科技日报记者 付丽丽

【人物剪影】

魏向阳，教授级高级工程师，黄河水利委员会总工程师。主要从事黄河防汛方案编制、防洪规划、水库调度、信息化规划、防汛软件系统设计开发等工作。多次主持或负责黄河防洪工程规划、可研报告编制，主持完成“数字防汛”规划撰写，参与《黄河调水调沙理论与实践》等4部著作撰写。曾获国家科技进步奖一等奖、河南省科技进步奖一等奖、水利部大禹奖、中国大坝工程学会科技进步奖特等奖等。

黄河小浪底水库排沙现场。 新华社记者 李嘉南摄

黄河，是世界上泥沙最多、治理难度最大的河流之一。2026年，人民治黄迎来80年。从“一根竹竿探河”到“一块智石护守河澜”，基层治黄人的这句描述，成为科技治河的生动注脚。

自2002年以来，黄河已实施33次调水调沙，累计输沙入海37.4亿吨。“黄河调水调沙理论与实践”获得2010年度国家科技进步奖一等奖，并于2025年入选生态文明领域20项重大科技成果。从竹竿到“智石”，从调水调沙到“三条黄河”联动，科技正在重塑这条河流。面向“十五五”，治黄科技还要挑战哪些“不可能”？近日，科技日报记者专访了黄河水利委员会总工程师魏向阳。

科技贯穿黄河治理全过程

记者：从科技视角看，人民治黄80年大致经历了哪些阶段？

魏向阳：80年来，黄河治理开发保护与国家发展需求紧密相连，科技贯穿全过程，大致可划分为三个阶段。

第一阶段是1946年至1999年，这是现代治黄科技和工程建设奠基期。从“宽河固堤”起步，三门峡、刘家峡、龙羊峡等枢纽相继兴建。老一辈科技工作者持续研究黄河水沙特性及演进规律，研发了锥探灌浆、水坠法筑坝、“红心一号”机淤固堤吸泥船等技术，提出了三门峡水库“滞洪拦沙、蓄清排浑”的运用方式，形成了小流域综合治理、游荡性河段整治等成果。

第二阶段是1999年至2014年，这是构建科技治河体系转型期。以1999年小浪底水库投入运用为节点，黄河水利委员会提出建设“原型黄河”“数字黄河”“模型黄河”，也就是我们说的“三条黄河”。我们实施调水调沙原型试验与生产运行、全河水量统一调度，建立维持黄河健康生命理念及“1493”治黄理论框架，治黄科技向体系化、数字化转型。

第三阶段是2014年至今，这是数智化发展与系统治理深化期。黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。我们发展“一高一低”水库对接、水库—河道年际接续调控的水沙调控新模式。新模式依托于“数字黄河”长期积累的数据底板与业务系统，并通过数字孪生技术推动其向“数字孪生黄河”迭代升级，实现从“看得见”到“算得准、调得优”。

记者：几十年间最关键的转变是什么？

魏向阳：几十年间，我认为最关键的范式转换，是“三条黄河”建设的提出以及数字孪生黄河建设的延续发展。它们是在老一辈治河经验和技术基础上提出的。“三条黄河”把原型观测、物理模型、数学模型整合为相互校验、互为支撑的体系，是面向重大实践科研方法的转换。今天的“数字孪生黄河”建设进一步向数智化跃升。

记者：水少沙多、水沙关系不协调是黄河复杂难治的症结。

魏向阳：是的，调水调沙是解决这一问题的关键方式。通俗地讲，调水调沙就是充分利用下游河道输沙能力，通过水库对来水来沙过程合理调节控制，塑造可控的洪水，把不协调的水沙过程变为协调的水沙过程，提高河道输沙效率，冲刷下游河槽，恢复并提高河槽过流能力。

调水调沙的核心难题是如何通过水库调度，塑造合理的水沙过程，用有限的水冲刷恢复河槽过流能力，把尽可能多的泥沙送入大海，同时减少水库自身的淤积。这主要靠两大理论支撑：一是河道输沙理论，解决水到下游后怎么高效把沙带走的问题；二是水库泥沙运动理论，特别是人工塑造异重流，解决水库里怎么把沙排出去的问题。

先说河道输沙理论。黄河下游河道具有“多来多排多淤，少来少排少淤”的输沙特点。我们通过大量研究，揭示了下游河道水沙输移规律和冲淤调整机理，发现存在有利于高效输沙、不产生淤积的流量、含沙量及过程。在一定河道边界条件下，输沙能力与来水流量的高次方成正比。这意味着，把水量集中起来，泄放一场大流量过程，输沙效果远大于分散均匀的小流量过程。

再说水库泥沙运动理论，特别是人工塑造异重流理论。高含沙洪水进入水库后，密度大于库区清水，会潜入库底向坝前运动，形成上层清水、下层浑水的分层流动。通过长期研究、实测分析和模型试验，我们提出可定量描述小浪底水库异重流输移过程的数学方程，构建了水库群调控流量、历时、水位等一整套人工塑造异重流技术指标，为调水调沙的水库调度奠定了理论基础。

“三条黄河”联动形成完整闭环

记者：“三条黄河”如何实现“数据互通、功能互补、效果互验”？

魏向阳：“原型黄河”就是现实中真实存在的黄河。我们利用“天空地水工”监测感知技术，实时监测水流、泥沙、河势、工程、地形等信息，直接支撑调度研判，也为物理模型和数学模型提供研究边界与验证条件。“数字孪生黄河”就是把黄河装进计算机，利用数学模型快速预演不同调度方案下的水库排沙、洪水演进、河势变化、水位表现等，比选最优方案。“模型黄河”是在实验室里按比例复刻的物理模型，可以用它开展洪水预演和调度试验，从而评估洪水表现、排沙效果、预判河势工情变化和防守重点。

三者联动形成完整闭环。“原型黄河”监测数据同步至“模型黄河”与“数字孪生黄河”，实现数据互通；“模型黄河”与“数字孪生黄河”模拟推演，效果互验，动态校正关键参数，构建“高保真”数字流场，直接支撑治黄科学决策。

记者：在调水调沙中，“三条黄河”各自扮演什么角色？

魏向阳：以今年为例，调水调沙期间，我们深化了对“三条黄河”的联动性、协同性、参证性的研究以及运用。在“原型黄河”方面，卫星遥感每日分析洪水动态，无人机、视频和手持雷达获取洪水态势和河势变化，光电测沙仪实时监测含沙量，天气和测雨雷达融合多源降水数据滚动监视预测“云中雨”，“智能石头”全天候监测预警河道工情险情。“数字孪生黄河”方面，强化“四预”能力，通过“正向—逆向—正向”推演，科学制定调水调沙预案，动态跟踪实时调整，助力实现今年调水调沙抗旱保供、腾库迎汛、水库排沙、生态补水等多目标共赢。在“模型黄河”方面，研发智慧管控系统，开展小浪底至陶城铺河段洪水预演、小浪底水库异重流排沙、黄河口物理模型放水等试验，剖析水库排沙效果，优化排沙调度指标。

记者：如何解决模型精准度问题？

魏向阳：我们重点抓了三件事：基础数据更新、机理规律研究、“三条黄河”联动校验。每年汛前汛后实测河道大断面，及时更新地形，对控导、险工坝垛、滩区生产堤、道路、村台等局部网格加密。强化黄河泥沙机理规律研究，把床沙悬沙交换、动床阻力、游荡型河道河势演变等成果引入水沙动力学模型。利用历年调水调沙和汛期洪水实测资料，结合“模型黄河”试验成果，持续进行率定验证——调整模型参数并检验其模拟精度，并用“原型黄河”实时监测数据动态修正。

底层感知技术在这里起到了基础数据支撑作用。

具体来讲，光电测沙仪解决了多泥沙河流超高含沙洪水在线连续监测难题。对于每立方米泥沙质量在0—1110千克的浑水，它可实现有效监测，把泥沙数据采集从传统取样烘干的24小时以上压缩至分钟级。它还能捕捉沙峰起涨、峰值出现、消退全过程，为防汛会商、水沙演进预报提供实时数据，也为“数字孪生黄河”补齐“有水无沙”的仿真短板，支撑水库调水调沙、联合水沙调度。

智能监测设备“智能石头”和“坝岸智能卫士”已在黄河下游和外流域河流大规模部署中证明有效。我们持续优化传感器监测方式，提升抗冲刷、抗泥沙、耐高低温性能；按照“管用、好用”原则，精简冗余功能，降低部署运维成本；简化操作流程，优化报警推送，常态化开展培训，推动人工巡查与智能监测互补融合。

四方面攻关应对新问题

记者：近10年来，黄河含沙量持续减少，这对治黄科技提出哪些新问题？

魏向阳：受上中游水土保持、水库拦沙和气候变化共同影响，黄河水沙明显减少。来沙减少后，小浪底等水库下泄的水更清，长期冲刷下游河床，使河槽逐渐冲深，主槽平均河底高程下降了3.1米，最小过流能力由2002年汛前的每秒1800立方米恢复到目前每秒5000立方米左右。但还原干支流水库、淤地坝、灌溉引沙等拦沙后，目前潼关以上流域产沙仍在每年5亿吨以上。受植被梯田减沙潜力降低、植被覆盖度恢复阈值及水库库容有限等因素影响，黄河远期仍难以彻底摆脱“水少、沙多、水沙关系不协调”局面，由此带来新的科技命题。

这要求我们围绕四个方面进行攻关。一是水沙运动和河床演变规律再认识，揭示来沙减少、水沙过程变异条件下“多来多排、少来少排”的新规律。二是黄河全域均衡输沙理论研究。我们需要把上游产沙、中游输沙、下游冲刷、河口延伸作为一个整体，建立全流域尺度水沙耦合模型。三是水库群联合水沙调度技术优化，要优化小浪底、三门峡、万家寨等水库协同运用方式，并围绕古贤、黑山峡等控制性工程开展联合调度与工程布局论证，提升全流域水沙调控能力。四是生态调度与水生生物保护科技支撑，需要统筹鱼类繁殖和生态保护需求，建立水沙变化与生态响应监测评估体系。

记者：以前为了对付“沙多”发展起来的技术，是不是要重新调整？

魏向阳：过去的技术体系中，基础理论框架如泥沙运动力学、河床演变基本原理仍然有效，水沙模型、河工模型、调水调沙理论、水土保持理论与技术等底层物理规律依然成立。但在新水沙情势下，模型参数、边界条件、优化目标及布局策略，需系统性调整升级。水沙关系不协调并未消失，而是表现为沙少水也少、水资源刚性约束增强、极端洪水与局部高含沙事件仍可能发生。同时，要加强监测观测体系建设，加快泥沙预报、数字孪生、大模型推演等研发应用。

记者：正在建设中的古贤水利枢纽对于新形势下的黄河水沙调控有什么意义？

魏向阳：古贤工程地处黄河中游，能拦控流域80%的粗泥沙，与小浪底、三门峡等枢纽形成联合调度体系，把小浪底调水调沙动力不足的短板补上，提升全流域的协同调控能力。依托数字孪生的智能管控，可以做到水沙过程精准预判、动态调度，优化拦沙、泄洪、输沙的时序，延缓小浪底库容损耗，遏制下游河床抬升，改善中游小北干流和渭河的防洪条件，稳定下游中水河槽的行洪能力。说到底，是要构建一个长期稳定的黄河中下游水沙调控新格局。

记者：展望“十五五”，黄河保护治理科技领域最紧迫的难题是什么？

魏向阳：“十五五”期间，要深化黄河自然规律认识，推动机理研究与数字技术融合，持续加强泥沙精细化预报、流域水资源智能配置、极端洪水快速预演等研究。泥沙精细化预报是水沙调控与防洪减淤的关键支撑，亟须强化统计模型与人工智能模型协同、水文模型与水沙动力学机理模型配合，实现异构模型高效协同与实时更新。流域水资源智能配置关乎生态安全与可持续发展，需要构建数字孪生流域与智能调度系统，实现来水预报、需水预测、配水决策实时闭环。极端洪水快速预演是守住防洪安全底线的关键一环，需加强基于云中雨、落地雨、河中水的“三道防线”建设，构建洪水“四预”智能体，实现全类型洪水快速预演。三者需统筹布局、融合创新。

记者：现在年轻一代治黄科技工作者，应重点关注哪些难题？

魏向阳：黄河保护治理是复杂的系统工程，不是靠一代人或几代人来解决的，但每一代人都要有解决前人未竟难题的担当。希望年轻一代在智能水沙调控、流域系统治理新征程中勇于探索、敢于创新，让科技治河薪火代代相传。

如何在气候变化与人类活动双重叠加的复杂条件下，建立贯通气候气象、水文水资源、洪水泥沙、生态环境、水工程调度的全耦合智能模拟与决策系统，实现黄河水沙过程多尺度精准预测与多目标智能调控？我认为这是一个目前攻克难度很大的问题，因此尤其需要年轻一代的努力。这个难题的核心，在于如何交叉融合前沿学科与水利学科，智能调控如何从概念研究走向工程实践。这个问题一旦获得突破，将进一步统筹保障防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全，支撑黄河流域水利高质量发展。