黃河模擬器建設(shè)框架設(shè)計(jì)及發(fā)展布局

左其亭，秦 西，馬軍霞，2

（1.鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院，河南鄭州 450001； 2.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護(hù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001； 3.鄭州大學(xué)黃河生態(tài)保護(hù)與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展研究院，河南鄭州 450001）

2008 年11 月6 日，國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）首席執(zhí)行官Samuel Palmisano 提出“智慧地球”理念，即將物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字地球進(jìn)行整合，以達(dá)到使世界運(yùn)轉(zhuǎn)智能化的“智慧地球”狀態(tài)［1-2］。 此后，借鑒“智慧地球”理念，眾多學(xué)者針對(duì)流域系統(tǒng)層面的智慧化方案開(kāi)展了大量研究［3］，例如：蔣云鐘等［4］提出了“智慧流域”概念，探討了智慧流域的總體框架、關(guān)鍵技術(shù)和支撐平臺(tái)，研究了智慧流域在防洪減災(zāi)、抗御干旱、防治污染、水資源管理中的具體應(yīng)用；嚴(yán)登華等［5］主張充分發(fā)揮天然系統(tǒng)對(duì)水循環(huán)過(guò)程的調(diào)節(jié)作用，提出生態(tài)海綿智慧流域建設(shè)的總體思路和技術(shù)框架；張萬(wàn)順等［6］構(gòu)建了三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境水生態(tài)智慧化管理云平臺(tái)；王璐璐等［7］以城市流域水環(huán)境治理為導(dǎo)向進(jìn)行城市智慧流域一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)。 上述研究主要針對(duì)某一水問(wèn)題開(kāi)展智慧流域系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)，以水?dāng)?shù)據(jù)管理、水過(guò)程模擬及可視化管理系統(tǒng)建設(shè)為重點(diǎn)。 流域作為一個(gè)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)復(fù)合的巨系統(tǒng)，需要從全局出發(fā)，綜合考慮地理、水文、資源、環(huán)境、生態(tài)、公共管理等多學(xué)科內(nèi)容，構(gòu)建更加綜合性的流域模擬平臺(tái)。 為支撐流域經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保、城市建設(shè)等多領(lǐng)域過(guò)程模擬和決策管理，夏軍等［8］提出了長(zhǎng)江模擬器的概念內(nèi)涵及系統(tǒng)框架，并提出需要針對(duì)每個(gè)具體流域的特點(diǎn)研發(fā)各自的流域模擬器。

黃河是中國(guó)的第二長(zhǎng)河，也是中華民族的母親河，自古以來(lái)一直為兩岸提供人類(lèi)賴以生存的資源條件。全球氣候變化加劇和城市化等人類(lèi)活動(dòng)的日益增強(qiáng)，以及水土流失、泥沙淤積、水資源短缺、水環(huán)境污染、干旱與洪澇頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境脆弱、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不協(xié)調(diào)等［9］，為黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。 黃河流域是我國(guó)北方地區(qū)重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的戰(zhàn)略地位。 2019 年，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略。 為了將黃河打造成“造福人民的幸福河”，亟須從流域系統(tǒng)層面出發(fā)，研發(fā)針對(duì)黃河流域特點(diǎn)、解決黃河流域問(wèn)題的智慧化流域系統(tǒng)模擬裝置，以統(tǒng)籌推動(dòng)流域一體化發(fā)展、協(xié)同推進(jìn)流域系統(tǒng)化保護(hù)治理。

基于上述背景，本文參考長(zhǎng)江模擬器等相關(guān)研究，根據(jù)黃河流域自身特點(diǎn)，在提出黃河模擬器概念及頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從感知、模擬、服務(wù)三大體系出發(fā)，構(gòu)建黃河模擬器的建設(shè)框架，并提出黃河模擬器1.0 ～4.0的發(fā)展布局，以期為黃河流域保護(hù)治理和多領(lǐng)域科學(xué)決策提供支撐，并為其他流域模擬器的建設(shè)提供參考。

1 黃河模擬器的概念及頂層設(shè)計(jì)

1.1 黃河模擬器的概念及認(rèn)知

參考長(zhǎng)江模擬器的定義，對(duì)黃河模擬器的概念作如下定義：黃河模擬器是指以黃河流域?yàn)閷?duì)象、以流域水循環(huán)（包括自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)）為紐帶，部署研發(fā)的可耦合多系統(tǒng)、統(tǒng)籌多主體、實(shí)現(xiàn)多功能、模擬多過(guò)程、重點(diǎn)解決黃河問(wèn)題的一體化流域模擬系統(tǒng)及科學(xué)裝置。

根據(jù)黃河流域自身特點(diǎn)，從以下幾方面來(lái)解讀和認(rèn)知黃河模擬器：

1）是涵蓋黃河流域整個(gè)立體空間范圍的大尺度模擬系統(tǒng)。 黃河模擬器涵蓋黃河流域的全空間范圍，包含上中下游、左右岸、干支流、流域內(nèi)69 個(gè)地級(jí)行政區(qū)以及流域內(nèi)整個(gè)天-空-地立體空間。

2）是以流域自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)為紐帶，耦合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、文化等子系統(tǒng)的科學(xué)裝置。 黃河流域是一個(gè)復(fù)合的巨系統(tǒng)，流域水循環(huán)作為紐帶將經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、文化等各子系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起。 黃河模擬器不僅包含智慧化模型軟件，而且是一個(gè)由大量硬件組成的科學(xué)裝置，可實(shí)現(xiàn)流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、文化等的協(xié)調(diào)發(fā)展和系統(tǒng)化綜合管理。

3）是可統(tǒng)籌政府部門(mén)、企業(yè)組織、廣大群眾協(xié)同合作的“智慧大腦”。 黃河模擬器可以使黃河流域的運(yùn)轉(zhuǎn)更加智能化和高效化，使個(gè)人、企業(yè)、組織、政府、教育科研機(jī)構(gòu)、不同行業(yè)之間以及自然和社會(huì)之間的互動(dòng)更為密切。

4）是可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)共享、模擬分析、智能評(píng)估、異常預(yù)警、綜合決策、優(yōu)化調(diào)控七大功能的智能平臺(tái)。 黃河模擬器可集成多種技術(shù)方法，并吸收人工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景數(shù)字化、模擬智慧化、決策精準(zhǔn)化［10］。

5）是可模擬自然過(guò)程、人文過(guò)程及其交互過(guò)程的全過(guò)程模擬系統(tǒng)。 黃河模擬器可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種自然要素、人為要素及其耦合作用的全過(guò)程模擬。

6）是重點(diǎn)解決黃河保護(hù)治理問(wèn)題的黃河特色模擬器。 黃河模擬器重點(diǎn)針對(duì)黃河流域面臨的水土流失、泥沙淤積、生態(tài)環(huán)境脆弱、發(fā)展質(zhì)量和社會(huì)治理能力不高等問(wèn)題，開(kāi)展流域保護(hù)治理服務(wù)，同時(shí)推進(jìn)黃河流域山水林田湖草沙綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理。

1.2 黃河模擬器的頂層設(shè)計(jì)

黃河模擬器是以黃河流域?yàn)閷?duì)象，致力于將黃河流域打造成為資源保障區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)、生態(tài)宜居區(qū)、文化彰顯區(qū)，可為黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定、生態(tài)治理、人民安全提供決策支持，以實(shí)現(xiàn)黃河流域資源要素的合理配置、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分工、生態(tài)系統(tǒng)的良性永續(xù)發(fā)展以及黃河文化的保護(hù)傳承，使黃河成為“造福人民的幸福河”。

黃河模擬器是一個(gè)龐大的科學(xué)裝置，其建設(shè)過(guò)程涉及眾多交叉學(xué)科和理論，面臨超復(fù)雜的技術(shù)難點(diǎn)和問(wèn)題，其支撐體系包含四大塊。

1）學(xué)科與理論支撐。 黃河模擬器研發(fā)需要數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)、生態(tài)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、水利工程學(xué)、管理學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科的共同參與，需重點(diǎn)發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)科學(xué)及信息科學(xué)理論［8］。

2）技術(shù)與方法支撐。 黃河模擬器研發(fā)依托移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、遙感、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、數(shù)字孿生等現(xiàn)代信息技術(shù)，同時(shí)需充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用。

3）工程與設(shè)施支撐。 黃河模擬器建設(shè)需要加強(qiáng)國(guó)家水網(wǎng)（水利工程基礎(chǔ)設(shè)施、水文站等）、電網(wǎng)、交通網(wǎng)（道路、橋梁、隧洞等）、監(jiān)測(cè)網(wǎng)（衛(wèi)星、傳感器、監(jiān)控視頻等）、移動(dòng)通信網(wǎng)、物流網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施和工程建設(shè)。

4）制度與管理支撐。 黃河模擬器以各項(xiàng)法律、政策和流域規(guī)劃為制度支撐（如《黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》《黃河文化保護(hù)傳承弘揚(yáng)規(guī)劃》《中華人民共和國(guó)黃河保護(hù)法》《數(shù)字孿生黃河建設(shè)規(guī)劃（2022—2025）》等），采取行政、法律、經(jīng)濟(jì)、教育等綜合手段推進(jìn)黃河流域各項(xiàng)管理工作。

黃河模擬器概念認(rèn)知及頂層設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 黃河模擬器概念認(rèn)知及頂層設(shè)計(jì)

2 黃河模擬器建設(shè)框架

基于上述黃河模擬器概念及認(rèn)知，為落實(shí)頂層設(shè)計(jì)，按照未來(lái)50～100 a 的發(fā)展布局，提出黃河模擬器建設(shè)框架，其由感知體系、模擬體系和服務(wù)體系三大體系組成，見(jiàn)圖2。

2.1 感知體系

感知體系是黃河模擬器的信息來(lái)源，需要構(gòu)建天-空-地全流域覆蓋監(jiān)測(cè)網(wǎng)，包括高空、低空、地表、地下4 個(gè)空間維度。

1）高空。 主要利用氣象衛(wèi)星、測(cè)繪衛(wèi)星等人造衛(wèi)星以及探空火箭、宇宙飛船等航天飛行器，開(kāi)展覆蓋全流域的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，如對(duì)降水、氣溫、土地利用、植被覆蓋、道路交通、城市演變、地質(zhì)地貌、泥石流、水土流失等的監(jiān)測(cè)。

2）低空。 主要利用飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、飛艇等低空飛行器，對(duì)流域局部地區(qū)進(jìn)行定期或不定期的巡查和數(shù)據(jù)采集，如災(zāi)害易發(fā)區(qū)域監(jiān)控、森林火災(zāi)巡查、河道或建筑集中區(qū)域現(xiàn)狀摸排、區(qū)域地形地貌信息快速采集、非法用地識(shí)別、自然資源調(diào)查、國(guó)土空間規(guī)劃監(jiān)管等。

3）地表。 通過(guò)布設(shè)地面?zhèn)鞲衅?、監(jiān)測(cè)車(chē)、監(jiān)控設(shè)施或測(cè)站（氣象站、水文站等），或利用水下探測(cè)器、水下機(jī)器人等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沉降、土壤、農(nóng)作物、水位、流量、水質(zhì)、水環(huán)境、噪聲、空氣質(zhì)量、生物多樣性、生態(tài)環(huán)境等的監(jiān)測(cè)，也可構(gòu)建監(jiān)測(cè)人口流動(dòng)、生物遷移、道路交通流量等情況的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)。

4）地下。 利用地下傳感器、監(jiān)測(cè)器或物探等手段，探測(cè)巖石類(lèi)型、地下水特征、地質(zhì)構(gòu)造、地殼運(yùn)動(dòng)、礦產(chǎn)資源，或進(jìn)行地下管道滲漏監(jiān)測(cè)、地下工程安全監(jiān)測(cè)等。

2.2 模擬體系

模擬體系是黃河模擬器的“大腦中樞”，以全流域數(shù)字化場(chǎng)景為基礎(chǔ)，以道路交通網(wǎng)、干支流水系為脈絡(luò)，以大型水利工程、建筑集中區(qū)域?yàn)橹匾?jié)點(diǎn)，構(gòu)建多時(shí)空多尺度模型，對(duì)物理流域進(jìn)行仿真及可視化模擬，包括災(zāi)害模擬、污染模擬、城市化模擬、流域水循環(huán)模擬以及經(jīng)濟(jì)演變模擬等。

1）災(zāi)害模擬。 包括自然災(zāi)害模擬（地震、滑坡、泥石流、山洪、森林火災(zāi)等）、工程災(zāi)害模擬（建筑施工事故、水庫(kù)滲漏、煤礦透水、潰壩等）、公共突發(fā)事件模擬（交通事故、病毒傳染擴(kuò)散、突發(fā)事故中的人口疏散）。

2）污染模擬。 包括水污染模擬（管網(wǎng)污水排放、水污染物擴(kuò)散、水生態(tài)污染、地下水污染等）、土壤污染模擬（土壤輻射、重金屬污染、農(nóng)藥化肥污染等）、大氣污染擴(kuò)散模擬（粉塵、氣味等）、噪聲污染模擬（交通噪聲、建筑噪聲等）。

3）城市化模擬。 包括城市化模擬與預(yù)測(cè)（人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、城市規(guī)模擴(kuò)張、城市群演變、土地利用變化等）、城市化影響因素模擬分析（城市化與工業(yè)化關(guān)系、區(qū)域差異等）。

4）流域水循環(huán)模擬。 包括自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)過(guò)程中涉及的一切與人類(lèi)生產(chǎn)生活相關(guān)的模擬，包括自然水循環(huán)過(guò)程（降雨、徑流、蒸散發(fā)、水沙輸移、土壤侵蝕、土壤水分運(yùn)動(dòng)等）、社會(huì)水循環(huán)過(guò)程（水資源優(yōu)化配置、農(nóng)業(yè)面源污染、作物用水優(yōu)化、地下水開(kāi)采、水庫(kù)調(diào)度、閘壩調(diào)控等）。

5）其他模擬。 經(jīng)濟(jì)演變模擬、產(chǎn)業(yè)布局方案優(yōu)化模擬（國(guó)土空間規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等）、二氧化碳排放系統(tǒng)模擬、多系統(tǒng)耦合模擬（水文-氣象、人水關(guān)系、水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)、水-能-糧-碳）等。

2.3 服務(wù)體系

服務(wù)體系提供黃河模擬器的應(yīng)用功能，其由信息數(shù)據(jù)共享服務(wù)、應(yīng)急管理決策服務(wù)、資源供給保障服務(wù)、流域系統(tǒng)治理服務(wù)、公共基礎(chǔ)管理服務(wù)、文化保護(hù)弘揚(yáng)傳承服務(wù)六方面構(gòu)成。

1）信息數(shù)據(jù)共享服務(wù)。 黃河模擬器的信息數(shù)據(jù)共享服務(wù)具有全要素（經(jīng)濟(jì)、文化、金融、人口、交通、風(fēng)土人情等人文要素，土壤、地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、山脈、河流、礦藏分布、水文、氣候氣象等自然要素）、全空間（高空、低空、地表、地下）、全時(shí)段（過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)）、多格式（數(shù)字、文字、音頻、視頻、圖像等）、多途徑（軟件、網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP 等）、多功能（信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、搜索、提取、處理、分析、預(yù)測(cè)等）的特性，可面向個(gè)人、企業(yè)、政府、科研院校、社會(huì)組織等不同用戶開(kāi)放不同權(quán)限級(jí)別的服務(wù)。

2）應(yīng)急管理決策服務(wù)。 是黃河模擬器有效化解流域內(nèi)部各種矛盾和危機(jī)的重要保障，包括風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制（通過(guò)智慧監(jiān)控與專人值守相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然災(zāi)害、工程事故、公共突發(fā)事件等的風(fēng)險(xiǎn)研判和異常預(yù)警）、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制（制訂具有針對(duì)性和可操作性的應(yīng)急預(yù)案，實(shí)時(shí)共享災(zāi)情并做好人員的緊急疏散，多部門(mén)多行業(yè)聯(lián)動(dòng)，確保醫(yī)療、通信、電力、物資、交通、人員等應(yīng)急救援保障）、災(zāi)后修復(fù)機(jī)制（包括災(zāi)后損失評(píng)估、災(zāi)后重建、災(zāi)后心理疏導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)復(fù)盤(pán)等），可有效提升黃河流域應(yīng)急管理和防災(zāi)減災(zāi)能力。

3）資源供給保障服務(wù)。 是黃河模擬器保障黃河流域人民生活和各行業(yè)各部門(mén)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最基本服務(wù)，包括流域資源供給（城鄉(xiāng)供水、能源開(kāi)采、糧食生產(chǎn)、電力供應(yīng)等）和流域安全保障（初級(jí)產(chǎn)品供給、防洪安全、水安全、糧食安全、能源安全、信息安全、生態(tài)環(huán)境安全、通信安全等）。

4）流域系統(tǒng)治理服務(wù)。 是改善流域生態(tài)環(huán)境、緩解黃河流域生態(tài)脆弱性的有力支撐，包括生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)（監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、水生態(tài)、水質(zhì)、含沙量、植被覆蓋、水土流失、生物多樣性等［11］）、治理服務(wù)平臺(tái)（治理方案策劃與模擬、治理技術(shù)服務(wù)等）、治理創(chuàng)新平臺(tái)（通過(guò)項(xiàng)目競(jìng)賽、方案征集等方式吸納多方智慧，推動(dòng)黃河流域治理技術(shù)和治理方案可持續(xù)創(chuàng)新），可全面統(tǒng)籌黃河流域上中下游，針對(duì)黃河流域不同區(qū)域水源涵養(yǎng)、水沙調(diào)控、生態(tài)修復(fù)、高質(zhì)量發(fā)展、“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展等提供治理策略和技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)黃河流域山水林田湖草沙系統(tǒng)化、整體化綜合治理［12］。

5）公共基礎(chǔ)管理服務(wù)。 是黃河模擬器為公眾提供公共基礎(chǔ)服務(wù)和支撐政府公共管理決策的重要工具，包括流域政務(wù)系統(tǒng)（信息公示、建議意見(jiàn)征集、數(shù)據(jù)獲取申請(qǐng)等）、導(dǎo)航與位置服務(wù)（電子地圖、出行信息、流量統(tǒng)計(jì)、路線規(guī)劃等）、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)（數(shù)據(jù)安全保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)輿情監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)詐騙攔截、異常信息預(yù)警等）、戰(zhàn)略決策平臺(tái)（政策制定、行業(yè)管理、工程調(diào)度、產(chǎn)業(yè)布局、空間規(guī)劃等）。

6）文化保護(hù)弘揚(yáng)傳承服務(wù)。 是黃河模擬器提供的一項(xiàng)承載黃河文化、引領(lǐng)正確文化方向的重要服務(wù)，包括黃河文物保護(hù)（文物資源數(shù)據(jù)庫(kù)、文物保護(hù)工程等）、文化遺產(chǎn)挖掘（黃河流域地域文化研究、治水思想、水利遺產(chǎn)、農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)等）、文化宣傳展示（教育實(shí)踐基地、文化遺址數(shù)字化仿真、文化旅游線路等）。

3 黃河模擬器發(fā)展布局

基于上述對(duì)于黃河模擬器的概念認(rèn)知、頂層設(shè)計(jì)及其建設(shè)框架設(shè)計(jì)，從感知體系、模擬體系、服務(wù)體系三大體系出發(fā)，謀劃黃河模擬器未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖，提出黃河模擬器1.0 ～4.0 發(fā)展布局（見(jiàn)圖3），分別對(duì)應(yīng)黃河模擬器建設(shè)的基礎(chǔ)建設(shè)階段、全面升級(jí)階段、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)階段和智慧完善階段。 需要強(qiáng)調(diào)的是，感知體系、模擬體系和服務(wù)體系是黃河模擬器建設(shè)的基礎(chǔ)和未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)的共同支撐，三者緊密聯(lián)系，相互依存，不可分割。 本文雖然將黃河模擬器的發(fā)展布局歸納為4 個(gè)階段，但實(shí)際上黃河模擬器研發(fā)需要由點(diǎn)到線再到面逐步推進(jìn)，每個(gè)階段都包含感知體系、模擬體系和服務(wù)體系的逐步發(fā)展和共同建設(shè)，只是不同階段發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)不同。

3.1 黃河模擬器1.0：基礎(chǔ)建設(shè)階段

從現(xiàn)在到2030 年，致力于建設(shè)黃河模擬器1.0，即基礎(chǔ)建設(shè)階段。 該階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)黃河流域基礎(chǔ)感知、專題模擬和安全化服務(wù)，全面感知網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)建設(shè)是黃河模擬器1.0 的基礎(chǔ)任務(wù)。 該階段是黃河模擬器建設(shè)的初期摸索階段，可以再分為現(xiàn)在—2025 年的初步規(guī)劃設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段、2026—2030 年的基礎(chǔ)建設(shè)實(shí)施階段2 個(gè)小階段。

1）基礎(chǔ)感知：對(duì)流域重點(diǎn)工程進(jìn)行智能化改造，基本實(shí)現(xiàn)黃河流域數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施的全流域覆蓋，全面提升流域數(shù)字化水平。

2）專題模擬：實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)水文氣象要素、各種災(zāi)害的精確化模擬與預(yù)測(cè)，以及工程調(diào)度、水庫(kù)運(yùn)行等專題模擬的可視化呈現(xiàn)。

3）安全化服務(wù)：構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，確保黃河流域各項(xiàng)資源供給，通過(guò)各類(lèi)專題模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種災(zāi)害的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，重點(diǎn)保障黃河流域居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3.2 黃河模擬器2.0：全面升級(jí)階段

從2031 年到2040 年，致力于打造黃河模擬器2.0，即全面升級(jí)階段，也是黃河模擬器建設(shè)的技術(shù)準(zhǔn)備階段。 該階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)黃河流域全面感知、綜合模擬和綠色化服務(wù)，最為主要的任務(wù)是黃河流域生態(tài)環(huán)境全面治理。

1）全面感知：構(gòu)建較為全面的全流域“天-空-地”一體化立體感知體系，基本實(shí)現(xiàn)全要素、全空間、全時(shí)段監(jiān)測(cè)以及黃河流域場(chǎng)景的數(shù)字化。

2）綜合模擬：將專題模擬進(jìn)行集成，同時(shí)大幅度提高模擬預(yù)測(cè)的精度，實(shí)現(xiàn)集多個(gè)專題模擬為一體的流域綜合模擬。

3）綠色化服務(wù)：采用先進(jìn)治理技術(shù)和科學(xué)治理方案推進(jìn)黃河流域一體化保護(hù)治理，針對(duì)黃河流域重點(diǎn)區(qū)域提供特色治理服務(wù)，科學(xué)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)，全面改善流域生態(tài)脆弱狀況，將黃河流域打造成綠色生態(tài)區(qū)。

3.3 黃河模擬器3.0：系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)階段

從2041 年到2050 年，打造黃河模擬器3.0，即系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)階段，也是黃河模擬器建設(shè)的試點(diǎn)應(yīng)用階段。該階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)黃河流域智能感知、智能模擬和智能化服務(wù)，建立黃河模擬器試點(diǎn)區(qū)是黃河模擬器3.0的重點(diǎn)。

1）智能感知：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)分析一體化，強(qiáng)化不同來(lái)源的數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和自動(dòng)校正，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2）智能模擬：在黃河支流或部分行政區(qū)域建立黃河模擬器試點(diǎn)區(qū)，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的多層次協(xié)同模擬和聯(lián)合優(yōu)化能力，實(shí)現(xiàn)小流域或區(qū)域的智能化仿真模擬。

3）智能化服務(wù)：針對(duì)不同場(chǎng)景提供精準(zhǔn)化決策，實(shí)現(xiàn)信息處理、決策制定、決策執(zhí)行等服務(wù)流程的自動(dòng)化和智能化，減少人工干預(yù)，提高服務(wù)效率和服務(wù)質(zhì)量。

3.4 黃河模擬器4.0：智慧完善階段

2051 年以后，實(shí)現(xiàn)黃河模擬器4.0，即智慧完善階段，也是黃河模擬器建設(shè)的完善階段。 該階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)黃河流域智慧感知、智慧模擬和智慧化服務(wù)，人工智能的普遍應(yīng)用是黃河模擬器4.0 的突出特點(diǎn)。

1）智慧感知：進(jìn)一步完善黃河模擬器的智慧感知體系，實(shí)現(xiàn)更為智能更為靈活的數(shù)據(jù)感知、更為快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸、更為智能的數(shù)據(jù)分析和多尺度數(shù)據(jù)融合。

2）智慧模擬：隨著人工智能的普遍應(yīng)用，黃河模擬器可吸收大量人工經(jīng)驗(yàn)和人類(lèi)智慧，甚至實(shí)現(xiàn)黃河模擬器自身的模擬進(jìn)化。

3）智慧化服務(wù)：在人工智能、機(jī)器人等現(xiàn)代科技的加持下，黃河模擬器成為真正的“智慧大腦”，集智慧水務(wù)、智慧水利［13］、智慧交通、智慧城市等于一體，可針對(duì)不同主體提供個(gè)性化、全面化、特色化的智慧服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以黃河流域?yàn)閷?duì)象，以流域自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)為紐帶，聯(lián)系黃河流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、生態(tài)、文化等各子系統(tǒng)，提出重點(diǎn)解決黃河保護(hù)治理問(wèn)題的黃河模擬器及其頂層設(shè)計(jì)，從感知體系、模擬體系、服務(wù)體系三方面系統(tǒng)闡述了黃河模擬器的建設(shè)框架，并提出黃河模擬器1.0 ～4.0 發(fā)展布局，擘畫(huà)黃河模擬器未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖，致力于將黃河打造成“造福人民的幸福河”，推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施。

黃河模擬器是一個(gè)十分龐大的系統(tǒng)和科學(xué)裝置，涉及眾多學(xué)科和理論。 本文提出的建設(shè)框架是一個(gè)長(zhǎng)期的前瞻性規(guī)劃，其實(shí)現(xiàn)需要多行業(yè)、多部門(mén)、多學(xué)科以及廣大科技工作者的共同努力，需要長(zhǎng)期的資金投入和人才與技術(shù)支持，需要不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，以應(yīng)對(duì)未來(lái)不斷變化的社會(huì)與自然環(huán)境挑戰(zhàn)。 黃河模擬器建設(shè)框架和發(fā)展布局的實(shí)施是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱巨的過(guò)程，需要感知體系、模擬體系和服務(wù)體系的同步建設(shè)與支撐，預(yù)計(jì)需要50～100 a 的時(shí)間。 需要說(shuō)明的是，本文提出的黃河模擬器1.0～4.0 僅是對(duì)未來(lái)黃河保護(hù)治理科技發(fā)展的戰(zhàn)略思考，其規(guī)劃布局還有待今后進(jìn)一步研究完善、付諸實(shí)施和檢驗(yàn)。