呂哲敏，劉恒偉

（海河水利委員會(huì)信息中心，天津 300170）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在技術(shù)推進(jìn)科學(xué)的迭代演進(jìn)中，已進(jìn)入科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的第四次工業(yè)革命時(shí)代，信息化技術(shù)正加速與傳統(tǒng)行業(yè)相互融合。黨的二十大報(bào)告指出，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù)；強(qiáng)調(diào)推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，構(gòu)建現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為智能化建設(shè)提供算力基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等為虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的交互提供支撐途徑，這些科技革命成果集結(jié)所產(chǎn)生的集群式效應(yīng)增強(qiáng)了水利高質(zhì)量發(fā)展的迫切性[1-4]。現(xiàn)階段，智慧水利建設(shè)不僅是推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展6 條實(shí)施路徑之一，還是數(shù)字中國建設(shè)的重要組成部分。在水利部印發(fā)的《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》等系列文件中，提出加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案（以下簡稱“四預(yù)”）功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)[5，6]。其中，數(shù)字孿生流域不僅是智慧水利建設(shè)的核心，還是強(qiáng)化流域治理管理的迫切需求，有利于提升水利決策與管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化[7，8]。

近年來，為加快海河流域智慧水利建設(shè)，推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展，水利部海河水利委員會(huì)（以下簡稱海委）在水利部印發(fā)的系列文件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善智慧海河頂層設(shè)計(jì)，主要編制完成《數(shù)字孿生海河建設(shè)實(shí)施方案（2021—2025 年）》《“十四五”數(shù)字孿生海河建設(shè)方案》及《數(shù)字孿生海河2+N業(yè)務(wù)需求分析報(bào)告》。依托國家大型信息化項(xiàng)目，海委已建成網(wǎng)信基礎(chǔ)設(shè)施“六大工程”，具體包括基礎(chǔ)設(shè)施云、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一業(yè)務(wù)門戶、海委一張圖、統(tǒng)一身份鑒別體系、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，構(gòu)成海委網(wǎng)信全要素基礎(chǔ)架構(gòu)體系，為智慧海河建設(shè)夯實(shí)網(wǎng)信基礎(chǔ)。

1 數(shù)字孿生海河概述

1.1 總體建設(shè)框架

數(shù)字孿生海河建設(shè)主要分為五大部分，包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和綜合保障體系，總體框架如圖1 所示。由天空地一體化監(jiān)測的水利感知網(wǎng)、覆蓋流域管理機(jī)構(gòu)到工程管理單位的水利業(yè)務(wù)網(wǎng)及水利工控網(wǎng)所構(gòu)成的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，為水利相關(guān)數(shù)據(jù)提供監(jiān)測感知條件，獲取各要素的實(shí)時(shí)變化信息。在數(shù)字孿生平臺(tái)中，數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生建設(shè)的重要基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對物理世界中地形地貌、水雨情、水利工程及其調(diào)度運(yùn)行、人類活動(dòng)等要素在數(shù)字世界的全要素映射；基于水文、水力學(xué)、水資源、水環(huán)境等方面的水利專業(yè)模型和智能可視化模型，構(gòu)建能夠?qū)λ麑ο筮M(jìn)行全生命周期映射、模擬和仿真的模型平臺(tái)；水利知識(shí)作為數(shù)字孿生流域的驅(qū)動(dòng)，以知識(shí)圖譜為技術(shù)框架，融入預(yù)報(bào)調(diào)度方案、業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史場景和專家經(jīng)驗(yàn)，為決策分析提供依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)安全和綜合保障體系為系統(tǒng)提供重要支撐。通過數(shù)字孿生海河建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全流域全要素動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互和深度融合，模擬和預(yù)演對比各類業(yè)務(wù)場景，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能，提升流域治理管理的智慧化、精準(zhǔn)化水平。

1.2 系統(tǒng)主要功能

與傳統(tǒng)水利信息化建設(shè)相比，數(shù)字孿生流域是全覆蓋、全要素、全過程的映射，具有多維性、即時(shí)性和可控性，其建設(shè)需要的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)治理、模型算法（即專業(yè)模型，包括基于物理機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等不同機(jī)制的模型）、知識(shí)抽?。垂こ陶{(diào)度規(guī)則、知識(shí)圖譜應(yīng)用等）、通用平臺(tái)服務(wù)（即標(biāo)準(zhǔn)組件式搭建及其流程技術(shù)）、基于GIS+BIM 的VR 動(dòng)態(tài)展示等。本質(zhì)上，數(shù)字孿生流域是在充分利用監(jiān)測及基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，在數(shù)字映射流域中模擬水文、水利工程調(diào)度等過程，以及自然要素和水管理要素之間的互相反饋?zhàn)饔?，并通過智能識(shí)別與分析，為流域治理管理提供支持。高效協(xié)同的海河流域智能業(yè)務(wù)決策分析系統(tǒng)為海河流域水安全保障提供信息化技術(shù)手段，一方面可提高水旱災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警水平、提升山洪災(zāi)害防御能力和流域水利工程聯(lián)合調(diào)度水平，另一方面有利于深入研究流域自然規(guī)律，通過融合流域多源信息，升級(jí)改造流域產(chǎn)匯流、水資源調(diào)配、工程調(diào)度等水利專業(yè)模型，提高變化流場下數(shù)字孿生流域多維度、多時(shí)空尺度的模擬準(zhǔn)確性，最終提高防汛防災(zāi)能力和水資源的利用效率，改善水環(huán)境和水生態(tài)，促進(jìn)水利規(guī)劃、工程建設(shè)管理和社會(huì)服務(wù)的智能化，保障流域水安全，進(jìn)一步推進(jìn)海河流域水利高質(zhì)量發(fā)展。

2 數(shù)字孿生海河與流域治理管理的關(guān)系

2.1 流域治理管理的必然性分析

根據(jù)習(xí)近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路和關(guān)于治水重要講話指示批示精神以及黨的十九屆五中全會(huì)把“堅(jiān)持系統(tǒng)觀念”作為“十四五”時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要原則，水利部部長李國英在2021 年12 月3 日強(qiáng)化流域治理管理工作會(huì)議上的講話和水利部關(guān)于強(qiáng)化流域治理管理的指導(dǎo)意見均明確了流域治理管理的重要性。由于流域系統(tǒng)各要素之間相互聯(lián)系、相互制約且具有整體功能大于各要素之和的特點(diǎn)，流域治理管理成為水利高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。這有利于強(qiáng)化流域規(guī)劃法定地位和指導(dǎo)約束作用；有利于統(tǒng)籌流域內(nèi)工程布局和項(xiàng)目實(shí)施，提高共享水平和使用效率；有利于統(tǒng)籌建設(shè)防洪、水資源、水生態(tài)等多目標(biāo)調(diào)度體系，強(qiáng)化治理管理水平。此外，流域治理管理也是遵循自然規(guī)律的客觀要求，降水以流域?yàn)閱卧a(chǎn)流、匯流、演進(jìn)，就必須從流域整體開展分析。

2.2 海河流域治理管理的目標(biāo)

海河流域總面積32.06 萬km2，由海河、灤河、徒駭馬頰河三大水系組成，包括灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、黑龍港及運(yùn)東地區(qū)諸河、漳衛(wèi)南運(yùn)河、徒駭馬頰河河系，是洪水多發(fā)地區(qū)，也是我國七大流域中水資源最缺乏的流域。目前，海河流域已建成大、中、小型水庫1 900 余座；大、中型水閘近600 座；Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)堤防累計(jì)達(dá)標(biāo)長度約4 600 km；28個(gè)蓄滯洪區(qū)總面積達(dá)到1.06萬km2，總?cè)莘e約198億m3。龐大的水利工程體系必然需要統(tǒng)籌工程布局，考慮工程功能定位、區(qū)域分布。完善流域防洪工程體系和水資源優(yōu)化配置，進(jìn)一步明確堅(jiān)持流域系統(tǒng)觀念，建立協(xié)調(diào)統(tǒng)一的調(diào)度體制機(jī)制，從而保障流域水安全。針對海河流域“分流入海、分區(qū)防守”的防洪減災(zāi)格局、“二縱六橫”的水資源配置格局、“六河五湖”的水生態(tài)綠色發(fā)展格局的特點(diǎn)，同時(shí)立足服務(wù)京津冀協(xié)同發(fā)展和高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)雄安新區(qū)等國家重大戰(zhàn)略，海河流域治理管理必須強(qiáng)化“四個(gè)統(tǒng)一”，即“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理”。

2.3 數(shù)字孿生流域支撐流域“四個(gè)統(tǒng)一”

為實(shí)現(xiàn)流域的“四個(gè)統(tǒng)一”，強(qiáng)化流域治理管理需要數(shù)字孿生流域作為技術(shù)支撐。在流域防洪業(yè)務(wù)中，數(shù)字孿生流域可以對流域河系內(nèi)的多條河流的眾多斷面進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，同時(shí)根據(jù)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的調(diào)度目標(biāo)、預(yù)演節(jié)點(diǎn)、邊界條件等，預(yù)先演示出風(fēng)險(xiǎn)形勢和影響，進(jìn)而推演出水利工程安全運(yùn)行限制條件，提前為保障水安全制定防風(fēng)險(xiǎn)措施。對于水資源、水生態(tài)等業(yè)務(wù)，可以將流域自然本底特征、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等要求作為約束條件，通過對不同規(guī)劃方案進(jìn)行多要素預(yù)演分析，確定最優(yōu)規(guī)劃方案，從而提高流域統(tǒng)一規(guī)劃的科學(xué)性、合理性、可行性。

數(shù)字孿生流域綜合考慮水利工程對周邊環(huán)境、流域整體、工程體系、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等要素的影響，不僅可以評估水利工程規(guī)劃方案的可行性，還可以對多應(yīng)用場景下數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、治理與挖掘，有利于統(tǒng)籌工程布局，從而實(shí)現(xiàn)流域統(tǒng)一治理。

流域內(nèi)龐大的水利工程體系需要基于數(shù)字孿生流域進(jìn)行多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，以系統(tǒng)觀念實(shí)現(xiàn)流域調(diào)度整體達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)上游來水預(yù)報(bào)和工程調(diào)度、下游影響區(qū)域變化等信息進(jìn)行多種工程體系調(diào)度和優(yōu)化水資源調(diào)度方案的預(yù)演，并根據(jù)洪水路徑、洪峰洪量過程對防洪調(diào)度方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以及根據(jù)流域內(nèi)不同區(qū)域的水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的現(xiàn)狀和發(fā)展要求設(shè)置目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)流域統(tǒng)一調(diào)度。

通過數(shù)字孿生流域?qū)崿F(xiàn)對水利工程安全運(yùn)行的監(jiān)測及控制，動(dòng)態(tài)監(jiān)測水資源利用、河湖“四亂”、河湖生態(tài)環(huán)境復(fù)蘇等情況，同時(shí)提高信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同水平，為實(shí)現(xiàn)流域統(tǒng)一管理的目標(biāo)提供技術(shù)支持。

3 數(shù)字孿生海河驅(qū)動(dòng)流域治理管理新發(fā)展

3.1 數(shù)字孿生海河建設(shè)基礎(chǔ)

海委網(wǎng)信已建立全要素基礎(chǔ)架構(gòu)體系，具備由37 臺(tái)服務(wù)器組成的基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)，50 顆CPU、7 TB 內(nèi)存的計(jì)算資源池，1 PB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源池，實(shí)現(xiàn)了信息化基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)互通；已建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，基本實(shí)現(xiàn)海委數(shù)據(jù)資源跨部門、跨層級(jí)、跨業(yè)務(wù)、跨系統(tǒng)的融合治理、共享服務(wù)與智能應(yīng)用；已將60 多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)籌歸類為7 大業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為統(tǒng)一業(yè)務(wù)門戶提供基礎(chǔ)信息、動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息、業(yè)務(wù)信息等多項(xiàng)服務(wù)；融合“全國水利一張圖”成果，集成海委已有空間數(shù)據(jù)資源，形成了38 類圖層、11 個(gè)區(qū)域的空間數(shù)據(jù)主題圖，構(gòu)建了“海委一張圖”應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。海委網(wǎng)信“六大工程”為數(shù)字孿生海河建設(shè)提供良好基礎(chǔ)。

目前，海委大力推進(jìn)岳城水庫、永定河流域先行先試數(shù)字孿生建設(shè)，將對數(shù)字孿生海河建設(shè)起到示范引導(dǎo)作用。為了推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，海委信息中心牽頭組建了“智慧海河創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”，旨在研究智能監(jiān)測、數(shù)字孿生等技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，提高海河流域水利信息化水平，為流域治理管理和水利高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支持。

3.2 數(shù)字孿生海河驅(qū)動(dòng)流域治理管理發(fā)展方向和作用

3.2.1 強(qiáng)化智能水利業(yè)務(wù)應(yīng)用

按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的原則，水利“2+N”業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用是數(shù)字孿生流域建設(shè)的根本。數(shù)字孿生海河建設(shè)基于多源融合數(shù)據(jù)，充分考慮海河流域已建水利工程體系的基本特征，開展多尺度過程耦合的洪水預(yù)報(bào)，并結(jié)合知識(shí)庫中流域重點(diǎn)工程調(diào)度規(guī)則、歷史典型洪水等知識(shí)制定出最優(yōu)防洪調(diào)度預(yù)案，預(yù)演出風(fēng)險(xiǎn)形勢和影響，從而實(shí)現(xiàn)防洪業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能，增強(qiáng)汛情分析預(yù)警能力并保障最大程度洪水風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。水資源管理與調(diào)度“四預(yù)”的實(shí)現(xiàn)，不僅有利于京津冀地區(qū)深化協(xié)作、流域治理上下游聯(lián)動(dòng)機(jī)制完善、流域水資源剛性約束指標(biāo)和水資源開發(fā)利用合理閾值制定，而且有助于實(shí)現(xiàn)流域水資源的精細(xì)化管理和超前預(yù)警，提高對生態(tài)水量調(diào)控、水資源統(tǒng)一調(diào)度、華北平原地下水開采等業(yè)務(wù)管理水平。此外，數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生海河的重要組成部分，通過感知工程全域空間數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)新建水利工程全生命周期的數(shù)字化，運(yùn)用智能識(shí)別與分析模型進(jìn)行工程運(yùn)行狀態(tài)的分析，為工程的運(yùn)行管理與安全保障提供全面支撐。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)流域治理管理方式變革

數(shù)字孿生流域?qū)⑿乱淮畔⒒夹g(shù)與流域治理管理融合起來，將驅(qū)動(dòng)治理管理方式變革。數(shù)字孿生流域?qū)Ξa(chǎn)匯流過程模擬、水利工程調(diào)度方案進(jìn)行預(yù)演，進(jìn)一步構(gòu)建出水利工程智能調(diào)度、水災(zāi)害動(dòng)態(tài)評估和風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控、人群避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移等不同決策階段的全過程信息，同時(shí)全要素管理對全過程信息的響應(yīng)，將提升水利工程調(diào)度的決策支持能力和完善各項(xiàng)保障能力，驅(qū)動(dòng)流域治理管理由被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)防御、多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度的方向轉(zhuǎn)變。數(shù)字孿生流域能夠突破不同平臺(tái)、領(lǐng)域之間的信息壁壘，推進(jìn)跨部門、跨地區(qū)、跨系統(tǒng)的水利業(yè)務(wù)協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)交互共享、多源信息系統(tǒng)整合，能夠避免傳統(tǒng)的內(nèi)部層級(jí)管理體制的弊端，有效提高管理效率。此外，數(shù)字孿生流域全面推動(dòng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等信息化技術(shù)融入水利業(yè)務(wù)全過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、虛實(shí)交互的新流域治理管理模式。

3.2.3 提高水利信息化認(rèn)知水平

在數(shù)字孿生流域建設(shè)過程中，通過對新階段各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)過程、不同業(yè)務(wù)間聯(lián)系及與其他行業(yè)之間相互關(guān)系的重新梳理，將提高水利工作者對信息化技術(shù)、數(shù)字要素在水利業(yè)務(wù)中積極作用的認(rèn)知。數(shù)字孿生流域也可以增加人們在流域治理管理中的參與感，通過PC、手機(jī)等移動(dòng)終端來提供信息，各行業(yè)工作人員和居民可即時(shí)反饋相關(guān)信息和問題，激發(fā)人們對信息化建設(shè)的深刻認(rèn)識(shí)。此外，基于數(shù)字孿生流域制定的方案和決策有利于明確職權(quán)劃分，督促各部門的協(xié)調(diào)協(xié)作，并增大治理管理力度。

3.2.4 保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展

數(shù)字孿生流域有利于推進(jìn)水利行業(yè)向資源科學(xué)配置和節(jié)約高效利用發(fā)展。利用信息化技術(shù)充分挖掘流域水資源、水環(huán)境等各類信息，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源環(huán)境的關(guān)系，完善頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一規(guī)劃，避免重復(fù)建設(shè)，既是貫徹綠色低碳理念的體現(xiàn)，又利于雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在水利業(yè)務(wù)中，提高水旱災(zāi)害防御能力、水資源集約利用和優(yōu)化配置及水生態(tài)環(huán)境監(jiān)督治理能力，是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。同時(shí)，加速數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高全要素生產(chǎn)率，驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)方式發(fā)生變革，可以進(jìn)一步推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

4 展望

在氣候變暖背景下，海河流域的洪澇干旱等極端事件的發(fā)生頻次將逐漸增多。數(shù)字孿生流域通過“四預(yù)”功能增強(qiáng)流域內(nèi)水旱災(zāi)害防御能力，同時(shí)提供為應(yīng)對流域水文條件變化的適應(yīng)性策略與水資源優(yōu)化調(diào)度預(yù)案，并統(tǒng)籌多水源調(diào)度維持流域生態(tài)環(huán)境[9，10]。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)方面，數(shù)字技術(shù)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在此形勢下，充分發(fā)揮信息化對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)引領(lǐng)作用，加速推進(jìn)傳統(tǒng)水利行業(yè)與數(shù)字技術(shù)的融合，將促進(jìn)水利數(shù)字經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)生[11]。此外，數(shù)字孿生技術(shù)可以提供一種從微觀延伸到宏觀、再從宏觀聚焦到微觀的思維過程，利于更深刻的探究水利事件發(fā)展的本質(zhì)和關(guān)鍵。在這些新興信息化技術(shù)推動(dòng)下，水利行業(yè)可能會(huì)出現(xiàn)更安全、更高效的“水利-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)”相耦合的智能化新型系統(tǒng)。