作者简介:左其亭（1967—），男，河南固始人，教授，博士，博士生导师，研究方向为水文水资源
择要
为办理黄河流域面临的水资源短缺、经济发展不平衡、生态环境薄弱等重点和难点问题，研发黄河仿照器成为新期间黄河流域保护管理的主要事情。参考有关文献对长江仿照器的表述，结合黄河流域自身特点，提出并解读黄河仿照器的观点，谋划黄河仿照器培植的顶层设计；从感知体系、仿照体系、做事体系三方面出发，对黄河仿照器培植框架进行总体设计；在此根本上，进一步提出黄河仿照器1.0～4.0 的发展布局，展望未来50～100 a 的培植蓝图。培植黄河仿照器可为黄河流域磨难防控、资源供给、公共管理、文化传承等多个领域供应仿照和决策支撑，推进黄河流域系统化保护管理，助推黄河流域生态保护和高质量发展重大国家计策的履行。
关键词：黄河仿照器；流域仿照器；培植框架；黄河流域
2008 年11 月6 日，国际商用机器公司（IBM）首席实行官Samuel Palmisano 提出“聪慧地球”理念，即将物联网与数字地球进行整合，以达到使天下运转智能化的“聪慧地球”状态［1-2］。此后，借鉴“聪慧地球”理念，浩瀚学者针对流域系统层面的聪慧化方案开展了大量研究［3］，例如：蒋云钟等［4］提出了“聪慧流域”观点，磋商了聪慧流域的总体框架、关键技能和支撑平台，研究了聪慧流域在防洪减灾、抗御干旱、防治污染、水资源管理中的详细运用；严登华等［5］主见充分发挥天然系统对水循环过程的调节浸染，提出生态海绵聪慧流域培植的总体思路和技能框架；张万顺等［6］构建了三峡库区水环境水生态聪慧化管理云平台；王璐璐等［7］以城市流域水环境管理为导向进行城市聪慧流域一体化平台设计。上述研究紧张针对某一水问题开展聪慧流域系统平台培植，以水数据管理、水过程仿照及可视化管理系统培植为重点。流域作为一个自然-经济-社会-生态复合的巨系统，须要从全局出发，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仿照平台。为支撑流域经济、农业、水利、环保、城市培植等多领域过程仿照和决策管理，夏军等［8］提出了长江仿照器的观点内涵及系统框架，并提出须要针对每个详细流域的特点研发各自的流域仿照器。
黄河是中国的第二长河，也是中华民族的母亲河，自古以来一贯为两岸供应人类赖以生存的资源条件。环球景象变革加剧和城市化等人类活动的日益增强，以及水土流失落、泥沙淤积、水资源短缺、水环境污染、干旱与洪涝频发、生态环境薄弱、经济社会发展不折衷等［9］，为黄河流域经济社会发展和生态安全带来了巨大寻衅。黄河流域是我国北方地区主要的生态樊篱和经济发展区，在中国经济社会发展和生态安全方面具有十分主要的计策地位。2019 年，黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家计策。为了将黄河打造成“造福公民的幸福河”，亟须从流域系统层面出发，研发针对黄河流域特点、办理黄河流域问题的聪慧化流域系统仿照装置，以统筹推动流域一体化发展、协同推进流域系统化保护管理。
基于上述背景，本文参考长江仿照器等干系研究，根据黄河流域自身特点，在提出黄河仿照器观点及顶层设计的根本上，从感知、仿照、做事三大体系出发，构建黄河仿照器的培植框架，并提出黄河仿照器1.0 ～4.0的发展布局，以期为黄河流域保护管理和多领域科学决策供应支撑，并为其他流域仿照器的培植供应参考。
1 黄河仿照器的观点及顶层设计
1.1 黄河仿照器的观点及认知
参考长江仿照器的定义，对黄河仿照器的观点作如下定义：黄河仿照器是指以黄河流域为工具、以流域水循环（包括自然水循环和社会水循环）为纽带，支配研发的可耦合多系统、统筹多主体、实现多功能、仿照多过程、重点办理黄河问题的一体化流域仿照系统及科学装置。
根据黄河流域自身特点，从以下几方面来解读和认知黄河仿照器：
1）是涵盖黄河流域全体立体空间范围的大尺度仿照系统。黄河仿照器涵盖黄河流域的全空间范围，包含上中下贱、旁边岸、干支流、流域内69 个地级行政区以及流域内全体天-空-地立体空间。
2）因此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。黄河仿照器不仅包含聪慧化模型软件，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、文化等的折衷发展和系统化综合管理。
3）是可统筹政府部门、企业组织、广大群众协同互助的“聪慧大脑”。黄河仿照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、教诲科研机构、不同行业之间以及自然和社会之间的互动更为密切。
4）是可实现根本监测、数据共享、仿照剖析、智能评估、非常预警、综合决策、优化调控七大功能的智能平台。黄河仿照器可集成多种技能方法，并接管人工履历，实现场景数字化、仿照聪慧化、决策精准化［10］。
5）是可仿照自然过程、人文过程及其交互过程的全过程仿照系统。黄河仿照器可实现对各种自然要素、人为要素及其耦合浸染的全过程仿照。
6）是重点办理黄河保护管理问题的黄河特色仿照器。黄河仿照看重点针对黄河流域面临的水土流失落、泥沙淤积、生态环境薄弱、发展质量和社会管理能力不高档问题，开展流域保护管理做事，同时推进黄河流域山水林田湖草沙综合管理、系统管理、源头管理。
1.2 黄河仿照器的顶层设计
黄河仿照器因此黄河流域为工具，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、生态管理、公民安全供应决策支持，以实现黄河流域资源要素的合理配置、家当构造的优化分工、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“造福公民的幸福河”。
黄河仿照器是一个弘大的科学装置，其培植过程涉及浩瀚交叉学科和理论，面临超繁芜的技能难点和问题，其支撑体系包含四大块。
1）学科与理论支撑。黄河仿照器研发须要数学、物理学、地理学、地质学、大气科学、生态学、打算机科学、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）技能与方法支撑。黄河仿照器研发依托移动通信、物联网、大数据、云打算、互联网、遥感、区块链、虚拟现实、人工智能、数字孪生等当代信息技能，同时需充分发挥科技创新的引领浸染。
3）工程与举动步伐支撑。黄河仿照器培植须要加强国家水网（水利工程根本举动步伐、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、物流网等根本举动步伐和工程培植。
4）制度与管理支撑。黄河仿照器以各项法律、政策和流域方案为制度支撑（如《黄河流域生态环境保护方案》《黄河文化保护传承弘扬方案》《中华公民共和国黄河保护法》《数字孪生黄河培植方案（2022—2025）》等），采纳行政、法律、经济、教诲等综合手段推进黄河流域各项管理事情。
黄河仿照器观点认知及顶层设计见图1。
图1 黄河仿照器观点认知及顶层设计
2 黄河仿照器培植框架
基于上述黄河仿照器观点及认知，为落实顶层设计，按照未来50～100 a 的发展布局，提出黄河仿照器培植框架，其由感知体系、仿照体系和做事体系三大体系组成，见图2。
图2 黄河仿照器培植框架设计
2.1 感知体系
感知体系是黄河仿照器的信息来源，须要构建天-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。紧张利用气候卫星、测绘卫星等人造卫星以及探空火箭、宇宙飞船等航天翱翔器，开展覆盖全流域的全天候实时监测，如对降水、气温、地皮利用、植被覆盖、道路交通、城市演化、地质地貌、泥石流、水土流失落等的监测。
2）低空。紧张利用飞机、无人机、飞艇等低空翱翔器，对流域局部地区进行定期或不定期的巡查和数据采集，如磨难易发区域监控、森林失火巡查、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、造孽用地识别、自然资源调查、国土空间方案监管等。
3）地表。通过布设地面传感器、监测车、监控举动步伐或测站（气候站、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、道路交通流量等情形的视频实时监控网。
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、地下水特色、地质布局、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 仿照体系
仿照体系是黄河仿照器的“大脑中枢”，以全流域数字化场景为根本，以道路交通网、干支流水系为脉络，以大型水利工程、建筑集中区域为主要节点，构建多时空多尺度模型，对物理流域进行仿真及可视化仿照，包括磨难仿照、污染仿照、城市化仿照、流域水循环仿照以及经济演化仿照等。
1）磨难仿照。包括自然磨难仿照（地震、滑坡、泥石流、山洪、森林失火等）、工程磨难仿照（建筑施工事件、水库渗漏、煤矿透水、溃坝等）、公共突发事宜仿照（交通事件、病毒传染扩散、突发事件中的人口疏散）。
2）污染仿照。包括水污染仿照（管网污水排放、水污染物扩散、水生态污染、地下水污染等）、土壤污染仿照（土壤辐射、重金属污染、农药化肥污染等）、大气污染扩散仿照（粉尘、气味等）、噪声污染仿照（交通噪声、建筑噪声等）。
3）城市化仿照。包括城市化仿照与预测（人口增长、经济增长、城市规模扩展、城市群演化、地皮利用变革等）、城市化影响成分仿照剖析（城市化与工业化关系、区域差异等）。
4）流域水循环仿照。包括自然水循环和社会水循环过程中涉及的统统与人类生产生活干系的仿照，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）其他仿照。经济演化仿照、家当布局方案优化仿照（国土空间方案、家当构造调度等）、二氧化碳排放系统仿照、多系统耦合仿照（水文-气候、人水关系、水资源-经济社会-生态、水-能-粮-碳）等。
2.3 做事体系
做事体系供应黄河仿照器的运用功能，其由信息数据共享做事、应急管理决策做事、资源供给保障做事、流域系统管理做事、公共根本管理做事、文化保护弘扬传承做事六方面构成。
1）信息数据共享做事。黄河仿照器的信息数据共享做事具有全要素（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、地质布局、山脉、河流、矿藏分布、水文、景象气候等自然要素）、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、笔墨、音频、视频、图像等）、多路子（软件、网页、手机APP 等）、多功能（信息数据的存储、搜索、提取、处理、剖析、预测等）的特性，可面向个人、企业、政府、科研院校、社会组织平分歧用户开放不同权限级别的做事。
2）应急管理决策做事。是黄河仿照器有效化解流域内部各种抵牾和危急的主要保障，包括风险预警机制（通过聪慧监控与专人值守相结合，实现对自然磨难、工程事件、公共突发事宜等的风险研判和非常预警）、应急相应机制（订定具有针对性和可操作性的应急预案，实时共享灾情并做年夜大好人员的紧急疏散，多部门多行业联动，确保医疗、通信、电力、物资、交通、职员等应急接济保障）、灾后修复机制（包括灾后丢失评估、灾后重修、灾后生理开导、履历教训复盘等），可有效提升黄河流域应急管理和防灾减灾能力。
3）资源供给保障做事。是黄河仿照器保障黄河流域公民生活和各行业各部门正常运转的最基本做事，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（低级产品供给、防洪安全、程度安、粮食安全、能源安全、信息安全、生态环境安全、通信安全等）。
4）流域系统管理做事。是改进流域生态环境、缓解黄河流域生态薄弱性的有力支撑，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、水土流失落、生物多样性等［11］）、管理做事平台（管理方案策划与仿照、管理技能做事等）、管理创新平台（通过项目竞赛、方案征集等办法吸纳多方聪慧，推动黄河流域管理技能和管理方案可持续创新），可全面统筹黄河流域上中下贱，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、绿色低碳家当发展等供应管理策略和技能做事，实现黄河流域山水林田湖草沙系统化、整体化综合管理［12］。
5）公共根本管理做事。是黄河仿照器为"大众供应公共根本做事和支撑政府公共管理决策的主要工具，包括流域政务系统（信息公示、建议见地征集、数据获取申请等）、导航与位置做事（电子舆图、出行信息、流量统计、路线方案等）、网络安全监测（数据安全保护、网络舆情监测、网络诱骗拦截、非常信息预警等）、计策决策平台（政策制订、行业管理、工程调度、家当布局、空间方案等）。
6）文化保护弘扬传承做事。是黄河仿照器供应的一项承载黄河文化、引领精确文化方向的主要做事，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）、文化宣扬展示（教诲实践基地、文化遗址数字化仿真、文化旅游线路等）。
3 黄河仿照器发展布局
基于上述对付黄河仿照器的观点认知、顶层设计及其培植框架设计，从感知体系、仿照体系、做事体系三大体系出发，谋划黄河仿照器未来发展蓝图，提出黄河仿照器1.0 ～4.0 发展布局（见图3），分别对应黄河仿照器培植的根本培植阶段、全面升级阶段、系统联动阶段和聪慧完善阶段。须要强调的是，感知体系、仿照体系和做事体系是黄河仿照器培植的根本和未来永劫光研发的共同支撑，三者紧密联系，相互依存，不可分割。本文虽然将黄河仿照器的发展布局归纳为4 个阶段，但实际上黄河仿照器研发须要由点到线再到面逐步推进，每个阶段都包含感知体系、仿照体系和做事体系的逐步发展和共同培植，只是不同阶段发展的侧重点不同。
图2 黄河仿照器 １．０～４．０ 发展布局
3.1 黄河仿照器 １．０：根本培植阶段
从现在到2030 年，致力于培植黄河仿照器1.0，即根本培植阶段。该阶段的目标是实现黄河流域根本感知、专题仿照和安全化做事，全面感知网络的根本培植是黄河仿照器1.0 的根本任务。该阶段是黄河仿照器培植的初期摸索阶段，可以再分为现在—2025 年的初步方案设计和试验阶段、2026—2030 年的根本培植履行阶段2 个小阶段。
1）根本感知：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根本举动步伐的全流域覆盖，全面提升流域数字化水平。
2）专题仿照：实现对各种水文气候要素、各种磨难的精确化仿照与预测，以及工程调度、水库运行等专题仿照的可视化呈现。
3）安全化做事：构建网络安全防护体系，确保黄河流域各项资源供给，通过各种专题仿照，实现对各种磨难的实时风险预警，重点保障黄河流域居民的生命和财产安全。
3.2 黄河仿照器 ２．０：全面升级阶段
从2031 年到2040 年，致力于打造黄河仿照器2.0，即全面升级阶段，也是黄河仿照器培植的技能准备阶段。该阶段的目标是实现黄河流域全面感知、综合仿照和绿色化做事，最为紧张的任务是黄河流域生态环境全面管理。
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）综合仿照：将专题仿照进行集成，同时大幅度提高仿照预测的精度，实现集多个专题仿照为一体的流域综合仿照。
3）绿色化做事：采取前辈管理技能和科学管理方案推进黄河流域一体化保护管理，针对黄河流域重点区域供应特色管理做事，科学调度家当构造、优化家当布局，发展绿色低碳家当，全面改进流域生态薄弱状况，将黄河流域打造成绿色生态区。
3.3 黄河仿照器 ３．０：系统联动阶段
从2041 年到2050 年，打造黄河仿照器3.0，即系统联动阶段，也是黄河仿照器培植的试点运用阶段。该阶段的目标是实现黄河流域智能感知、智能仿照和智能化做事，建立黄河仿照器试点区是黄河仿照器3.0的重点。
1）智能感知：实现数据采集、存储、传输和数据剖析一体化，强化不同来源的数据领悟，实现对数据的质量掌握和自动校正，以提高数据的准确性和可靠性。
2）智能仿照：在黄河支流或部分行政区域建立黄河仿照器试点区，增强对繁芜系统的多层次协同仿照和联合优化能力，实现小流域或区域的智能化仿真仿照。
3）智能化做事：针对不同场景供应精准化决策，实现信息处理、决策制订、决策实行等做事流程的自动化和智能化，减少人工干预，提高做事效率和做事质量。
3.4 黄河仿照器 ４．０：聪慧完善阶段
2051 年往后，实现黄河仿照器4.0，即聪慧完善阶段，也是黄河仿照器培植的完善阶段。该阶段的目标是实现黄河流域聪慧感知、聪慧仿照和聪慧化做事，人工智能的普遍运用是黄河仿照器4.0 的突出特点。
1）聪慧感知：进一步完善黄河仿照器的聪慧感知体系，实现更为智能更为灵巧的数据感知、更为快速的数据存储和数据传输、更为智能的数据剖析和多尺度数据领悟。
2）聪慧仿照：随着人工智能的普遍运用，黄河仿照器可接管大量人工履历和人类聪慧，乃至实现黄河仿照器自身的仿照进化。
3）聪慧化做事：在人工智能、机器人等当代科技的加持下，黄河仿照器成为真正的“聪慧大脑”，集聪慧水务、聪慧水利［13］、聪慧交通、聪慧城市即是一体，可针对不同主体供应个性化、全面化、特色化的聪慧做事。
4 结束语
本文以黄河流域为工具，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，提出重点办理黄河保护管理问题的黄河仿照器及其顶层设计，从感知体系、仿照体系、做事体系三方面系统阐述了黄河仿照器的培植框架，并提出黄河仿照器1.0 ～4.0 发展布局，擘画黄河仿照器未来发展蓝图，致力于将黄河打造成“造福公民的幸福河”，推进黄河流域生态保护和高质量发展重大国家计策履行。
黄河仿照器是一个十分弘大的系统和科学装置，涉及浩瀚学科和理论。本文提出的培植框架是一个长期的前瞻性方案，实在现须要多行业、多部门、多学科以及广大科技事情者的共同努力，须要长期的资金投入和人才与技能支持，须要不断进行科技创新，以应对未来不断变革的社会与自然环境寻衅。黄河仿照器培植框架和发展布局的履行是一个漫长而艰巨的过程，须要感知体系、仿照体系和做事体系的同步培植与支撑，估量须要50～100 a 的韶光。须要解释的是，本文提出的黄河仿照器1.0～4.0 仅是对未来黄河保护管理科技发展的计策思考，其方案布局还有待今后进一步研究完善、付诸履行和考验。
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