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水利部將推進數(shù)字孿生水利建設(shè)作為發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力、推動水利高質(zhì)量發(fā)展、保障國家水安全的實施路徑，堅持“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”，加快構(gòu)建具有“四預”功能的數(shù)字孿生水利體系，為水利治理管理提供前瞻性、科學性、精準性、安全性支撐。水利部自2021年提出數(shù)字孿生流域以來，先后經(jīng)歷了 3 個階段：第 1 階段（2021—2022 年），主要是頂層設(shè)計階段，從行政、規(guī)劃、實施、技術(shù)等層面相繼出臺了一系列文件，明確了推進數(shù)字孿生水利建設(shè)的路線圖、時間表、任務(wù)書、責任單；第 2 階段（2022—2024 年），主要是先行先試階段，全面完成了數(shù)字孿生流域（含數(shù)字孿生水利工程）建設(shè)先行先試，數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)先行先試有序推進，3 年的先行先試，成果在應對各地流域防洪、水資源管理與調(diào)配、工程安全等業(yè)務(wù)工作中取得成功實踐，實現(xiàn)了多項突破，取得了經(jīng)驗和啟示；第 3 階段，自 2025 年起將進入全面推進階段，長江流域全覆蓋水監(jiān)控項目（即數(shù)字孿生長江）正加快實施，國家數(shù)字孿生水利建設(shè)工程（一期）即將立項建設(shè)，重大水利工程規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)實施、運行管理將全面落實數(shù)字孿生水利建設(shè)要求。

1 建設(shè)進展

自 2021 年 6 月水利部提出建設(shè)數(shù)字孿生流域以來，數(shù)字孿生水利建設(shè)有序推進，具體體現(xiàn)在頂層設(shè)計和先行先試 2 個方面。

1.1 頂層設(shè)計

水利部圍繞數(shù)字孿生水利建設(shè)，從行政、規(guī)劃、實施、技術(shù)等層面相繼出臺一系列文件。

1）在行政層面出臺的文件確定了數(shù)字孿生水利建設(shè)的工作要求。

2）在規(guī)劃層面出臺的文件明確了數(shù)字孿生水利建設(shè)的目標、任務(wù)。

3）在實施層面出臺的文件規(guī)定了實施數(shù)字孿生水利建設(shè)的路徑和工作措施。

4）在技術(shù)層面出臺的文件規(guī)定了規(guī)范了實施數(shù)字孿生水利建設(shè)的技術(shù)要求。

數(shù)字孿生水利建設(shè)頂層設(shè)計系列文件

1.2 先行先試

自 2022 年開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試以來，數(shù)字孿生水利框架體系構(gòu)建已基本完成，實現(xiàn)了數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)和數(shù)字孿生水利工程協(xié)同推進。主要從以下 4 個方面開展先行先試：

1）數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試。2022—2023 年，水利部開展了 56 家單位 94 項數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程建設(shè)先行先試工作。歷經(jīng)中期評估和案例評選，2023 年底—2024 年初圍繞完成情況、成果應用、共建共享情況和特色亮點等方面進行驗收總結(jié)。經(jīng)過多輪評審核查，評選出 28 項典型案例和十大樣板。在應用實戰(zhàn)方面，先行先試成果在流域防洪、水資源管理與調(diào)配、工程安全等業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮了重要作用。

2）數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)先行先試。自 2023 年 7 月至 2025 年，以水網(wǎng)先導區(qū)建設(shè)為抓手，同步推進數(shù)字孿生水網(wǎng)先行先試，探索形成一批可借鑒、可推廣的典型案例和經(jīng)驗，示范引領(lǐng)數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)。

3）數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試。自 2023 年至 2025 年，開展數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，在促進業(yè)務(wù)協(xié)同、創(chuàng)新工作模式、提升服務(wù)效能等方面不斷取得突破，形成一批可推廣、可復制的應用成果。

4） 測雨雷達建設(shè)與應用先行先試。構(gòu)建雨水情監(jiān)測預報“三道防線”，到 2025 年底，在重要流域暴雨洪水集中來源區(qū)、山洪災害易發(fā)區(qū)，以及大型水庫、重大引調(diào)水等工程防洪影響區(qū)完成測雨雷達建設(shè)與應用先行先試，凝練形成可復制、可推廣的成果。

2 發(fā)展思考

經(jīng)過 3 年的建設(shè)，由數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)和數(shù)字孿生水利工程組成的數(shù)字孿生水利框架體系基本構(gòu)建完成，算據(jù)獲取、算法優(yōu)化和算力提升取得突破，賦能洪水災害防御、水資源管理與調(diào)配等決策支持成效顯著。但總體來說，數(shù)字孿生水利建設(shè)仍處于初步應用和探索階段，存在算據(jù)不足、算法不強、算力不夠、預報不準和預演不實等問題，網(wǎng)絡(luò)安全隱患也普遍存在。

數(shù)字孿生水利作為一個體系，其中“三算”是重要建設(shè)內(nèi)容，“四預”是主要實現(xiàn)功能，網(wǎng)絡(luò)安全和保障體系是支撐。在“三算”中，算據(jù)是基礎(chǔ)，算法是關(guān)鍵，算力是支撐；在“四預”中，預報是基礎(chǔ)，預警是前哨，預演是關(guān)鍵，預案是目的。

數(shù)字孿生水利建設(shè)框架體系

下一步圍繞實現(xiàn)業(yè)務(wù)“四預”目標，應重點夯實算據(jù)和預報兩大基礎(chǔ)，突破算法和預演兩個關(guān)鍵，做實算力和網(wǎng)絡(luò)安全兩項支撐，并強化數(shù)字孿生水利建設(shè)在水利建設(shè)項目全生命周期的管理。

2.1 夯實兩大基礎(chǔ)

2.1.1 夯實算據(jù)基礎(chǔ)

算據(jù)是基礎(chǔ)，強化算據(jù)建設(shè)，可全面提升水利對象全要素和治理管理全過程監(jiān)測感知能力，推進物理對象監(jiān)測系統(tǒng)科學建設(shè)和高頻乃至在線運行。具體措施如下：

1）構(gòu)建與數(shù)字孿生水利相適應的監(jiān)測感知體系。只依靠地面監(jiān)測站網(wǎng)，投資大且難以全覆蓋，不具備現(xiàn)實可行性。因此必須以地面站網(wǎng)監(jiān)測為基礎(chǔ)，充分利用衛(wèi)星遙感、北斗衛(wèi)星、無人機、無人船、視頻和水下機器人等技術(shù)手段，構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)積累分析、實時數(shù)據(jù)同步交互、未來數(shù)據(jù)預測預演，為算據(jù)建設(shè)打牢基礎(chǔ)。

在構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌應用多種監(jiān)測技術(shù)裝備方法，形成在時空、范圍、精度和頻次等方面協(xié)同融合及互補協(xié)同的一體化技術(shù)體系。具體包括：a. 對象監(jiān)測感知一體化；b. 業(yè)務(wù)監(jiān)測感知一體化；c. 共建共享一體化；d. 數(shù)據(jù)融合一體化。

2）建設(shè)數(shù)據(jù)底板。有序匯集組織不同類型、形態(tài)、來源的數(shù)據(jù)，覆蓋基礎(chǔ)、監(jiān)測、業(yè)務(wù)管理、跨行業(yè)共享、地理空間等數(shù)據(jù)資源。其中，構(gòu)建地理空間數(shù)據(jù)底板是難點之一，可采取以下技術(shù)和方法進行建設(shè)：a. 三級地理空間數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)；b. 流域下墊面特征提取技術(shù)；c. 顧及水系連通性的 HDEM（Hydro DEM）構(gòu)建方法；d. 水上、水下地形數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

2.1.2 夯實預報基礎(chǔ)

建立以流域為單元的多維、多時空、全要素預報體系，通過預報為預警工作贏得先機，關(guān)鍵是延長預見期和提高精準度。

1） 延長預見期。主要通過構(gòu)建區(qū)域數(shù)值降雨預報模型、 強化水文氣象耦合延長預見期。

2） 提高預報精度。提高預報精度涉及多方面，其中基于同化模擬的模型精度提升技術(shù)是一種有效途徑，主要通過對模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)和狀態(tài) 3 個方面的同化模擬提升模型模擬精度。

3） 建設(shè)“三道防線”，實現(xiàn)延長洪水預見期與提高洪水預報精準度的統(tǒng)一。a. 第一道防線，指氣象衛(wèi)星和測雨雷達加降雨數(shù)值預報、產(chǎn)匯流水文、洪水演進水動力學 3 種模型，實現(xiàn)“云中雨”監(jiān)測預報并延伸產(chǎn)匯流及洪水演進預報。b. 第二道防線，指雨量站加產(chǎn)匯流水文、洪水演進水動力學 2 種模型，實現(xiàn)“落地雨”監(jiān)測并開展洪水形成演進預報。c. 第三道防線，指水文站加洪水演進水動力學模型，實現(xiàn)洪水演進過程監(jiān)測預報并延伸洪水演進傳導預報。

雨水情監(jiān)測預報“三道防線”

2.2 突破兩個關(guān)鍵

2.2.1 突破算法關(guān)鍵

數(shù)字孿生技術(shù)通過在數(shù)字世界中對物理對象建立模型，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的模擬、預測和優(yōu)化，這些都依賴于高效、精準的算法支持。具體措施如下：

1） 建設(shè)通用和專用模型組成的水利專業(yè)模型體系。水利部本級組織各流域管理機構(gòu)，共同建設(shè)水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水土保持、水生態(tài)、水利工程安全等水利專業(yè)通用模型；各流域管理機構(gòu)和省級水行政主管部門，充分結(jié)合本地區(qū)的自然地理條件、水資源特點及經(jīng)濟社會發(fā)展需求等因素，建設(shè)具有流域/區(qū)域特色的專用模型。

2） 建設(shè)機理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的水利專業(yè)模型。在建模時，同時考慮物理約束和可優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計滿足數(shù)據(jù)規(guī)律和物理機理約束的人工智能算法，結(jié)合大量實際觀測數(shù)據(jù)訓練，滿足水利“四預”業(yè)務(wù)要求。主要融合模式有：以并行模式共同輸出結(jié)果；以串行模式通過數(shù)據(jù)驅(qū)動，修正機理模型結(jié)果；以反饋模式通過數(shù)據(jù)方法，修正機理模型的相關(guān)模塊或參數(shù)；以引導模式實現(xiàn)知識或規(guī)則融入數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建模。

3） 研發(fā) AI 智能識別模型。針對傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感、視頻水利業(yè)務(wù)中依賴人工經(jīng)驗等問題，運用 AI 技術(shù)研發(fā)智能識別模型，攻克自動識別中存在的樣本標注依賴度高、復雜環(huán)境目標識別困難、多角度旋轉(zhuǎn)檢測框不準確等技術(shù)難題，研制臨河房屋、采砂場、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、攔河壩、光伏電板、大棚、耕地、片林、橋梁、碼頭、水體等河湖水域空間主要地物智能識別模型，提高識別效率和精度，解決傳統(tǒng)人工目視判讀效率低、主觀性強等難題。

2.2.2 突破預演關(guān)鍵

預演是關(guān)鍵，構(gòu)建全過程、多情景的模擬仿真防災預演體系，可為預案制定提供支撐。具體措施如下：

1） 構(gòu)建降雨—產(chǎn)流—匯流—演進綜合推演模型體系?；凇疤炜盏厮ぁ币惑w化監(jiān)測預報信息，構(gòu)建集氣象模式、水文模型、水力學模型、水庫調(diào)度模型于一體的降雨—產(chǎn)流—匯流—演進全過程滾動預報和綜合推演體系。利用衛(wèi)星遙感、無人機等各類數(shù)據(jù)，實時調(diào)整二維水動力學模型計算邊界和模型參數(shù)，研發(fā)邊界搭接耦合和重疊耦合等空間網(wǎng)格匹配技術(shù)，形成適用于不同耦合邊界條件的時空耦合方式。

2） 構(gòu)建基于超額水量分配與輪庫補償?shù)穆?lián)合調(diào)度逆向計算模型。輪庫補償?shù)罁?jù)“自上而下”的順序，充分考慮水庫之間的水文、水力、庫容補償效益，以水位控制、出庫控制、錯峰補償、預報預泄等為目標，采用最優(yōu)化算法快速生成防洪調(diào)度方案。超額水量分配依據(jù)“自下而上”的順序，先給定下游防洪控制節(jié)點的控制條件，再綜合考慮水庫的空間位置、空閑庫容、入庫洪水過程及后續(xù)降雨 4 個因素，自動生成上游工程群的安全運行邊界條件。

3） 在數(shù)字流場中按照“正向—逆向—正向”的思路，及時推演水工程調(diào)度方案。“正向”預演風險形勢和影響，標定洪水威脅區(qū)域“；逆向”快速推演流域水工程運用次序、時機、規(guī)模，決策最優(yōu)方案；再“正向”模擬推演、優(yōu)化方案。在發(fā)生應急事件時，要在數(shù)字流場中改變約束條件，動態(tài)設(shè)置目標與邊界條件，結(jié)合最新的 GIS 和 DEM 數(shù)據(jù)，快速計算出洪水淹沒范圍，并重新推演水工程調(diào)度方案，為險情處置提供決策支持。

2.3 做實兩項支撐

2.3.1 做實算力支撐

數(shù)字孿生水利建設(shè)，算力是支撐。隨著數(shù)字孿生水利建設(shè)和 AI 的運用，數(shù)據(jù)需求大幅增長，特別是區(qū)域降水預報模式和預演需求的顯著提升導致計算需求猛增，常規(guī)通用算力已不能滿足要求，需要擴充計算資源，升級通信網(wǎng)絡(luò)。具體分析如下：

1） 擴充計算資源。按照“集約高效、共享開放、按需服務(wù)”的原則，提升物理分布、邏輯集中、協(xié)同工作的高性能算力，采用自建專有云、高性能計算集群，有條件的可利用超算中心資源，重點滿足相控陣雷達、區(qū)域降雨預報、分布式水文模型、格網(wǎng)化水力學模型等超大規(guī)模方程團迭代解算，以及精細化時空分析、海量數(shù)據(jù)挖掘、大場景渲染展示等情景所需的高性能海量計算需求。

2） 升級通信網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)水利系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無盲區(qū)、無死角互聯(lián)，滿足各類信息及時高效傳輸要求，需要充分利用通信衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、5G 等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保障監(jiān)測站網(wǎng)在極端惡劣環(huán)境下的安全可靠傳輸。尤其針對斷電、斷網(wǎng)、斷路情況，需要強化重點區(qū)域、點位的韌性建設(shè)，確保在惡劣天氣條件下信息測得到、報得出、報得及時。

2.3.2 做實網(wǎng)絡(luò)安全支撐

數(shù)字孿生水利建設(shè)將形成海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)安全應用面臨嚴峻挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)底板的部分高精度地理空間數(shù)據(jù)成果涉及秘密，但防汛等業(yè)務(wù)需要在非涉密環(huán)境應用，為此，應加強數(shù)字孿生水利網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)。具體措施如下：

1） 地理空間數(shù)據(jù)安全應用。對于水利基礎(chǔ)矢量、DOM 等數(shù)據(jù)，利用已有高精度地形數(shù)據(jù)成果加工處理生成的河道斷面等各類地理空間數(shù)據(jù)，采用國家認定的地理信息保密處理技術(shù)進行處理，調(diào)整各類水利對象平面位置的絕對定位精度，形成在非涉密環(huán)境下使用的數(shù)據(jù)成果。其中，對于分辨率優(yōu)于 0.5 m 的 DOM 數(shù)據(jù)，先重采樣至0.5 m，再進行處理。

2） 嚴格水利信息網(wǎng)的防護。按照《網(wǎng)絡(luò)安全法》《數(shù)據(jù)安全法》《密碼法》《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護條例》，以及網(wǎng)絡(luò)安全等級保護 2.0 等法律法規(guī)的要求，同步開展網(wǎng)絡(luò)安全體系設(shè)計、實施和使用，強化水利業(yè)務(wù)網(wǎng)、工控網(wǎng)安全防護，尤其要保障關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

3） 全生命周期數(shù)據(jù)安全防護。在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、使用、共享等方面通過密碼技術(shù)強化全生命周期防護。采集環(huán)節(jié)，嚴格采集管理，確保數(shù)據(jù)來源合法合規(guī)；傳輸過程，采用密碼等技術(shù)保障數(shù)據(jù)安全；存儲階段，實施數(shù)據(jù)加密與備份，防止數(shù)據(jù)泄露和丟失；使用時，落實訪問控制與審計機制；共享環(huán)節(jié)，強化審批與脫敏處理；銷毀階段，確保數(shù)據(jù)徹底清除，防止數(shù)據(jù)恢復。

2.4 強化全生命周期管理

要確保數(shù)字孿生水利可持續(xù)發(fā)展，必須確保數(shù)字孿生技術(shù)貫穿水利工程的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行維護全生命周期。

在水利建設(shè)項目規(guī)劃階段，應同步規(guī)劃、專題論述數(shù)字孿生水利建設(shè)內(nèi)容。例如在新修訂的流域防洪規(guī)劃和即將編制的“十五五”水安全保障規(guī)劃中，都應專題論述數(shù)字孿生水利建設(shè)相關(guān)內(nèi)容。

在水利建設(shè)項目設(shè)計階段，應按照《水利部辦公廳關(guān)于進一步加強重大水利工程雨水情監(jiān)測預報“三道防線”、安全監(jiān)測、數(shù)字孿生設(shè)計工作的通知》要求，在重大水利工程可研和初步設(shè)計階段編制數(shù)字孿生水利設(shè)計專題報告。

在水利工程建設(shè)階段，新建工程要按照《水利部關(guān)于推進水利工程建設(shè)數(shù)字孿生的指導意見》，同步開展數(shù)字孿生水利工程設(shè)計和建設(shè)，發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)對水利工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的驅(qū)動作用。

在水利工程運行維護階段，已建工程要按照《水利部關(guān)于推進水庫、水閘、蓄滯洪區(qū)運行管理數(shù)字孿生的指導意見》要求，強化數(shù)字孿生水利建設(shè)，推動已建水利工程運行管理數(shù)字賦能和轉(zhuǎn)型升級。