“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系構建：加速邁向智慧水利新時代

在科技浪潮的洶涌推動下，一場關乎水利行業(yè)深刻變革的大幕正徐徐拉開。“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系構建，正以前所未有的速度加速推進。這一充滿科技感的技術體系，作為數(shù)字孿生水利的重要組成部分，正引領著水利行業(yè)邁向智能監(jiān)測感知的新高度，推動著對水利對象全要素、治理管理全過程的智能監(jiān)測感知能力持續(xù)躍升。

多元設備協(xié)同，構建全方位監(jiān)測網(wǎng)絡

“水利一號”及組網(wǎng)的多顆遙感衛(wèi)星宛如太空中的“偵察兵”，憑借其廣闊的視野和全天候的監(jiān)測能力，時刻監(jiān)視著汛旱凌情的變化。它們不受時間和空間的限制，能夠快速獲取大面積的水利信息，為防汛抗旱工作提供及時、準確的數(shù)據(jù)支持。無人機和無人船則組成了“水陸空戰(zhàn)隊”，在空中、水面和水下全方位守護著河湖的健康生命。無人機可以靈活地穿梭于復雜地形之上，對河湖的水質、水位、岸線等情況進行實時監(jiān)測；無人船則能夠在水中自如航行，采集水樣、檢測水質參數(shù)，為河湖生態(tài)保護提供詳細的數(shù)據(jù)。而巡檢機器狗的“上崗”，更是為水庫、大壩的安全運行提供了可靠支撐。它能夠輕松穿越復雜地形，對大壩的各個部位進行細致巡檢，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

在今年“七下八上”防汛關鍵期，“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系發(fā)揮了巨大作用。水利部信息中心主任付靜在相關新聞通氣會上介紹，通過該體系建成了覆蓋72類2600萬水利對象數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)底板，生成了10米格網(wǎng)精度的全國數(shù)字流域水系。這使得多維度掌握河道、水庫、蓄滯洪區(qū)等流域下墊面、淹沒面積、工程險情等動態(tài)變化數(shù)據(jù)成為可能，為水旱災害防御決策提供了“天空地水工”一體化數(shù)據(jù)支撐。

遙感衛(wèi)星與測雨雷達：筑牢水旱災害防御屏障

目前，我國已基本形成了涵蓋31顆遙感衛(wèi)星、100余部測雨雷達、4800余架無人機、13.3萬處地面水文報汛站、30多萬處工程安全監(jiān)測點的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系。這一體系的建立，標志著我國正在告別以往以固定站點和斷面為主的監(jiān)測模式，逐步邁向“天空地水工”監(jiān)測感知一體化的“立體時代”。

以2025年黃河調水調沙水庫調度為例，這一復雜調度的安全高效落地，背后離不開“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系的硬核支撐。黃河水利科學研究院泥沙研究所副所長張防修介紹，通過RTK（實時動態(tài)載波相位差分技術）、無人機等設備，結合衛(wèi)星遙感影像等手段，獲取了調水調沙期間下游水位表現(xiàn)、河勢變化等海量一手數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河“三條黃河”聯(lián)動，能夠精準預測工程可能出現(xiàn)的險情及河勢演變趨勢。數(shù)字孿生水利為河流、水庫等打造了精準的“數(shù)字分身”，實現(xiàn)了數(shù)字化映射、智慧化模擬、前瞻性預演。而這一切的實現(xiàn)，都離不開對物理系統(tǒng)全面、準確、實時的數(shù)據(jù)采集。單一監(jiān)測感知手段已難以滿足需求，迫切需要“全要素、高精度、高頻率、連續(xù)性”的監(jiān)測體系作為支撐。

水利部黨組高度重視數(shù)字孿生水利建設，要求加快推進“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系夯基提能。2024年7月，水利部發(fā)布《數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測感知夯基提能行動方案(2024—2026年)》，從頂層謀劃構建支撐水利多業(yè)務的一體化監(jiān)測感知網(wǎng)，為數(shù)字孿生水利的高保真建設運行提供重要算據(jù)保障。付靜詳細介紹了該體系的構成：“天”依托遙感、衛(wèi)星等技術，實現(xiàn)大尺度全局監(jiān)測感知；“空”借助無人機、高塔搭載測雨雷達等設備，完成中小尺度高精度動態(tài)監(jiān)測感知；“地”通過地面監(jiān)測設施設備，聚焦關鍵區(qū)域點位要素的精準實時監(jiān)測感知；“水”專門針對河湖庫水體、水中、水下水利要素的監(jiān)測感知；“工”則聚焦水利工程內外部要素的監(jiān)測感知。”天基、空基、地基、水基、工基五位一體的監(jiān)測網(wǎng)絡，從水利行業(yè)全局出發(fā)，全面覆蓋水旱災害防御、水資源管理與調配等水利“2 + N”業(yè)務監(jiān)測需求。

在全球氣候變化的背景下，極端天氣事件多發(fā)頻發(fā)重發(fā)。在防汛戰(zhàn)場上，及時暢通、直達一線的監(jiān)測感知數(shù)據(jù)，可為人員撤離、水庫調度、蓄滯洪區(qū)啟用以及防御預案生成等決策指揮提供堅實支撐，最大程度減少自然災害帶來的損失。例如，5月22日凌晨，湖南省桃源縣牛車河鎮(zhèn)遭遇極端強降雨突襲，在全鎮(zhèn)一度斷網(wǎng)斷電的關鍵時刻，得益于龍鳳山站點新增的北斗衛(wèi)星信道支持，數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸，助力預警鏈條不間斷。7月3日晚到4日凌晨，四川省綿陽市北川羌族自治縣夜雨滂沱，水利測雨雷達實時傳輸“云中雨”信息，有效研判山洪泥石流災害風險，提前轉移1155戶2636人。7月23日至7月30日，海河流域遭遇入汛以來最強降雨過程。水利部海河水利委員會水文局充分運用雨水情監(jiān)測預報“三道防線”，加強對云中雨、落地雨、河中水的立體化監(jiān)測，提前20小時科學預判新蓋房樞紐洪峰流量和出現(xiàn)時間，為兩次避免東淀蓄滯洪區(qū)啟用提供了科學支撐。從蒼穹之上到洪浪之下，“天空地水工”各環(huán)節(jié)在協(xié)同中互補融合、在聯(lián)動中相互校驗，以“超前感知”的敏銳，為水旱災害防御筑起一道更加牢固的安全屏障。

數(shù)字孿生平臺與智能模型：賦能水資源高效調配

今年春天，西遼河干流水頭一路奔涌，抵達內蒙古自治區(qū)通遼市教來河口，與下游河道水體“握手相遇”，宣告斷流27年的西遼河干流首次實現(xiàn)全線過流。在這場河流復蘇的春日“會戰(zhàn)”中，“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系發(fā)揮了至關重要的作用。水利部松遼水利委員會總規(guī)劃師林嵐介紹，數(shù)字孿生西遼河平臺實時匯集1.7萬余處降水、地表、地下、取用水等監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，再通過二維水動力模型推演河道過流能力、線路、水量，以求得調水的最優(yōu)解。這一體系對西遼河流域開展全方位、多層次、動態(tài)化監(jiān)測，努力讓每一方水都補到“刀刃上”。

除了護航母親河復蘇，“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系還為國家水網(wǎng)調度提供有力的數(shù)據(jù)保障。浙東水網(wǎng)密布著7000余條河流、8類2000余座控制性工程。在這樣復雜的平原河網(wǎng)地區(qū)，實現(xiàn)水資源多目標精細化調度并非易事。浙江省錢塘江流域中心浙東引水部主任嚴雷介紹，通過新建和接入各類監(jiān)測設施1747處，包括450處水位監(jiān)測點、76處流量監(jiān)測點、97處工程運行狀態(tài)監(jiān)測、561處取用水戶監(jiān)測等，浙東引水工程初步構建起具有區(qū)域特色的水網(wǎng)“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系。這一體系為14個浙東引水特色水網(wǎng)專業(yè)模型和3個智能識別模型提供精準算據(jù)支撐，如同為工程裝上“智慧大腦”，實現(xiàn)水資源統(tǒng)籌利用、高效配置與安全可控。

在水資源管理領域，智慧化監(jiān)測技術正持續(xù)延伸應用觸角。重力衛(wèi)星技術應用于地下水儲量變化反演，能夠準確掌握地下水的動態(tài)變化情況；在線監(jiān)測計量體系為用水計量裝上“精準標尺”，確保用水計量的準確性和可靠性；量子點光譜設備實時監(jiān)測水質變化情況，及時發(fā)現(xiàn)水質污染問題。全維度感知，讓水資源管理如臂使指，為提升水資源節(jié)約集約利用水平筑牢基礎。

熱成像與智能監(jiān)測技術：守護河湖健康生命

長江湖北黃岡段，矗立江邊的通信鐵塔架設熱成像設備，成為守護河湖的“千里眼”。它能夠穿透濃霧和夜色，實時監(jiān)控著往來船只，精準打擊非法采砂等破壞行為。湖北省黃岡市水利和湖泊局副局長徐正勇介紹，當船只一段時間內速度接近于一定低值，且船只持續(xù)存在熱點時，智慧水域管理平臺會自動判斷為違法采砂嫌疑并預警。同時還會對采砂船進行抓拍、實時彈窗預警和報警錄像，為后續(xù)的違法取證工作提供依據(jù)。依托熱成像等先進技術，黃岡智慧水域管理平臺目前已成功制止近百起非法采砂行為，并對多起案件完成取證與立案。

如今，高分辨率衛(wèi)星遙感、北斗衛(wèi)星、無人機、激光雷達、視頻智能識別等監(jiān)測技術的應用，為河湖水域岸線空間管控和河湖庫“清四亂”（清理亂占、亂采、亂堆、亂建）規(guī)范化常態(tài)化開展提供了強大的助力。在甘肅，技術人員借助高分辨率衛(wèi)星影像和多時相影像分析技術，捕捉到位于武山縣某河道管理范圍內砂場違規(guī)采建的完整過程，并通過算法生成帶有坐標定位、面積測算的可視化證據(jù)鏈。在浙江省紹興市越城區(qū)，14架無人機搭載AI（人工智能）識別模型，編織起嚴密的智能巡查網(wǎng)絡，覆蓋越城區(qū)90%以上的水域，每月減少基層河長人工巡河2286人次。近日，水利部部署實施河湖庫一體化監(jiān)測感知體系建設三年行動，明確提出應用衛(wèi)星遙感、視頻監(jiān)控、無人機、北斗等技術，強化河湖庫水域岸線空間管控。一張貫通監(jiān)測、研判、預警、處置全鏈條的監(jiān)測感知網(wǎng)，正在加速布局。

機器狗與機器人上崗：護航工程安全運行

在廣西大藤峽水利樞紐4公里長的大壩廊道里，一只銀白色的機器狗化身水庫“巡檢員”，靈巧地騰挪四只仿生關節(jié)足，對監(jiān)測設施和滲漏、排水等情況開展細致巡檢。廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司樞紐中心工程師陳虹余介紹，這只機器狗深度融合人工智能技術，集成多種功能傳感器，可在無人值守的情況下實時監(jiān)測廊道結構安全，精準排查裂縫、滲漏、積水等異常情況。通過在“大腦”里植入水庫大壩的數(shù)字孿生體，加上持續(xù)學習的AI算法，機器狗的主動識別準確率已超過99.5%。

在大藤峽水利樞紐，“天空地水工”這個“大家族”里的各個成員正各司其職，全方位守護水庫和大壩安全。4000多個安全監(jiān)測點在施工期間同步布設，涵蓋監(jiān)測變形、滲流等20多種類型的傳感器；磁吸爬壁式智能無損檢測機器人與全域爬壁巡檢機器人，廣泛應用于壩頂門機等焊接質量檢測以及主壩壩體、引水隧洞混凝土襯砌質量檢測；背包式激光掃描測量系統(tǒng)結合即時定位和地圖創(chuàng)建技術，能快速同步獲取360度高清全景圖和測繪級三維點云。

對于水利工程而言，滲流滲壓、位移形變、應力應變等工情險情要素的實時精細監(jiān)測感知，是安全運行的重要前提。目前，全國已累計完善425座大中型和5.1萬余座小型水庫大壩安全監(jiān)測設施建設；在黃河古賢等12個水利樞紐工程開展智能大壩建設試點；堤防智能巡檢、智能石頭等新技術得到成功應用。

“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系還廣泛應用于農(nóng)村水利水電等領域。山東位山灌區(qū)建成集衛(wèi)星遙感、2000余處監(jiān)測站點、1100余處高清視頻監(jiān)控等于一體的“天空地水工”感知體系。系統(tǒng)結合灌區(qū)20多年灌溉試驗積累的長序列觀測數(shù)據(jù)，能夠分析預測灌域內主要作物需水量、土壤水分、最優(yōu)灌溉日期、灌溉量及作物產(chǎn)量。

全方位、全覆蓋、全要素的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，將守護江河湖庫的感知經(jīng)緯逐步加密，為水旱災害防御、水資源管理與調配等水利業(yè)務注入強勁的科技動能。今年6月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于全面推進江河保護治理的意見》，指出要構建雨情水情監(jiān)測預報體系，強化監(jiān)測設施和信息資源共建共享，加強河湖水資源動態(tài)監(jiān)測分析。水利部將繼續(xù)完善“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，不斷夯實監(jiān)測感知技術、環(huán)境、制度、標準等基礎保障，加快構建具有“四預”功能的數(shù)字孿生水利體系，為水利治理管理提供前瞻性、科學性、精準性、安全性支撐，引領水利行業(yè)邁向更加智慧、高效的新時代。