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数字孪生黄河建设通过应用数字孪生、人工智能、移动通信以及互联网等技术，对黄河保护治理工作进行智能化管理，实现实时监测、精准预警、高效指挥调度和科学决策。为给黄河流域乃至全国范围内的数字孪生水利建设提供参考，分析了黄委“三条黄河”体系建设，特别是数字孪生黄河建设进展及成效。围绕黄河下游河防工程安全和提升洪水防御能力，提出了数字孪生黄河河防工程建设的重点，即加强“天空地水工”一体化监测感知网建设，建立数据汇聚治理标准和更新机制、完善河防工程数据底板，加快数学模型与河防工程数据底板的耦合应用，强化“三条黄河”联动和加强业务应用等。
为了做好数字孪生黄河数据治理管理工作，夯实数字孪生黄河数据基础，在总结分析黄河数据存储与管理情况基础上，针对存在的主要问题，从数据治理体系、算力支撑体系、安全保障措施等方面进行了分析和研究，依据“一数一源一路径、一数多用”原则，构建数字孪生黄河数据治理体系，按照“整合已建、统筹在建、规范新建”原则构建“1+X+1”数字孪生黄河算力支撑体系，完善容灾备份体系和数据安全防护措施。以黄河流域（片）水库数据为例，开展了数据治理实践，形成了涵盖黄河流域（片）3 673座水库的治理成果数据，表明开展数字孪生黄河数据治理是可行的。
为有效支撑黄河流域生态保护科学决策，以数字化、网络化、智能化为主线，针对流域生态环境特征，构建黄河流域生态保护数字孪生平台，设计包含信息化基础设施、数据底板、模型与技术仿真、业务应用等的模型框架。通过对水资源、水生态、水环境监测数据归类整编，建立全流域数据体系。采用一体化数据采集与监测、大数据集成与分析、云计算与边缘计算融合、数字孪生建模与仿真等技术，实现生态环境状况、自然保护地分布、生态流量保障等生态环境要素的数据汇聚呈现。通过平台生态数据可视化展示、生态模拟和生态透视应用实践，展示了黄河流域水功能区划及统计情况、河口三角洲重点保护动植物演化情况、土地利用类型演变情况、黑山峡水利枢纽工程对景泰石林淹没范围，提升了黄河流域生态保护多源数据汇聚治理和科学决策水平。
为推动新阶段水利高质量发展，持续推进数字孪生黄河建设，构建基于数字孪生的焦作沁河“四预”一体化平台，探索了沁河焦作段数字孪生建设的关键技术和应用场景构建。关键技术包括水利专业模型构建和高仿真数字孪生仿真引擎，利用高性能集总式水文模型、高效能洪水演进模型和可视化灾情评估模型进行洪水预报、预演模拟和灾情评估，通过多维多时空尺度数据，构建“空天地”一体化数据底板，形成集动态监测、预报、预警、预演、预案的焦作沁河“四预”一体化平台。阐述了平台基础架构、功能和应用成效。该平台投入应用后，将实现沁河洪水预报调度结果在数字地图中的动态交互、实时融合和仿真模拟，可以更精准地研判汛情，达到及时预警、快速响应的效果，为洪涝灾害防御争取最大主动权，有效提升焦作沁河流域防汛监测预警能力及科学决策能力，同时为其他中小流域“四预”平台建设提供建设思路和案例参考。
为探究X波段水利测雨雷达在黄河三小区间的适用性，基于小浪底水利枢纽库区的雷达和雨量站监测数据，通过均方根误差、相关系数、相对平均偏差、平均相对误差、结构相似度、峰值信噪比等多项指标对雷达监测降雨量和临近预报降雨量的准确度进行评估。结果表明：雷达监测降雨量与雨量站监测降雨量较为接近，离散度低，相关系数均大于0.500，均方根误差均小于6.000 mm，平均相对误差的绝对值均小于0.130；雷达监测面雨量与雨量站插值面雨量的降雨落区基本吻合，雷达测值总体高估，尤其是强降雨中心区明显偏大，但在雷达探测边缘区域存在一定低估；雷达面雨量图的整体细节和轮廓特征较明显，监测精度显著高于雨量站；雷达1、3 h预报场和实况场整体形态大体吻合，降雨落区较为接近，3 h预报效果较1 h预报效果有所减弱；预报评分随降雨量阈值增大而减小。
为了解决当前临近降水预报模型无法学习雷达回波图像在空间和时间维度上的非线性特征变化问题，提出一种基于变分自编码器（VAE）的临近降水预报模型。1）通过构建变分自编码器在潜在空间上定义一个概率分布函数，进行雷达回波图像重构。2）引入自注意力机制学习雷达回波图像在空间和时间维度上的依赖关系。3）引入离散的潜在空间来捕捉雷达回波图像复杂的上下文语义信息。基于SEVIR数据集进行模型的性能评估实验，与Simvp和PhyDNet两个代表性的临近降水预报模型进行对比，通过设计消融实验评估本模型中每个模块的有效性。结果表明：本模型能够准确预测未来5帧的雷达回波图像，预测精度比Simvp和PhyDNet模型高，每个模块的引入都能够对临近降水预报模型的性能提升有所贡献。
为提升黄河流域水利业务决策效率与智能化水平，引入大语言模型（LLM）与知识图谱技术，构建数字孪生黄河知识平台。针对传统知识图谱在动态业务场景中存在的知识存储静态化、非结构化数据处理能力不足等问题，提出基于LLM的水利知识问答机制与模型调用机制，研发文档办公助手、防洪“四预”助手、历史场景匹配、知识检索等功能；提出加权统计自适应距离计算方法，减少多属性相似度匹配中量纲差异与极值干扰问题。实际应用情况表明，该平台显著提升了防洪决策响应速度与历史场景匹配精度，水文模型调用准确率由43%提升至72%，距离域由500.00~4 100.00减小至0.48~0.72，可为黄河流域水利业务决策提供高效、可靠的知识服务支撑。
提升生态效率是全面落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的本质要求，然而在生态文明建设的快速推进中存在的工农业用水效率低、能源产业转型缓慢等问题阻碍着生态效率的提升。为了探讨数字经济与新质生产力对黄河流域生态效率的影响、给尽快提升黄河流域生态效率提供参考，在分析数字经济和新质生产力对生态效率的影响机制基础上，依据2012—2022年黄河流域九省（区）面板数据，运用Super-SBM模型测算生态效率，采用熵值法测算数字经济发展水平、新质生产力发展水平，进而构建空间杜宾模型实证分析数字经济与新质生产力对黄河流域生态效率的影响及其空间溢出效应，构建门槛效应模型检验数字经济与新质生产力对生态效率的影响是否具有阶段性、非线性。结果表明：1）黄河流域生态效率在研究期初短暂下降后呈现稳步上升趋势，研究时段末在空间上呈现下游地区>上游地区>中游地区的格局；2）数字经济、新质生产力对生态效率均具有显著的正向影响，且具有空间溢出效应；3）数字经济和新质生产力对生态效率的影响具有阶段性和非线性，且均存在双重门槛，只有二者相互协调才能充分发挥正向作用；4）黄河上、中、下游地区各省（区）应根据各自的数字经济发展水平和新质生产力发展水平，采取能使二者协同的差异化生态效率提升策略，同时积极与周边省（区）联动，共同提升流域整体生态效率。
为科学评价黄河流域高质量发展水平、探讨其空间分异状况及其影响因素，进而为推进黄河流域高质量协同发展提供政策选择的切入点，基于强可持续发展理念，依据黄河流域81个地级市2011—2020年面板数据，采用超效率混合测度模型测度全要素生产率并以此表征高质量发展水平，运用Dagum基尼系数及莫兰指数考察其时空分异特征，运用空间杜宾模型探讨其影响因素及空间溢出效应。结果表明：1）黄河流域高质量发展水平呈波动上升趋势，效率变动效应的阶段性恶化阻碍高质量发展，技术进步效应是高质量发展的主要驱动力但其已呈现乏力迹象；2）黄河流域高质量发展水平的空间差异明显且呈增大之势，上、中、下游各地区内部以及各地区间全要素生产率的空间非均衡性呈现同步增强趋势，区域间差异是引致流域高质量发展空间差异的主因；3）黄河流域各地级市高质量发展水平存在显著的空间关联性；4）环境规制、科技创新、对外开放、城镇化等是高质量发展的稳定驱动因素，各驱动因素具有不同的空间溢出效应。
为探讨黄河流域城市绿色技术创新对碳排放强度的影响及其空间溢出效应，并为推进黄河流域生态保护和经济绿色低碳转型高质量发展提供参考，基于2005—2021年黄河流域79个地级市的面板数据，测算黄河流域城市绿色技术创新水平、碳排放强度，运用空间杜宾模型进行回归并进行稳健性检验，分析绿色技术创新对碳排放强度的影响及其空间溢出效应、区域异质性和资源禀赋异质性，结果表明：1）研究期黄河流域城市绿色技术创新水平稳步提高、碳排放强度显著下降，二者在空间上均呈现显著的非均衡性；2）城市绿色技术创新可有效降低碳排放强度，且对邻近城市的间接降碳减排效应大于对本市的直接降碳减排效应；3）城市绿色技术创新的降碳减排效应具有区域异质性和资源禀赋异质性，下游地区城市绿色技术创新具有显著的空间溢出效应而中上游地区城市绿色技术创新尚未形成显著的空间溢出效应，资源型城市绿色技术创新的直接效应较大而非资源型城市绿色技术创新的间接效应较大；4）城市绿色技术创新影响碳排放强度的空间溢出效应随地理距离增大呈现N形变化，最佳地理距离为600 km。建议：1）继续加大对黄河流域绿色技术创新的支持力度，强化绿色技术创新人才培养与引进等，以提升绿色技术创新能力；2）构建多城市协同的绿色技术创新体系，完善绿色技术扩散机制等，以充分发挥中心城市、下游地区城市、非资源型城市绿色技术创新的空间溢出效应，使绿色技术创新对流域整体降碳减排发挥更大作用。
数智化在推动黄河流域高质量发展方面发挥着重要的作用。基于文本分析对黄河流域九省（区）2016年至2023年的数智化发展水平进行测度，并采取时序分析、Dagum基尼系数、局部莫兰指数、时空跃迁法和自然断点分级法等方法，探究数智化发展水平的时空演变特征。研究发现：黄河流域数智化发展水平整体上稳步上升，但增速高的区域较少。此外，受资源禀赋的影响，黄河流域数智化发展水平存在显著的空间异质性，且朝着两极化方向发展，下游区域数智化发展水平高于上、中游。因此，提出加强基础通信设施建设，完善配套政策，加强区域合作，建立数据、技术共享平台等措施，发挥政策“乘数效应”，统筹区域间的协调发展，加速数智化建设。
青海省西宁市是黄河流域地处高寒地区具有典型代表性的城市，承载着推动新时期能源革命的重要使命。以该市为研究对象，运用重新定义的泰尔指数、产业结构升级指数、核密度估计、标准差椭圆、时空地理加权回归模型等，研究产业结构优化对碳收支平衡的影响。结果表明：2000—2021年西宁市整体为明显的碳源区，各县域碳收支平衡比具有时间增效性的低值集聚特性但趋势有所放缓，碳赤字现象由主城区向外围扩散；产业结构合理化、产业结构高级化与碳收支平衡比空间关联性逐渐增强，对碳收支平衡均产生正向影响，但通过产业结构升级促进碳收支平衡仍需要进一步强化；城镇化和经济发展对碳收支平衡表现出负向影响但负向影响均减弱，西宁市正逐渐从粗放式经济增长转向绿色低碳经济增长，在实现城镇化与生态系统质量提升的双赢中成效明显；政府干预对碳收支平衡的正向影响先减弱后增强，干预方式的不同导致对碳收支平衡影响方向的差异。未来西宁市应通过大力推动科学技术进步、强化产业结构合理化和高级化协同发展、提高城镇化发展质量和适度适合的政府干预等方式推动产业结构优化和“双碳”目标实现。
为揭示黄河流域城市群碳排放脱钩效应及其关键影响因素，制定科学有效的碳减排政策，落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略，综合采用Tapio脱钩指数模型和LMDI模型，分析2001—2020年黄河流域城市群的碳排放脱钩状态及其时空变化，识别影响城市群碳排放脱钩的关键因素，提出各城市群绿色低碳发展的对策和建议。结果表明：1）黄河流域各城市群碳排放量均呈上升趋势，碳排放量从大到小依次为山东半岛城市群、中原城市群、关中平原城市群、兰西城市群、晋中城市群、呼包鄂榆城市群、宁夏沿黄城市群。2）黄河流域城市群碳排放脱钩状态以弱脱钩为主，但碳排放脱钩指数总体随时间增大；按照现有的经济发展模式，短期内黄河流域城市群经济发展难以摆脱对化石能源的依赖，碳减排任重而道远。3）能源强度、人均GDP、技术水平和实体经济人口承载强度是影响黄河流域城市群碳排放脱钩的主要因素，提高能源利用效率和技术水平、优化产业结构、增强实体经济人口承载强度可有效推动经济增长和碳排放达到理想的脱钩状态。
水库拦沙运用后，会使得下游河道发生冲刷下切，甚至河型发生改变，对涉水工程的安全产生一定的影响。为掌握黄河下游冲刷发展规律，根据小浪底水库拦沙运用以来的水沙及断面观测资料，分析下游河道累计冲刷量、平均冲刷深度、最大水深、纵剖面和横断面形态变化特征，研究水沙和边界条件对冲刷效率的影响。结果表明：1999年汛后至2022年汛后，下游河道累计冲刷了22.76亿m3，呈现出“冲刷上多下少，沿程分布不均”的特点，其中70%发生在高村以上，30%在高村以下。河道纵比降上段和下段增大，而中间段比降减小，整个纵剖面变得更为下凹。河槽发生明显展宽和下切，河宽增幅上大下小，水深增幅上小下大。河床粗化，中值粒径增大幅度为6%～79%，河道冲刷效率明显降低。水库坝下河道冲刷效率与洪水平均流量和前期累计冲刷量密切相关，当花园口以上河段累计冲刷量达6亿t、流量为2 000 m3/s时，未来冲刷效率将降低为-2.9 kg/m3。
基于随机森林模型，利用祖厉河流域4个典型水文站2001—2020年的水沙过程及气候实测资料，在流域尺度进行水沙动态模拟及归因分析。结果表明，随机森林模型对祖厉河流域的水沙模拟有很好的适用性，模拟精度高，绝大多数水文站的纳什效率系数（NSE）大于0.5，但对于数据峰值的模拟较差。2001—2020年，祖厉河流域气候整体呈现暖湿化趋势，径流整体呈现上升趋势，年输沙量呈现下降趋势。2010—2020年，祖厉河流域的径流变化主要受气候变化影响，其贡献率为197.59%；泥沙变化主要受人类活动的影响而减少，其贡献率为162.46%。
为提高洪水易发性建模精度，针对非洪水点样本选择问题，提出一种考虑空间依赖性的非洪水点采样方法（逆频率比采样法）。以伊河流域为例，首先将逆频率比采样法与两种传统采样方法（随机采样法和分层采样法）进行比较；然后将其分别应用于随机森林（RF）和多层感知机（MLP）两种机器学习模型进行洪水易发性建模。结果表明：1）与随机采样和分层采样相比，基于逆频率比采样法生成的非洪水点空间分布格局出现显著差异，与高程呈现反向梯度关系；2）基于逆频率比采样法的机器学习模型精度皆高于分层采样与随机采样。对于RF模型而言，基于逆频率比采样、分层采样和随机采样构建模型的ROC曲线下面积AUC值分别为0.97、0.94和0.90；而对于MLP模型，其值分别为0.90、0.87和0.86。提出的非洪水点采样方法一定程度上提升了基于机器学习洪水易发性建模精度。
小浪底水库是黄河下游防洪保安的重要战略性工程，投入运用20多a来，黄河水沙情势、下游河槽过洪能力、水库泥沙淤积以及滩区防洪形势均发生了较大变化，尤其是推进黄河流域生态保护和高质量发展战略和坚持以人民为中心的发展思想，对黄河下游滩区防洪保安提出了新的要求。目前小浪底水库处于拦沙后期，水库的防洪库容较设计防洪库容大，有条件利用富余的库容进行防洪保滩运用。研究表明，在确保小浪底大坝防洪安全前提下，前汛期水库防洪保滩运用上限水位为258.8 m，后汛期水库保滩运用上限水位为259.5 m。综合洪水输沙能力、滩区淹没影响以及河道平滩流量变化等因素，选取下游保滩流量为4 500～5 000 m3/s，经不同组合洪水调节计算，前汛期小浪底水库可保证5～10 a一遇上大洪水下游不漫滩，后汛期可保证5 a一遇洪水下游不漫滩。按照2000年以来黄河实测来沙水平，数学模型预估小浪底水库能够维持现状保滩标准的时间为10 a左右。鉴于当前黄河下游滩区安全建设滞后，建议深化细化小浪底水库防洪保滩运用方案，明确水库保滩运用时机、水位和调度方式，为中下游洪水调度决策提供技术支撑。
为探究居民节约集约用水深层次驱动因素和响应路径，采用刺激-机体-反应（SOR）理论构建居民节约集约用水行为研究框架，整合动机-机会-能力（MOA）模型和技术接受模型（TAM），构建MOA-TAM框架，选取南水北调受水区的717份微观调研数据，利用结构方程模型并结合Dematel因果关系检验法进行分析。结果表明：采纳动机和采纳能力正向影响居民节约集约用水行为，感知易用性和感知有用性在采纳机会与居民节约集约用水行为之间发挥完全中介效应及链式中介效应，采纳机会在整体系统的中心度最高，提升采纳机会对模型其他维度产生积极影响。建议通过强化居民动机与能力培养、促进居民感知提升以及优化外部条件支持，培养居民节约集约用水行为。
为了解陕西省水资源脆弱性状况，基于压力-状态-响应（PSR）模型构建评价指标体系，利用2013—2022年陕西省的统计数据，运用模糊集对分析法对其水资源脆弱性等级进行评价，并通过分析各指标与准则层脆弱性等级、准则层脆弱性变化趋势与系统脆弱性的关系，深入剖析其水资源脆弱性变化的原因。结果表明：陕西省水资源脆弱性由2013年的极脆弱等级逐渐降低到2022年的轻脆弱等级，水资源状况不断改善；准则层指标脆弱性等级和准则层脆弱性等级大体与系统综合脆弱性等级变化趋势一致，且响应准则层的脆弱性等级最接近陕西省综合脆弱性等级。针对陕西省水资源脆弱性情况和变化原因，提出了构建压力识别-状态预警-韧性响应三位一体的管理体系、创新政府-市场-社会多元的水资源脆弱性共治模式等建议。
为探究河南省产业集群工业经济与用水脱钩状况及驱动机制，基于Kaya恒等式扩展与对数平均迪氏指数（LMDI）分解方法，构建工业用水Tapio脱钩驱动效应模型，系统评估了2010—2016年河南省传统支柱产业集群的工业用水脱钩状态及其驱动机制。结果表明：1）该集群整体实现了工业用水与产出的强脱钩，总脱钩效应为-2.200；2）节水进步效应为主要正向驱动因子，并呈现持续增长趋势，2015—2016年贡献率达-88.8%；3）工业规模效应是主要的负向驱动因子，贡献率持续下降，由2011—2012年的100%下降至2015—2016年的47.8%；4）用水效益效应在2013—2014年由正向驱动反转为负向驱动，2015—2016年的贡献率达到52.2%；5）工业结构具有稳定的正向驱动效应，对工业用水脱钩的贡献率变化不大；6）煤炭开采和洗选业，电力、热力生产和供应业，化学原料和化学制品制造业，黑色金属冶炼和压延加工业，非金属矿物制品业，纺织业6个行业为驱动用水脱钩的主要行业。实际应用表明，工业用水Tapio脱钩驱动效应模型不仅可实现区域工业用水脱钩效应的多维分解与行业识别，还可为工业产业集群的节水治理与政策制定提供技术支撑。
针对昌吉州西部平原区，深入探讨2000—2020年地下水埋深变化与人类活动强度的时空关联特征。基于普通克里金插值方法对地下水埋深进行空间插值，综合考虑人口密度、地区生产总值、用电量、人类活动关键区面积占比等指标构建人类活动强度（HAI）模型，并通过重心迁移模型和双变量局部空间自相关法，分析地下水埋深与人类活动强度在时空上的分布特征及其相互关系。结果表明：研究区地下水位整体呈现先下降后上升趋势，其中地下水埋深≥60 m的面积占比2000年为6.96%，到2015年增长为15.51%，而2020年减少至12.22%；人类活动高强度区域面积占比从2000年的1.03%增大至2020年的3.41%，中高强度区域面积占比从2000年的35.36%增大至2020年的50.72%；地下水埋深时空变化与人类活动强度呈显著正相关空间集聚特征，尤其是南部人口密集和经济活动集中的区域呈现高高集聚，且地下水埋深重心与人类活动强度重心变化整体均为东南向西北方向迁移。
河岸植被缓冲带是水陆交错带生态系统，在土壤固碳方面具有重要作用。以黄河下游河岸带的白茅、艾蒿、柽柳、狗牙根、看麦娘5种典型植物群落土壤为研究对象，研究不同植物群落土壤有机碳分布特征，并运用相关性分析、主成分分析与线性回归分析方法探究土壤有机碳含量与土壤理化指标的关系，明确影响河岸带土壤有机碳含量的主要影响因素。结果表明：不同植物群落土壤有机碳含量为0.25~6.73 g/kg，均值为1.91 g/kg；0~30 cm土层狗牙根、看麦娘土壤有机碳含量均显著高于艾蒿、柽柳、白茅的；河岸带土壤有机碳含量与土壤含水率、速效钾含量、速效磷含量、碱解氮含量、黏粒含量均为极显著正相关关系，土壤有机碳含量与土壤砂粒含量为极显著负相关关系；土壤容重、含水率、碱解氮含量和速效钾含量对0~30 cm土层土壤有机碳含量变异贡献率高达92.3%。
土地利用变化是引起碳储量变化的主要因素之一。基于2010—2020年濮阳市土地利用数据，采用PLUS-InVSET模型预测自然发展、经济发展、耕地保护、协调发展4种情景下2035年濮阳市土地利用类型及碳储量时空变化，结果表明：2010—2020年濮阳市土地利用类型主要为耕地和建设用地，碳储量呈持续减少趋势；与2020年碳储量相比，自然发展情景碳储量减少最显著，耕地保护情景碳储量增加；碳储量变化与土地利用类型变化关系密切，土地利用类型发生转移时碳储量随之变化。
乌梁素海是黄河流域重要的生态屏障，水生态环境逐步改善，但仍存在水质污染、生态功能退化等突出问题。在分析乌梁素海水量、水质变化的基础上，对驱动湖体水质变化的影响因素进行了分析，结果表明：乌梁素海历经发展基本形成了湖面面积、湖体水位、蓄水量相对稳定的湖体形态；乌梁素海入湖水量呈波动变化，生态补水效果明显，入湖水质及湖体水质显著改善，年内变化上各水质指标1—3月波动较大，年际尺度上4种典型水质指标均呈下降趋势；生态补水是乌梁素海水质改善的重要原因，尤其对化学需氧量和总氮质量浓度的削减作用明显，农业面源污染是乌梁素海水体污染的主要原因，湖底沉积物的负面影响逐渐增强，水生植物在改善水质的同时存在自身分解造成水体污染的风险。
为研究极端降雨条件下路基两侧积水入渗对黄河淤背区粉土路基湿度场的影响，基于省道312郑州境改建工程，使用GIS和MIKE模拟了郑州“7·20”降雨条件下路基两侧积水深度，通过GeoStudio模拟分析了不同地下水埋深、边坡坡比和边坡高度的路基在积水入渗作用下湿度场的变化特征。结果表明：含水率受地下水位和土质的影响，与路基高度成指数关系；积水入渗过程中右侧边坡含水率变化幅度与地下水位成指数关系；左侧边坡上路堤底入渗距离随坡率的减小而减小，右侧边坡趋势则相反；右侧边坡含水率增幅与边坡高度近似成线性关系。
为准确探明潭山水库渗漏险情，提出了多方法联合渗漏探测方案，综合采用拟流场法、物探法（包括高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法）和示踪法等多种探测技术，并结合地质勘探进行综合分析。研究结果表明，渗漏主要由库内经坝基岩体裂隙渗向下游，在消力池浆砌石边墙处流出；渗漏通道主要位于大坝坝体以下的全风化灰岩层。该综合探漏方案，通过拟流场法揭示渗漏总体分布，利用物探法探测富水及高含水率区域，结合示踪法判断渗漏源及路径，能够为相似复杂渗漏探测及抢险加固提供参考。
