智能大壩建設的意義和內涵

2025年09月09日 16:33 中國水利雜志責編：戚金榮作者：中國水利雜志

智能大壩建設的意義和內涵

Significance and connotation of smart dams construction

仲志余

（水利部，100053，北京）

摘要：我國大壩工程規模和筑壩技術水平位居世界前列，綜合效益發揮顯著，取得了舉世矚目的成就。當前在氣候變化加劇和極端天氣事件頻發、大壩安全管理存在短板弱項、效益充分發揮面臨挑戰的情況下，智能大壩是有效應對挑戰和實現創新引領的關鍵舉措，可為實現高質量發展和高水平安全良性互動提供關鍵支撐。智能大壩的核心特征是預測未來，體現在目標實現、功能作用、技術手段上。要從新建大壩一體化建設、已建大壩智能化改造、關鍵科技創新研發、工程管理機制持續完善、建設理念全球推廣等5個方面加快推進智能大壩建設，引領世界壩工技術高質量發展。

關鍵詞：智能大壩；高水平安全；高質量發展；建設內涵；科技創新；管理機制

作者簡介：仲志余，總工程師、水利部科學技術委員會主任，正高級工程師。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.003

水庫大壩是人類治理江河、開發利用水資源的重要基礎設施，在保障防洪和糧食安全、抵御干旱災害、生產低碳能源等方面發揮著關鍵作用。但是，在全球氣候變化以及極端天氣事件頻發的背景下，大壩面臨的環境條件更加復雜、更趨極端，有效防控風險、提升發展質量的要求更加迫切、更為凸顯。面對共同的挑戰，水利部部長李國英在2025年5月于四川成都舉行的國際大壩委員會第28屆大會上提出了“攜手構建安全大壩、生態大壩、智能大壩”的倡議，得到與會各國代表廣泛認同。其中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，要深刻認識其重大意義和內涵，以智能大壩為引領，推動全球壩工事業高質量發展。

我國大壩工程建設取得舉世矚目的成就，為保障國家安全和經濟社會發展發揮了重要基礎支撐作用

新中國成立后，我國高度重視水利基礎設施建設，充分發揮社會主義集中力量辦大事的制度優勢，大規模開展水庫大壩建設，取得舉世矚目的成就。從數量上看，經過70多年的建設，我國擁有了約9.5萬座水庫大壩，1800多億m3的防洪庫容，2024年水電裝機容量達到4.36億kW；根據國際大壩委員會的統計，全球壩高15m以上或者壩高5～15m、庫容大于300萬m3的大壩共有7.3萬座，其中我國有4萬余座。從規模上看，200m以上的高壩，全球已建76座，其中我國有21座；陸續建成了世界第一高拱壩錦屏一級大壩（壩高305m）、世界第一高面板堆石壩水布埡大壩（壩高233.2m）、世界水電裝機容量最大的三峽大壩（裝機容量2250萬kW）；正在建設世界第一高心墻堆石壩雙江口大壩（壩高315m）。從運行管理上看，我國開展了大規模水庫除險加固工作，實施了雨水情監測預報“三道防線”建設、水庫大壩安全監測能力提升、數字孿生工程建設、現代化水庫運行管理矩陣構建等一系列工作，有效提升了大壩安全保障水平，已是世界上潰壩率最低的國家之一，2022年以來未發生潰壩事件。

在水庫大壩大規模建設的驅動下，我國筑壩技術也實現了從弱到強、從跟隨到引領的跨越。20世紀50—70年代，我國堅持自力更生、“土洋”結合，以探索、消化、吸收為主，土石壩、混凝土壩和漿砌石壩筑壩技術得到發展，壩高達到100m級。20世紀80—90年代，大壩建設基礎理論、設計方法、分析技術取得長足進步，碾壓混凝土壩、面板堆石壩得到迅速發展，建成了181m高的三峽大壩、240m高的二灘拱壩、160m高的小浪底黏土心墻堆石壩，從跟跑進入到并跑階段。2000年后，相繼建成294.5m高的小灣拱壩、192m高的龍灘一期碾壓混凝土重力壩、233.2m高的水布埡面板堆石壩、261.5m高的糯扎渡心墻堆石壩、305m高的錦屏一級拱壩等，攻克了高海拔、高寒、高地震烈度等復雜環境下筑壩的一系列技術難題，筑壩技術水平進入世界前列。水庫大壩建設在重視技術水平提升的同時，理念也在發生深刻變化，越來越重視大壩建設運行與江河生態環境的關系，探索有壩河流生態系統的再平衡。

水庫大壩為國家經濟社會發展提供了重要的防洪、供水、糧食、能源、生態等安全保障。水庫大壩是流域防洪的“王牌”，如三峽工程使荊江河段的防洪標準由10年一遇提高到100年一遇，投入運行后累計攔洪約70次，其中洪峰流量超50000m3/s的編號洪水21次，累計攔蓄洪水2200億m3。水庫大壩是供水保障的“主心骨”，全年大中型水庫供水2700多億m3，約占總供水量的40%，丹江口水庫庫容319.5億m3，每年調水超70億m3，確保北京、天津等城市供水穩定。水庫大壩是糧食保豐收的“定盤星”，2024年全國耕地灌溉面積為10.87億畝（1畝=1/15hm2，下同），在耕地灌溉面積上生產的糧食產量占全國糧食總產量的80.35%，其中水庫供水保障的灌溉面積超過5億畝。水庫大壩是清潔能源的“壓艙石”和“穩定器”，我國水電年發電量已超1.4萬億kW·h，占清潔能源發電量的41%，水電還在促進風光等新能源消納、保障電網穩定方面發揮了獨特優勢。水庫大壩在生態保護方面也發揮著越來越重要的作用，以小浪底水庫為核心的水庫群聯合調水調沙，使得黃河下游河道主河槽平均下降3.1m，保障黃河不斷流，改善黃河三角洲生態環境，讓中華民族的母親河永葆生機活力。

氣候變化背景下大壩安全高效可持續發展面臨挑戰，亟須理念創新與科技賦能

氣候變化是人類面臨的共同挑戰。聯合國政府間氣候變化專門委員會第六次評估報告指出，2011—2020年的全球平均氣溫相對于1850—1900年升高了1.09℃；在未來持續變暖的情景下，極端天氣事件如極端降水的發生頻率和強度，均會有所提升。據最新研究，全球平均溫度每升高1℃，極端暴雨的平均強度約增加7%；根據聯合國防災減災署發布的《災害造成的人類損失2000—2019》報告，與20世紀的最后20年相比，21世紀的前20年風暴事件增加了97%，洪澇事件增加了134%。2021年7月20日，河南鄭州氣象觀測站最大小時降雨量達201.9mm，突破中國大陸小時降雨量歷史極值；2025年7月23日—29日，北京密云全區平均降水量366.6mm，局地最大降水量為573.5mm，密云水庫7天入庫洪量達9.1億m3，超過建庫以來歷史最大值。未來類似“幾天下一年的雨”極端事件將會越來越多，對水庫大壩安全運行帶來極大的挑戰。

一方面，我國現有水庫數量多、高壩多、病險庫多。現有約9.5萬座水庫大壩中，小型水庫占大壩總數的95%左右，防洪設計標準、穩定安全系數、結構強度等設計標準相對偏低；80%以上水庫大壩建設于20世紀50—70年代，受當時技術和經濟條件制約，設施配套不齊全，施工質量參差不齊，耐久性偏低，加之壩齡達到50～70年，盡管實施了系列除險加固措施，但性能退化和老化問題仍不斷顯現。全球200m以上已建高壩有76座，我國占比達到27.6%，150m以上高壩我國擁有63座，這些高壩主要集中在西部地區，存在高海拔、高寒、高地震烈度、高邊坡、高地應力、深厚覆蓋層等極為復雜的工程環境問題，同時面臨大流量泄洪、高速水流、大洞室群等問題，對大壩安全穩定性要求極高；另外高壩大庫主要以梯級形式進行建設，流域大壩群的風險防控更要萬無一失。因此，極端降雨洪水疊加水庫大壩現存短板弱項的背景下，亟須理念創新和科技賦能保障大壩安全。

另一方面，大壩工程在實際運行中既要確保防洪安全，又要統籌考慮供水、灌溉、發電、航運、生態等眾多需求，但水庫庫容有限，平衡難度很大。此外水庫大壩運行往往受到上下游、左右岸的制約，并對上下游、左右岸產生影響，尤其以大壩群的模式運行時，如我國的金沙江梯級、大渡河梯級、雅礱江梯級、黃河上游梯級等，水庫大壩之間需要精準調度、協同運行，才能更好發揮工程效益，但限于技術水平，現有的調度方案往往局部最優，難以有效保證綜合效益的充分發揮。特別是全球氣候變化影響加劇導致不確定、不穩定因素日益增多，進一步增加了多目標優化調度的難度。為此，需要進一步依靠科技賦能，在保證大壩安全的情況下，進行多目標決策調度，實現工程效益的“帕累托最優”。

加快推進智能大壩建設，是實現高質量發展和高水平安全良性互動的關鍵舉措

近年來，物聯網、大數據、人工智能等信息技術加速突破，產業網絡化、智能化程度不斷加深，推動全球經濟社會深刻變革，成為引領科技創新的核心驅動力，催生了一系列新業務、新模式，如智能交通、智能航運、智能農業等。目前新一代信息技術已與大壩建設深度融合，催生了智能碾壓、智能溫控等智能建造技術，有效提升了工程建設質量和效率。智能傳感技術、隱患識別技術、風險分析技術、綜合調度技術及智能化裝備的進一步成熟和應用場景的持續擴展，對大壩工程智能化運維的提升作用將越來越顯著，體系化推進智能大壩建設正當其時。

在國際大壩委員會第28屆大會“數智賦能水庫大壩建設和運維”中國專場研討會上，李國英部長系統闡述了智能大壩的理念。智能大壩是以物理大壩為基礎、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對水庫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，實現大壩建設運行管理全生命周期透徹監測感知、智能分析預測、前瞻決策支持，提升大壩安全高效可持續運行水平。智能大壩是推動全球壩工事業理念重塑、技術變革、模式再造的重要舉措，是對傳統大壩運行模式的超越和創新，是實現建設運行管理高質量發展和高水平安全良性互動的關鍵舉措。

基于智能大壩的透徹監測感知、智能分析預測、前瞻決策支持要求，大壩工程建（構）筑物物理特性、運行性態等得到準確識別，存在的質量問題、缺陷隱患得到精準診斷和維護處置，大壩工程運行狀態和安全狀態得到優化調整。工程設備設施運行狀態得到準確判斷和預測，設備故障得到及時處置，不良部件或設備得到適時更換和維護，運行方式得到優化調整。對大壩管理區間異常狀態、非法闖入等異常行為實現跟蹤監視，利用電子圍欄、電子門禁、告警系統、無人設備等協同控制。面臨洪水、地震、爆炸、岸坡失穩、潰壩等安全風險時，分析預測致災后果，快速判別響應級別，提供動態決策方案，實現應急搶險調度。大壩工程及設備設施安全水平和耐久性將顯著提高，運行區域安全將得到更好保障。

基于運籌學、智能算法等，在保障工程安全前提下，綜合考慮防洪、供水、灌溉、發電、航運、生態等效益，實現高水平安全條件下的效益最大化。

通過對大壩防洪形勢進行分析，以保障大壩防洪安全為目標，“逆向”推演大壩安全運行限制條件，制定和優化調度方案并迭代更新，實現風險科學研判，調整調度方案，確保大壩防洪安全；同時，基于洪水綜合監視和分析，確定洪水調度的系統目標、功能和防洪邊界，通過“正向預演－逆向推演”等，優化洪水調度方案，精準攔洪、削峰、錯峰，提高上下游防洪效益。

基于實時監測供水系統的運行狀態，并根據來水信息和供水需求，調整供水計劃，自動調控供水設備，優化供水方案，提高供水的穩定性和響應能力，減少資源浪費和損失，提升水資源利用效率，增強供水效果。

基于水庫生態環境的監測和生態調度預測模型，通過控制庫灣藻華、保障下游生態需水、減緩水庫水溫影響、刺激目標魚類繁殖、改善庫區魚類孵化條件、應急處置突發污染事件等，保障河庫生態健康，支撐河湖生態復蘇。

加快推進數字孿生關鍵技術研發，確保智能大壩預測未來的核心功能管用實用效用

智能大壩通過評估現狀、預測未來、優化決策實現風險防控和效能提升，其核心特征是預測未來，實施路徑是數字孿生。預測未來是智能大壩目標實現的根本需求，是功能作用的集中體現，是數字孿生的核心能力。

從目標實現角度看，預測未來是智能大壩保障安全、提升效能與可持續發展的根本需求。傳統大壩依賴人工監測、現場巡視以及安全鑒定、大壩定檢等保障安全，聚焦于大壩現狀評估，對未來有一定的指導性，但嚴重缺乏精準預測能力，對工程安全和突發性風險只能被動應對，要實現“防患于未然”必須通過預測壩體缺陷隱患的發展、未來降雨洪水的趨勢進行主動防控。同時，只有精準預測來水情況與各種用水需求，才能有效調配水資源，促進工程供水、發電、航運和生態等綜合效益的發揮。

從功能作用角度看，預測未來是智能大壩透徹監測感知、智能分析預測、前瞻決策支持功能的集中體現。智能大壩通過上游水庫、下游河道和壩址區“天空地水工”一體化監測感知體系，全周期全要素獲取外部環境、大壩本體等有關信息，進行采集、傳輸和治理，是預測未來的基礎。基于透徹監測感知數據，利用大數據、深度學習、云計算等技術，對大壩工程性態、設備運行狀態、功能發揮情況等進行智能化分析診斷，是預測未來的關鍵。進一步，基于機理模型、智能模型等，進行決策優化和智能控制，是預測未來的延伸。透徹監測感知、智能分析預測、前瞻決策支持三者深度協同實現預測未來，構成了數據、模型、決策的閉環控制核心。

從技術手段看，預測未來是數字孿生技術的核心能力。智能大壩通過數字孿生技術實現，是數字孿生水利工程建設在大壩工程中的具體落地應用。數字孿生技術具備數字映射、智能模擬、前瞻預演的能力，通過與物理大壩同步仿真運行、虛實交互、耦合優化，實現實時監控、發現問題、優化調度的目標。智能模擬、前瞻預演實質是預測未來，是發現問題、優化調度的前提，是數字孿生技術的核心能力，也是智能大壩的核心能力。

技術創新與機制創新并重，分類推進智能大壩建設，確保建設任務落實落地

運行管理需求是智能大壩建設的根本驅動力，先進實用技術是智能大壩建設的核心支撐。近年來我國高壩建設和運行管理取得長足進步，但仍存在諸多技術問題亟須突破。要搶抓新一輪科技革命的有利時機，將智能大壩的目標導向和水庫大壩運行管理的問題導向相結合，以提供實用、管用、效用的科技成果為目標，從理論方法、技術、裝備、材料及工藝等方面進行創新研發，構建應用牽引、技術研發、應用驗證、迭代升級的良性研發體系，推動水利新質生產力發展。

智能大壩建設要技術和機制并重，構建現代化的大壩工程運行管理機制、智能大壩建設機制、先進技術研發機制。運行管理機制方面，要加快構建現代化水庫運行管理矩陣，全面提升水庫運行管理精準化、信息化、現代化水平。智能大壩建設機制方面，做好建設目標、建設內容、技術框架、推進模式、保障機制等頂層設計工作，推進新建大壩工程和在役大壩工程試點建設工作，構建智能大壩技術標準體系，做好與數字孿生流域、數字孿生水網有效銜接。先進技術研發機制方面，要構建多元互補、高效協同、開放交融的研發體系，實現產學研用深度融合。

新建大壩將智能大壩的理念貫穿大壩建設運行管理全生命周期，智能系統與工程本體同步規劃、同步建設、同步投用、同步運行。設計階段、施工階段、運行階段通過統一數據中臺實現信息的無縫銜接，打破傳統建設模式的階段割裂，實現設計、施工、運行全過程數據貫通與效能協同。施工階段，采用智能溫控、智能碾壓、智能灌漿、仿真優化調控等技術，為智能大壩建設提供高質量本體，為分析診斷提供精準可靠的基礎信息。運行階段錨定安全、效益與生態的協同優化，安全層面通過水庫-大壩-下游河道的“天空地水工”一體化監測感知體系，實現潛在風險的超前預警；效益層面依托流域或區域基礎數據，采用智能化調度算法，實現單體大壩或大壩群的優化調度；生態層面將魚類洄游通道、分層取水等智能調控設施與主體工程同步建設，在運行期開展生態調度，實現生態大壩的目標。

在役工程是智能大壩建設的重點和難點。重點體現在我國擁有在役大壩約9.5萬座，智能大壩建設主要是在役大壩的智能化改造；難點體現在現有水庫大壩工程本體質量參差不齊、設施設備不齊全、基礎信息不完備、管理維護和調度運行能力不強等方面，智能化改造需要根據現實情況，分階段分步驟逐步推進。智能化改造過程中，要對大壩工程的結構安全、運行狀況、調度情況、管理流程等進行全面評估，基于評估結果確定智能大壩建設的方案，核心是明確大壩現狀與智能大壩建設要求的差異，構建適配的智能化升級方案。工程感知要充分利用自監測、外診斷技術，突破老壩結構限制，實現環境、性態等信息的全要素、全過程動態感知。分析診斷要圍繞精準預測、超前預警，構建洪水預報、結構安全、設備故障等算法模型，實現從被動監測到主動預警。決策調控要基于大壩工程功能，統籌考慮防洪、供水、灌溉、發電、航運、生態等功能需求，采用“正向—逆向—正向”動態推演迭代優化運行方式進行決策，實現優化調度。算力通信要圍繞算力高可靠、通信無死角的建設目標，構建超算中心、邊緣計算網絡，高質量建設存儲、計算和傳輸設施設備，構建全覆蓋、高可靠、低延遲的通信網絡。

智能是大壩事業發展的未來。要秉持人類命運共同體理念，積極參與并通過國際大壩委員會、國際水電協會、國際水利與環境工程學會、國際洪水管理大會等進行理念、技術、案例推廣，持續推動智能大壩理念的全球認可。積極開展國際標準、技術公報的編制工作，推動智能大壩相關核心技術標準的全球互認。依托“一帶一路”水利合作框架，建立智能大壩理念、技術、人才三位一體推廣體系，在東南亞、南亞、中亞、拉美、非洲等大壩建設過程中融入智能大壩建設理念，支持發展中國家大壩智能化發展，實現大壩工程安全和生態運行。

Abstract: China ranks among the world’s leaders in the scale of dam projects and dam-building technology. It has delivered remarkable comprehensive benefits and achievements capturing global attention. Amid intensifying climate change, more frequent extreme weather events, lingering weaknesses in dam safety management, and emerging challenges to fully realizing these benefits, smart dam has emerged as the key measure for effectively meeting these challenges and achieving innovation-driven leadership. It can provide crucial support for creating a virtuous interaction between high-quality development and high-level safety. The defining characteristic of a smart dam is its ability to predict the future, manifested in its objectives, functions, and technological means. To accelerate its development and lead the world toward high-quality advancement in dam engineering, efforts must focus on five fronts: integrated construction of new dams, intelligent retrofitting of existing dams, breakthroughs in key technologies and innovations, continuous improvement of engineering-management institutions, and global promotion of the smart-dam philosophy.

Keywordssmart dam; high-level security; high-quality development; construction connotation; scientific and technological innovation; management institutions