河流的虚拟“双胞胎”

刘洁 黄本胜

什么是数字孪生流域

2022年6月，水利部部长李国英在《学习时报》上刊文指出，建设数字孪生流域是提升国家水安全保障能力的重要支撑。2023年2月，中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》中提出，构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系。近年来，数字孪生流域被反复提及，那什么是数字孪生流域呢？

通俗来说，数字孪生（Digital Twin）就是在虚拟环境中构建现实场景，将虚拟与现实组成一对双胞胎。例如，军事家在沙盘上呈现出战场的地形地势与敌我双方的力量情况，并布局行军打仗路线，就是早期的数字孪生。现如今，随着科技发展，通过数字技术给现实克隆一个“双胞胎”，构建与现实世界一致的虚拟模型，并用于模拟各种情景。通过数字孪生模拟不同情景，可以减少试错成本，帮助管理人员更好地做出决策。例如，工厂在生产产品的过程中，通过对各个环节进行数字化呈现，模拟演示生产、运行中可能会发生的各种状况，并得到对应的解决方案，减少现场实验的成本。

数字孪生在各行各業得到了广泛的应用，而数字孪生流域就是数字孪生技术在水利行业的应用成果。数字孪生流域是以现实中的实体流域为单元，基于遥感、定位等感知技术，物联网、5G等信息传输技术，云计算、边缘计算、GIS、BIM等数据计算存储技术，数字化映射、可视化、智能识别、精细化/智能预报等模型相关技术，知识图谱、机器学习、人工智能等知识相关技术，把实体流域中的各种水利要素进行数字化，然后在虚拟世界里构造一个与之完全对应的“双胞胎”，形成实体流域和数字流域之间的虚实交互、同步运行。数字孪生流域不仅在流域面积、地形地貌、河流走向等方面与真实流域一致，而且能详尽地体现水利部门水利治理管理活动的全过程。

数字孪生流域如何科学防御洪水

数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、水利模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理流域的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。

精准超前预报

数字孪生流域通过建立以流域为单元的多维多时空全要素预报体系，基于多种气象模式的预报产品，驱动水文模型或水动力模型，对即将发生的洪水进行精准的超前预报。根据不同部门的需求，预报洪水未来短期、中期、长期的情况，以便水利部门与应急部门提前做好准备，更好地做出防洪决策。

快速直达预警

数字孪生流域通过建立多种类、多渠道的预警体系，将预警信息快速发布给受影响区域的社会公众。例如，当发生山洪灾害时，数字孪生流域可以基于传感器、卫星等技术，实时监测水文信息，如雨量、河流水位和流速等，并向附近居民提前发出山洪预警。这有助于政府和居民提前做好准备，减少洪水对生命和财产的威胁。

前瞻科学预演

在数字孪生流域中，构建全过程、多情景模拟仿真防灾预演体系，通过对可能发生的各种情景进行模拟，预演在不同情景下应该如何调度水利工程等。例如，使用数字孪生流域模拟不同降雨条件下的洪水情景，提前制定应对计划，包括管理水库的泄洪、维护堤防等，帮助水利部门提前了解可能存在的风险和问题，以便采取措施来减少潜在的损失。

细化实化预案

预案是水利部门为了应对洪水灾害提前备好的“急救包”。数字孪生流域根据预演的结果进行分析和评估，不断调整应对措施，如调整水工程的运行方式、应急计划、人员安全措施等。通过不断优化应对问题的方案，以便在真正发生洪水时能够更好地做出决策和行动。

数字孪生流域作为科学防御洪水的“利器”，为我们提供了更科学、高效的工具来预测和管理洪水，在洪水监测、预报与预警、灾后救助等方面都有着广泛的应用。充分发挥数字孪生流域的潜力，可以帮助我们积极应对气候变化下的洪水挑战，减轻洪水带来的危害，确保人民群众不受洪水威胁。

基金项目：广东省重点领域研发计划“5G+智慧水利”，项目编号：2020B0101130018

作者单位|广东省水利水电科学研究院