黄河模拟器建设框架设计及发展布局

左其亭，秦 西，马军霞，2

（1.郑州大学水利与交通学院，河南郑州 450001； 2.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室，河南郑州 450001； 3.郑州大学黄河生态保护与区域协调发展研究院，河南郑州 450001）

2008 年11 月6 日，国际商用机器公司（IBM）首席执行官Samuel Palmisano 提出“智慧地球”理念，即将物联网与数字地球进行整合，以达到使世界运转智能化的“智慧地球”状态［1-2］。 此后，借鉴“智慧地球”理念，众多学者针对流域系统层面的智慧化方案开展了大量研究［3］，例如：蒋云钟等［4］提出了“智慧流域”概念，探讨了智慧流域的总体框架、关键技术和支撑平台，研究了智慧流域在防洪减灾、抗御干旱、防治污染、水资源管理中的具体应用；严登华等［5］主张充分发挥天然系统对水循环过程的调节作用，提出生态海绵智慧流域建设的总体思路和技术框架；张万顺等［6］构建了三峡库区水环境水生态智慧化管理云平台；王璐璐等［7］以城市流域水环境治理为导向进行城市智慧流域一体化平台设计。 上述研究主要针对某一水问题开展智慧流域系统平台建设，以水数据管理、水过程模拟及可视化管理系统建设为重点。 流域作为一个自然-经济-社会-生态复合的巨系统，需要从全局出发，综合考虑地理、水文、资源、环境、生态、公共管理等多学科内容，构建更加综合性的流域模拟平台。 为支撑流域经济、农业、水利、环保、城市建设等多领域过程模拟和决策管理，夏军等［8］提出了长江模拟器的概念内涵及系统框架，并提出需要针对每个具体流域的特点研发各自的流域模拟器。

黄河是中国的第二长河，也是中华民族的母亲河，自古以来一直为两岸提供人类赖以生存的资源条件。全球气候变化加剧和城市化等人类活动的日益增强，以及水土流失、泥沙淤积、水资源短缺、水环境污染、干旱与洪涝频发、生态环境脆弱、经济社会发展不协调等［9］，为黄河流域经济社会发展和生态安全带来了巨大挑战。 黄河流域是我国北方地区重要的生态屏障和经济发展区，在中国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的战略地位。 2019 年，黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。 为了将黄河打造成“造福人民的幸福河”，亟须从流域系统层面出发，研发针对黄河流域特点、解决黄河流域问题的智慧化流域系统模拟装置，以统筹推动流域一体化发展、协同推进流域系统化保护治理。

基于上述背景，本文参考长江模拟器等相关研究，根据黄河流域自身特点，在提出黄河模拟器概念及顶层设计的基础上，从感知、模拟、服务三大体系出发，构建黄河模拟器的建设框架，并提出黄河模拟器1.0 ～4.0的发展布局，以期为黄河流域保护治理和多领域科学决策提供支撑，并为其他流域模拟器的建设提供参考。

1 黄河模拟器的概念及顶层设计

1.1 黄河模拟器的概念及认知

参考长江模拟器的定义，对黄河模拟器的概念作如下定义：黄河模拟器是指以黄河流域为对象、以流域水循环（包括自然水循环和社会水循环）为纽带，部署研发的可耦合多系统、统筹多主体、实现多功能、模拟多过程、重点解决黄河问题的一体化流域模拟系统及科学装置。

根据黄河流域自身特点，从以下几方面来解读和认知黄河模拟器：

1）是涵盖黄河流域整个立体空间范围的大尺度模拟系统。 黄河模拟器涵盖黄河流域的全空间范围，包含上中下游、左右岸、干支流、流域内69 个地级行政区以及流域内整个天-空-地立体空间。

2）是以流域自然水循环和社会水循环为纽带，耦合经济、社会、生态、文化等子系统的科学装置。 黄河流域是一个复合的巨系统，流域水循环作为纽带将经济、社会、生态、文化等各子系统紧密联系在一起。 黄河模拟器不仅包含智慧化模型软件，而且是一个由大量硬件组成的科学装置，可实现流域经济、社会、生态、文化等的协调发展和系统化综合管理。

3）是可统筹政府部门、企业组织、广大群众协同合作的“智慧大脑”。 黄河模拟器可以使黄河流域的运转更加智能化和高效化，使个人、企业、组织、政府、教育科研机构、不同行业之间以及自然和社会之间的互动更为密切。

4）是可实现基础监测、数据共享、模拟分析、智能评估、异常预警、综合决策、优化调控七大功能的智能平台。 黄河模拟器可集成多种技术方法，并吸收人工经验，实现场景数字化、模拟智慧化、决策精准化［10］。

5）是可模拟自然过程、人文过程及其交互过程的全过程模拟系统。 黄河模拟器可实现对各种自然要素、人为要素及其耦合作用的全过程模拟。

6）是重点解决黄河保护治理问题的黄河特色模拟器。 黄河模拟器重点针对黄河流域面临的水土流失、泥沙淤积、生态环境脆弱、发展质量和社会治理能力不高等问题，开展流域保护治理服务，同时推进黄河流域山水林田湖草沙综合治理、系统治理、源头治理。

1.2 黄河模拟器的顶层设计

黄河模拟器是以黄河流域为对象，致力于将黄河流域打造成为资源保障区、经济发达区、生态宜居区、文化彰显区，可为黄河流域经济发展、社会稳定、生态治理、人民安全提供决策支持，以实现黄河流域资源要素的合理配置、产业结构的优化分工、生态系统的良性永续发展以及黄河文化的保护传承，使黄河成为“造福人民的幸福河”。

黄河模拟器是一个庞大的科学装置，其建设过程涉及众多交叉学科和理论，面临超复杂的技术难点和问题，其支撑体系包含四大块。

1）学科与理论支撑。 黄河模拟器研发需要数学、物理学、地理学、地质学、大气科学、生态学、计算机科学、水利工程学、管理学、社会学、经济学等多学科的共同参与，需重点发展地球系统科学、经济社会科学及信息科学理论［8］。

2）技术与方法支撑。 黄河模拟器研发依托移动通信、物联网、大数据、云计算、互联网、遥感、区块链、虚拟现实、人工智能、数字孪生等现代信息技术，同时需充分发挥科技创新的引领作用。

3）工程与设施支撑。 黄河模拟器建设需要加强国家水网（水利工程基础设施、水文站等）、电网、交通网（道路、桥梁、隧洞等）、监测网（卫星、传感器、监控视频等）、移动通信网、物流网等基础设施和工程建设。

4）制度与管理支撑。 黄河模拟器以各项法律、政策和流域规划为制度支撑（如《黄河流域生态环境保护规划》《黄河文化保护传承弘扬规划》《中华人民共和国黄河保护法》《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》等），采取行政、法律、经济、教育等综合手段推进黄河流域各项管理工作。

黄河模拟器概念认知及顶层设计见图1。

图1 黄河模拟器概念认知及顶层设计

2 黄河模拟器建设框架

基于上述黄河模拟器概念及认知，为落实顶层设计，按照未来50～100 a 的发展布局，提出黄河模拟器建设框架，其由感知体系、模拟体系和服务体系三大体系组成，见图2。

2.1 感知体系

感知体系是黄河模拟器的信息来源，需要构建天-空-地全流域覆盖监测网，包括高空、低空、地表、地下4 个空间维度。

1）高空。 主要利用气象卫星、测绘卫星等人造卫星以及探空火箭、宇宙飞船等航天飞行器，开展覆盖全流域的全天候实时监测，如对降水、气温、土地利用、植被覆盖、道路交通、城市演变、地质地貌、泥石流、水土流失等的监测。

2）低空。 主要利用飞机、无人机、飞艇等低空飞行器，对流域局部地区进行定期或不定期的巡查和数据采集，如灾害易发区域监控、森林火灾巡查、河道或建筑集中区域现状摸排、区域地形地貌信息快速采集、非法用地识别、自然资源调查、国土空间规划监管等。

3）地表。 通过布设地面传感器、监测车、监控设施或测站（气象站、水文站等），或利用水下探测器、水下机器人等，实现对地面沉降、土壤、农作物、水位、流量、水质、水环境、噪声、空气质量、生物多样性、生态环境等的监测，也可构建监测人口流动、生物迁移、道路交通流量等情况的视频实时监控网。

4）地下。 利用地下传感器、监测器或物探等手段，探测岩石类型、地下水特征、地质构造、地壳运动、矿产资源，或进行地下管道渗漏监测、地下工程安全监测等。

2.2 模拟体系

模拟体系是黄河模拟器的“大脑中枢”，以全流域数字化场景为基础，以道路交通网、干支流水系为脉络，以大型水利工程、建筑集中区域为重要节点，构建多时空多尺度模型，对物理流域进行仿真及可视化模拟，包括灾害模拟、污染模拟、城市化模拟、流域水循环模拟以及经济演变模拟等。

1）灾害模拟。 包括自然灾害模拟（地震、滑坡、泥石流、山洪、森林火灾等）、工程灾害模拟（建筑施工事故、水库渗漏、煤矿透水、溃坝等）、公共突发事件模拟（交通事故、病毒传染扩散、突发事故中的人口疏散）。

2）污染模拟。 包括水污染模拟（管网污水排放、水污染物扩散、水生态污染、地下水污染等）、土壤污染模拟（土壤辐射、重金属污染、农药化肥污染等）、大气污染扩散模拟（粉尘、气味等）、噪声污染模拟（交通噪声、建筑噪声等）。

3）城市化模拟。 包括城市化模拟与预测（人口增长、经济增长、城市规模扩张、城市群演变、土地利用变化等）、城市化影响因素模拟分析（城市化与工业化关系、区域差异等）。

4）流域水循环模拟。 包括自然水循环和社会水循环过程中涉及的一切与人类生产生活相关的模拟，包括自然水循环过程（降雨、径流、蒸散发、水沙输移、土壤侵蚀、土壤水分运动等）、社会水循环过程（水资源优化配置、农业面源污染、作物用水优化、地下水开采、水库调度、闸坝调控等）。

5）其他模拟。 经济演变模拟、产业布局方案优化模拟（国土空间规划、产业结构调整等）、二氧化碳排放系统模拟、多系统耦合模拟（水文-气象、人水关系、水资源-经济社会-生态、水-能-粮-碳）等。

2.3 服务体系

服务体系提供黄河模拟器的应用功能，其由信息数据共享服务、应急管理决策服务、资源供给保障服务、流域系统治理服务、公共基础管理服务、文化保护弘扬传承服务六方面构成。

1）信息数据共享服务。 黄河模拟器的信息数据共享服务具有全要素（经济、文化、金融、人口、交通、风土人情等人文要素，土壤、地形、地貌、地质构造、山脉、河流、矿藏分布、水文、气候气象等自然要素）、全空间（高空、低空、地表、地下）、全时段（过去、现在、未来）、多格式（数字、文字、音频、视频、图像等）、多途径（软件、网页、手机APP 等）、多功能（信息数据的存储、搜索、提取、处理、分析、预测等）的特性，可面向个人、企业、政府、科研院校、社会组织等不同用户开放不同权限级别的服务。

2）应急管理决策服务。 是黄河模拟器有效化解流域内部各种矛盾和危机的重要保障，包括风险预警机制（通过智慧监控与专人值守相结合，实现对自然灾害、工程事故、公共突发事件等的风险研判和异常预警）、应急响应机制（制订具有针对性和可操作性的应急预案，实时共享灾情并做好人员的紧急疏散，多部门多行业联动，确保医疗、通信、电力、物资、交通、人员等应急救援保障）、灾后修复机制（包括灾后损失评估、灾后重建、灾后心理疏导、经验教训复盘等），可有效提升黄河流域应急管理和防灾减灾能力。

3）资源供给保障服务。 是黄河模拟器保障黄河流域人民生活和各行业各部门正常运转的最基本服务，包括流域资源供给（城乡供水、能源开采、粮食生产、电力供应等）和流域安全保障（初级产品供给、防洪安全、水安全、粮食安全、能源安全、信息安全、生态环境安全、通信安全等）。

4）流域系统治理服务。 是改善流域生态环境、缓解黄河流域生态脆弱性的有力支撑，包括生态质量监测平台（监测生态环境、水环境、水生态、水质、含沙量、植被覆盖、水土流失、生物多样性等［11］）、治理服务平台（治理方案策划与模拟、治理技术服务等）、治理创新平台（通过项目竞赛、方案征集等方式吸纳多方智慧，推动黄河流域治理技术和治理方案可持续创新），可全面统筹黄河流域上中下游，针对黄河流域不同区域水源涵养、水沙调控、生态修复、高质量发展、“双碳”目标实现、绿色低碳产业发展等提供治理策略和技术服务，实现黄河流域山水林田湖草沙系统化、整体化综合治理［12］。

5）公共基础管理服务。 是黄河模拟器为公众提供公共基础服务和支撑政府公共管理决策的重要工具，包括流域政务系统（信息公示、建议意见征集、数据获取申请等）、导航与位置服务（电子地图、出行信息、流量统计、路线规划等）、网络安全监测（数据安全保护、网络舆情监测、网络诈骗拦截、异常信息预警等）、战略决策平台（政策制定、行业管理、工程调度、产业布局、空间规划等）。

6）文化保护弘扬传承服务。 是黄河模拟器提供的一项承载黄河文化、引领正确文化方向的重要服务，包括黄河文物保护（文物资源数据库、文物保护工程等）、文化遗产挖掘（黄河流域地域文化研究、治水思想、水利遗产、农业文化遗产等）、文化宣传展示（教育实践基地、文化遗址数字化仿真、文化旅游线路等）。

3 黄河模拟器发展布局

基于上述对于黄河模拟器的概念认知、顶层设计及其建设框架设计，从感知体系、模拟体系、服务体系三大体系出发，谋划黄河模拟器未来发展蓝图，提出黄河模拟器1.0 ～4.0 发展布局（见图3），分别对应黄河模拟器建设的基础建设阶段、全面升级阶段、系统联动阶段和智慧完善阶段。 需要强调的是，感知体系、模拟体系和服务体系是黄河模拟器建设的基础和未来长时间研发的共同支撑，三者紧密联系，相互依存，不可分割。 本文虽然将黄河模拟器的发展布局归纳为4 个阶段，但实际上黄河模拟器研发需要由点到线再到面逐步推进，每个阶段都包含感知体系、模拟体系和服务体系的逐步发展和共同建设，只是不同阶段发展的侧重点不同。

3.1 黄河模拟器1.0：基础建设阶段

从现在到2030 年，致力于建设黄河模拟器1.0，即基础建设阶段。 该阶段的目标是实现黄河流域基础感知、专题模拟和安全化服务，全面感知网络的基础建设是黄河模拟器1.0 的基础任务。 该阶段是黄河模拟器建设的初期摸索阶段，可以再分为现在—2025 年的初步规划设计和试验阶段、2026—2030 年的基础建设实施阶段2 个小阶段。

1）基础感知：对流域重点工程进行智能化改造，基本实现黄河流域数据采集和传输等基础设施的全流域覆盖，全面提升流域数字化水平。

2）专题模拟：实现对各类水文气象要素、各种灾害的精确化模拟与预测，以及工程调度、水库运行等专题模拟的可视化呈现。

3）安全化服务：构建网络安全防护体系，确保黄河流域各项资源供给，通过各类专题模拟，实现对各种灾害的实时风险预警，重点保障黄河流域居民的生命和财产安全。

3.2 黄河模拟器2.0：全面升级阶段

从2031 年到2040 年，致力于打造黄河模拟器2.0，即全面升级阶段，也是黄河模拟器建设的技术准备阶段。 该阶段的目标是实现黄河流域全面感知、综合模拟和绿色化服务，最为主要的任务是黄河流域生态环境全面治理。

1）全面感知：构建较为全面的全流域“天-空-地”一体化立体感知体系，基本实现全要素、全空间、全时段监测以及黄河流域场景的数字化。

2）综合模拟：将专题模拟进行集成，同时大幅度提高模拟预测的精度，实现集多个专题模拟为一体的流域综合模拟。

3）绿色化服务：采用先进治理技术和科学治理方案推进黄河流域一体化保护治理，针对黄河流域重点区域提供特色治理服务，科学调整产业结构、优化产业布局，发展绿色低碳产业，全面改善流域生态脆弱状况，将黄河流域打造成绿色生态区。

3.3 黄河模拟器3.0：系统联动阶段

从2041 年到2050 年，打造黄河模拟器3.0，即系统联动阶段，也是黄河模拟器建设的试点应用阶段。该阶段的目标是实现黄河流域智能感知、智能模拟和智能化服务，建立黄河模拟器试点区是黄河模拟器3.0的重点。

1）智能感知：实现数据采集、存储、传输和数据分析一体化，强化不同来源的数据融合，实现对数据的质量控制和自动校正，以提高数据的准确性和可靠性。

2）智能模拟：在黄河支流或部分行政区域建立黄河模拟器试点区，增强对复杂系统的多层次协同模拟和联合优化能力，实现小流域或区域的智能化仿真模拟。

3）智能化服务：针对不同场景提供精准化决策，实现信息处理、决策制定、决策执行等服务流程的自动化和智能化，减少人工干预，提高服务效率和服务质量。

3.4 黄河模拟器4.0：智慧完善阶段

2051 年以后，实现黄河模拟器4.0，即智慧完善阶段，也是黄河模拟器建设的完善阶段。 该阶段的目标是实现黄河流域智慧感知、智慧模拟和智慧化服务，人工智能的普遍应用是黄河模拟器4.0 的突出特点。

1）智慧感知：进一步完善黄河模拟器的智慧感知体系，实现更为智能更为灵活的数据感知、更为快速的数据存储和数据传输、更为智能的数据分析和多尺度数据融合。

2）智慧模拟：随着人工智能的普遍应用，黄河模拟器可吸收大量人工经验和人类智慧，甚至实现黄河模拟器自身的模拟进化。

3）智慧化服务：在人工智能、机器人等现代科技的加持下，黄河模拟器成为真正的“智慧大脑”，集智慧水务、智慧水利［13］、智慧交通、智慧城市等于一体，可针对不同主体提供个性化、全面化、特色化的智慧服务。

4 结束语

本文以黄河流域为对象，以流域自然水循环和社会水循环为纽带，联系黄河流域经济、社会、资源、生态、文化等各子系统，提出重点解决黄河保护治理问题的黄河模拟器及其顶层设计，从感知体系、模拟体系、服务体系三方面系统阐述了黄河模拟器的建设框架，并提出黄河模拟器1.0 ～4.0 发展布局，擘画黄河模拟器未来发展蓝图，致力于将黄河打造成“造福人民的幸福河”，推进黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施。

黄河模拟器是一个十分庞大的系统和科学装置，涉及众多学科和理论。 本文提出的建设框架是一个长期的前瞻性规划，其实现需要多行业、多部门、多学科以及广大科技工作者的共同努力，需要长期的资金投入和人才与技术支持，需要不断进行科技创新，以应对未来不断变化的社会与自然环境挑战。 黄河模拟器建设框架和发展布局的实施是一个漫长而艰巨的过程，需要感知体系、模拟体系和服务体系的同步建设与支撑，预计需要50～100 a 的时间。 需要说明的是，本文提出的黄河模拟器1.0～4.0 仅是对未来黄河保护治理科技发展的战略思考，其规划布局还有待今后进一步研究完善、付诸实施和检验。