多重手段守护大坝安全 数字孪生助力精准调沙 近距离感受小浪底“清淤荡沙”

本报记者 蔡玉民
虽然《环球时报》记者对小浪底水利枢纽开闸放水的气势早有耳闻，而当真站在一条条“白龙”旁边的时候，依然会震撼于它们的磅礴。6月23日，小浪底开启黄河第33次调水调沙的第二天，大坝下泄流量由2600立方米每秒上调到了3500立方米每秒，新加入的明流洞成为泄流主力。只见一条“白龙”如脱缰野马般向前上方喷薄而出，一个接一个的白色浪花你追我赶，如无数小“白龙”腾空而起。那是每秒1500立方米水在几十亿库容的压力下从10.0米宽、11.5米高的洞中涌出的雷霆万钧。调水调沙就是要用小浪底的这种雷霆之势为黄河冲刷河道、为下游补水，也让小浪底清库迎汛。
小浪底“出手”，黄河再无断流
小浪底水利枢纽扼守黄河中游最后一段峡谷出口，过了它就是一马平川的下游，它控制着黄河91.2%的径流量和近100%的输沙量。2001年12月，小浪底水利枢纽主体工程完工，2002年，黄河开启调水调沙，自此黄河再未断流，河床也不再攀升，这一使用了诸多当时世界顶尖技术的巨无霸工程圆了中国人的治理黄河梦。
据《环球时报》记者了解，自小浪底开始调水调沙以来，黄河下游河道主槽平均下切3.1米，河道最小过流能力从每秒不足1800立方米提升到每秒5000立方米。
“今年调水调沙最大下泄流量设计为4800立方米每秒，6月25日到29日，持续5天，这么大的流量持续这么长的时间将创调水调沙的纪录”，小浪底管理中心水量调度处高级工程师赵珂向《环球时报》记者介绍了第33次调水调沙的亮点。这种自信一方面是因为这次起调水位达252米，较去年高出约6米，水库蓄水量比去年多近10亿立方米，水量相对丰沛；另一方面是“智能大坝”成果卓著，有最新高科技为小浪底“人造洪水”保驾护航。
“天空地水工”，让安全隐患无处遁形
《环球时报》记者在现场看到，坝顶一块宽阔的平地上，方形的无人机巢缓缓打开，一台国产无人机平稳飞出，按照预定线路前往既定坝区巡检。据介绍，这是小浪底的无人机自主巡检系统，它一共有27条巡检线路，覆盖小浪底整个区域。每天它都会根据排班定时出发，20分钟左右一趟，巡检完成后生成报告，通过有线专网与无线网络传回飞行控制平台。飞行控制平台就在不远处现代感十足的办公楼里，工作人员会根据已研发的混凝土裂缝识别、混凝土破损识别、坝坡杂草识别、落石识别等算法对巡检报告进行研判，发现异常立即行动。据工作人员对《环球时报》记者介绍，目前，人工智能算法识别准确率已达80％以上。每个星期无人机都会对整个坝区做一次巡检，如遇情况，它可以加密巡查。
据介绍，无人机自主巡检系统只是小浪底高科技监测手段的一种，小浪底的“天空地水工”一体化监测感知体系让相关方对大坝各方面实时情况如数家珍。天上有卫星，小浪底按每月一次的频率获取库区全域的高分辨率卫星遥感影像，通过数据对比自动提取问题图斑信息，乱占、乱采、乱堆、乱建无处遁形。空中有测雨雷达与无人机，雨未下而早筹谋，落石、破损第一时间发现。地上是14个自建水文站，562套高清摄像头、热成像摄像头、夜间红外摄像头等设备，和新近引进的巡检机器人，可以对水情、设备状况、人员违规等及时感知。水中有无人船搭载多波束无人测深系统，每年汛前、汛后开展近坝区水下地形测量，还有浅地层剖面仪，配合水位、拉力等相关传感器和自动化升降装置，对进水塔前淤积进行全天候在线监测。工则是做好工程安全监测，自2021年起，小浪底工程开展安全监测仪器补埋与数据采集自动化改造，今年更是添置了地基InSAR（干涉合成孔径雷达）监测设备，24小时值班紧盯大坝及周边山体的形变，有异常立即报警。
“智能大脑”，让调水调沙更精准
《环球时报》记者看到，小浪底水利枢纽办公大楼二楼有一间充满科技感的大厅，一面墙的大屏显示着鲜活的小浪底：发电机组的现场画面、各种安全监测的数据、上游的二维水沙动态等。这里是数字孪生小浪底集控中心，可以说是小浪底的“大脑”，在调水调沙期间，平台每天自动算两次，研判库水位降幅、对接水位、异重流产生及运动过程、大坝安全性态，辅助制定孔洞组合运用方案和机组停机避沙策略等。赵珂对《环球时报》记者表示，针对水利部黄河水利委员会下发的调水调沙指令，“我们也不断用数字孪生平台进行计算，计算结果让我们对今年实现5天4800立方米每秒大流量的创纪录成绩充满信心，数字孪生小浪底平台给了我们更精准调控的底气。”
据专家介绍，作为小浪底的“大脑”，数字孪生平台将各种数据统合起来，结合植入的知识库与研发的各种水利模型，提前预警安全情况、推演调水调沙方案、协同调度水沙电等。其中调水调沙中的关键硬核技术“异重流”精准把控靠的就是数字孪生技术的推演。一般调水调沙分两阶段实施：第一阶段大流量清水下泄冲刷下游河道，第二阶段利用“异重流”为小浪底排沙。“异重流”就是上游下来的含沙浑水比清水重，它不会和清水融合，而是在其下面贴着库底向前推进。当与小浪底联合调水调沙的三门峡、万家寨等水库的来水与下泄水流形成的吸力把坝底搅动到一定程度后就到了排沙的时间。排沙效能的最大化需要精准调控水流速度、密度差值，让底层浑水稳稳冲向坝前，在到达坝前之时，及时开启排沙孔洞，同时这还涉及根据水中含沙量及时关停发电机组的问题。正是有了数字孪生平台对调度方案进行预演与动态分析，2025年调水调沙排沙量超1.6亿吨，创下纪录。
本次调水调沙预计将持续21天左右，于7月12日前后结束水库调度，在新技术加持下小浪底排沙有望再创佳绩。▲