2025年水文地質智能計算熱點回眸

原文發(fā)表于《科技導報》2026 年第1 期 《 2025年水文地質智能計算熱點回眸 》

水文地質智能計算是融合物理機理與人工智能的新一代科學范式。《科技導報》邀請中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院董東林教授團隊和中國科學院大學資源與環(huán)境學院林剛副研究員撰寫文章，回顧了2025年水文地質學在地下水資源評價、礦區(qū)水害防控及污染遷移修復等核心應用領域，正從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅動邁向物理信息融合，從局部技術突破轉向構建“數(shù)據(jù)感知?知識挖掘?模擬決策”的完整技術體系；指出盡管在一些方面仍存在挑戰(zhàn)，智能計算已顯著提升了地下水滲流模擬、地表?地下水耦合等復雜問題的預測精度與決策可靠性。未來隨著人工智能與大模型技術更深層次地融入機理研究，有望構建更高精度、可解釋、可信任的智能模擬系統(tǒng)與預警體系。

水文地質學是研究地下水數(shù)量、質量時空變化規(guī)律，以及如何合理利用或防治其危害的學科。近年來，水文地質學的研究方向從傳統(tǒng)的找水勘察，擴展到了更廣泛的資源與環(huán)境領域，發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出更注重多學科交叉和生態(tài)環(huán)境問題。

回顧2025年，水文地質學在全球合作、學科交叉和技術創(chuàng)新上向前邁了一大步，精準體現(xiàn)了從“方法探索”到“解決實際問題”的范式轉變，研究主題都緊扣“可持續(xù)管理”“氣候變化”和“變化環(huán)境”等現(xiàn)實問題。同時，AI與智能計算已深度滲透到所有水文地質前沿主題的研討中，中國水文地質學研究也正積極擁抱智能計算，致力于構建更精細、更智能的地質數(shù)字孿生體系，以科技創(chuàng)新支撐水資源的安全與可持續(xù)管理。

1 范式轉型：從方法探索到解決實際問題

2025年水文地質學研究的范式轉型是氣候變化和技術革命雙重壓力下的必然演進，致力于解決如何充分運用大數(shù)據(jù)和AI等新興技術應對變化環(huán)境下的水文響應與可持續(xù)管理、區(qū)域特色水文地質與資源利用等關鍵科學問題。

1.1 變化環(huán)境下的水文響應與可持續(xù)管理

Gantayat等指出在全球氣候變化、人口增長和環(huán)境污染等多重壓力下，傳統(tǒng)的水文地質學研究范式已不足以解決日益復雜的水資源安全問題。

為了應對氣候變化與極端事件，應重點量化氣候變化對地下水補給、更新速率和水質的長期影響，分析干旱與洪水等極端水文事件下地下水系統(tǒng)的響應與恢復力。2025年11月，《氣候變化科學十大新洞見（2025/2026）》發(fā)布，標志著這一科學認知已成為全球氣候治理的核心議題之一。2025年，多項研究、多次重要會議均聚焦變化環(huán)境下的水文響應與可持續(xù)管理問題，地下水與氣候變化的研究已不僅是學術前沿，更是直接關系到水安全、糧食安全和生態(tài)安全的緊迫現(xiàn)實需求，正在驅動科學研究、國際合作與管理政策的深刻變革。

1.2 區(qū)域特色水文地質與資源利用

區(qū)域特色水文地質與資源利用研究不只關注地下水本身，更關注將地質規(guī)律與區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略相結合，研究地下水開發(fā)利用管理與當?shù)睾诵馁Y源（地表水、能源、生態(tài)、糧食）的協(xié)同關系。

1）跨界含水層：跨界含水層指跨越多國邊界、共享水資源且面臨復雜管理挑戰(zhàn)的特定區(qū)域。跨界含水層研究是一個多系統(tǒng)、跨尺度、機理復雜的難題。

在建模問題上，跨界含水層仍是一個無法被標準化的復雜系統(tǒng)，而該系統(tǒng)的最終演化路徑，主要取決于模型本身無法控制的跨國政治博弈。因此，跨界含水層模型因其獨特的地質構造、補給機制和人為干擾，幾乎無法直接套用到另一個地區(qū)。此外，建模過程必須同時包含水文過程、化學過程、社會過程和氣候過程。這些系統(tǒng)運行機制不同、過程復雜，強行耦合會帶來巨大的不確定性和計算負擔。

2）關鍵氣候響應區(qū)：區(qū)域水文地質研究重點關注以北極/高寒區(qū)和干旱/半干旱區(qū)為代表的全球關鍵氣候響應區(qū)。2025年，相關研究明確了活動層加深如何改變地下水流路徑，將原先被凍結的有機碳和古老地下水釋放。但仍然存在傳統(tǒng)手段在極寒、偏遠地區(qū)難以部署和維持的問題。對于干旱/半干旱區(qū)，研究的核心是極端水文事件和水壓力加劇背景下，地下水資源的可持續(xù)性。另外的熱點進展是將地下水人工補給作為核心適應策略，研究其效率與生態(tài)影響。

因此，對關鍵氣候響應區(qū)的研究，正推動形成“氣候應力—地下水流系統(tǒng)響應—資源與生態(tài)效應—適應性管理”的全鏈條研究新范式，智能計算在這些研究方向中已成為不可或缺的關鍵賦能工具。

3）特定地貌類型：2025年對喀斯特、河流盆地與海岸帶等特定地貌的研究，已從靜態(tài)描述邁入系統(tǒng)性認知與復雜性管理的新階段。“喀斯特生物多樣性計劃”被列為聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）國際科學10年項目，致力于構建跨中國西南、地中海、美國東南部的跨國觀測網(wǎng)絡與協(xié)作平臺。對河流盆地的探索則通過深鉆計劃和地層模擬，致力于從萬年尺度理解氣候與地貌演化的耦合規(guī)律。海岸帶管理則進入“立體分層”空間精細化時代，通過明確的生態(tài)評估和多尺度關聯(lián)研究來指導實踐。

4）礦山水文系統(tǒng)：采礦業(yè)是一個大規(guī)模、高強度、不可逆地擾動地下天然水循環(huán)和地質環(huán)境的人類活動。礦山水文地質研究一直是水文地質領域的核心突破點和重點方向。當前研究仍存在以下難點：

• 一是，廢棄礦井水?巖相互作用的物理化學耦合機理復雜，如何將室內試驗獲得的損傷系數(shù)、參數(shù)敏感性結果可靠地外推至現(xiàn)場尺度。

• 二是，水資源保護與共伴生礦產(chǎn)高效開采之間存在目標沖突，如何實現(xiàn)多資源的協(xié)同勘查與綠色開發(fā)，缺乏系統(tǒng)的技術標準和優(yōu)化模型。

2 關鍵技術：大模型、多模態(tài)與不確定性量化

未來水文地質建模的核心是將地學機理、領域知識深度嵌入到大模型架構中，并通過多模態(tài)數(shù)據(jù)與不確定性量化，構建出既高效又可靠、既智能又可解釋的“水文地質智能體”。

2.1 從數(shù)據(jù)驅動到物理信息融合

現(xiàn)有研究證明，水文地質研究在物理信息融合方面已超越概念，成為解決高維、非線性、多過程耦合等核心挑戰(zhàn)的實用路徑。

1）地下水滲流精細模擬與參數(shù)反演：研究人員提出了基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡的河渠系統(tǒng)地下水滲流模型（PI?RGSM），實現(xiàn)了單次訓練即可預測不同參數(shù)組合下流場的強大泛化能力，解決了在數(shù)據(jù)稀缺區(qū)同時進行“流場模擬”與“參數(shù)反演”的難題，同時，模型還能滿足水流方程的約束，模擬非均質、裂隙介質中的流動與遷移。

2）地表?地下水耦合過程與復雜系統(tǒng)模擬：最新的研究通過自然系統(tǒng)的高度復雜性及數(shù)值模型與智能技術的深度融合，建立了統(tǒng)一的控制方程并對沉積物?上覆水耦合系統(tǒng)進行同步求解。在上述統(tǒng)一框架中還可以直接植入氮循環(huán)等反應過程，實現(xiàn)從純水力模擬到水?生態(tài)耦合過程模擬的跨越。

2.2 大模型、多模態(tài)與不確定性量化

2025年，水文地質智能計算在大模型、多模態(tài)與不確定性量化3個關鍵技術方面，已從概念探索進入解決具體科學問題、提升業(yè)務能力的深化應用階段。

1）水文地質大語言模型：2025年的研究進展表明，在大模型應用方面，主要聚焦于自動化編碼、多源報告信息抽取與知識圖譜構建3大方向，當前正從通用向領域專用邁進，嘗試將專業(yè)知識注入通用模型。

2）多模態(tài)數(shù)據(jù)融合：當前，多模態(tài)數(shù)據(jù)融合的研究前沿已超越了單純追求算法創(chuàng)新，轉向以水文地質物理機制為核心驅動。這一轉變旨在通過物理規(guī)律引導多源數(shù)據(jù)的融合過程，從而提升對地下水系統(tǒng)結構、參數(shù)及動態(tài)過程更機理化、更透徹的認知水平，為水資源管理與地質安全保障提供了全新的技術支撐。然而，跨模態(tài)數(shù)據(jù)的對齊、標準化與統(tǒng)一表征是當前的主要瓶頸。

3）不確定性量化：面對水文地質固有的多源不確定性（地質結構、參數(shù)、邊界條件），2025年水文地質智能計算的研究重點從“追求單一最優(yōu)預測”轉向了“提供可靠的預測區(qū)間”。有研究提出了“物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡?不確定性”（PINN?UU）框架，將物理方程與參數(shù)不確定性空間統(tǒng)一求解，能夠在觀測數(shù)據(jù)極少甚至缺失的情況下，直接給出模型預測的概率分布。另有研究提出了一種全新反演方法（空間信息場生成器?集合平滑器（ES?SIFG）），專門針對小樣本、非均質含水層條件，提升參數(shù)識別與不確定性量化的能力。

2.3 開源、平臺與算力

水文地質智能計算的基礎設施已從提供單一工具，發(fā)展為支撐“物理機理—AI—數(shù)據(jù)—算力”閉環(huán)的協(xié)同生態(tài)，正加速整個學科從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅動，邁向更可靠、更智能、更具業(yè)務價值的物理信息融合新階段。

為了實現(xiàn)復雜的物理過程模擬與AI計算方法相結合，2025年出現(xiàn)了多個具有代表性的開源工具箱和平臺。如SMASH v1.0，可微分、可區(qū)域化的高分辨率水文建模框架，HydroModPy是一款基于Python的開源工具箱，這2種工具使研究者能更專注于融合方法本身，而非底層編碼。

3 前沿應用場景

2025年水文地質智能計算的核心研究范式已從數(shù)據(jù)驅動邁入了物理信息深度融合的新階段，在地下水滲流精細模擬與參數(shù)反演、地表?地下水耦合過程與復雜系統(tǒng)模擬等復雜場景中初步實現(xiàn)了從“黑箱預測”到“機理可信模擬”的跨越。然而，支持大模型的全面應用，如何將復雜的水文地質機理系統(tǒng)地編碼為機器可理解、可計算的約束條件，如何構建可用于大模型訓練的AI就緒數(shù)據(jù)集，以及如何建立與現(xiàn)有工程設計和管理規(guī)范相銜接的標準與流程等關鍵問題仍有待解決。

本文以淺埋煤層采空區(qū)特殊下墊面地表?地下水耦合過程與復雜系統(tǒng)模擬場景為例，提出了建立多源數(shù)據(jù)、多物理過程、多時空尺度模型的動態(tài)耦合與協(xié)同智能計算框架。

1）場景介紹：黃河流域形成了一種特殊的下墊面類型——采空塌陷和地裂縫，引起了流域水文環(huán)境和水文地質條件的變化。傳統(tǒng)的地下水?地表水耦合模型較少考慮這種裂隙應力對巖（土）體滲透性的影響，嚴重影響了模型的模擬精度（圖1）。

圖1 采空區(qū)特殊下墊面“地表水?采動裂隙?地下水”耦合過程示意

有研究表明，不考慮裂隙發(fā)育特征，傳統(tǒng)的水文模型在洪水過程的預測預報中誤差會放大至70%以上，甚至會完全失效。研究以窟野河流域為例，提出水文地質智能計算技術框架，在“保水采煤”“生態(tài)修復”和“煤炭保供”等多目標間，提供基于模擬推演和數(shù)據(jù)驅動的量化權衡依據(jù)（圖2）。

圖2 采空區(qū)特殊下墊面應用場景水文地質智能計算技術框架

2）數(shù)據(jù)融合與數(shù)字孿生體：整合基礎地質、基礎地理、水文地質、工程地質、水文氣象監(jiān)測、遙感影像等多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)AI?ready化處理，以獲取標準化的三維地質模型、采動裂隙網(wǎng)絡概率分布圖、時空連續(xù)的氣象水文場數(shù)據(jù)等。在此基礎上，將處理后的多源數(shù)據(jù)融合到統(tǒng)一的時空網(wǎng)格框架中，形成“數(shù)據(jù)立方體”。引入地學知識圖譜，建立數(shù)據(jù)間的語義關聯(lián)，構建動態(tài)知識增強的數(shù)字孿生體。

3）智能任務規(guī)劃與多模型協(xié)同調度：該階段主要目標是通過增強型智能體解析復雜任務，并動態(tài)規(guī)劃、調度各類專業(yè)模型。根據(jù)任務設計工作流，考慮模型間的動態(tài)耦合機制，確定在何種時間尺度、以何種數(shù)據(jù)格式進行模型間信息交換等。

4）知識驅動的專業(yè)模型與計算：引入物理約束的機器學習模型，解決采動裂隙?滲流關系無法精細模擬的問題；將巖體裂隙滲流理論作為內在約束，利用歷史觀測數(shù)據(jù)進行訓練，輸出能夠等效表征裂隙應力?滲流耦合關系的“等效滲透系數(shù)場”，解決了機理模型參數(shù)難以確定的難題。

5）情景推演、風險評估與決策優(yōu)化：系統(tǒng)自動生成多種預設情景（如極端降雨情景、不同礦區(qū)排水策略、不同廢棄礦山開發(fā)利用方案）。

6）閉環(huán)學習與優(yōu)化：平臺通過接收新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動啟動同化流程，反向校正優(yōu)化核心專業(yè)模型，使數(shù)字孿生體的模擬能力不斷提升。另外，系統(tǒng)每次的模擬?驗證循環(huán)，關鍵參數(shù)、模型配置和調度策略等都會整合進智能體，通過不斷學習逐步提升模擬效率和準確性，實現(xiàn)自我進化。

以上關鍵步驟可以構建一個能夠應對采空區(qū)特殊下墊面極端復雜性的動態(tài)、自適應、持續(xù)成長的智能計算模型。

4 結論

通過對2025年水文地質智能計算熱點回顧表明，水文地質智能計算正從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅動轉向物理信息融合范式，從解決單一問題的“技術點”突破，邁向重構從數(shù)據(jù)感知、知識挖掘到模擬決策的完整研究鏈條。下一步，要加快構建集成“感知—模擬—決策”閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)、多物理過程、多時空尺度模型的動態(tài)耦合與協(xié)同計算。展望2026年，期待水文地質領域能夠涌現(xiàn)出更多具有原創(chuàng)性和突破性的成果。

本文作者：董東林、姚宇鵬、張婉秋、林剛

作者簡介：董東林，中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，教授，研究方向為水文地質與工程地質；林剛（通信作者），中國科學院地理科學與資源研究所、中國科學院大學資源與環(huán)境學院，副研究員，研究方向為能礦資源水資源協(xié)同利用。

文章來 源 ： 董東林, 姚宇鵬, 張婉秋, 等. 2025 年水文地質智能計算熱點回眸[J]. 科技導報, 2026, 44(1): 70?77 .

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