以数字孪生海河建设驱动流域治理管理新发展

吕哲敏，刘恒伟

（海河水利委员会信息中心，天津 300170）

随着科学技术的发展，在技术推进科学的迭代演进中，已进入科学技术是第一生产力的第四次工业革命时代，信息化技术正加速与传统行业相互融合。党的二十大报告指出，高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务；强调推动战略性新兴产业融合集群发展，促进数字经济和实体经济深度融合，构建现代化基础设施体系。利用物联网、大数据、云计算为智能化建设提供算力基础，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等为虚拟与现实世界的交互提供支撑途径，这些科技革命成果集结所产生的集群式效应增强了水利高质量发展的迫切性[1-4]。现阶段，智慧水利建设不仅是推动新阶段水利高质量发展6 条实施路径之一，还是数字中国建设的重要组成部分。在水利部印发的《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》等系列文件中，提出加快构建具有预报、预警、预演、预案（以下简称“四预”）功能的智慧水利体系，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动[5，6]。其中，数字孪生流域不仅是智慧水利建设的核心，还是强化流域治理管理的迫切需求，有利于提升水利决策与管理的科学化、精准化、高效化[7，8]。

近年来，为加快海河流域智慧水利建设，推动新阶段水利高质量发展，水利部海河水利委员会（以下简称海委）在水利部印发的系列文件基础上，进一步完善智慧海河顶层设计，主要编制完成《数字孪生海河建设实施方案（2021—2025 年）》《“十四五”数字孪生海河建设方案》及《数字孪生海河2+N业务需求分析报告》。依托国家大型信息化项目，海委已建成网信基础设施“六大工程”，具体包括基础设施云、统一数据库、统一业务门户、海委一张图、统一身份鉴别体系、统一网络安全防护体系，构成海委网信全要素基础架构体系，为智慧海河建设夯实网信基础。

1 数字孪生海河概述

1.1 总体建设框架

数字孪生海河建设主要分为五大部分，包括信息化基础设施、数字孪生平台、水利业务应用、网络安全体系和综合保障体系，总体框架如图1 所示。由天空地一体化监测的水利感知网、覆盖流域管理机构到工程管理单位的水利业务网及水利工控网所构成的信息化基础设施，为水利相关数据提供监测感知条件，获取各要素的实时变化信息。在数字孪生平台中，数据底板是数字孪生建设的重要基础，实现对物理世界中地形地貌、水雨情、水利工程及其调度运行、人类活动等要素在数字世界的全要素映射；基于水文、水力学、水资源、水环境等方面的水利专业模型和智能可视化模型，构建能够对水利对象进行全生命周期映射、模拟和仿真的模型平台；水利知识作为数字孪生流域的驱动，以知识图谱为技术框架，融入预报调度方案、业务规则、历史场景和专家经验，为决策分析提供依据。网络安全和综合保障体系为系统提供重要支撑。通过数字孪生海河建设，实现全流域全要素动态实时信息交互和深度融合，模拟和预演对比各类业务场景，推进实现水利业务“四预”功能，提升流域治理管理的智慧化、精准化水平。

1.2 系统主要功能

与传统水利信息化建设相比，数字孪生流域是全覆盖、全要素、全过程的映射，具有多维性、即时性和可控性，其建设需要的关键技术包括数据治理、模型算法（即专业模型，包括基于物理机理和数据驱动等不同机制的模型）、知识抽取（即工程调度规则、知识图谱应用等）、通用平台服务（即标准组件式搭建及其流程技术）、基于GIS+BIM 的VR 动态展示等。本质上，数字孪生流域是在充分利用监测及基础信息的基础上，结合流域相关领域知识，在数字映射流域中模拟水文、水利工程调度等过程，以及自然要素和水管理要素之间的互相反馈作用，并通过智能识别与分析，为流域治理管理提供支持。高效协同的海河流域智能业务决策分析系统为海河流域水安全保障提供信息化技术手段，一方面可提高水旱灾害监测预报预警水平、提升山洪灾害防御能力和流域水利工程联合调度水平，另一方面有利于深入研究流域自然规律，通过融合流域多源信息，升级改造流域产汇流、水资源调配、工程调度等水利专业模型，提高变化流场下数字孪生流域多维度、多时空尺度的模拟准确性，最终提高防汛防灾能力和水资源的利用效率，改善水环境和水生态，促进水利规划、工程建设管理和社会服务的智能化，保障流域水安全，进一步推进海河流域水利高质量发展。

2 数字孪生海河与流域治理管理的关系

2.1 流域治理管理的必然性分析

根据习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路和关于治水重要讲话指示批示精神以及党的十九届五中全会把“坚持系统观念”作为“十四五”时期经济社会发展的重要原则，水利部部长李国英在2021 年12 月3 日强化流域治理管理工作会议上的讲话和水利部关于强化流域治理管理的指导意见均明确了流域治理管理的重要性。由于流域系统各要素之间相互联系、相互制约且具有整体功能大于各要素之和的特点，流域治理管理成为水利高质量发展的必然选择。这有利于强化流域规划法定地位和指导约束作用；有利于统筹流域内工程布局和项目实施，提高共享水平和使用效率；有利于统筹建设防洪、水资源、水生态等多目标调度体系，强化治理管理水平。此外，流域治理管理也是遵循自然规律的客观要求，降水以流域为单元产流、汇流、演进，就必须从流域整体开展分析。

2.2 海河流域治理管理的目标

海河流域总面积32.06 万km2，由海河、滦河、徒骇马颊河三大水系组成，包括滦河、北三河、永定河、大清河、子牙河、黑龙港及运东地区诸河、漳卫南运河、徒骇马颊河河系，是洪水多发地区，也是我国七大流域中水资源最缺乏的流域。目前，海河流域已建成大、中、小型水库1 900 余座；大、中型水闸近600 座；Ⅰ级、Ⅱ级堤防累计达标长度约4 600 km；28个蓄滞洪区总面积达到1.06万km2，总容积约198亿m3。庞大的水利工程体系必然需要统筹工程布局，考虑工程功能定位、区域分布。完善流域防洪工程体系和水资源优化配置，进一步明确坚持流域系统观念，建立协调统一的调度体制机制，从而保障流域水安全。针对海河流域“分流入海、分区防守”的防洪减灾格局、“二纵六横”的水资源配置格局、“六河五湖”的水生态绿色发展格局的特点，同时立足服务京津冀协同发展和高标准建设雄安新区等国家重大战略，海河流域治理管理必须强化“四个统一”，即“统一规划、统一治理、统一调度、统一管理”。

2.3 数字孪生流域支撑流域“四个统一”

为实现流域的“四个统一”，强化流域治理管理需要数字孪生流域作为技术支撑。在流域防洪业务中，数字孪生流域可以对流域河系内的多条河流的众多断面进行洪水预报，同时根据水利业务应用的调度目标、预演节点、边界条件等，预先演示出风险形势和影响，进而推演出水利工程安全运行限制条件，提前为保障水安全制定防风险措施。对于水资源、水生态等业务，可以将流域自然本底特征、经济社会发展需要、生态环境保护等要求作为约束条件，通过对不同规划方案进行多要素预演分析，确定最优规划方案，从而提高流域统一规划的科学性、合理性、可行性。

数字孪生流域综合考虑水利工程对周边环境、流域整体、工程体系、经济社会等要素的影响，不仅可以评估水利工程规划方案的可行性，还可以对多应用场景下数据进行汇聚、治理与挖掘，有利于统筹工程布局，从而实现流域统一治理。

流域内庞大的水利工程体系需要基于数字孪生流域进行多目标联合调度，以系统观念实现流域调度整体达到最优。根据上游来水预报和工程调度、下游影响区域变化等信息进行多种工程体系调度和优化水资源调度方案的预演，并根据洪水路径、洪峰洪量过程对防洪调度方案进行动态调整，以及根据流域内不同区域的水资源、水生态、水环境的现状和发展要求设置目标，实现流域统一调度。

通过数字孪生流域实现对水利工程安全运行的监测及控制，动态监测水资源利用、河湖“四乱”、河湖生态环境复苏等情况，同时提高信息共享和业务协同水平，为实现流域统一管理的目标提供技术支持。

3 数字孪生海河驱动流域治理管理新发展

3.1 数字孪生海河建设基础

海委网信已建立全要素基础架构体系，具备由37 台服务器组成的基础设施云平台，50 颗CPU、7 TB 内存的计算资源池，1 PB 的数据存储资源池，实现了信息化基础设施的互联互通；已建立统一数据库，基本实现海委数据资源跨部门、跨层级、跨业务、跨系统的融合治理、共享服务与智能应用；已将60 多个业务系统统筹归类为7 大业务应用系统，为统一业务门户提供基础信息、动态监测信息、业务信息等多项服务；融合“全国水利一张图”成果，集成海委已有空间数据资源，形成了38 类图层、11 个区域的空间数据主题图，构建了“海委一张图”应用服务平台。海委网信“六大工程”为数字孪生海河建设提供良好基础。

目前，海委大力推进岳城水库、永定河流域先行先试数字孪生建设，将对数字孪生海河建设起到示范引导作用。为了推进数字孪生技术的创新发展，海委信息中心牵头组建了“智慧海河创新实验室”，旨在研究智能监测、数字孪生等技术的创新与应用，提高海河流域水利信息化水平，为流域治理管理和水利高质量发展提供技术支持。

3.2 数字孪生海河驱动流域治理管理发展方向和作用

3.2.1 强化智能水利业务应用

按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的原则，水利“2+N”业务需求和应用是数字孪生流域建设的根本。数字孪生海河建设基于多源融合数据，充分考虑海河流域已建水利工程体系的基本特征，开展多尺度过程耦合的洪水预报，并结合知识库中流域重点工程调度规则、历史典型洪水等知识制定出最优防洪调度预案，预演出风险形势和影响，从而实现防洪业务“四预”功能，增强汛情分析预警能力并保障最大程度洪水风险规避。水资源管理与调度“四预”的实现，不仅有利于京津冀地区深化协作、流域治理上下游联动机制完善、流域水资源刚性约束指标和水资源开发利用合理阈值制定，而且有助于实现流域水资源的精细化管理和超前预警，提高对生态水量调控、水资源统一调度、华北平原地下水开采等业务管理水平。此外，数字孪生水利工程是数字孪生海河的重要组成部分，通过感知工程全域空间数据与实时运行状态信息，实现新建水利工程全生命周期的数字化，运用智能识别与分析模型进行工程运行状态的分析，为工程的运行管理与安全保障提供全面支撑。

3.2.2 驱动流域治理管理方式变革

数字孪生流域将新一代信息化技术与流域治理管理融合起来，将驱动治理管理方式变革。数字孪生流域对产汇流过程模拟、水利工程调度方案进行预演，进一步构建出水利工程智能调度、水灾害动态评估和风险调控、人群避险转移等不同决策阶段的全过程信息，同时全要素管理对全过程信息的响应，将提升水利工程调度的决策支持能力和完善各项保障能力，驱动流域治理管理由被动响应向主动防御、多目标联合调度的方向转变。数字孪生流域能够突破不同平台、领域之间的信息壁垒，推进跨部门、跨地区、跨系统的水利业务协同管理，实现多平台交互共享、多源信息系统整合，能够避免传统的内部层级管理体制的弊端，有效提高管理效率。此外，数字孪生流域全面推动大数据、云计算、人工智能、区块链等信息化技术融入水利业务全过程，实现实时监控、虚实交互的新流域治理管理模式。

3.2.3 提高水利信息化认知水平

在数字孪生流域建设过程中，通过对新阶段各项水利业务过程、不同业务间联系及与其他行业之间相互关系的重新梳理，将提高水利工作者对信息化技术、数字要素在水利业务中积极作用的认知。数字孪生流域也可以增加人们在流域治理管理中的参与感，通过PC、手机等移动终端来提供信息，各行业工作人员和居民可即时反馈相关信息和问题，激发人们对信息化建设的深刻认识。此外，基于数字孪生流域制定的方案和决策有利于明确职权划分，督促各部门的协调协作，并增大治理管理力度。

3.2.4 保障社会经济可持续发展

数字孪生流域有利于推进水利行业向资源科学配置和节约高效利用发展。利用信息化技术充分挖掘流域水资源、水环境等各类信息，统筹协调经济发展与水资源环境的关系，完善顶层设计，统一规划，避免重复建设，既是贯彻绿色低碳理念的体现，又利于双碳目标的实现。在水利业务中，提高水旱灾害防御能力、水资源集约利用和优化配置及水生态环境监督治理能力，是保障社会经济可持续发展的基础。同时，加速数字经济与实体经济深度融合，推动经济结构转型升级，提高全要素生产率，驱动生产方式发生变革，可以进一步推进社会经济的可持续发展。

4 展望

在气候变暖背景下，海河流域的洪涝干旱等极端事件的发生频次将逐渐增多。数字孪生流域通过“四预”功能增强流域内水旱灾害防御能力，同时提供为应对流域水文条件变化的适应性策略与水资源优化调度预案，并统筹多水源调度维持流域生态环境[9，10]。在经济社会方面，数字技术和实体经济的深度融合，推进产业数字化转型。在此形势下，充分发挥信息化对经济社会发展的驱动引领作用，加速推进传统水利行业与数字技术的融合，将促进水利数字经济的产生[11]。此外，数字孪生技术可以提供一种从微观延伸到宏观、再从宏观聚焦到微观的思维过程，利于更深刻的探究水利事件发展的本质和关键。在这些新兴信息化技术推动下，水利行业可能会出现更安全、更高效的“水利-生态-经济”相耦合的智能化新型系统。