建設(shè)數(shù)字孿生流域

推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展

水利部黨組書記、部長 李國英

習近平總書記強調(diào)，要全面貫徹網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略，把數(shù)字技術(shù)廣泛應(yīng)用于政府管理服務(wù)，推動政府數(shù)字化、智能化運行，為推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化提供有力支撐，并提出了提升流域設(shè)施數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平的明確要求。我們要深入學(xué)習貫徹習近平總書記重要講話精神和重要指示批示精神，加快建設(shè)數(shù)字孿生流域，構(gòu)建智慧水利體系，推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。

習近平總書記強調(diào)，保護江河湖泊，事關(guān)人民群眾福祉，事關(guān)中華民族長遠發(fā)展。我國江河水系眾多，保護治理是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須堅持數(shù)字賦能，依托現(xiàn)代信息技術(shù)變革治理理念和治理手段。建設(shè)數(shù)字孿生流域，就是要以物理流域為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對物理流域全要素和水利治理管理全過程的數(shù)字化映射、智能化模擬，實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。

黨中央、國務(wù)院作出了明確部署。國家“十四五”規(guī)劃綱要明確要求，構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力。國家“十四五”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃明確提出，要推動大江大河大湖數(shù)字孿生、智慧化模擬和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)。黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要、長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要等，都對數(shù)字孿生流域建設(shè)提出了更加具體明確的要求。落實黨中央、國務(wù)院重大決策部署，必須大力推進數(shù)字孿生流域建設(shè)。

現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展提供了支撐條件。進入新發(fā)展階段，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)快速發(fā)展，推動水利發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變的技術(shù)條件已經(jīng)具備。近年來，水利信息化建設(shè)取得積極成效，但流域透徹感知算據(jù)仍有不足，模型算法距高保真目標尚有差距，計算存儲能力亦不足需，網(wǎng)絡(luò)安全防護能力偏弱，運行和管理智能水平亟待提升。要加強數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合，充分發(fā)揮信息技術(shù)支撐驅(qū)動作用，大力提升水利決策與管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。

強化流域治理管理提出了迫切要求。流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性，治水管水必須以流域為單元，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理。這就要求數(shù)字孿生流域提供強大技術(shù)支撐。統(tǒng)一規(guī)劃方面，通過在數(shù)字孿生流域中對規(guī)劃各要素進行預(yù)演分析，全面、快速比對不同規(guī)劃方案的目標、效果和影響，確定最優(yōu)規(guī)劃方案。統(tǒng)一治理方面，通過在數(shù)字孿生流域中預(yù)演治理工程布局及建設(shè)方案，評估治理工程與規(guī)劃方案的符合性，分析治理工程對周邊環(huán)境和流域的整體影響，輔助確定治理工程布局、規(guī)模標準、運行方式、實施優(yōu)先序等。統(tǒng)一調(diào)度方面，通過在數(shù)字孿生流域中綜合分析比對各要素，預(yù)演防洪、供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等調(diào)度過程，動態(tài)調(diào)整優(yōu)化調(diào)度方案。統(tǒng)一管理方面，通過數(shù)字孿生流域動態(tài)掌握河湖全貌，實現(xiàn)權(quán)威存證、精準定位、影響分析，更好支撐上下游、左右岸、干支流聯(lián)防聯(lián)控聯(lián)治。

建設(shè)數(shù)字孿生流域，原則是堅持需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力，目標是實現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策，核心任務(wù)是加強算據(jù)、算法、算力建設(shè)。

夯實算據(jù)基礎(chǔ)。算據(jù)是物理流域及其影響區(qū)域的數(shù)字化表達，是構(gòu)建數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括自然地理、干支流水系、河道流場、水利工程、經(jīng)濟社會等信息。要錨定數(shù)字化場景目標，構(gòu)建天、空、地一體化水利感知網(wǎng)，通過優(yōu)化提檔水文、水資源、河床演變、水利工程等地面監(jiān)測，進一步完善地下水監(jiān)測站網(wǎng)，加強衛(wèi)星、無人機、無人船等載體遙感監(jiān)測，提升應(yīng)急監(jiān)測能力，推進物理流域監(jiān)測系統(tǒng)的科學(xué)建設(shè)和高頻乃至在線運行，為數(shù)字孿生流域提供精準物理參數(shù)和現(xiàn)實約束條件，保持數(shù)字孿生流域與物理流域的精準性、同步性、及時性。按照全國、流域、重要水利工程，分級構(gòu)建全國統(tǒng)一、及時更新的數(shù)據(jù)底板，為水利治理管理提供詳實的基礎(chǔ)底圖。

優(yōu)化算法模型。算法是構(gòu)建數(shù)字孿生流域的關(guān)鍵性技術(shù)，是物理流域自然規(guī)律的數(shù)學(xué)表達，包括水利專業(yè)模型、智能分析模型、仿真可視化模型等內(nèi)容。要錨定智慧化模擬目標，深入研究流域自然規(guī)律，充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，融合流域多源信息，升級改造流域產(chǎn)匯流、土壤侵蝕、水沙輸移、水資源調(diào)配、工程調(diào)度等模型，研發(fā)新一代高保真水利專業(yè)模型，統(tǒng)籌運用好基于機理揭示和規(guī)律把握的數(shù)學(xué)模型，以及基于數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的數(shù)學(xué)模型，確保數(shù)字孿生流域模擬過程和流域物理過程實現(xiàn)高保真。建設(shè)水利業(yè)務(wù)智能仿真模型，構(gòu)建水利業(yè)務(wù)遙感和視頻人工智能識別模型，實現(xiàn)水利工程運行和安全監(jiān)測、應(yīng)急突發(fā)水事件等自動化精準識別。

提升算力水平。算力是數(shù)字孿生流域高效穩(wěn)定運行的重要支撐，包括計算、通信、會商等硬件資源。要擴展計算資源，按照“集約高效、共享開放、按需服務(wù)”的原則，提升物理分布、邏輯集中、協(xié)同工作的高性能算力，滿足數(shù)據(jù)處理、模型計算的需要。要升級通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水利系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無盲區(qū)無死角互聯(lián)，滿足各類信息及時高效傳輸，并充分利用北斗、5G等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保障監(jiān)測站網(wǎng)在極端惡劣環(huán)境下的安全可靠傳輸。

習近平總書記強調(diào)，要實施自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化工程，提高風險早期識別和預(yù)報預(yù)警能力；要切實加強重大風險預(yù)測預(yù)警能力，有切實管用的應(yīng)對預(yù)案及具體可操作的舉措。要在數(shù)字孿生流域中強化預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案能力，實現(xiàn)風險提前發(fā)現(xiàn)、預(yù)警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實施，確保水利決策精準安全有效。

精準超前預(yù)報。預(yù)報是基礎(chǔ)，通過預(yù)報為預(yù)警工作贏得先機。要堅持遵循自然規(guī)律，以流域為單元，構(gòu)建下墊面動態(tài)變化的數(shù)字流場，在總結(jié)分析典型歷史事件和掌握現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以擴展預(yù)報內(nèi)容、提高預(yù)報精度、延長預(yù)見期為目標，通過機理分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動等方法，綜合運用氣象水文、水文水力學(xué)耦合預(yù)報以及預(yù)報調(diào)度一體化等技術(shù)，構(gòu)建多維多時空預(yù)報體系，實現(xiàn)洪水、枯季徑流、地下水位、墑情、咸潮、泥沙、冰情、臺風暴潮、水質(zhì)等各類水安全要素全覆蓋，短期預(yù)報、中期預(yù)測、長期展望等多尺度無縫銜接，監(jiān)測站點、水系沿線、流域區(qū)域“點線面”相結(jié)合的多維展示。

快速直達預(yù)警。預(yù)警是前哨，通過預(yù)警為預(yù)演工作提供指引。科學(xué)設(shè)置風險閾值指標，完善預(yù)警發(fā)布機制，以預(yù)警信息及時精準、預(yù)警對象全面覆蓋、預(yù)警渠道直達一線為目標，構(gòu)建多種類多渠道的水災(zāi)害預(yù)警體系。在數(shù)字流場內(nèi)，聚焦未來可能發(fā)生的江河洪水、山洪災(zāi)害、漬澇災(zāi)害、工程災(zāi)害、干旱災(zāi)害、冰凌災(zāi)害、供水危機、水生態(tài)損害等各類水災(zāi)害，確定降雨量、水位、流量、水量等預(yù)警要素。根據(jù)預(yù)警不同量級、發(fā)展態(tài)勢以及可能造成的危害程度，明確預(yù)警等級，依托預(yù)警發(fā)布平臺，及時發(fā)布預(yù)警信息。結(jié)合地區(qū)實際，利用各種有效手段，實現(xiàn)預(yù)警信息直達一線、直達社會公眾，提醒及時采取應(yīng)急處置措施，做好防災(zāi)避險準備，做到防患于未然。

前瞻科學(xué)預(yù)演。預(yù)演是關(guān)鍵，通過預(yù)演為預(yù)案制定提供支撐。要集成耦合水工程預(yù)報信息與流域防洪調(diào)度、水資源管理調(diào)配、水工程調(diào)度運用、突發(fā)水事件處置、水生態(tài)過程調(diào)節(jié)等運行信息和其他邊界條件，設(shè)定不同情景目標，實時分析水利工作面臨的風險形勢，以貼近實戰(zhàn)、發(fā)現(xiàn)問題為目標，構(gòu)建全過程多情景模擬仿真的水利預(yù)演體系。在數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程基礎(chǔ)上，對規(guī)劃、設(shè)計或未來預(yù)測預(yù)報的場景進行前瞻預(yù)演，既可以根據(jù)預(yù)報預(yù)警結(jié)果，“正向”預(yù)演出風險形勢和影響，及時發(fā)現(xiàn)問題，以在萌芽之時、成災(zāi)之前發(fā)現(xiàn)問題、提出措施；也可以根據(jù)調(diào)度目標，“逆向”推演出水利工程安全運行限制條件，制定和優(yōu)化調(diào)度方案，實現(xiàn)預(yù)報與調(diào)度的動態(tài)交互和耦合模擬。

細化實化預(yù)案。預(yù)案是目的，通過“四預(yù)”環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，提升流域治理管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，為增強國家水安全保障能力提供信息快速感知、智能分析研判、科學(xué)高效決策的強大技術(shù)驅(qū)動。要結(jié)合水工程運行狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀等，在預(yù)演結(jié)果基礎(chǔ)上進行分析評估，滾動調(diào)整水工程運行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險等應(yīng)對措施，迭代優(yōu)化運行調(diào)度方案，有效提高預(yù)案的科學(xué)性和可操作性。工程措施要考慮最新工況、經(jīng)濟社會情況，明確規(guī)定各類水利工程的具體運用方式。非工程措施要明確值班值守、物料設(shè)備配置、查險搶險人員配備、技術(shù)專家隊伍組建、人員轉(zhuǎn)移避險方案等。組織實施要全面落實工作責任，明確各類措施的執(zhí)行機構(gòu)、權(quán)限和職責，進一步增強預(yù)案的科學(xué)性、實用性和可操作性。