“十四五”智慧水利建设规划关键问题思考

曾 焱 ，程益联 ，江志琴 ，李 暨

（1.水利部水利信息中心，北京 100053；2.东华软件股份公司，北京 100190；3.北京金水信息技术发展有限公司，北京 100053）

0 引言

水利部历来非常重视水利信息化规划，经过近年来不断探索和实践，已逐步形成完整规划体系，主要包括总体、阶段、区域和专项规划[1]。其中阶段规划主要是指历次五年规划，自 2006 年起，水利部紧密结合水利信息化发展现状和水利改革发展需求，相继发布全国水利信息化“十一五”“十二五”“十三五”规划，明确各个时期水利信息化的发展目标、总体框架、主要任务及重点项目等内容，这些规划都对各个时期的水利信息化发展起到了积极引领和推动作用。

“十四五”是乘势而上开启全面建设社会主义现代化国家新征程、向第二个百年奋斗目标进军的第一个五年，我国进入新发展阶段，水利发展亦进入新发展阶段，而新阶段水利工作的主题就是推动高质量发展[2]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》（以下简称《纲要》）明确要求“构建智慧水利体系”，水利部党组明确智慧水利是水利高质量发展的显著标志，智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一。为此，水利部网络安全与信息化领导小组办公室组织开展《智慧水利建设顶层设计》（以下简称《顶层设计》）《“十四五”智慧水利建设规划》（以下简称《“十四五”规划》）的编制，其中，《顶层设计》主要谋划智慧水利建设的总体目标、总体框架、建设布局和建设安排等全局内容；《“十四五”规划》是《顶层设计》在“十四五”的具体落实，主要明确“十四五”时期智慧水利的建设目标、建设任务和重点工程等阶段性内容。

《“十四五”规划》是承前启后，引领和推动水利信息化迈入新发展阶段，支撑水利高质量发展的五年规划，具有特殊性。因此，如何定位水利信息化现状是搞清楚来路，脚踏实地做好“十四五”工作的基础；搞清楚所面临的形势，是确定目标、任务及重点工程的关键；明确“十四五”智慧水利的建设目标、主要任务及重点工程是编制《“十四五”规划》的关键。这些是编制《“十四五”规划》需要解决的关键问题。

1 现状定位

“十三五”期间，各级水利部门以习近平新时代中国特色社会主义思想为指引，积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，深入贯彻“水利工程补短板、水利行业强监管”水利改革发展总基调，按照“安全、实用”的水利网信发展总要求，全面推进水利网信建设，水利网信体制制度日益健全，水利网信规划与标准体系渐趋完善，水利信息基础设施明显改善，水利信息资源整合共享与开发利用不断深化，水利业务应用全面推进，水利网络安全保障不断加强，信息技术与水利业务融合探索初见成效，水利网信综合体系不断完善，水利业务“数字化、网络化、智能化”取得明显进展，有力支撑了各项水利业务工作，成效显著。

回顾“十三五”，水利网信建设取得长足发展，有力支撑了各项水利业务，促进和带动传统水利向现代水利转变的作用越来越显著，服务和支撑水利改革发展的能力越来越强，水利网信建设从“十三五”之前的夯实基础、基本满足应用的阶段进入到深度融合，全面提档升级的新阶段[3]1，为“十四五”智慧水利建设奠定了一定建设基础和发展条件。

2 形势分析

站在两个一百年的新的历史交汇点，国家信息化战略和治水方略要求、水利高质量发展迫切需求、新一代信息技术快速发展，都对智慧水利建设提出了新要求，产生了新挑战，提供了新机遇，面临形势主要来自以下 3 个层面：

1）国家信息化发展。以习近平总书记为核心的党中央高度重视网络安全和信息化，把信息化作为我国抢占新一轮发展制高点、构筑国际竞争新优势的契机，不断推进理论和实践创新，提出了一系列新思想、新观点、新论断，形成了习近平总书记网络强国的重要思想。在此大背景下，《纲要》提出“加快推进制造强国、质量强国建设”“推进网络强国建设，加快建设数字经济、数字社会、数字政府”，将“加快数字化发展 建设数字中国”单独成篇，并明确提出“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”，智慧水利首次被列入国家大规划。这既是国家对水利信息化发展的新要求，为水利信息化指明了开展智慧水利建设的大方向；又是水利信息化面临的新挑战，必须做好智慧水利建设工作；更是为水利信息化发展提供了千载难逢的新机遇，可以按照国家指明的大方向奋勇向前。

2）水利高质量发展。党中央、国务院高度重视水利工作，习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，指导治水工作实现了历史性转变，彰显出巨大的思想伟力[2]。习近平总书记关于治水发表的一系列重要讲话，作出的一系列重要指示批示，都始终贯穿了“十六字”治水思路这条主线[2]，为新时期管水治水指明了方向，为水利高质量发展提供了根本遵循。智慧水利是水利高质量发展的显著标志，“十四五”时期必须高举智慧水利这面旗帜，推动水利数字化、网络化、智能化工作再上新台阶，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，支撑新阶段水利高质量发展。由此可以看出，在水利业务应用的各领域、环节、阶段都离不开智慧水利，这就要求全方位实现信息技术与水利业务深度融合，全面推进智慧水利建设。

3）新信息技术发展。近年来，信息技术发展和新技术应用带来很多新变革，互联网已经渗透到经济社会领域的方方面面，在全球开启了一次具有全局性、战略性、革命性意义的数字化转型，全面重塑着世界政治经济格局，成为改变国家力量对比的重要因素。理论建模、技术创新、软硬件升级的整体推进正在引发链式突破，推动经济社会各领域向数字化、网络化、智能化加速跃升，充分发挥信息化对经济社会发展的驱动引领作用已形成全社会共识。水利是经济社会发展的基础性行业，“十四五”时期迫切需要推进新一代信息技术广泛应用，推动水利向形态更高级、基础更牢固、保障更有利、功能更优化的阶段演进[4]，这也是信息技术发展为智慧水利发展提供了广阔的发展机遇和空间。

面向未来，与国家信息化总体要求、水利改革发展需求、社会信息技术应用水平等相比，智慧水利建设存在明显短板和薄弱环节，主要体现在水利信息基础设施能力不强、信息资源开发利用水平不高、业务应用协同智能水平差距大等方面。因此，提升水利高质量发展的能力和水平是“十四五”期间水利信息化的重要任务，这就迫切需要大力推进智慧水利建设，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，加快构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧水利体系[2]。

3 目标设定

《顶层设计》将智慧水利建设分为 3 个阶段推进，“十四五”期间建成智慧水利体系 1.0 版，“十五五”期间建成智慧水利体系 2.0 版，到 2035 年各项水利治理管理活动全面实现数字化、网络化、智能化[5]27。《“十四五”规划》是《顶层设计》第一个阶段的具体落实，因此，建设目标主要根据《顶层设计》第一个阶段的目标要求、建设安排等进行确定。

“十四五”智慧水利建设总体目标是：坚持“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，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，以网络安全为底线，通过建设数字孪生流域、“2 + N”水利智能业务应用体系、水利网络安全体系、智慧水利保障体系，推进水利工程智能化改造，建成七大江河数字孪生流域，在重点防洪地区实现“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，提升 N 项业务应用水平，建成智慧水利体系 1.0 版，水利数字化、网络化和重点领域智能化水平明显提升，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动[3]15。同时，还从4 个方面提出了量化和考核的具体目标。

4)最后,将该模型应用到吉林省24个站点逐日降水量预测中。MAE和RMSE的中位数分别为3.12 mm和6.13 mm,SBrier和Ssig为0.06和0.51。除了集安、桦甸和长岭,大部分站点的逐日降水量预测性能较好,误差和评分指标都通过了检验。MAE和RMSE最小值在长岭,SBrier最小值在东岗,Ssig最大值在蛟河。MAE和RMSE呈现东南大西北小,考虑到降水量的差异后,发现所有站点的预测性能都比较接近,整体效果较为理想。SBrier和Ssig没有明显的空间分布特征。

流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性，这种特性决定了治水管水的思维和行为必须以流域为基础单元[6]，这也决定了智慧水利建设必须以数字孪生流域为重点。因此，“十四五”时期七大江河要率先建成数字孪生流域，这是智慧水利体系 1.0 版的核心和关键。

4 任务确定

《“十四五”规划》建设任务主要根据《顶层设计》的总体框架、建设布局及第一阶段的目标要求、建设安排等进行确定，主要包括建设数字孪生流域、构建“2 + N”水利智能业务应用体系、强化水利网络安全体系和优化智慧水利保障体系 4 个方面。

4.1 建设数字孪生流域

数字孪生流域是物理流域在数字空间的映射，通过数字孪生平台和水利信息基础设施实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化[5]4。主要建设任务包括：

1）数字孪生平台。基于水利信息基础设施，利用三维仿真技术，对江河湖泊、水利工程、水利治理管理对象、影响区域等进行数字映射，利用模型平台和知识平台实现智慧模拟、仿真推演，支撑“2 + N”水利业务应用。其中，数据底板是智慧水利的“算据”支撑，采用不同精度数据分为 3 个层级：L1 级数据底板覆盖全国，L2 级数据底板覆盖主要江河流域重点区域，L3 级数据底板覆盖重点水利工程。同时还包括数据底板映射关系建立、汇聚平台、治理平台及数据底板服务平台等具体任务；模型平台是智慧水利的“算法”支撑，主要包括水利专业、智能、可视化模型及仿真引擎等具体任务，在数字空间对水利治理管理活动进行智慧化模拟；知识平台是智慧水利的“智能”支撑，主要包括预报调度方案、知识图谱、业务规则、历史场景、专家经验、水利知识引擎等具体任务，为规划设计、工程建设、运行调度、治理管理等方案优选提供支撑。

2）完善水利信息基础设施。水利信息基础设施是承载智慧水利建设成果的物理基础，按照“整合已建、统筹在建、规范新建”原则进行完善，主要包括天空地一体化水利感知网、国家水网智能化改造、常规应急兼备水利通信设施、泛在互联水利业务网、多算力融合水利云、集约高效基础环境等具体任务。其中，天空地一体化水利感知网是智慧水利的“感知系统”[7]18，从物理流域中获取全面、真实、客观、动态水利数据和信息；国家水网智能化改造是围绕国家水网的“纲、目、结”构建智慧化体系，全面实现仿真智能化和调度控制自动化[8]；水利通信设施和业务网是智慧水利的“神经系统”[7]18，为智慧水利各类数据在主客体中的传递提供传输服务；水利云是智慧水利的算力支撑，提供云端按需扩展和安全可信的大规模联机计算服务[5]8。

数字孪生流域是智慧水利建设重要的硬件、数据和软件基础，要想在数字化、网络化和智能化基础上，实现真正意义上的水利业务智慧化，强大的计算和存储能力、丰富的数据资源条件、智能的知识模型算法软件是前提条件，因此“十四五”期间首先要开展数字孪生流域建设。

4.2 构建“2 + N”水利智能业务应用体系

水利智能业务应用体系采用“2 + N”结构，其中，2 指流域防洪、水资源管理与调配 2 项业务应用，单独列出优先安排，并在重点区域、重要工程率先实现“四预”功能；N 指其他的水利业务应用，推动实现水利工作全面覆盖。主要建设任务包括：

2）水资源管理与调配。充分运用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术，建立覆盖全域的水资源管理与调配业务应用，推进水资源管理数字化、智能化、精细化，基于国家水资源管理系统，扩展水资源管理与调配数字化场景，依托水文水资源相关模型，细化与完善水资源管理、水资源调度、城市安全供水保障、用水强度评价等业务应用。

3）N 项业务应用。主要包括水利工程建设和运行管理、河湖长制及河湖管理、水土保持、农村水利水电、节水管理与服务、南水北调工程运行和监管、水行政执法、水利监督、水文管理、水利行政、水利公共服务等 11 项业务应用。

水利工作涉及方方面面，但首要的还是流域防洪和水资源管理与调配，因此在智慧水利智能业务应用体系中，将这 2 项业务应用作为重点突出安排，同时在“四预”功能上也是首先在重点区域和重要工程率先实现，同时兼顾 11 项其他的水利业务应用同步有所提升，避免鼻子眉毛一把抓，实现关键业务应用重点突破。

4.3 强化水利网络安全体系

坚持总体国家安全观，以持续健全水利网络安全防护体系为宗旨，在推广网络安全能力提升工程成功经验基础上，建立面向水利行业关键信息基础设施的综合安全监督管理体系，明确水利行业各级单位、人员网络安全管理要求，强化各级单位、人员网络安全主体责任落实，完善水利网络安全运行防护和监督管理措施，切实提升网络安全防护能力。主要建设任务包括强化网络安全管理、完善网络安全技术、加强网络安全监督等。

4.4 优化智慧水利保障体系

从健全体制机制、完善标准规范、强化创新应用、完善运维体系、优化人才队伍、加强宣传交流等方面，统筹谋划，持续推进，保障智慧水利在正确轨道上可持续健康发展。

5 工程布局

《“十四五”规划》规划了新型基础设施、水利业务应用、水利网络安全、数字孪生流域、数字孪生工程等 5 类 14 项“十四五”智慧水利建设重点工程。主要重点工程包括：

1）新型基础设施工程。包括国家水利大数据中心、北斗水利创新应用工程等 2 项。其中，国家水利大数据中心建设是按照“同城双活，两地三中心”布局，以水利部为主中心，构建水利云基础设施、数据资源池、应用支撑平台、大数据应用、日常运维和安全保障等核心内容；北斗水利创新应用工程是依托国家北斗产业化重大工程，利用北斗的位置、授时和短报文等服务功能，在水文水资源监测、大坝安全和库区地质灾害监测预警等数据传输方面统筹推进北斗应用。

2）水利业务应用工程。包括国家水工程防灾联合调度系统、水资源管理与调配系统、国家水利综合监管平台等 3 项。其中，国家水工程防灾联合调度系统主体是构建防灾调度数字化场景，以流域为单元完善防洪“四预”功能，实现大江大河及重点防洪调度区域水工程防灾联合调度全覆盖；水资源管理与调配系统主体是构建水资源管理与调配数字化场景，建设水量分配实施监督、生态流量落实监督等业务应用，为全面提高水资源利用效率提供支撑；国家水利综合监管平台主体是建设水利部本级61 项、流域管理机构 21 项监管事项的线上线下协同监管业务应用，为水利监管体系和监管能力现代化提供支撑。

3）水利网络安全工程。包括水利网络安全防护能力提升工程 1 项。该工程主体是开展水利关键信息基础设施网络安全改造，并建设其综合态势感知与安全指挥平台，构建水利网络安全防护体系，实现关键核心技术重大突破，加强水利网络安全保护对象全生命周期管理，实现水利网络安全与水利业务应用兼容互济、深度融合。

4）数字孪生流域工程。包括数字孪生长江——长江流域全覆盖水监控、数字孪生黄河——黄河下游防洪工程安全监测、数字孪生淮河——淮河重点区域数字孪生及智慧防洪“四预”建设、数字孪生海河——海河流域水安全保障能力提升、数字孪生珠江——粤港澳大湾区水安全监控、数字孪生松辽——松花江数字孪生流域及东北黑土粮食主产区水安全监控、数字孪生太湖——长三角一体化数字太湖等 7 项工程。依托这 7 项数字孪生流域工程，建成七大江河数字孪生流域，实现与物理流域的动态实时信息交互和深度融合，为实现“四预”功能、支撑业务应用奠定基础。

5）数字孪生工程。包括重大水利工程数字孪生工程 1 项。依托该工程建设，优先在小浪底水利枢纽、丹江口水利枢纽、岳城水库、尼尔基水利枢纽、南水北调工程、三峡水利枢纽、澧水（江垭、皂市水库）、万家寨水利枢纽、南四湖二级坝、大藤峡水利枢纽和太浦闸泵站等重点水利工程，开展数字孪生工程建设，对实体水利工程进行全要素数字化映射和全生命周期智慧化模拟，支撑工程调度迭代优化和精准化决策。

为保障“十四五”智慧水利建设任务顺利推进，《“十四五”规划》根据《“十四五”水安全保障规划》对水利重大建设工程安排，围绕全面推动长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展等一系列国家战略及 150 项重大水利工程建设计划、“2 + N”水利智能业务应用总体布局，结合重点区域规划及各流域数据孪生建设需求，对重点工程进行了安排。

6 结语

《“十四五”规划》作为“十四五”水安全保障规划的重要专项规划之一已正式印发，其目标要求、建设任务面向水利行业，重点工程主要是水利部本级、流域管理机构牵头的建设项目，对地方智慧水利建设发挥引领带动作用。下一步，将加强《“十四五”规划》实施的保障措施、监督检查与总结评估，确保《“十四五”规划》确定的建设目标、建设任务、重点工程按期完成，并取得实效。