and regulation by man. In the intermediate stage, a complete monitoring and perception system is upgraded with simulation technology as the core for analysis and diagnosis and an intelligent platform for decision-making and regulation. In the advanced stage, a comprehensive monitoring and perception system shall be set up, with the entire process of analysis, diagnosis, decision-making, and regulation led by artificial intelligence technology. Digital twin shall be the practical path for smart dam development, with a synchronous simulation operation platform by mapping physical and digital dams. It digitally maps and intelligently simulates all elements of dam behavior and the entire process of operation and management, and optimizes virtual real interaction and coupling to realize scientificity and safety of scheduling and commanding. Based on the above, it aims to boost smart dam construction and facilitate systematic reform in dam construction and operation.

Keywordssmart dam; monitoring perception; analysis and diagnosis; decision-making and control; digital twin

本文引用格式：

柴福鑫，辛建達，程恒，智能大壩發展階段和實踐路徑[J].中國水利，2025（16）：66-71.

封面攝影郭曉敏

責編楊文杰

校對李盧祎

審核王慧

監制楊軼

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