劉海瑞，奚 歌，金 珊

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

我國實(shí)行流域和區(qū)域管理相結(jié)合的水利管理體制，從水文水資源管理的科學(xué)角度，流域管理對(duì)于水利管理至關(guān)重要。因此，實(shí)現(xiàn)水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化必須建設(shè)數(shù)字流域，打造智慧流域，提升流域管理智慧化和精細(xì)化水平。李國英部長指出，充分利用數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等信息技術(shù)，建立覆蓋全域的水資源管理與調(diào)配系統(tǒng)，推進(jìn)水資源管理數(shù)字化、智能化、精細(xì)化。數(shù)字孿生(Digital Twin)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域、智慧流域的有效技術(shù)路線。當(dāng)前，各大流域均開展過多輪信息化建設(shè)，為進(jìn)一步提升流域管理智慧化和精細(xì)化奠定了較好基礎(chǔ)。同時(shí)，現(xiàn)有流域信息化建設(shè)距離基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化的要求還有差距，需要應(yīng)用新技術(shù)不斷提升流域管理智慧化和精細(xì)化水平。

1 總體架構(gòu)分析

水旱災(zāi)害防御和水資源管理與調(diào)配是水利行業(yè)的重要職責(zé)，李國英部長在不同場(chǎng)合多次強(qiáng)調(diào)通過信息技術(shù)提升水旱災(zāi)害防御能力和水資源管理與調(diào)配能力，并明確提出了提升“四預(yù)”(預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案)能力的要求。按照“實(shí)時(shí)感知、數(shù)字映射、智慧模擬、智能應(yīng)用”的智慧水利特征，應(yīng)該構(gòu)建以“2(水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配)+N”智能應(yīng)用為重點(diǎn)，以網(wǎng)絡(luò)安全體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管理制度為保障的智慧流域總體架構(gòu)(總體架構(gòu)如圖1所示)，覆蓋流域管理各項(xiàng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)流域管理“四預(yù)”，支撐流域管理工作的精準(zhǔn)化決策。

圖1 智慧流域總體架構(gòu)圖

2 提升感知能力，夯實(shí)數(shù)字映射基礎(chǔ)

數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，智慧流域建設(shè)的基礎(chǔ)也是數(shù)據(jù)。當(dāng)前，感知不足仍然是智慧流域的短板，由于感知不足導(dǎo)致流域的數(shù)字化映射不夠，難以滿足智慧流域的需要。李國英部長指出，要強(qiáng)化科技引領(lǐng)，推進(jìn)建立流域洪水“空天地”一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了解決感知不足的問題，必須從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，提升信息采集能力，夯實(shí)數(shù)字映射的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 完善流域江河湖泊和水工程監(jiān)控體系

一是完善江河湖泊感知體系建設(shè)。水文水資源信息是實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字映射的基礎(chǔ)信息，涉及水量、水位、流量、水質(zhì)、泥沙、降雨量等信息。應(yīng)優(yōu)化行政區(qū)界斷面、取退水口、地下水、生態(tài)用水(含地下水)等監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，實(shí)現(xiàn)全要素的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提升信息捕捉和感知能力；要通過高分辨率航天、航空遙感技術(shù)和地面水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)建立流域洪水“空天地”一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高流域洪水監(jiān)測(cè)體系的覆蓋度、密度和精度；要優(yōu)化山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，將雷達(dá)納入雨量常規(guī)監(jiān)測(cè)范疇；要確保該監(jiān)測(cè)的斷面均納入監(jiān)測(cè)范圍，需要視頻監(jiān)測(cè)的部位部署視頻監(jiān)測(cè)設(shè)施；要提高采集信息源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，摸清水資源取、供、輸、用、排等各環(huán)節(jié)的底數(shù)。

二是完善水利工程設(shè)施感知體系建設(shè)。水利工程信息是流域數(shù)字映射的重要內(nèi)容，涉及水庫(含水電站)、泵站、水閘、堤防、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)等各類水利工程。針對(duì)流域內(nèi)的水利工程，利用視頻、監(jiān)測(cè)設(shè)施、BIM 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水工程建設(shè)全過程數(shù)據(jù)采集和管理；完善流域內(nèi)水利工程建筑物、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于新建、改擴(kuò)建和除險(xiǎn)加固工程，要從前期工作和設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施和智慧管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保自動(dòng)化監(jiān)控經(jīng)費(fèi)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集打下較好基礎(chǔ)。

2.2 加強(qiáng)新技術(shù)應(yīng)用提升監(jiān)測(cè)技術(shù)水平

一是加強(qiáng)3S智能感知技術(shù)手段應(yīng)用。使用衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)大尺度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警；運(yùn)用智能視頻監(jiān)控，通過圖像智能分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、智能監(jiān)視與自動(dòng)預(yù)警；根據(jù)監(jiān)測(cè)感知需要使用無人機(jī)、無人船、機(jī)器人等監(jiān)測(cè)手段；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸需要推進(jìn)5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)應(yīng)用。

二是創(chuàng)新監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)計(jì)。針對(duì)“一桿通”等新型監(jiān)測(cè)設(shè)施，要加大試點(diǎn)推廣力度，推動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施改革創(chuàng)新。

2.3 提升涉水相關(guān)行業(yè)信息的挖掘利用

要進(jìn)一步健全氣象、地災(zāi)、人口分布、生產(chǎn)力布局等信息的共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)行業(yè)外數(shù)據(jù)與水利信息的有效整合利用，為打造智慧流域建立完善的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 通過建立全要素精準(zhǔn)映射，支撐智慧流域建設(shè)

實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與物理空間的一一映射，是數(shù)字流域可視化展現(xiàn)、智能計(jì)算分析、仿真模擬和智能決策的基礎(chǔ)。

3.1 打造水利工程的數(shù)字孿生體

對(duì)流域重要的水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)、水閘、泵站等水利工程運(yùn)用BIM+GIS、數(shù)字孿生技術(shù)建立數(shù)字映像，并接入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠?qū)χ攸c(diǎn)工程對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過打造水利工程數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)映射，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的仿真模擬，輔助以無人機(jī)傾斜攝影等技術(shù)能夠進(jìn)一步提升數(shù)字孿生體更加逼真。

3.2 建立可能影像區(qū)域的數(shù)字地形

下墊面信息對(duì)于產(chǎn)匯流影響較大，防洪影響重點(diǎn)區(qū)域的信息對(duì)于防洪影響分析至關(guān)重要。因此，必須實(shí)現(xiàn)下墊面地形信息的數(shù)字化，必須將防洪影響區(qū)域的信息數(shù)字化才能為智慧流域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。要基于3S等技術(shù)，獲得高精度的水上水下一體化的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，影像分辨率由米級(jí)向亞米級(jí)提升，高程DEM數(shù)據(jù)應(yīng)向高精度地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變；防洪重點(diǎn)區(qū)域可采用實(shí)景三維模型方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為洪水預(yù)演提供可視化數(shù)據(jù)支撐。

3.3 加強(qiáng)“流域一張圖”應(yīng)用

“一張圖”能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化展示、二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)一體化展示與應(yīng)用，是智慧流域的重要平臺(tái)和應(yīng)用入口。要基于“流域一張圖”實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域的虛擬空間與物理空間真實(shí)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)空間分析、大數(shù)據(jù)分析、仿真結(jié)果等可視化，將地形地貌以及包括人員分布、生產(chǎn)力分布在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況注入數(shù)字地形圖并實(shí)時(shí)更新。

3.4 以虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬

通過對(duì)流域進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、打造三維可視化展示系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)接入以及3D高仿真場(chǎng)景之上，對(duì)流域的水文數(shù)據(jù)、水利工程的運(yùn)行狀態(tài)、重點(diǎn)區(qū)域等進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)字流場(chǎng)的虛擬環(huán)境和物理環(huán)境的真實(shí)對(duì)應(yīng)，達(dá)到三維可視化擬真展示的效果，為管理者提供直觀、高效、精準(zhǔn)、便捷、完善的精細(xì)化運(yùn)營管理解決方案。要開展流域大場(chǎng)景三維環(huán)境的快速構(gòu)建、基于虛實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)精確融合的增強(qiáng)呈現(xiàn)技術(shù)和面向防洪減災(zāi)指揮決策、流域綜合調(diào)度的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)原型系統(tǒng)等技術(shù)研究，為流域綜合管理提供技術(shù)支撐。

4 不斷完善仿真模擬，提升智慧化水平

智慧流域和數(shù)字孿生的核心是多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。李國英部長指出，要建設(shè)數(shù)字流域，為防洪調(diào)度智慧提供科學(xué)的決策支撐。建立覆蓋流域的物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射，就是要實(shí)現(xiàn)仿真模擬提升智慧化，最終為決策支撐服務(wù)。

一是集成并提升模型系統(tǒng)。研究完善現(xiàn)有流域降雨產(chǎn)流、流域匯流、洪水演進(jìn)、河口演變、地下水運(yùn)動(dòng)、水質(zhì)擴(kuò)散、土壤侵蝕、水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等模型系統(tǒng)，提高防洪推演模型計(jì)算精度和運(yùn)行效率。依托數(shù)據(jù)中心，預(yù)測(cè)未來流域水位、水量、水質(zhì)狀況、水資源開發(fā)利用情況，提出流域水資源調(diào)配方案，通過多方案比選和評(píng)估，供防洪減災(zāi)調(diào)度和水資源管理會(huì)商決策。通過不同調(diào)度方案的模擬，為流域防洪減災(zāi)處理、水資源調(diào)控、保護(hù)預(yù)警和水污染事件應(yīng)急處置提供決策支持。

二是推進(jìn)人工智能技術(shù)應(yīng)用。通過集成人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)將存儲(chǔ)管理好大數(shù)據(jù)并從大體量、高復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取價(jià)值，借助大數(shù)據(jù)處理工具在很短的時(shí)間內(nèi)就能完成海量數(shù)據(jù)的處理，縮短數(shù)據(jù)分析的時(shí)間，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度，為深入研究水規(guī)律提供技術(shù)保障。

5 建設(shè)覆蓋流域管理職能的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，提升決策支撐能力

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)打造數(shù)字映射和仿真模擬，最終目的是提升決策支撐能力。為了更好履行水利十大業(yè)務(wù)職能，要全面分析流域管理需求，基于流域的數(shù)字映射以及模擬仿真的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配以及其他水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過構(gòu)建“能用、好用、管用”的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為決策提供信息化支撐保障。

5.1 提升水旱災(zāi)害防御系統(tǒng)的智慧化水平

李國英部長指出，水旱災(zāi)害防御工作要強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”措施，加強(qiáng)實(shí)時(shí)雨水情信息的監(jiān)測(cè)和分析研判，完善水旱災(zāi)害預(yù)警發(fā)布機(jī)制，開展水工程調(diào)度模擬預(yù)演。李國英部長強(qiáng)調(diào)，要細(xì)化完善江河洪水調(diào)度方案和超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案。因此，要在現(xiàn)有水旱災(zāi)害防御系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，深化數(shù)據(jù)交換共享，加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的治理分析及應(yīng)用，實(shí)時(shí)監(jiān)視涉水相關(guān)信息，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害的“四預(yù)”，支撐水旱災(zāi)害防御關(guān)口前移、聯(lián)合調(diào)度和科學(xué)決策。

洪水預(yù)報(bào)方面，要提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度、延長預(yù)見期，落實(shí)長期預(yù)報(bào)、中短期預(yù)報(bào)、3個(gè)3天的滾動(dòng)預(yù)報(bào)機(jī)制實(shí)施，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化推進(jìn)。洪水預(yù)警方面，要判別超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)的可能性、出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)，要依托“三大運(yùn)營商”將預(yù)警信息及時(shí)向相關(guān)責(zé)任人以及社會(huì)公眾靶向發(fā)布，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息全覆蓋。洪水預(yù)演方面，要實(shí)現(xiàn)多要素的洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正，對(duì)洪水模擬過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)演算、自動(dòng)校正、人機(jī)交互校正，并對(duì)水庫、河道、蓄滯洪區(qū)蓄泄情況進(jìn)行模擬仿真，為排水區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)的控制和工程調(diào)度提供科學(xué)決策支持。洪水預(yù)案方面，要細(xì)化完善江河洪水調(diào)度方案，編制流域、區(qū)域水工程聯(lián)合調(diào)度方案，提高方案的指導(dǎo)性和可操作性。

5.2 提升水資源管理系統(tǒng)的智慧化水平

李國英部長指出，要?jiǎng)討B(tài)掌握并及時(shí)更新流域水資源總量、實(shí)際用水量等信息，通過智慧化模擬進(jìn)行水資源管理與調(diào)配預(yù)演，并對(duì)用水限額、生態(tài)流量等紅線指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警。

資源預(yù)報(bào)方面，要建立水資源量、污染物通量預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)重要江河斷面水量、水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為水資源保障提供基礎(chǔ)支撐。監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，要實(shí)時(shí)監(jiān)控重點(diǎn)取用水戶的用水情況，實(shí)施區(qū)域和流域水資源承載能力評(píng)估，建立區(qū)域用水總量監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。監(jiān)控預(yù)警方面，要結(jié)合生態(tài)水量紅線指標(biāo)開展重點(diǎn)斷面生態(tài)流量預(yù)警，要構(gòu)建地下水量三維動(dòng)態(tài)模型，從地下水水量、水位等多維度開展地下水預(yù)警支撐重點(diǎn)區(qū)域地下水超采治理。調(diào)配預(yù)演方面，要建設(shè)水資源監(jiān)管研判在線分析模型算法，對(duì)淮河流域水資源供需變化情勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上，模擬水資源配置并優(yōu)化調(diào)整調(diào)度方案，為水資源調(diào)配提供決策支撐信息。配置預(yù)案方面，要通過智慧化模擬進(jìn)行水資源管理與調(diào)配預(yù)演，并對(duì)用水限額、生態(tài)流量等紅線指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、制定預(yù)案。

5.3 其他“N”個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

按照流域管理相關(guān)職責(zé)和水利高質(zhì)量發(fā)展的新要求，應(yīng)充分應(yīng)用新信息技術(shù)手段，建設(shè)包括河長制、農(nóng)村水利、水土保持、河湖管理、水利工程建設(shè)、水利工程運(yùn)行管理、水利監(jiān)督和水政執(zhí)法、水利移民與扶貧、水利政務(wù)服務(wù)等N個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用數(shù)據(jù)治理、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)說話。

5.4 不斷完善模型耦合和模塊化鏈接

流域管理涉及防洪、防凌、供水、發(fā)電、航運(yùn)等多項(xiàng)任務(wù)，要想發(fā)揮流域管理最大效益，必須統(tǒng)籌考慮流域管理各項(xiàng)目標(biāo)任務(wù)。一是通過數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通過模塊化鏈接實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共建共享。二是要實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)模型的耦合，通過多目標(biāo)的聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)水資源利用效益最大化，實(shí)現(xiàn)防洪、防凌、供水、發(fā)電、航運(yùn)等多目標(biāo)統(tǒng)籌調(diào)度，實(shí)現(xiàn)洪水資源節(jié)約集約安全利用。

6 結(jié)語

智慧流域建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，數(shù)字孿生技術(shù)為智慧水利建設(shè)提供了成熟技術(shù)路線。建設(shè)智慧流域應(yīng)重視頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)先選取重點(diǎn)項(xiàng)目、試點(diǎn)工程分步實(shí)施；要以深入業(yè)務(wù)、應(yīng)用至上為核心訴求，不斷優(yōu)化感知網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，完善數(shù)據(jù)共享、支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)，提升各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用水平。進(jìn)入新發(fā)展階段，智慧流域要充分運(yùn)用數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等信息技術(shù)，不斷推進(jìn)水資源管理的數(shù)字化、智能化、精細(xì)化，以水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化驅(qū)動(dòng)流域水利高質(zhì)量發(fā)展。