新时期淤地坝系平衡理论与优化布局关键技术研究
Equilibrium theory and key technologies for optimal layout of Yudiba dam systems in the new era
张攀¹,²，姚文艺¹,²
（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，450003，郑州；2.水利部黄土高原水土保持重点实验室，450003，郑州）
摘要：淤地坝系是黄土高原水土流失综合治理的关键工程体系，对调节黄河水沙关系具有重要作用。在极端强降水频发、水沙条件变化的新时期，坝系安全保障与效能提升面临严峻挑战。当前坝系研究正从单坝工程向系统协同、从静态平衡向动态平衡、从经验防控向智慧“四预”（预报、预警、预演、预案）演进。针对淤地坝系对流域泥沙输移-沉积过程的动力调节机制、单坝平衡与坝系群体平衡之间的风险传递机制、流域新水沙条件与坝系拦截能力相对平衡的动态响应机制等关键科学问题，以及淤地坝系空间分布与侵蚀环境多源特征解译优化算法、基于坝系平衡理论的坝系多目标智能优化配置技术、坝系多源异构时空数据动态数据引擎与数据服务技术等关键技术难题，提出淤地坝系平衡研究思路框架和研究方向，并建议在今后的工作中加强坝系自动化监测体系建设、构建坝系风险一体化普适化管理平台、推进坝系高标准建设技术体系研究，为黄土高原水土流失系统治理与黄河流域生态保护和高质量发展提供理论与技术支撑。
关键词：坝系平衡；淤地坝；优化布局；水土流失治理；黄土高原；协同调控；级联效应
作者简介：张攀，正高级工程师，主要从事水土保持与生态治理研究。
基金项目：国家重点研发计划项目（2025YFC3215500）；国家自然科学基金黄河水科学研究联合基金项目（U2443214）；河南省自然科学基金项目（242300421042）。
淤地坝是黄土高原特有的一项水土保持措施，是抓住黄河水沙关系调节“牛鼻子”的重要发力点。长期以来，国家对淤地坝建设高度重视，先后通过设置专项建设资金、列为“亮点工程”等方式推动淤地坝建设快速发展，形成了世界上规模最大（覆盖黄土高原主要水土流失区）、持续建设历时最长（逾70年）的淤地坝工程体系。该工程体系通过大中小型坝相结合、上中下游相统筹，形成功能协调、具有树形层级结构（骨干坝控制、中小坝配套）的有机整体，可将沟道重力侵蚀环境逐渐变为沉积环境，进而大大减轻重力侵蚀强度，实现沟道重力侵蚀强度降级和坝系拦截能力相对平衡的稳定格局。
当前，通过持续开展水土保持工程建设，黄土高原水土流失治理取得显著成效，流域水土保持率提升至69.07%，年均减少入黄泥沙4.35亿t，水沙条件发生显著变化。与此同时，黄土高原地区极端强降水频发，对坝系工程安全构成严峻挑战。在此新形势下，为持续提升淤地坝系对变化环境下水沙过程的调控能力，亟须开展新时期淤地坝系平衡理论与优化布局关键技术研究，破解坝系安全防控、功能协同、智慧管理等瓶颈，为黄土高原水土流失系统治理提供理论与技术支撑，深化坝系在极端事件、新水沙条件下的适应机制研究，构建与当前水沙条件相匹配的高标准淤地坝工程体系，从系统化构建、协同化治理、智慧化管理、可持续产生效益等多维度全方面推进黄土高原淤地坝建设。
新时期淤地坝系平衡研究的战略意义
淤地坝系是以小流域为单元，由大中小型淤地坝及小水库等坝库群构成的工程设施体系。据《黄河流域水土保持公报（2024年）》统计，截至2024年，黄河流域共有淤地坝5.83万座，其中大中型坝1.85万座，小型坝3.98万座，构成了2000多个覆盖主要小流域的完整坝系，形成了“骨干坝控制、中小坝配套”的布局。这些坝系不仅具备拦沙、淤地、减蚀、生态改善等多种功能，还在调控水沙关系、提升水资源利用能力、促进农业生产与固碳等流域综合效益中发挥显著作用。黄河流域现有淤地坝已淤成坝地8.53万hm²，平均每座大中型淤地坝淤地面积分别为5.47hm²、2.07hm²。非汛期，部分淤地坝通过蓄水解决了64万头牲畜饮水问题，灌溉农田1.33万hm²。过去50年来，黄土高原地区淤地坝固碳能力达2160万t，充分彰显了坝系的多重功能协同效应。
然而，近年来由于气候变化加剧、局地暴雨洪水频发，淤地坝系在运行管理中也面临着失稳风险加剧、防洪压力持续增大、效益未能充分发挥及度汛预警手段落后等诸多挑战，已成为制约坝系工程安全保障与整体效能提升的关键瓶颈。与单坝工程相比，坝系呈现出更为复杂的空间结构和动态响应关系，表现出平衡失稳传递、时空放大和级联响应等特征。单坝平衡不等于坝系平衡，从某种意义上讲，坝系平衡可以理解为在小流域内，将单坝相对平衡的目标以坝系的方式从时间和空间上进行重新分配，通过各个坝库工程间的相互联系和协作，发挥系统优势，提升系统韧性，从而克服实现单坝相对平衡则必须建设高坝大库的局限性，在结构功能、投资分配、效益发挥等方面具有更为明显的优势。
2015年，习近平总书记在陕西省延安市延川县梁家河村调研考察时指出，淤地坝是流域综合治理的一种有效形式，既可以增加耕地面积、提高农业生产能力，又可以防止水土流失，要因地制宜推行。2019年，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调“有条件的地方要大力建设淤地坝”。2022年，《中华人民共和国黄河保护法》确立组织开展淤地坝建设、加快老旧淤地坝提升改造、建设安全监测和预警设施的法律地位。2025年，水利部部长李国英在调研黄土高原时，要求立足黄土高原水土保持工作全局，系统总结坝系建设实践，构建新时期淤地坝系平衡理论。因此，开展新时期坝系平衡理论与优化布局关键技术研究，围绕坝系的动态平衡机制、系统韧性维持与适应性调控等核心问题，构建坝系平衡理论体系，研发坝系优化配置技术，建立坝系平衡智能服务与风险预警平台，对于提升坝系整体防御洪水风险能力、推动水土保持高质量发展、支撑黄河重大国家战略具有重要意义。
淤地坝系平衡研究发展趋势与研究重点分析
1.淤地坝系平衡研究发展趋势分析
经过多年持续治理，黄土高原水土保持成效显著。淤地坝作为关键工程措施，其功能定位与治理范式也随之不断深化与拓展，从单一的水土保持工程，逐步发展为集拦沙、淤地、防洪、供水及生态维护于一体的流域综合调控系统。与之相应，其研究范式也发生了深刻演进。当前，淤地坝系研究已超越单一坝体的工程范畴，在工程建设、平衡理论与风险防控三个维度上，均呈现出向系统性、动态性与智慧化方向演进的整体趋势，共同构成了新时期淤地坝系可持续发展的核心研究框架。
（1）淤地坝建设从早期的单坝拦沙淤地向多坝系统协同调控演进
我国淤地坝建设经历了从分散、零星布局到以小流域为单元推进系统化坝系建设的演进过程。
20世纪80年代之前，相关研究主要聚焦于单个坝体的结构安全、稳定性与拦沙效率，形成了针对独立工程的规划、设计与评价技术体系。该阶段建设任务主要围绕拦沙淤地等单一目标，缺乏从沟道系统、小流域尺度出发的坝系整体规划概念，导致坝体布局分散、功能单一，难以发挥协同调控效益。
20世纪80—90年代，随着黄土高原小流域系统治理理念的深化，淤地坝系研究进入了以小流域为单元的坝系规划与建设阶段。“骨干坝”概念被提出，并在实践中逐渐形成了“小多成群有骨干”的坝系工程模式。通过“上拦下保、中间淤地”的系统治理范式，实现了泥沙的分级拦蓄和水资源的高效利用，坝系研究也从单坝向注重整体性、层次性与关联性的群体优化发展。与此同时，淤地坝稳定理论的分析视角，也从剖析单体特性转变至探索坝系群体的系统性协同效应。研究核心从单坝设计转向坝系优化布局理论、拦沙淤地过程调控、坝系防洪安全风险控制及水资源高效利用等关键科学问题，凸显坝系群体协同效应。
进入21世纪以来，淤地坝系研究重点转向定量化与模型化，借助数学模型对坝址选择、坝高确定、数量配置及建设时序等进行优化，目标也从单一的拦泥淤地，逐渐拓展为防洪减灾、农业生产、水资源调控、生态改善等多目标协同优化。然而，当前研究仍多聚焦于坝系整体的蓄洪拦沙效益，对“单坝—坝系单元—支沟坝系—小流域坝系”各层级之间的结构模式、响应关系、联结机制与作用机理尚缺乏深入揭示。在级联坝系安全稳定运行机制及其风险防控方面，尚未形成完整的理论体系。此外，坝系多目标之间存在着固有的竞争与权衡关系，目前也缺乏科学量化这些矛盾并实现系统协同优化的有效方法。
（2）淤地坝系平衡理论从单坝相对平衡向坝系群体平衡的级联效应发展
淤地坝系平衡理论的发展，经历了从局部静态平衡到系统动态平衡的认知深化。
20世纪60年代初，受天然聚湫（拦泥坝）对洪水泥沙“全拦全蓄、不满不溢、稳固不垮”现象的启发，提出淤地坝“相对稳定”与“相对平衡”概念。早期研究集中于单坝的结构安全与拦沙效率，形成了以工程安全与防洪保收为核心的单一工程规划布局原则，适配当时单坝建设、重点拦沙的治理需求。
随着坝系建设的发展，平衡理论的研究范畴从单坝扩展至坝系群体，开始关注坝系优化布局、拦沙过程调控与防洪风险控制的级联效应与系统平衡。
当前，淤地坝系建设在实践中仍往往侧重于拦沙淤地等单一功能，系统协同效益未能充分发挥，难以统筹实现水土资源高效利用、泥沙精准调控与坝地农业发展等综合目标。对于坝系平衡的内在机制、洪水与泥沙在坝系中的级联调控作用、风险传递的方式与效应，以及级联坝系安全稳定的配置结构等方面研究仍相对薄弱，尤其是坝系平衡与流域水沙过程的耦合机理、级联效应的量化方法等仍不明确，尚未形成完整的理论体系。
为实现坝系协同调控效益最大化，亟须突破传统以泥沙为中心的坝系配置模式，系统融合流域水循环过程、泥沙侵蚀输移机制与综合效益评价技术，统筹协调坝系空间布局、坝型结构设计与建设时序安排。通过耦合多目标优化算法与系统动力学模型，构建能适应不同流域下垫面与气候情景的坝系协同配置方案，明确骨干坝、中型坝和小型坝的优化组合与建设优先级，从而全面提升坝系在水资源调蓄、减淤滞洪和农业生产等方面的整体效能。推动淤地坝系从单一的泥沙拦截工程向“水-沙-农-稳”（水资源调控-泥沙拦截-农业生产-防洪安全）协同调控的流域综合系统转型，已成为提升流域治理系统性与可持续性的关键路径。
（3）淤地坝风险防控从单坝静态安全分析向“四预”体系化协同调控演进
淤地坝风险防控的理念与实践，经历了从被动应对到主动防控、从经验判断到智慧决策的跨越式发展。
早期研究与实践主要围绕单坝的工程结构安全与防洪能力，侧重于坝体稳定、泄洪设施可靠等静态指标的验算，主要依赖人工巡查与隐患排除，缺乏系统性风险预警与前瞻性调控体系。20世纪90年代以来，随着淤地坝系规模不断扩大及极端天气事件增多，关注点逐步扩展到坝系连锁溃决风险、流域承灾体脆弱性及风险传递的级联效应，并开始引入概率分析、情景模拟等量化方法。但该阶段的防控整体仍局限于事后评价与被动应急，调度手段多以经验性决策为主。
近年来，在智慧水利建设与防灾减灾关口前移的背景下，风险防控的发展重心全面转向“四预”（预报、预警、预演、预案）智慧化防控体系建设。研究与实践聚焦于融合水文气象预报与坝系工情监测的动态风险预报技术，发展基于实时数据与多级临界阈值的分级预警模型，构建暴雨—洪水—淤积—溃决全链条数字化情景预演平台，以及形成涵盖工程联合调度、人员应急转移、多坝联防协同的智慧化预案体系。然而，当前“四预”工作仍处于初级阶段，核心短板突出：一是气象—水文—坝系—灾损过程的精准耦合预报尚未实现，预报精度难以满足风险防控需求；二是预警指标选取科学性不足，缺乏差异化、分级化的预警阈值；三是预演系统集成度与实际决策耦合不紧，难以支撑精准调度；四是预案的协同性与可操作性有待加强。此外，“四预”各环节之间存在衔接不畅、数据共享不足、统一业务化平台缺失等问题，距离建成全链条、闭环式、智慧化的“四预”协同防控体系仍有显著差距。
2.当前研究重点分析
面对当前存在的理论短板、技术瓶颈与管理挑战，面向新时期淤地坝系安全、功能与可持续性的更高要求，亟须从以下三个关键方向进行重点攻关。
（1）变化环境下淤地坝系平衡理论体系构建
在极端暴雨频发、沟道重力侵蚀严重与流域水沙条件变化并存的复杂变化环境下，仅靠单一淤地坝工程及已有的坝系设计方法，难以有效发挥淤地坝应对变化环境的作用。为此，需聚焦来水—蓄水、侵蚀—输移、淤积—利用、降雨—墒情、作物需水—水源保障这五大平衡关系，发展坝系平衡阈值的定量判识、多目标协同调控与长周期可持续性优化等方法，构建新时期变化环境下的淤地坝系平衡理论体系，推动水土流失治理从静态配置向动态适应与系统平衡跨越。
（2）适配新水沙条件的淤地坝系优化布局技术研究
面对传统坝系建设模式难以保障长周期安全与功能可持续性的挑战，需以坝系稳定为核心，以坝型结构与新水沙条件适配为基础，以坝系空间布局协同优化为手段，重点突破坝系整体稳定维持、坝型功能与流域水沙耦合、多目标协同的空间配置等关键技术，构建贯穿“安全—功能—布局”的坝系结构、功能、形式优化技术体系。形成适应新时期变化环境的坝型选择方法、坝系稳定性提升途径与坝系群体协同设计模式，推动淤地坝建设从经验式治理向科学化、系统化设计转型。
（3）融合数字孪生的淤地坝系智慧管理平台建设
面对传统管理模式难以满足坝系“四预”协同与流域治理智慧化的迫切需求，亟须以数字孪生技术为核心驱动，集成“空天地”一体化监测网络与多源数据，构建贯通“监测—管理—评估—预警”的坝系智慧管理平台，实现坝系运行状态实时感知、暴雨—洪水—淤积—溃决链过程模拟、坝系级联风险智能预警与多目标协同调度预案生成，全面提升极端事件下坝系安全风险防控能力、工程布局与调度方案的优化决策水平及全生命周期效益评估的精准性，推动淤地坝系管理从科学决策向智能决策升级。
新时期淤地坝系平衡理论与优化布局技术研究关键问题
为应对前述在理论体系、技术方法与协同管理方面存在的瓶颈，推动淤地坝系向更高水平的动态平衡、系统韧性与智慧管控方向演进，亟须在基础理论认知与技术方法创新两个层面实现突破，目前有以下三个关键科学问题和三个关键技术问题。
1.关键科学问题
（1）淤地坝系对流域泥沙输移—沉积过程的动力调节机制
在黄土高原流域侵蚀产沙过程中，降雨驱动—水沙输移—地形演变组成了一个复杂水文动力系统，此系统以降雨径流为动力源，通过坡面—沟道水沙运移和能量交换影响泥沙冲淤动态分布，进而深刻影响径流、入渗、泥沙输移和产流产沙过程。同时，泥沙输移—沉积过程加剧了水流与土体间的互反馈作用，使其非线性特征更加突出。淤地坝系的介入会改变这一动力系统的平衡状态，其对坡面—沟道水沙运移动力参数（如流速、含沙量、侵蚀强度）的调节机理、对泥沙输移—沉积的空间分配效应，仍是深入认识流域侵蚀产沙物理过程、建立流域产流产沙数学模型的关键科学问题。
（2）单坝平衡与坝系群体平衡之间的风险传递机制
单个坝体的平衡与坝系群体的整体平衡之间存在紧密的功能耦合与风险连锁效应。若单坝失稳出险，会通过水沙动力链打破原有系统平衡，引发上下游坝体的连锁响应，导致风险在坝系网络中被逐级放大。其中，这种由局部至整体的风险传递路径，具体体现为单坝失稳的临界条件、风险在“单坝—坝系单元—支沟坝系—小流域坝系”间的级联扩散机制与量化规律，深刻影响着坝系的韧性与可持续性，是构建淤地坝系平衡理论与安全预警技术的关键科学问题。
（3）流域新水沙条件与坝系拦截能力相对平衡的动态响应机制
淤地坝系通过大中小型坝相结合、上中下游相统筹，可将沟道重力侵蚀环境逐渐改变为沉积环境，进而大大减轻重力侵蚀强度，实现沟道重力侵蚀强度降级和坝系拦截能力相对平衡的稳定格局。当前，黄土高原地区水沙条件已发生较大变化，新形势下，为持续提升坝系对变化环境下水沙过程的调控能力，亟须基于侵蚀-拦截动态响应关系，深化坝系在多沙情景转变下的适应机制研究，明确新水沙条件与坝系拦截能力相对平衡的动态响应阈值与量化方法，构建与当前水沙条件相匹配的高标准淤地坝工程体系，这已成为指导黄土高原淤地坝建设、实现其综合效益长期可持续的关键科学方向。
2.关键技术问题
（1）淤地坝系空间分布与侵蚀环境多源特征解译优化算法
当前淤地坝遥感识别存在智能化提取难度大、人机交互解译效率低、坝系要素（坝体、泄洪设施、淤积状况）提取不全等技术难题，难以满足动态监测与坝系布局优化的需求。为此，需以高分辨率遥感影像、激光雷达点云及地形数据为输入，开发基于AI赋能的深度学习目标检测模型与多源特征融合算法，实现坝系及其关键附属设施的智能识别；同时，耦合侵蚀沟道网络、植被覆盖、坡度坡向等因子自动提取技术，实现淤地坝系空间分布与侵蚀环境多源特征的协同解译与关联分析，为淤地坝系优化布局提供精准的数据支撑。
（2）基于淤地坝系平衡理论的坝系多目标智能优化配置技术
针对黄土高原不同水土流失重点区域坝系空间配置与多目标协同的复杂需求，突破传统淤地坝系配置技术中“重单坝、轻系统”“重经验、轻量化”的局限，打破多约束条件下坝系规模-结构-功能协同优化的技术瓶颈。通过深度融合自然地理特征、暴雨频率响应、农业生产需求等多源数据，建立坝系拦泥库容、滞洪库容及泄洪建筑物型式的自适应布局模型，实现“空间均衡—功能协同—动态适应”的智能优化决策，提升坝系配置的科学性与精准性。
（3）淤地坝系多源异构时空数据动态数据引擎与数据服务技术
淤地坝系规划、设计、建设、管理、运用全生命周期数据具有多源、异构、时空不连续等特征，要构建坝系数字孪生时空动态数据底板，亟须突破数据时空信息分散、尺度不一致、语义不对齐、提取效率低下的技术难题，研发时空基准统一框架下的动态数据引擎，创新多源异构数据融合、归集、抽取和主题数据生成、高效数据服务技术，建立面向协同管理与共享服务的坝系管理数据仓库。
淤地坝系平衡研究思路框架和研究方向
随着黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施，黄河流域坝系工程建设必将得到进一步推进，同时也必将促进淤地坝系平衡理论与优化布局研究的创新发展。未来，需要在研究思路创新、研究方向拓展等方面有所突破。
1.淤地坝系平衡研究思路框架
为破解新时期淤地坝系在平衡机制、优化布局与风险防控方面面临的核心难题，推动研究与实践范式从局部静态、经验驱动向系统动态、智能协同的方向转变，亟须围绕“理论创新—技术突破—系统构建”三个层面进行创新与突破。
▲淤地坝系平衡研究思路框架
①突破传统理论局限，通过系统解析流域坡面径流侵蚀输沙力学机理、沟道在重力和水流冲刷作用下的侵蚀力学机理、泥沙的产生和输移机制，揭示坡面-沟道系统在坝系调控下的非平衡输沙特征，建立黄土高原不同类型区产流产沙数学模型；厘清来水—蓄水、侵蚀—输移、淤积—利用、降雨—墒情、作物需水—水源保障间的响应关系，揭示侵蚀强度和拦截能力的平衡关系。在此基础上，提出变化环境下坝系多目标平衡的新概念与新内涵，构建多目标协同的坝系多维评价指标体系，定量识别功能协同发挥的临界阈值与稳定区间，最终形成系统阐释坝系结构、功能与演化规律的平衡理论新体系，为坝系优化布局与风险防控提供核心理论支撑，破解变化环境下坝系平衡的理论瓶颈。
②突破传统坝系规划模式的局限，通过深入研究坝系的规模、空间结构、调节能力与当地自然地理条件、农业生产需求等多因素的耦合机制，构建坝系拦泥库容、滞洪库容及泄洪建筑物型式的自适应布局模型；集成高精度地理信息与多源数据，基于坝系平衡理论与系统优化方法，融合经验分析、动态仿真与非线性规划技术，研发“空间均衡—功能协同—动态适应”的坝系建坝密度、空间布局、建坝顺序优化新技术；通过设置极端防洪、最大拦沙和生态优先等多种治理情景，评估优化方案的效能，提出适用于黄土高原不同类型区和水沙条件的坝系空间配置新模式，为坝系工程布局优化与功能协同提供关键技术支撑，破解变化环境下坝系空间配置的规划瓶颈。
③聚焦多目标协同与极端事件频发下的复杂调控需求，通过系统性集成数字孪生、智能感知、模型模拟与知识图谱等关键技术，构建一个贯穿“监测—管理—评估—预警”全链条的坝系平衡智能决策新系统。以淤地坝数字孪生与空间信息智能管理系统为核心基底，依托统一时空数据底板与多主题知识图谱，实现坝系全要素态势的实时感知、业务全流程的智能管理与关联关系的深度挖掘。在此基础上，深度融合预报预警一体化的水沙模拟与级联溃决风险模型，构建覆盖全流域、全过程的坝系风险预警与分级防控体系，实现对极端降雨、侵蚀加剧及连锁溃坝风险的高效感知与精准预警，形成数据驱动、模型支撑、知识引导、业务协同的闭环智能决策新模式，破解多目标协同与极端事件频发背景下坝系平衡调控的技术瓶颈。
2.淤地坝系平衡研究方向与内容
以全面提升淤地坝系安全保障水平和综合效益为核心目标，从坝系平衡机制、优化配置技术、智能服务与预警平台三个关键环节进行全链条设计，重点解决淤地坝系对小流域产—输—淤过程的影响机理及模拟、面向“水-沙-农-稳”协同的坝系平衡机制等理论难题，研发基于坝系平衡理论的淤地坝系空间优化配置技术，完善黄土高原淤地坝系平衡智能服务与风险管理平台，实现理论、技术与实践的深度融合。
▲淤地坝系平衡研究方向与内容
①淤地坝系对小流域产—输—淤过程的影响机理及模拟研究，需揭示淤地坝系对坡面—沟道系统泥沙产输过程的调节机理、淤地坝系对坡面—沟道系统重力侵蚀的调控机制，构建黄土高原坡面—沟道系统产流产沙数学模型，为坝系平衡理论构建提供机理支撑。
②面向“水-沙-农-稳”协同的坝系平衡机制，需探明淤地坝系平衡影响因素及其耦合关系，建立“水-沙-农-稳”协同的坝系平衡多维评价指标体系，明晰变化环境下淤地坝系平衡的临界阈值。
③基于坝系平衡理论的淤地坝系空间优化配置技术与示范，需研发多目标约束下的坝系工程布局与空间优化技术、黄土高原不同类型区新建和改造坝系的优化配置模式，并在黄土高原不同类型区小流域坝系优化布局中进行应用与示范。
④黄土高原淤地坝系平衡智能服务与风险管理平台，需开发淤地坝数字孪生时空数据智能管理系统、淤地坝系平衡优化布局和综合效益评估系统，构建面向数字孪生的坝系安全度汛风险模拟预警平台，为科学指导淤地坝建设实践提供系统解决方案，为实现水土保持高质量发展提供科技支撑。
建议
为实现淤地坝系相对平衡理论创新与技术突破，建议进一步加强以下工作。
1.加强淤地坝系安全动态实时自动化监测体系建设
面向实时感知与预警防控需求，加快建设覆盖“天空地”一体化的坝系安全动态实时自动化监测体系。综合利用遥感卫星、无人机航测、地面物联网传感器等多源感知手段，实现对坝体变形、渗流状况、库容淤积、水位变化等关键安全参数的实时采集与传输；重点研发低功耗、长寿命、高精度的坝工专用传感设备，并构建稳定可靠的数据通信网络，保障极端天气下监测数据的连续性与完整性；统一监测数据标准与接口规范，推动监测体系与各级管理平台无缝对接，为坝系安全状态实时评估、风险早期识别与预警提供坚实的数据基础。
2.构建淤地坝系风险智慧评估预测预警一体化普适化管理平台
面向基层管理和社会化服务需求，研发集风险智能评估、情景模拟预测、分级预警发布及应急决策支持于一体的智慧化管理平台。平台应深度融合气象水文预报、坝系工情监测、地形地质及承灾体信息，基于数字孪生与机理模型，实现暴雨—洪水—淤积—溃决全链条过程的动态模拟与风险超前预测。创新预警指标体系和阈值设定方法，实现风险分级分类预警。特别注重平台的普适化设计，开发轻量化、易操作的移动终端应用，确保基层管理人员、巡查责任人与社会公众能够实时接收预警信息、查询坝系安全状况、上报险情隐患，形成“专业监测+群测群防”的协同防控格局，增强风险预警时效性，扩大风险预警覆盖面。
3.推进淤地坝系高标准建设技术体系研究
为构建与新时期水沙条件及高质量发展要求相匹配的淤地坝工程体系，需系统推进淤地坝系高标准建设技术体系研究。一方面，要着力健全覆盖规划、设计、施工、管护全链条的技术标准体系，明确不同区域坝系布局、坝型结构、防洪安全与生态保护的技术准则，实现工程建设的规范化与精细化。另一方面，要聚焦关键技术创新，研发适用于坝体加固、防渗生态护坡的新材料与新工艺，突破老旧坝除险加固与功能提升的技术瓶颈，并集成智能感知与数字孪生技术，构建支撑坝系“四预”的智慧化管理与决策系统。通过标准引领与技术创新双轮驱动，形成可复制推广的高标准建设模式，全面提升坝系的安全耐久性、功能协同性与综合效益。
Abstract: Yudiba dam systems are critical engineering structures for the comprehensive control of soil and water loss on the Loess Plateau and play an important role in regulating the flow-sediment relationship of the Yellow River. In the new era characterized by frequent extreme heavy rainfall and changing flow-sediment conditions, the safety guarantee and performance improvement of dam systems are facing severe challenges. Current research on dam systems is evolving from single Yudiba dam engineering to system coordination, from static equilibrium to dynamic equilibrium, and from empirical prevention and control to intelligent “forecasting, early warning, rehearsal, and contingency planning”. Focusing on key scientific issues such as the dynamic regulation mechanism of Yudiba dam systems on watershed sediment transport-deposition processes, the risk transmission mechanism between single Yudiba dam equilibrium and dam system group equilibrium, and the dynamic response mechanism of the relative equilibrium between new watershed flow-sediment conditions and dam system interception capacity, as well as key technical problems including the optimal algorithm for interpreting the spatial distribution of Yudiba dam systems and multi-source characteristics of erosion environments, multi-objective intelligent optimal allocation technology for dam systems based on dam system equilibrium theory, and dynamic data engine and data service technology for multi-source heterogeneous spatiotemporal data of dam systems, this paper proposed a research framework and directions for the equilibrium of Yudiba dam systems. It is suggested that in future work, efforts should be made to strengthen the construction of an automatic monitoring system for dam systems, build an integrated and universal management platform for dam system risks, and promote research on the technical system for high-standard construction of dam systems, so as to provide theoretical and technical support for the systematic control of soil and water loss on the Loess Plateau and the ecological protection and high-quality development in the Yellow River basin.
Keywords: dam system equilibrium; Yudiba dam; optimal layout; soil and water loss control; Loess Plateau; collaborative regulation; cascade effect
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