数字化技术在水利水电工程建设中的应用研究

引言

水利水电工程作为国家关键基础设施，其建设质量与运行效率直接关系到国计民生与社会经济发展。传统水利工程建设管理中存在信息处理效率低、数据完整性不足、各部门协同困难等挑战，难以满足现代工程对精细化和智能化的高要求。数字化技术的兴起为解决这些问题带来了全新机遇。它通过构建数字孪生流域和工程实体，集成多源数据，实现可视化展示、智能化模拟和前瞻性预演，为提升工程规划、建设与管理的科学决策水平奠定了坚实基础，引领水利水电行业进入智慧化发展新阶段。

1 数字化技术的定义

数字化技术是一项与现代计算机科学相伴相生的科学技术，其核心在于借助特定设备将各种形式的信息如文字、图像、声音等转换为电子计算机能够识别的二进制数字代码零和一，进而对这些数字信息进行运算、加工、存储、传输、传播和还原。这项技术也称为数码技术或计算机数字技术，其根本特征是将复杂多变的信息转变为可度量的数据，并以此建立数字化模型引入计算机内部进行统一处理，从而为社会信息化奠定基础，其发展趋势是实现社会的全面数据化。

2 水利水电工程的特点

水利水电工程是以除害兴利为目标，通过建造各类水工建筑物综合体来控制和利用水资源的基础设施。其特点显著：工程规模庞大，建设周期长且投资巨大；涉及专业领域广泛，技术复杂且质量要求极高；受自然条件制约强烈，需应对复杂的水文、地质及气候挑战；同时具备多功能综合性，兼顾防洪、发电、灌溉、供水、航运等社会、经济与环境效益。

3 数字化技术在水利水电工程建设中的应用关键技术

3.1BIM 建筑信息模型技术

在水利水电工程中，BIM 建筑信息模型技术通过构建包含工程物理与功能特性的可视化数字模型，实现了工程全生命期规划、设计、施工、运维的信息集成与协同管理。该技术利用参数化设计方法，将构筑物的空间位置、几何尺寸如压力钢管轴线坐标、厂房机组中心点高程、岩土特性指标、材料属性及设备技术参数等数据融入统一模型中，支持进行协同设计、模型碰撞检查、4D 施工进度模拟关联时间与造价参数、工程量精确计算如土方开挖填筑量以及基于BIM+GIS/物联网的数字化运维，显著提升设计质量、施工效率与工程精细化管理水平。

3.2 物联网IoT 与传感器技术

物联网 IoT 与传感器技术通过部署各类传感器如 GNSS 接收机、测斜仪、渗压计、振动传感器、温度传感器实时采集水位、流量、渗流压力、位移、变形及设备运行参数如温度、振动频率，数据通过 5G、NB-IoT 或LoRa 等通信技术传输，实现毫秒级响应与远程监控。结合边缘计算和智能分析模型，可进行预测性维护与安全隐患预警如位移超限识别、渗流异常诊断，显著提升工程管理的精准性与时效性。

3.3GIS 地理信息系统与遥感技术

GIS 地理信息系统与遥感技术在水利水电工程中深度融合，构成空间信息管理的核心支撑。GIS 通过构建多尺度、多源数据如 DEM、DOM、DLG 及专题图层的统一空间数据库，集成遥感获取的高分辨率如 0.5 米至2 米影像与多光谱数据，实现工程区域的地形地貌、地质构造、水文网络及土地利用等要素的可视化表达与空间分析。该技术支撑淹没分析如基于高程模型的洪水演进模拟、库容计算、工程选址优化如基于坡度、岩性及生态敏感性的叠加分析、水土流失评估如 NDVI 植被指数动态监测，以及洪涝灾害风险区划结合降雨频率与下垫面参数，为工程规划、建设与运维提供精准的空间决策支持。

3.4 大数据与人工智能

大数据与人工智能AI 技术通过整合分析海量水文、气象、地质及工程运行数据如来自31 颗遥感卫星、100 余部测雨雷达、13.3 万处地面水文报汛站及30 多万处工程安全监测点的数据，构建洪水预报、水资源调度与工程安全诊断模型。AI 算法可实现毫米级位移识别、渗流异常诊断及洪水演进模拟如主要江河关键期预报准确率达 90% 以上，并依托高性能计算集群如 260 万亿次双精度浮点算力支撑“预报、预警、预演、预案”智能决策，显著提升灾害防控与工程管理的精准性与时效性。

3.5 数字孪生技术

数字孪生技术通过构建与物理水利工程全要素高保真映射的虚拟模型，集成多源数据如8225 支传感器实时感知的温度、湿度、位移、渗流压力等参数，并依托云计算、大数据及水动力学、水文等专业模型如洪水演进模型、咸情分析模型，实现对工程状态的毫秒级监测、洪水与水资源调度方案的模拟预演如关键期预报准确率超 90% 及预测性维护，形成“预报、预警、预演、预案”的闭环管理，显著提升工程安全与调度决策的科学性。

4 数字化技术在水利水电工程建设中的具体应用场景

4.1 大型水利枢纽工程

在大型水利枢纽工程中，数字化技术通过构建数字孪生体实现全方位应用。其依托高精度BIM 模型与GIS 数据融合，集成GNSS 表面变形监测、渗压计、振动传感器等逾 400 个监测点实时感知大坝性态。通过水动力学模型与 AI 算法进行洪水预报及调度方案预演，2024 年乌鲁瓦提水利枢纽成功拦蓄洪水1.01 亿立方米，削峰率 76% 。同时，区块链技术为混凝土建立全过程溯源档案，智能碾压与附加质量法确保坝体压实度合格率达 98% 以上，显著提升工程安全与建设质量。

4.2 灌区现代化改造

灌区现代化改造以提升灌溉水有效利用系数为核心目标，通过干支渠防渗衬砌如混凝土或聚合物材料减少输水渗漏损失，并集成物联网技术构建智慧水利管理平台。应用数字孪生技术实现“空天地”一体化监测，结合水价改革与精准灌溉模型，最终改善灌溉面积超千万亩，年均节水能力达亿立方米级，显著增强粮食生产的水资源保障能力。

4.3 流域防洪调度

流域防洪调度是指运用防洪工程及非工程措施，有计划地调控洪水以减轻灾害的技术手段，其核心目标为降低洪灾损失并兼顾水资源综合利用需求。该调度通过预泄腾库、拦洪削峰等方式削减洪峰，并依托数字孪生技术构建“降雨-产流-汇流-演进”全链条模型，实现洪水预演与精准预警。调度过程依赖水文监测数据与预报模型，并通过流域联合调度整合多类水工程，最终实现洪水资源化利用与防洪安全统一。

结束语

总之，数字化技术的全面应用已为水利水电工程建设带来革命性变化，显著提升了工程质量和运营效率。未来，随着物联网、人工智能和数字孪生等技术的不断成熟与深度融合，水利水电工程将朝着更加智能、精细和可持续的方向发展。

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