对智慧水利标准体系构建的思考

李宗礼，张宜清，邢子强，吕 洁，刘家慧

（水利部水利水电规划设计总院，100120，北京）

一、智慧水利建设现状

水利部高度重视智慧水利建设，将其作为推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一，并印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》和《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，提出开展数字孪生流域、“2+N”水利智能业务应用体系、水利网络安全体系、智慧水利保障体系等建设，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。

智慧水利是水利信息化的升级和发展。我国水利信息化建设成效显著，构建了全国水利一张图、国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源监控体系等，规模化以上江河湖泊、水利设施实现了空间化管理，水文监测站网基本覆盖所有的大江大河和有防洪任务的中小河流，水位、雨量等监测要素基本实现自动测报，水工程联合调度能力与水平显著提升。水利信息化建设为智慧水利建设奠定了良好基础。

进入新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局，数字时代正通过智慧赋能使我国生产、生活和治理方式发生革命性变化。推动水利高质量发展，赋予了智慧水利建设新使命，数字孪生流域建设成为智慧水利建设新的着力点和突破点。构建数字孪生流域，是对物理流域进行全要素数字化映射，并实现物理流域与数字流域之间的动态实时信息交互和深度融合。目前正先行开展七大江河数字孪生流域和三峡、南水北调、大藤峡等重大水利工程数字孪生工程建设。数字孪生流域建设可为防洪抗旱减灾、水资源调度和管理、河湖管理、水土保持等水利业务应用提供更加便捷、精准、安全的基础支撑。

智慧水利建设是一项多学科交叉且起点高、内容多、任务重、覆盖面大、建设时序长的复杂系统工程，必须在系统谋划、做好顶层设计的基础上，科学推进、协同推进、分步推进，特别是要在着力突出数字化、网络化、智能化的同时，高度重视智慧水利标准体系建设，为智慧水利建设提供保障与支撑。目前智慧水利标准体系建设尚处于起步阶段，各方对其理解与认识存在差异，例如，整体框架设计尚不明晰，构建思路、维度和深度有待深化；流域与区域之间、上下级之间、专业领域之间差距明显，适用准则不明；相关标准规范不健全，现有的水利信息化标准主要侧重水文监测预警、工程运行管理、水利政务信息编码等，而智慧水利的标准建设严重滞后，存在技术要求不协调、硬件和软件系统设计标准不一、数据难以共享等问题。因此，亟需加快推进智慧水利标准体系建设，处理好统一推进和差异化发展的关系，在核心领域和关键环节统一技术要求和方法，促进智慧水利建设科学健康发展。

二、智慧水利标准体系建设的总体思路

1.总体思路

按照推动水利高质量发展的要求，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以规范建设、资源共享、提升效能为核心，以保障智慧水利建设中心任务之数字化、网络化、智能化为主线，以问题、目标为导向，按照完备性、先进性、适用性、协调性的原则，坚持统一规划、分步实施、科学推进，加快构建协调、科学、先进、实用的智慧水利标准体系，提升工作效能，有效降低低水平重复建设风险。

根据水利部《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》《数字孪生流域建设技术大纲》的总体要求，以支撑和保障智慧水利建设的总体目标和任务为主线，确定标准体系建设的目标与布局。“十四五”时期，按照急用先行的原则，建立智慧水利标准体系框架，加快制修订智慧水利基础结构、核心功能相关的标准规范，重点突破数字孪生流域、数字孪生工程建设所涉及的场景和模拟领域的关键技术；至2030年，完善智慧水利标准体系，全面完成包括全部结构与功能、以精准化决策为重点的标准规范制修订工作，形成完备的智慧水利标准体系。

2.标准体系框架构建

智慧水利标准体系涉及数字化场景、智能化模拟、精准化决策3个核心及信息分类编码、传输协议、信息管理、业务系统统一接口等多个环节，应在《水利技术标准体系表》的框架下，从多维度、多尺度构建智慧水利标准体系框架，加快编制智慧水利标准体系表和框架图，按照不同功能序列制定具体标准规范。需要强调的是，不论是哪一维度和尺度，都需要考虑上下和纵横的标准协同，分级明确建设重点和任务。

在标准级别方面，可以分为国家、行业、地方、团体、企业等，国家层面重点设计智慧水利标准体系框架，统一通用技术要求。行业、地方、团体和企业主要从自身实际需求出发，按照要求制定相应标准体系或规范。

从标准分类来看，可以分为基础标准、技术标准、平台标准、测评标准、应用标准、安全标准等。其中，基础标准主要包括智慧水利基本术语、图形符号、河流编码等标准；技术标准主要包括物理流域、数字流域、数字工程、仿真映射，以及预报、预警、预演、预案“四预”措施等标准；平台标准主要包括数据库、模型库、策略库、资源共享，以及算据、算法、算力等标准；测评标准主要包括测评流程、测评指标、测评意见等标准；应用标准主要为“2+N”水利智能业务应用标准，包括防洪减灾、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、河湖管理等重点业务领域；安全标准主要包括水利网络安全、信息安全等标准。如图1。

图1 智慧水利标准体系框架示意

三、标准体系建设的关键问题

前已述及，智慧水利标准体系建设是一个多学科交叉的复杂问题，涉及许多关键议题，本文主要讨论以下3个议题。

1.监测感知交互体系

构建天空地一体化水利感知网是构建智慧水利数字化场景的信息数据交互的基础。目前我国的水利感知网建设取得了长足进步，正逐步覆盖大江大河及其主要支流，并且感知对象也逐步涵盖水文要素与测报、河湖生态环境、水利工程及其运行管理等方面，还编制发布了一些相应的技术规范，但是与实际需求相比仍然存在较大差距，无法实现对物理流域的全要素数字化映射，以及物理流域与数字流域交互的精准性、同步性和及时性。因此，智慧水利的监测感知体系标准建设需要从系统、整体的角度出发，在加强天空地一体化水利感知网基础设施建设的同时，重点制定和完善多个方面的标准，包括物理实体流域、智慧水利监测感知的基础要素数据信息及其分类，监测感知尺度和时空分辨率，物理实体与数字虚拟的仿真、映射和交互，水利信息数据交互和融合程度等。

2.通用数据库与数据管理

智慧水利数据库标准建设既要考虑要素信息的存储、提取和更新需求，也要考虑各类数据源的规范化和协同性。由于面向不同数字流域建设需要，不同数据库建设可能存在一定的差异，但是基础数据库框架和结构应保持一致，即建立通用数据库标准，方便不同数字流域的互联互通和数据共享，其中河流编码标准和数据标准处理是亟需解决的关键问题。目前我国缺乏统一的河流编码体系，面对数字流域海量大数据管理，存在很大局限性，已不能适应当前智慧水利发展的需要。未来可依托第一次全国水利普查、水利一张图等，加快建立以流域为单元、单元内不同层级河网水系的拓扑关系，以及挂接河流与自然地理、水文要素、经济社会、河湖管理等相关数据的属性关系。需要建立一套数据规范化处理流程，统一各类型、各渠道数据的获取、加工、存储和共享等技术方法，方便各级用户参考使用。

此处需重点强调河流编码问题。不同国家、不同部门的河流编码技术方法相差甚远，大体可分两类：一类是以河流的水文分析为主，便于分析各个集水区域的水流关系，管理河流空间位置，建立河网水系的拓扑关系，如北美Pfafstetter河流编码体系、欧洲河流编码体系；另一类是以河网上的相关属性管理为主，在分析各个集水区域的水流关系和河流空间位置管理基础上，进一步分析河流与相关属性的相互关系，如美国的NHD河流编码体系。未来我国的河流编码体系可借鉴国际先进河流编码体系，构建发展具有中国特色、高效统一且适应数字化要求的国家河流编码体系，以河流水文分析为主，兼顾河网上的相关属性管理，具有层次性与可拓展性，能够允许支流的增减、河段的细分和断面的扩展，如同计算机网络体系一样，具有无限扩展功能。

3.模型库及模型功能评价

模型是智慧水利高效率智慧模拟和精准化决策的中枢。数字流域模型需要重视模型的开发应用和算据、算法、算力建设。国内外已经开发了众多水文水资源模型，但对水循环机理的刻画和预测精度都亟需提升与完善。构建智慧水利模型库，制定水循环模型功能评价标准，既要大力研发适应我国复杂水情的通用模型，也要鼓励发展流域/区域定制模型，以更好地揭示流域/区域水循环规律，为精准决策提供支撑。

算据标准建设方面，应在通用数据标准化和规范化处理的基础上，对模型输入和输出数据提出基础处理要求；算法标准建设方面，不要求模型内在方法必须统一，可以针对不同模拟目的需要，建立推荐模型库，并说明模型方法、公式参数及适用性；算力标准建设方面，重点是增强模型效率和能力，明确数字流域并行计算、分布式计算、网格计算和云计算等技术要求。

四、探讨与建议

智慧水利标准体系建设涉及的关键议题除前文所述的监测感知交互体系、通用数据库与数据管理、模型库及模型功能评价等，还包括物理与数字交互、评测方法和指标、共享与应用、安全保障能力建设等问题，均关系智慧水利标准体系建设的完备性和有效性。物理与数字交互是实现流域数字化的核心环节，应加强交互深度性、要素齐全性、时效及时性等方面的突破与强化；评测方法和指标是改进和提升智慧水利建设水平的重要手段，应提前谋划，为实现建设过程中的跟踪、反馈与优化调整提供依据；共享与应用是智慧水利的建设目的，应强化资源整合和优化，为兼顾信息安全和突破数据壁垒等难题提供引领；安全保障能力建设尤应关注水利关键信息基础设施、关键数据资源保护与开发能力、数据安全预警和溯源能力等方面。

智慧水利建设是推进新阶段水利高质量发展、实现水利现代化的重要抓手，也是数字中国建设的重要内容。建议高度重视智慧水利标准体系建设工作，在已有水利信息化相关标准体系的基础上，加快构建适合我国国情的智慧水利标准体系框架，明确重点建设任务。制定近期行动计划工作方案，结合七大流域智慧水利建设和重大数字孪生工程建设，有针对性地制定出台若干项建设标准技术要求和指南，分轻重缓急制修订一批智慧水利标准规范，先行先试，积累标准制定经验。设立智慧水利标准体系建设专门工作机构，负责标准体系的研究、实施、应用等监督和管理工作，明确责任分工，完善智慧水利标准体系建设协调机制，保持中央—流域—地方智慧水利标准体系建设的协调性。推进智慧水利建设更加科学化、标准化和规范化，加强智慧水利标准体系关键技术研究，促进智慧水利标准体系建设走低成本和集约化道路，为尽快实现水利现代化提供坚实基础。