以数字孪生淮河建设引领淮河保护治理事业高质量发展

2023-01-02钱名开

中国水利 2022年8期

钱名开

（水利部淮河水利委员会水文局（信息中心），233001，蚌埠）

水利部党组将智慧水利作为“十四五”规划的重点任务和水利高质量发展的显著标志，把“推进智慧水利建设”作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，提出构建数字孪生流域、助力全国智慧水利建设。水利部淮河水利委员会贯彻落实水利部党组决策部署，加快推进数字孪生淮河建设进程，持续提升流域治理管理水平，努力推动淮河保护治理事业高质量发展。

一、承续70 载辉煌，新阶段淮河保护治理亟待智慧赋能

新中国治淮70 多年来，秉承“蓄泄兼筹”方针，坚持上中下游系统治理，淮河流域防洪工程体系不断完善。截至2020 年，淮河流域共建设人工河道2 100 多km、行蓄洪区27 处、泵站6.5 万座、堤防6.3 万km、大中型水库6 300 余座，淮河流域水旱灾害防御能力实现了前所未有的提升。

新发展阶段对淮河保护与治理提出了新的更高要求，特别是伴随着全面建设社会主义现代化国家新征程的开启，流域水情工情、经济社会发生了深刻变化，新老水问题交织复杂。对照高质量发展的目标定位，流域治理管理能力还存在较大差距，尤其是非工程体系建设方面存在一定程度的滞后，如流域透彻感知算据不足、模型算法距高保真的目标尚有差距、计算存储能力还不强、网络安全防护能力仍然偏弱、业务应用智能程度比较低等。承续70 年治淮辉煌，开启淮河保护治理的新征程，亟待以数字孪生淮河建设进行赋能。

第一，实施数字孪生淮河建设是贯彻落实党和国家重要决策部署的必然要求。 “十四五”规划纲要提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。2020 年8 月，习近平总书记视察淮河时强调“全面建设社会主义现代化国家，我们要提高抗御灾害能力，在抗御自然灾害方面要达到现代化水平”。李国英部长对智慧水利和数字孪生流域建设多次作出规划和部署，在水利部推进数字孪生流域建设工作会议、强化流域治理管理工作会议、2022 年全国水利工作会议上反复强调要按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有“四预”（即“预报、预警、预演、预案”）功能的智慧水利体系。这些都为淮委实施数字孪生淮河建设指明了方向。

第二，实施数字孪生淮河建设是推动淮河水利高质量发展的必由之路。新发展阶段，伴随大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的快速发展，推动水利数字化、网络化、智能化具备了更加充分的技术条件。加快推进数字孪生流域建设，以数字赋能水旱灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理，是适应现代信息技术发展形势的必然要求。水利部党组大力推进智慧水利建设，并将其作为水利高质量发展的显著标志，加强数字化应用，加快构建智慧水利体系，提高“四预”和智能调度能力，建设数字流域、数字孪生流域和智慧流域，为水利高质量发展提供有力支撑与强力支撑。淮委立足新的历史起点，积极贯彻落实水利部关于智慧水利建设的重大部署，抢抓发展机遇，探索转型升级，推进新一代信息技术广泛应用，深化信息技术与水利业务深度融合，以数字孪生淮河建设为引领，加快推动淮河保护与治理事业高质量发展。

第三，实施数字孪生淮河建设是提升淮河流域治理管理能力的必要条件。国家“十四五”规划纲要明确要求“将数字技术广泛应用于政府管理服务，推动政府治理流程再造和模式优化，不断提高决策科学性和服务效率”。李国英部长针对淮河流域明确提出要树立问题导向，举一反三，修订洪水预报方案，完善水文监测站网，建设智慧流域防洪体系，实现预报、预警、预演、预案功能，为打赢流域防洪攻坚战提供科学精准决策支持。淮委作为水利部在淮河流域和山东半岛区域内的派出机构，代表水利部行使所在流域内的水行政管理职责，面对新的发展形势，必须充分利用科技和数字赋能，以数字孪生淮河建设引领智慧水利建设，通过数字化、网络化、智能化的思维和方法，提升淮河保护治理的科学化、精准化、高效化水平，为流域统一规划、统一治理、统一调度、统一管理提供强大的技术支撑。

二、先行先试，积极探索智慧水利“淮河方案”

水利部党组高度重视淮河防汛工作，专门指定淮委率先开展智慧防洪“四预”试点建设。淮委党组认真学习领会部党组关于智慧水利建设相关要求，积极探索智慧水利淮河方案。

第一，加强组织领导，健全体制机制。淮委坚持将数字孪生淮河建设作为重要研究事项，及时成立领导小组，全面凝心聚力，为数字孪生淮河建设提供坚强组织保障。多次召开党组会、主任办公会、专题办公会，研究部署和推进数字孪生淮河建设工作，多次组织中国水科院等科研单位召开专家研讨会、咨询会，探讨解决关键技术难题，多次组织人员赴智慧水利先行先试城市，调研和学习借鉴先进经验，多渠道筹集投入资金，谋划工程建设项目，全力保障建设工作顺利实施。

第二，开展规划研究，强化顶层设计。按照水利部“三对标、一规划”专项行动要求，淮委统筹全委智慧力量，组织编制了《数字孪生淮河总体规划》《数字孪生淮河智慧防洪体系建设试点方案》等。通过规划设计，明确了数字孪生淮河建设指导思想、目标、总体思路及建设任务，规划了重点工程和实施安排，确保数字孪生淮河建设工作扎实起步。

第三，坚持“三算”赋能，强化数字支撑。一是完善算据。强化空天地一体化监测，采用直升机加载激光雷达技术等，获得了淮河干流蒙洼、姜唐湖等5 处行蓄洪区共742 km2、1 m分辨率的高精度地形数据，淮河干流相关河段130 km、50 m 间隔河道断面数据，以及淮河流域片33 万km2、10 m分辨率的高精度数字高程数据，融合集成多源多尺度数据约3 T，初步搭建了淮河正阳关以上数字流场；完善淮河水利一张图成果，补充河道岸线保护与利用规划成果数据、“四乱”（乱占、乱采、乱堆、乱建）问题专项整治成果等，接入水利部病险水库信息。二是优化算法。研发了短时段精细化洪水预报模型，精细考虑暴雨时空分布，进一步提高了洪水预报精度；基于最新高精度地形地貌数据，研发了时空变源分布式水文模型，实现了流域“降雨—产流—汇流—演进”全过程精细化数学模拟；利用三维激光扫描等新技术，制作了重点工程实景三维数据模型及BIM 模型，实现了王家坝闸数字化；构建了基于GPU 加速技术的一、二维水动力学洪水模拟计算模型，实现了正阳关以上流域洪水快速精细化模拟。三是提升算力。购置3 台高性能服务器，完成了“一朵云”288 核CPU、512 GB 内存、6 TB存储容量淮委计算存储资源池扩容；采用“一横（计算单元并行）一纵（产汇流过程并行）一硬（GPU/CPU 并行）一软（读写并行）”分布式并行调度算法，提升了计算效率，平均可在50 s内完成每个蓄滞洪区洪水演进全过程计算，正阳关以上流域洪水实时预报和快速精细化演示目标基本实现。

第四，强化业务应用，推进“四预”覆盖。率先完成了淮河王家坝至正阳关试点流域防洪“四预”系统，基本实现了淮河洪水“四预”的全链条在线协同、实时融合和动态仿真。实现了洪水预报2 h 自动更新，全天候实时滚动预报，预报时效性和频次得到显著增强。经实践检验，淮河干流控制站最大流量相对误差基本在10%以下，洪水预报预见期基本能够达到2~4 d，“四预”系统在多场关键洪水预报中发挥了重要作用。

第五，加强网络防护，守住网络安全底线。加快实施淮委网络安全能力提升工程，率先开展信息系统密码应用改造，实现与水利部安全态势感知平台的威胁情报共享，增强了主动监测预警、纵深防御和应急响应能力，网络信息系统全天候安全稳定运行，切实守牢网络安全底线。在2020年、2021 年水利部和公安部的网络安全攻防演练中，连续两年创造信息资产“零失陷”的优异成绩。

三、坚持“三化协同”，全力推动数字孪生淮河建设

在水利部党组坚强领导和主管部门正确指导下，淮委坚持系统化谋划、标准化建设、制度化保障“三化协同”工作机制，争取早日建成高水平数字孪生淮河。

第一，坚持系统化谋划，进一步健全体制机制。贯彻落实水利部关于数字孪生流域建设的重要部署，在健全领导体制机制上下功夫。坚持把数字孪生淮河建设列入淮委重要议事日程，发挥好工作专班作用，明晰任务分工和时间节点，按照清单管理、挂图作战的工作模式，加快对接水利部智慧水利相关规划，完善《数字孪生淮河总体规划》，细化相关技术标准和技术要求，及时开展专题研究，做好规划实施各项保障，确保各项任务按时保质完成。

第二，坚持标准化建设，进一步落实重点任务。在获取算据方面，紧盯数字化场景目标，持续优化水利监测站网布局，补充监测手段，构建及时更新的数据底板。 2022 年，在全国L1 级数据底板基础上，补充无人机倾斜摄影、激光点云、水下地形等数据，根据资金落实情况逐步建成重点河段和区域精细地表、水下地形模型，构建覆盖流域重点河段、重点区域的L2级数据底板和重点工程L3级数据底板。全力推进沙颍河、洪河、史灌河、闾河、白露河、潢河、寨河、竹竿河、浉河等9 条支流水文监测预警设施建设。

在优化算法方面，按照智慧化模拟的目标夯实现有的算法模型基础，坚持深化攻关和集成应用，构建多级协同的模型平台。 2022 年，升级改造现有产汇流模型，开展基于长短期记忆（LSTM）的流域降雨—洪水预报模型、基于卷积神经网络联合长短期记忆（CNN-LSTM）的流域洪水预报模型等智能洪水预报模型的探索研究及初步应用。

在提升算力方面，根据数据处理、模型计算需要，在现有资源基础上提升高效快速、安全可靠的算力水平。按照“集约高效、共享开放、按需服务”原则，提升高性能算力，扩展计算存储资源，完善会商环境，充分利用北斗、5G 等新一代网络技术，保障监测站网在极端恶劣环境下的安全可靠传输。 2022 年，利用数字孪生淮河蚌埠—浮山段工程项目，搭建高性能、高安全的计算、存储、网络资源池。

在建设数字孪生工程方面，以安全运行为目标，开展工程精细建模，努力构建具备现代化水平的数字孪生工程。 2022 年，完成数字孪生南四湖二级坝工程示范建设，运用三维建模技术建设数字化孪生模型，构建闸区、湖区L2+L3 级数据底板；开发洪水预报模型、二维水动力演进模型、防洪调度模型等水利专业模型，结合人工智能模型，建设具有“四预”功能的防洪调度智能应用。

在支撑业务应用方面，锚定精准化决策的目标，优化业务流程、创新业务模式，构建智能化业务应用和管理体系。坚持急用先行，以防洪和水资源管理应用为先导和重点，逐步安排数字孪生工程建设，适时推进N 项业务应用。 2022 年，完成王家坝以上数字孪生流域防洪“四预”系统建设和洪泽湖以上预报调度一体化系统建设, 全力推进数字孪生淮河蚌埠—浮山段防洪及水资源调度系统建设。

在守住安全底线方面，按照网络安全法等法律法规要求，加强体系化防护，致力于数字孪生淮河安全。 2022 年，持续强化淮委政务内外网、淮河数据容备中心等信息系统的运维能力，做好网络信息安全保密有关工作，完成淮委网络安全能力提升及IPV6 改造项目建设、淮委电子政务项目建设的收尾任务。

第三，坚持制度化保障，进一步加大支撑力度。 2022 年，在积极争取国家专项投资的同时，淮委将继续投资建设王家坝以上数字孪生流域；多渠道筹措资金，结合淮河蚌浮段、王临段、洪汝河治理、沂沭泗上游堤防加固等在建、规划建设工程，分期分区分段同步推进数字孪生工程建设；通过水利基本建设带智慧水利、管理项目（河湖、水资源、监督等）带智慧水利等方式，为数字孪生淮河建设提供持续投入；加大对数字孪生淮河建设人才队伍培训、培养、引进力度，计划引进一批高素质专业技术人才，加快锻炼和培养一批既熟悉水利业务又精通网信技术的复合型人才。