從治水到智水
九曲黃河，斗水七沙。黃河是全世界泥沙含量最高、治理難度最大、水害嚴(yán)重的河流之一，素來“多淤、多決、多徙”。千百年來，黃河安瀾是中華兒女的祈盼。
習(xí)近平總書記強調(diào)：“扎實推進(jìn)黃河大保護(hù)，確保黃河安瀾，是治國理政的大事�！�
隨著數(shù)智化的春雨，古老的黃河河床上，正涌動著新鮮的水流。
在離小浪底水利樞紐不遠(yuǎn)的西霞院水庫，無人機緩緩升空，將水文數(shù)據(jù)實時傳回；布設(shè)在關(guān)鍵險工險段、壩頭根石的“智能石頭”，像一個個“偵察兵”，24小時密切關(guān)注著壩體安全狀況；在黃河水利科學(xué)研究院鄭州“模型黃河”基地，開展2025年度黃河下游洪水預(yù)演試驗，以科技賦能防汛決策……
科技賦能防汛，守護(hù)著黃河安瀾，同時也驅(qū)動河南從傳統(tǒng)治水向“智”水轉(zhuǎn)變，更加安全、高效、可持續(xù)的水利發(fā)展新格局正在中原大地逐步形成。
要治水先“觀”水：
衛(wèi)星遙感織就立體感知網(wǎng)
“我們依托我國首顆內(nèi)陸水遙感衛(wèi)星——‘華水一號’衛(wèi)星，研發(fā)了黃河安瀾衛(wèi)星遙感智能感知中心平臺，對江河湖等內(nèi)陸水體察‘顏’觀‘色’、把‘脈’問‘診’�！�
7月4日，走進(jìn)華北水利水電大學(xué)衛(wèi)星遙感中心，工作人員輕點鼠標(biāo)，大片青綠交錯的高分辨率遙感影像呈現(xiàn)在巨大的電子屏幕上，可以看到江河湖的水體分布、泥沙量、植被覆蓋度等信息。
“我們依托我國首顆內(nèi)陸水遙感衛(wèi)星——‘華水一號’衛(wèi)星，研發(fā)了黃河安瀾衛(wèi)星遙感智能感知中心平臺，對江河湖等內(nèi)陸水體察‘顏’觀‘色’、把‘脈’問‘診’。”華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院遙感系主任何培培介紹。
何以治水？首先要充分了解水。地面布置的觀測站點，普遍存在感知體系薄弱、技術(shù)手段落后等問題，遙感衛(wèi)星則像是為水利建設(shè)安上了“天眼”。
“比如發(fā)生洪水后，水體范圍變得特別大，常規(guī)地面站點已經(jīng)無法反映現(xiàn)狀，便可以通過遙感衛(wèi)星去觀測�！焙闻嗯嗾f，“華水一號”衛(wèi)星可獲取亞米級高分辨率遙感影像，具有推掃、視頻、夜光等多模式成像能力，可以有效補充地面監(jiān)測在空間覆蓋和監(jiān)測內(nèi)容上的不足，實現(xiàn)對水利工程設(shè)施、流域環(huán)境等的動態(tài)監(jiān)測。
衛(wèi)星拍到高清影像，怎么用？打開遙感衛(wèi)星影像頁面，黃河沿線，夾雜著一個個小點�！包c擊每個點即可獲知該地點水文情況以及相應(yīng)治理方案�！焙闻嗯嘟榻B，這些數(shù)據(jù)與方案是由黃河安瀾衛(wèi)星遙感智能感知中心平臺對衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行計算后生成。
目前，聚焦洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測、水環(huán)境參數(shù)反演及智慧水利三大方向，華北水利水電大學(xué)研發(fā)的多源衛(wèi)星協(xié)同監(jiān)測技術(shù)已應(yīng)用于鄭州市防洪系統(tǒng)當(dāng)中，協(xié)同支撐省級防汛平臺的災(zāi)情動態(tài)評估與應(yīng)急響應(yīng)。
地下水是涵養(yǎng)生態(tài)的重要水源，天上的遙感衛(wèi)星除了能助力地表水治理，是否也能破解地下水監(jiān)管難題？
今年6月，“十四五”國家重點研發(fā)計劃“基于重力衛(wèi)星的地下水監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)”項目啟動暨實施方案論證會成功召開，該項目由華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院副院長胡青峰主持。
該項目重點圍繞雙重力衛(wèi)星聯(lián)合觀測的重力-地下水信號物理響應(yīng)機制、復(fù)雜因素驅(qū)動-機理制約的地下水透徹感知等關(guān)鍵科學(xué)問題開展攻關(guān)。
“利用衛(wèi)星捕捉地下水量變化的底層原理是建立在質(zhì)量守恒定律上。”胡青峰介紹，衛(wèi)星在運行過程中，電磁測量通過感知地球重力場及其變化，反映地球內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的變化，以此來判斷地下水量的變化。
胡青峰表示，面向地下水資源精準(zhǔn)監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警的需求，該項目將為建設(shè)“天—空—地—水—工”五位一體的地下水監(jiān)測與預(yù)警體系提供支撐。
將治水變“智”水：
模型黃河筑起智慧防汛墻
6月，一場黃河下游預(yù)演試驗在黃河水利科學(xué)研究院模型黃河試驗基地進(jìn)行。
根據(jù)氣象部門預(yù)測，今年黃河中下游降水偏多。本次洪水預(yù)演試驗選擇在充分考慮現(xiàn)有黃河干支流水庫調(diào)節(jié)能力，花園口水文站最大洪峰流量達(dá)到11785立方米每秒的情況下，對“82.8”型洪水過程進(jìn)行模擬試驗。
“這樣一個洪峰，在黃河下游局部河段是要漫灘的。黃河下游灘區(qū)還有上百萬人處于洪水風(fēng)險區(qū)，一旦洪水漫灘，老百姓生產(chǎn)生活將會遭受巨大的損失。”黃河水利科學(xué)研究院副院長王敏說。
洪水預(yù)演試驗，就是模擬在這種洪水情景下，黃河下游的洪水演進(jìn)、河勢變化、工情險情，以及漫灘洪水淹沒情況，為防汛決策提供科技支撐。
模型黃河為黃河保護(hù)治理研究提供了直觀的試驗平臺。在河道工程布局、水庫調(diào)度等研究時，由于影響因素復(fù)雜交織，要想揭示其中蘊含的內(nèi)在規(guī)律，就必須通過模型黃河進(jìn)行單因子“剝離”，通過模型試驗，挖掘出各要素之間的內(nèi)在科學(xué)關(guān)系。
試驗大廳內(nèi)，“黃河下游動床模型”按1∶600水平比尺、1∶60垂直比尺構(gòu)建，800米長的模型精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)黃河下游299公里長的游蕩性河段和165公里長的過渡性河段。
在此次試驗準(zhǔn)備與實施過程中，黃河下游河道模型在數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化提升方面取得多項創(chuàng)新突破——自主研發(fā)了國內(nèi)首臺“河工模型人工智能地形制作設(shè)備”、首創(chuàng)國內(nèi)嵌入式PLC自動控制加沙系統(tǒng)、研發(fā)“模型黃河”智慧平臺……
“通過一年的升級改造，我們基本實現(xiàn)了試驗過程各要素數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化、信息傳輸存儲的網(wǎng)絡(luò)化、模型測控管理和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的智能化。”黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所所長曹永濤介紹。
模型黃河還可以彌補原型黃河和數(shù)字孿生黃河對某些參數(shù)無法測驗和率定的不足，增強對原型黃河問題的預(yù)測性和前瞻性，利用現(xiàn)代科技確保黃河安瀾。
“采用黃科院自主研發(fā)的二維水沙動力學(xué)模型，對黃河下游水沙演進(jìn)過程開展實時動態(tài)模擬計算，結(jié)合原型根石資料的分析，再通過模型黃河試驗成果檢驗，實現(xiàn)‘三條黃河’聯(lián)動，快速預(yù)報不同流量下灘區(qū)淹沒范圍和重點防守位置，為水庫調(diào)度和防洪決策提供技術(shù)支撐�！辈苡罎f。
黃河是世界上最為復(fù)雜難治的河流之一，水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，河情特殊、矛盾多重，很多黃河的自然規(guī)律目前還未被完全掌握。
目前，數(shù)字孿生黃河建設(shè)已深度應(yīng)用到水旱災(zāi)害防御工作中，在黃河水利科學(xué)研究院，把高精度物理模型與數(shù)字孿生技術(shù)深度耦合，通過原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河構(gòu)成的“三條黃河”，形成科學(xué)決策場，通過“三條黃河”耦合聯(lián)動，為黃河沿岸千百萬群眾筑起智慧防汛“銅墻鐵壁”。
從治水到“用”水：
生態(tài)轉(zhuǎn)化繪制綠色新畫卷
7月1日，黃河進(jìn)入主汛期，2025年黃河調(diào)水調(diào)沙正有條不紊進(jìn)行中。
作為一條多泥沙河流，“一碗水半碗沙”這句俗語生動描繪了黃河的泥沙特性。水少沙多、水沙不協(xié)調(diào)是它復(fù)雜難治的癥結(jié)，泥沙淤積與處理也是一個世界性難題。
為減少泥沙淤積產(chǎn)生的不利影響，我國從2002年就開啟大規(guī)模水沙調(diào)控模式。然而，只靠水保攔沙、水力輸沙等措施，并不能從根本上解決泥沙淤積問題。
如何變被動防治為主動防治？鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院教授鄭元勛將目光投向了黃河上游。
“上游河岸普遍由粉細(xì)砂或松散砂土構(gòu)成，極易發(fā)生岸坡失穩(wěn)、侵蝕崩塌及泥沙流失等問題。我們基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀這一新興的生物巖土工程技術(shù)，可顯著增強土體的整體性、強度、剛度及抗?jié)B性能，從而有效提升河岸土體抵抗水流沖刷和侵蝕的能力�！编嵲獎捉榻B，除了能夠有效加固土體，該技術(shù)天然無害、能耗低、材料用量少等優(yōu)勢，也為黃河上游脆弱河岸的生態(tài)化防護(hù)提供了極具前景的技術(shù)路徑。
當(dāng)前，黃河治沙的策略已經(jīng)從單純的“攔、排、放”轉(zhuǎn)變?yōu)楦C合的“調(diào)、挖”模式。隨著工程體系的完善、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對泥沙資源屬性認(rèn)識的加深，黃河泥沙的“資源性”價值逐漸顯現(xiàn)，泥沙資源利用問題逐漸受到系統(tǒng)研究。
“不少人困惑，現(xiàn)在建筑所需的河砂資源緊缺，黃河如此巨大的泥沙量，為什么很少有人采掘？”鄭元勛一針見血指出問題所在：太細(xì)了。
他介紹，黃河泥沙多為黃土高坡的水土流失而帶來，雖然數(shù)量大，但黃河泥沙直徑一般在0.3毫米以下，表面光滑且粘連性差，難以滿足現(xiàn)行建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)；此外，砂在投入使用前，都需要經(jīng)過過篩過水步驟，來沖洗掉砂中所含的泥土，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才能進(jìn)入市場。由于黃河泥沙含泥量過高，導(dǎo)致其清洗成本較高，一定程度上限制了其資源化應(yīng)用。
如何變廢為寶？關(guān)鍵在于巧妙利用。
“我們持續(xù)開展黃河泥砂的資源化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，如通過熱活化、機械活化、堿激發(fā)等手段，破壞泥沙惰性結(jié)構(gòu)，激發(fā)其潛在的火山灰活性，利用黃河泥沙制備膠凝材料、利用黃河泥沙部分替代河砂制備不同應(yīng)用場景下建筑材料、針對黃河泥沙‘細(xì)’的特點將其應(yīng)用于薄壁異形結(jié)構(gòu)3D打印材料等，不僅可以降低天然資源消耗導(dǎo)致的環(huán)境污染，還能顯著降低建材成本�！编嵲獎渍f。
“另外，黃河泥沙中含有許多礦物質(zhì)和微量元素，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤生產(chǎn)能力，特別是汛期泥沙可作為改良鹽堿化土壤的天然原料�！彼榻B，可以通過技術(shù)將黃河泥沙附著在土壤表面，增加農(nóng)田土壤養(yǎng)分，用于濕地塑造和土地改良。
在科技賦能之下，曾經(jīng)的廢棄物一朝轉(zhuǎn)化為高附加值材料，黃河泥沙也實現(xiàn)了“清淤—資源化—應(yīng)用”的正向閉環(huán)。
從蒼穹之上的衛(wèi)星遙感編織感知巨網(wǎng)，模型黃河筑起的智慧防汛墻，再到點沙成金的綠色建材，科技已深深嵌入河南水利發(fā)展。
黃河之水天上來，奔流到海不復(fù)回。今日流淌在河南大地上的黃河故事，已然被科技譜寫出破解千年水患、謀求人水和諧的新篇章。(記者 馬愿 師喆 尹江勇 實習(xí)生 徐鑫)
