江河为证 与水同行——记南京水利科学研究院水工水力学研究所副所长范子武

李 莉 王 辉

水是生存之本，文明之源。千百年来，人类社会傍水而居，生生不息。然而，我国水资源短缺、时空分布不均、水旱灾害多发，是世界上江河治理难度最大、治水任务最为繁重的国家之一。可以说，中华民族的发展史就是一部前赴后继的治水史。党的十八大以来，习近平总书记站在国家安全和战略全局的高度，提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的十六字治水方针和关于网络强国的重要思想，为推进新时代治水提供了根本遵循。

“2023年2月，中共中央、国务院印发了数字中国建设整体布局规划。规划指出，要构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系，赋能数字中国创新发展。”南京水利科学研究院水工水力学研究所副所长范子武告诉记者，随着数字中国成为国家战略，水利发展也面临深刻变革——治水，更需“智水”。

作为我国较早从事智慧水利相关研究的科研工作者之一，范子武带领数字孪生水利研究团队，依托南京水利科学研究院（以下简称“南科院”）齐全的水利学科领先理论技术，充分发挥基础数据优势、模型优势和人才优势，建立了水文、水资源、大坝安全管理、生态环境等一系列智能模型，探索“四预”智能业务实际应用，并利用高分遥感、无人机等新一代监测手段，形成空、天、地、潜一体化感知体系，在江苏省水工程预报调度一体化、三峡工程、大藤峡工程、长三角水网工程等国家、区域重大水利工程建设中广泛应用，为新阶段水利高质量发展、国家水安全保障发挥了重要的作用，提供了有力的支撑。

数字孪生赋能智慧水利

大江大河的保护与治理，关乎中华民族的伟大复兴。国家“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”。水利部高度重视智慧水利建设，周密部署，明确了推进智慧水利的时间表、路线图、任务书和责任单。水利部部长李国英也曾明确指出，智慧水利建设要按照“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。

可以说，“数字孪生”已成为智慧水利建设的核心。在范子武看来，数字孪生与水利的深化融合，亦是助力水利现代化的关键举措。

范子武告诉记者，孪生技术古已有之，比如军事沙盘。沙盘上呈现出敌我双方的力量态势、交战地点的山川河流，军事家根据沙盘来布局行军打仗路线，通过在沙盘上排兵布阵来推演胜负关系。“数字孪生水利，就好像是虚拟与现实组成的一对双胞胎，是在虚拟环境中构建现实场景的数字版‘克隆体’，通过将物理系统转化为虚拟模型，实现对设备、环境等多维度信息的采集、监控和分析。”在具体工作中，“推进数字孪生水利建设是由水利工作的空间特点决定的，有些水利科研工作是大尺度、大范围的工作，不可能在物理流域中试验不同方案，只能在数字空间进行反复预演，经过综合评估分析后选择最优方案，运用到实际工作中，这是顺应技术发展的必然选择”。

“早在‘十五’期间，南科院就已经开展了与智慧水利相关的研究工作。”范子武介绍说，在2004年编制的学科建设与学术发展规划中，南科院将水利信息技术作为重点发展方向纳入了学科建设总体布局。作为我国水利科学研究的发源地，在长期科研的过程中，南科院也积累了大量的基础数据，为数字孪生水利建设提供了算据。这些基础数据包括全国水利普查数据、水库大坝数据、水闸数据、在役水利工程安全监测数据、通航建筑物数据、滩涂和海堤基础数据，以及小水电基础数据和分布在全国各地的专业模型等，此外，南科院还建成了综合交通大数据中心及一批水利交通行业野外观测站以丰富基础数据的内容。

“如果把数字孪生水利比作一个人，利用这些数据可以更准确地构建数据底板，增加数字孪生水利的‘阅历’。”范子武说，目前，团队研发了水旱灾害防御，水资源、水环境、水生态、水工程调度等领域专业模型和多业务场景的应用系统，为实现水利业务精细化管理、提高预测预报精度和科学决策打下了坚实的基础。

“不仅如此，数字孪生技术在水利工程建设中的应用场景更是非常广泛。”他说，通过相关技术，可以更加精准地掌握水资源的使用情况和变化趋势，优化水资源配置和调度，提高水资源利用效率和水质安全水平；可以预测洪水灾害；可以预测水质变化，及时采取措施防止水污染；可以实现水利资源的科学管理和规划，提高决策的准确性和效率；还可以降低人力成本和管理难度。

多年来，由范子武带领的数字孪生团队，在系统支撑、平台搭建、业务应用、系统建设等方面取得了丰硕的科研成果，这些成果在江苏水工程预报调度一体化、三峡工程、大藤峡工程、长三角水网工程等国家、区域重大水利工程建设中得到了广泛应用，为保障国家水安全发挥了重要的支撑作用。

在系统平台方面，团队通过搭建南科院互联互通云平台、智慧水利数据引擎平台、数字孪生可视化引擎平台和水利专业模型平台，实现了动态交互、实施融合及仿真度很高的数字孪生工程和数字孪生流域；在业务系统方面，团队以流域防洪，水资源管理与调配为核心，推动水利“2+N”业务应用系统体系建设，开发了流域洪水预报、预报调度一体化、动态洪水风险图管理、水资源配置与管理、水环境联控联调、大坝安全智慧管理、数字灌区及工程安全监测与预警等一系列系统平台，目前已形成具有南科院优势专业特色的数字孪生水利建设技术方案。

为城市水环境建设“保驾护航”

2016年9月，钱江潮起。世界的目光聚焦“G20杭州时间”，27位外方领导人在此畅叙未来。杭州之美走向世界——美在山水相依、湖城合璧。当大家对杭州的水环境建设拍手叫好时，范子武和团队成员心中无限满足——他们的努力，为G20峰会的召开创造了良好的区域水环境，也为后来杭州萧山城区河网水质持续改善奠定了坚实的基础。由他参与的“长三角地区城市河网水环境提升技术与应用”项目也因此被授予2019年度国家科技进步奖二等奖。这无疑是对水利科技工作者最大的褒奖。对范子武来说，他很享受这个过程，“用科技的手段，和大家一起去解决一些实际问题，大家开心了，我们也开心”。

生活在城市的每个人，身在其中，每时每刻都被深深地影响着。“城市的发展史，就是一部城市与水相伴而生的历史，改变了水环境、重塑了水生态。”可以说，范子武参与并见证了这场发展与共生的变革。

2015年，随着国家“一带一路”建设工作的逐步铺开，地处“一带一路”与长江经济带的重要交汇区的长三角地区城市化进程加快，人水争地问题日益突出，城市河道被挤占、淤积严重、连通性越来越差、入河污染负荷高，城市河网水环境面临巨大压力。在国家水专项、国家自然科学基金、省部级科技项目的支持下，由南科院牵头，河海大学、上海勘测设计研究院有限公司、浙江大学等7家单位共同投入“长三角地区城市河网水环境提升技术与应用”的研究中。参与单位多、各项技术杂，千头万绪，这对区域流域整体技术的统筹和应用提出了很大挑战。有着多年流域水体治理经验的范子武勇担重任，负责了关键技术的研发，并提出总体思路，指导实施了各项技术的应用。他带领团队研发了多源互补水源保障、河网水位精准控制、河网水量配置等多项城市河网畅流活水关键技术;发明了多功能活动溢流堰和微气泡曝气推流等水动力调控与水质强化净化装置与设备；首创了城市河网多尺度智能分级概念，构建了实时监测-精准模拟-智能互馈的城市河网水环境提升联控联调平台。

从理论到技术再到平台，一系列创新成果不仅突破了城市河网水质提升和长效维持的技术瓶颈，破解了城市河网水环境精准智能提升的国际难题，而且先后应用于苏州古城区、杭州G20峰会核心区、中国国际进口博览会区域、上海中心城区、上海世博园区等区域。南京、宁波、常州、扬州、镇江、常熟、深圳等20多个城市的水环境治理，支撑了江苏、浙江、上海等省市的生态文明城市建设，产生了显著的经济社会和生态环境效益，5年累计产生直接经济效益22亿元，生态环境等间接经济效益数百亿元。

苏州市人民政府对此给予高度肯定，在工程应用效果评价中提到，南科院研发的水源保障-引水线路-配水工程-活水调度-水质提升-生态修复一体化成套畅流活水技术，结合苏州实际，因地制宜，激活了全城水系，实现了全城活水、持续活水、自流活水，让水质达标的同时，基本恢复了苏州古城“小桥流水”的水乡风貌，带动了苏州古城及周边的旅游业，水域上游游客数量连年大幅增长，对“水清、水好、水美，河净、岸洁、景秀”宜居城市建设作出了重大贡献。

如果说这是“十三五”期间范子武在城市水环境治理领域画上的浓墨重彩的一笔，那太湖的治理就是未完待续的精彩篇章。

早在2008年，范子武就开始参与到太湖蓝藻问题的治理中。他不会忘记2007年太湖蓝藻暴发造成的那场无锡供水危机。在水危机处置完后，这一事件给范子武留下深深的思考：城市水环境治理的出路和未来，究竟在哪里？

“我估计，未来的河湖治理要花很大的精力，未来的几十年都要克服很多难题。”为了给太湖水动力、水生态、水环境研究提供更科学的指导和决策支撑，国家投入资金打造了无锡河湖治理研究基地，“基地太湖试验厅采用大跨度钢结构建造，厅内搭建的太湖风生流全湖区物理模型，精准模拟着太湖里的‘风吹草动’”。作为世界首个大型浅水湖泊风生流物理模型，其模拟范围更是覆盖太湖全湖区、23条主要出入湖河流及51个岛屿，这个模型的建成填补了国内外大型浅水湖泊风生流研究领域的空白，开创了采用大尺度风生流物理模型解决浅水湖泊水问题的先河。

依托无锡河湖治理研究基地，南科院联合太湖流域管理局和无锡市人民政府，共建了水利部太湖流域水治理重点实验室，范子武也被委任为实验室主任，负责实验室运行机制、人才队伍、平台建设、科研攻关的整体工作。“从目前来看，实验室专注于太湖流域洪涝灾害防御、水资源管理与调配、水生态环境治理与保护、数字流域及智慧水网等方面研究，在基础理论、技术应用、示范应用、科普宣传等方面成效显著，力求为太湖流域水治理能力提升提供重要保障。”在采访中，他也提到，“这里也成为太湖边的一颗明珠，欢迎大家有时间去走走看看。”

2023年2月范子武在中国水利学术大会智慧水利数字孪生分论坛作报告

原始创新破解“卡脖子”难题

光阴荏苒，弹指一挥30年。1993年，当大学毕业的范子武来到南科院，从事洪水灾害分析研究工作，他不曾想到，这一待就是30年。再回首，30年不忘初心，30年不辱使命，30年青春无悔。

我国最早的水利科学研究机构——南科院，如今已成为国内综合性水利科研的“金字招牌”；当时那个风华正茂的青年也已鬓角银丝，如今的他也成为水利科学领域的带头人。“从当初大学毕业进入南科院，到后来在这里读研读博、从事水利科研事业，如今已过去30年。可以说，是南科院成就了我。”范子武对南科院的感恩之情，溢于言表。

时光回溯至80多年前，1935年，南科院的前身——中央水工试验所诞生。作为我国第一所水利科研机构，它被誉为中国水利科学的发源地和水利科学人才培养的摇篮。中华人民共和国成立以后，南科院不断发展壮大并数次更名，承担水利、交通、能源事业中具有前瞻性、基础性和关键性的科学研究任务，并于2009年正式更名为“水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院”。

百炼成钢，重器成材。80多年来，几代水利人秉持“勤奋、严谨、求实、创新”的科研精神，围绕国家需求和国际科技前沿，承担了大量水利、交通、能源领域重大科学问题和关键技术研究，取得了一大批标志性的科研成果，在我国水利科学发展史上留下浓墨重彩，为国家经济社会发展作出了重大贡献。

采访中，范子武常常把单位与团队挂在嘴边，“从最初的20多人到现在的100多人，我非常庆幸有一群志同道合的伙伴，在智慧水利建设的征程中，共进退、同荣辱”。他说，成绩的取得，得益于南科院的良好科研氛围与团队的通力协作。然而，在领导和同事眼中，他“十年磨一剑”的耐心和“板凳甘坐十年冷”的坚持，才是团队取得进步的动力。

传业授道，奖掖后学。多年来，除了科研工作者和团队领导的身份，范子武还是一位老师。“我会手把手去教学生，就像老师当初教我一样。”如今，南科院“传帮带”的优良传统在他身上得到了完美的延续。在他看来，教学与科研是一个相辅相成、相互促进的过程，“这门学科很重视对创新思维和实践能力的培养。我们研究的数据模型是一种工具，必须能够运用到实际环境中，去解决实际问题”。他常常叮嘱学生，要关注行业痛点、前沿动态，不要把思维局限在课本上、把智慧固化在代码中，要重视每一次课程实验、社会实践，要把专业技术应用到实践中。作为团队带头人，范子武也会为年轻人量身设计职业发展规划，充分给予青年人才发挥主观能动性的时间与空间，鼓励青年员工勤思考、勇尝试、善提升、挑重担。

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”30多年来，范子武在水利科学领域默默深耕，从0到1不断创新，建立了适合我国国情的基于风险的大坝安全评价体系，提出了从“现行评价方法体系”向“风险评价方法体系”过渡衔接技术；系统提出了各类大坝溃决模式和溃决路径识别技术，创建了单因素和复合因素作用下的溃决概率风险分析计算模型；提出了水库调洪过程中的各种不确定性因素对大坝风险影响的分析方法；建立了基于风险的大坝使用寿命评估模型，提出了拟定大坝运行风险预警准则和指标的方法。这些成果在国家防汛抗旱总指挥部及13个省70多个工程的防洪规划和防洪调度方案编制、应急预案制定中得到应用，为提高我国水工程安全管理水平提供了理论基础和实践经验，在确保防洪安全的同时，推动了我国水库大坝安全评估与风险管理的进步。

范子武主持的国家重点研发计划课题平原河网水动力多尺度分级智能模型研发依据数据库管理、GIS分级显示、离散化建模技术，构建河道槽蓄量自动提取、河道连通拓扑关系自动矫正功能的模型网络，形成适用不同区域及应用业务的平原河网流域-区域-城镇多尺度、水文-水动力多属性异构模型库；支持了不同功能应用目的和适应任意复杂下垫面地形的平原河网模型自适应生成，集成开发平原河网水动力智能模拟系统；实现了流域、区域、城镇等多尺度分级水动力全过程快速、精准、自适应模拟。他的科研成果在长三角、珠三角等地区的日常防汛、水环境提升等方面得到成功应用，支撑了当前水利行业补短板的关键“卡脖子”模拟技术难题，大大提升了我国水利现代化管理水平和科学决策能力。

“江河探索，永无止境。”范子武说，当前正值第二个“一百年”奋斗目标的重要历史阶段，也是智慧水利建设厚积薄发的关键时期。“从古至今，水利都是治国安邦的大事。兴水利、除水害，是需要几代人共同努力的事业。智慧水利，未来已来。跨学科行业深度交叉融合将是智慧水利发展的必然趋势，希望更多技术人员，特别是青年学者能够加入智慧水利建设队伍中来，构建更美好的未来。现在投入智慧水利和数字孪生，未来一定会超出预期。”