以數(shù)字孿生長(zhǎng)江支撐流域治理管理

黃 艷

（水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)，430010，武漢）

一、數(shù)字孿生流域建設(shè)的意義

隨著信息監(jiān)控設(shè)備的普及、通信網(wǎng)絡(luò)體系不斷完善、 云計(jì)算的發(fā)展、三維可視化和圖像處理技術(shù)日益成熟，信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著水科學(xué)領(lǐng)域與數(shù)字孿生技術(shù)融合發(fā)展，數(shù)字孿生流域的概念應(yīng)運(yùn)而生。 2019 年，丹麥水利研究所（DHI）提出，數(shù)字孿生流域是一個(gè)多模型耦合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息構(gòu)成的數(shù)字平臺(tái)，主要支撐水流物理狀態(tài)模擬、涉水地物信息綜合管理和管理決策業(yè)務(wù)的指標(biāo)評(píng)估與決策生成等功能。 隨著研究的深入，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)字孿生流域有了更加清晰的認(rèn)識(shí)。 2022 年2 月，水利部印發(fā) 《數(shù)字孿生建設(shè)總體方案》， 明確數(shù)字孿生流域是以物理流域?yàn)閱卧?、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程的數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、 迭代優(yōu)化的一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)工程。 數(shù)字孿生流域建設(shè)一方面能夠有效提升管理人員對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析處理能力，另一方面也通過(guò)孿生技術(shù)對(duì)各類復(fù)雜決策進(jìn)行低成本、快速的預(yù)演并優(yōu)化評(píng)估，有效提升決策效率。數(shù)字孿生流域與真實(shí)流域的互饋關(guān)系如圖1 所示。數(shù)字孿生技術(shù)與水融合驅(qū)動(dòng)著水利行業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展， 但是數(shù)字孿生流域建設(shè)仍面臨著透徹感知不足、算法算力建設(shè)滯后等諸多問(wèn)題， 在全球信息化競(jìng)爭(zhēng)日益激烈背景下，加快推進(jìn)以數(shù)字孿生流域?yàn)橹攸c(diǎn)的智慧水利建設(shè)迫在眉睫。

圖1 數(shù)字孿生流域與物理流域之間的互饋關(guān)系

根據(jù)水利部部署， 建設(shè)數(shù)字孿生流域已經(jīng)成為我國(guó)智慧水利建設(shè)的核心任務(wù)與目標(biāo)。 水利部部長(zhǎng)提出，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)是貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院重大決策部署的明確要求，是適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展形勢(shì)的必然要求，是強(qiáng)化流域治理管理的迫切要求。 同時(shí)強(qiáng)調(diào)，數(shù)字孿生流域建設(shè)應(yīng)建立物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能。

水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)（簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江委”）高度重視，開(kāi)展專題調(diào)研，舉辦了“數(shù)字孿生與水科技創(chuàng)新”論壇，將數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè)納入長(zhǎng)江委重點(diǎn)工作內(nèi)容。

二、數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)建設(shè)總體布局

按照“大系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分系統(tǒng)建設(shè)，模塊化鏈接”思路，以流域防洪、水資源管理迫切需求為引領(lǐng)，長(zhǎng)江委設(shè)計(jì)構(gòu)建了“1+1+7+X”的數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè)規(guī)劃體系。

第一個(gè)“1”指完善1 個(gè)智慧長(zhǎng)江頂層設(shè)計(jì)。按照“需求牽引、急用先建”原則，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)底板、統(tǒng)一系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一運(yùn)行保障基礎(chǔ)上，提出以數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè)為重點(diǎn)、涵蓋2025—2035 年不同階段的建設(shè)方案，重點(diǎn)提出“十四五”期間建設(shè)任務(wù)和項(xiàng)目。

第二個(gè)“1”指編制1 個(gè)數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè)方案。 按照水利部數(shù)字孿生流域建設(shè)方案編制任務(wù)書要求和“2+N”業(yè)務(wù)需求確定總體目標(biāo)細(xì)化建設(shè)任務(wù)和范圍，編制總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)、水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云等建設(shè)方案并開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)、模型等關(guān)鍵技術(shù)專題研究。

“7”指2 個(gè)流域（漢江流域、澧水流域）、2 個(gè)河段 （三峽庫(kù)區(qū)、 城陵磯河段）、3 個(gè)水利工程（丹江口、江埡、皂市工程）共計(jì)7 個(gè)數(shù)字孿生試點(diǎn)任務(wù)。 構(gòu)建統(tǒng)一的長(zhǎng)江流域數(shù)據(jù)底板，重點(diǎn)建設(shè)2 個(gè)流域L2 級(jí)底板和3 個(gè)水利工程L3級(jí)底板，并建設(shè)各有側(cè)重的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

“X”指X 個(gè)專題研究。 數(shù)字孿生流域發(fā)揮準(zhǔn)確作用的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，核心在于構(gòu)建各種專業(yè)模型和調(diào)度決策分析算法，提升數(shù)字孿生流域?qū)ξ锢砹饔虻脑佻F(xiàn)模擬能力，提高決策支持智能水平和精準(zhǔn)度。

數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)建設(shè)將在數(shù)字孿生流域總體框架下， 形成流域、河段、工程多層級(jí)銜接融合、數(shù)據(jù)底板多級(jí)別粗細(xì)結(jié)合、業(yè)務(wù)應(yīng)用各有側(cè)重的總體布局，以利發(fā)揮流域、河段和水工程綜合效益。

三、數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)主體建設(shè)內(nèi)容

1.總體框架

以實(shí)現(xiàn)智慧長(zhǎng)江為目標(biāo)，數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)總體框架（見(jiàn)圖2）圍繞信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等方面開(kāi)展。 信息基礎(chǔ)設(shè)施為數(shù)字孿生流域提供“算力”支撐，數(shù)字孿生平臺(tái)為數(shù)字孿生流域提供“算據(jù)”和“算法”支撐，業(yè)務(wù)應(yīng)用以流域防洪、水資源管理與調(diào)配為重點(diǎn)， 同時(shí)考慮庫(kù)區(qū)綜合管理、工程運(yùn)行安全管理等。

圖2 基于智慧水利的數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)總體框架

2.數(shù)據(jù)底板建設(shè)

數(shù)據(jù)底板在“長(zhǎng)江水利一張圖”基礎(chǔ)上升級(jí)擴(kuò)展，基于可直接使用、內(nèi)部深化整合、外部協(xié)調(diào)、生產(chǎn)購(gòu)置、優(yōu)化處理等5 類數(shù)據(jù)清單， 開(kāi)展數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)共享等5 項(xiàng)具體任務(wù)（見(jiàn)圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)底板建設(shè)技術(shù)路線圖

數(shù)據(jù)底板的構(gòu)建將依據(jù)《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》《數(shù)字孿生工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)，充分利用長(zhǎng)江委中心機(jī)房三級(jí)區(qū)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、安全設(shè)備等，按需擴(kuò)充計(jì)算、存儲(chǔ)資源； 以長(zhǎng)江委中心數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步整合、 匯聚內(nèi)外部數(shù)據(jù)資源，適當(dāng)補(bǔ)充生產(chǎn)或購(gòu)置部分?jǐn)?shù)據(jù)，構(gòu)建多維多時(shí)空尺度數(shù)據(jù)模型，形成水利數(shù)據(jù)資源池。 開(kāi)展數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、融合化、對(duì)象化、輕量化和安全化處理，開(kāi)展技術(shù)優(yōu)化治理和業(yè)務(wù)應(yīng)用深度治理，為流域防洪、水資源管理等上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。 數(shù)據(jù)底板總體架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)底板總體架構(gòu)

本次試點(diǎn)擬突破常規(guī)數(shù)據(jù)獲取方式：①補(bǔ)充insar 數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)地觀測(cè)能力。②補(bǔ)充不同高程條件下基于地塊的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)信息，滿足任意區(qū)域、任意高程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況分析。③多渠道獲取行業(yè)外數(shù)據(jù)，包括航道部門的水深數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、船舶AIS 數(shù)據(jù)，自然資源部門的土地利用數(shù)據(jù)等。④開(kāi)展數(shù)據(jù)分析挖掘，如通過(guò)用水單位用電量折算用水量，作為水資源調(diào)配業(yè)務(wù)中需水量的參考；通過(guò)LBS 地理位置服務(wù)反映蓄滯洪區(qū)人口分布情況。

3.模型庫(kù)與知識(shí)平臺(tái)完善

模型庫(kù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的精準(zhǔn)映射和虛實(shí)互動(dòng)的核心，包括基于物理機(jī)理的專業(yè)模型和基于數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，以及耦合傳統(tǒng)專業(yè)模型與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的新一代專業(yè)模型；知識(shí)圖譜技術(shù)是人工智能技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用價(jià)值在于可以將散亂的知識(shí)有效組織起來(lái)，表達(dá)成更接近于人類認(rèn)知世界的形式，使人們更快捷地查詢到所需要的知識(shí)。 試點(diǎn)建設(shè)采用新一代模型技術(shù)和知識(shí)圖譜智慧技術(shù)，對(duì)已有模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)進(jìn)行完善和擴(kuò)展，以滿足流域統(tǒng)一調(diào)度管理的分析計(jì)算需要。

（1）模型庫(kù)完善

搭建融合機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能模型平臺(tái)， 拓展提升模型算力，為構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用提供算法支持。 采用知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)，充分應(yīng)用歷史經(jīng)驗(yàn)和水利專業(yè)（如防洪調(diào)度）知識(shí)，基于多源異構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化知識(shí)提取方法，構(gòu)建專業(yè)邏輯知識(shí)與大數(shù)據(jù)知識(shí)融合的防洪領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)；根據(jù)試點(diǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用重點(diǎn)開(kāi)發(fā)水利專業(yè)模型、智能調(diào)度分析模型和可視化模型，為準(zhǔn)確模擬和映射物理世界提供算法支持。

（2）知識(shí)平臺(tái)擴(kuò)展

建設(shè)水利知識(shí)庫(kù)（如供水調(diào)度知識(shí)庫(kù)）、調(diào)度規(guī)則庫(kù)、應(yīng)急預(yù)案庫(kù)、防洪調(diào)度知識(shí)圖譜等經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)與水利智能引擎，構(gòu)建流域和工程知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)圖譜和防洪需求驅(qū)動(dòng)的智慧調(diào)度。 試點(diǎn)建設(shè)利用已有防洪調(diào)度規(guī)則庫(kù)，進(jìn)一步拓展優(yōu)化調(diào)度規(guī)則集；建立基于知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)信息和防洪調(diào)度響應(yīng)關(guān)系，挖掘調(diào)度規(guī)則各要素間的關(guān)系，充分發(fā)揮水利信息知識(shí)的價(jià)值，為實(shí)時(shí)調(diào)度管理決策方案預(yù)案的提出和優(yōu)化提供知識(shí)支撐。

4.業(yè)務(wù)應(yīng)用

圍繞“2+N”水利業(yè)務(wù)，試點(diǎn)區(qū)域智慧應(yīng)用探索各有側(cè)重。 單一支撐業(yè)務(wù)方面，試點(diǎn)流域和河段側(cè)重于防洪、水資源管理與調(diào)配等流域治理管理業(yè)務(wù)需求，試點(diǎn)工程側(cè)重于工程運(yùn)行管理、工程安全管理、庫(kù)區(qū)管理等工程治理和管理需求。 流域統(tǒng)一治理管理方面，漢江流域（含丹江口工程）試點(diǎn)重點(diǎn)支撐防洪、供水、水生態(tài)、水環(huán)境、發(fā)電、工程安全運(yùn)行等；澧水流域（含江埡、皂市工程）試點(diǎn)重點(diǎn)支撐水資源綜合利用、 水工程安全運(yùn)行等； 三峽庫(kù)區(qū)試點(diǎn)重點(diǎn)支撐防洪、興利、航運(yùn)等多目標(biāo)精細(xì)調(diào)度；中下游行蓄洪空間（城陵磯附近地區(qū)）試點(diǎn)以服務(wù)防洪調(diào)度運(yùn)用的洲灘民垸和蓄滯洪區(qū)運(yùn)用、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移為主。

四、數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)建設(shè)支撐流域治理管理

1.支撐流域防洪管理

數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)建設(shè)通過(guò)完善“空天地”一體的監(jiān)測(cè)體系，科學(xué)預(yù)判流域水雨情發(fā)展態(tài)勢(shì)，實(shí)施洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度方案推演，提供預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”支撐，為流域騰退庫(kù)容、攔洪蓄洪、削峰錯(cuò)峰等業(yè)務(wù)決策提供有力支持，提升流域水旱災(zāi)害防御能力，賦能流域防洪治理。

（1）數(shù)字孿生漢江流域

漢江流域涉及防洪、供水、水生態(tài)、發(fā)電等多個(gè)調(diào)度目標(biāo)，其調(diào)度目標(biāo)耦合性、復(fù)雜度高。 本試點(diǎn)以丹江口水庫(kù)為核心， 對(duì)漢江上中游水庫(kù)群、 中游14 個(gè)分蓄洪民垸及杜家臺(tái)蓄滯洪區(qū)等控制性防洪工程作為模擬調(diào)度的重點(diǎn)，建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)的變參數(shù)水文預(yù)報(bào)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)全流域水雨情預(yù)報(bào)全要素信息的高精度模擬。 建立洪水預(yù)警、洪水地區(qū)組成、流域防洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、 水工程防洪能力等判別指標(biāo)體系， 構(gòu)建流域防洪態(tài)勢(shì)研判模型，實(shí)現(xiàn)防洪形勢(shì)智能研判、防洪風(fēng)險(xiǎn)和薄弱環(huán)節(jié)的智能判別， 以及防洪風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)的智能識(shí)別。 基于知識(shí)圖譜技術(shù)， 構(gòu)建漢江流域水工程全過(guò)程（攔洪、騰庫(kù)）、全工程體系聯(lián)合（堤防、水庫(kù)、分洪民垸）的防洪調(diào)度規(guī)則庫(kù)；針對(duì)不同的防洪調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度原則， 建立以丹江口水庫(kù)為核心的水庫(kù)群防洪調(diào)度模型， 構(gòu)建洪水演進(jìn)模擬動(dòng)參數(shù)和實(shí)時(shí)反饋模型， 研發(fā)洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)仿真。通過(guò)防洪形勢(shì)分析、調(diào)度方案生成和比選、多情景（多方案）演練，采用短期提出調(diào)度方案、中長(zhǎng)期提出調(diào)度策略的決策支持技術(shù)，支撐防洪調(diào)度會(huì)商， 有效支撐漢江流域智慧化模擬和精準(zhǔn)化多維度決策。

（2）數(shù)字孿生澧水流域

澧水流域洪水出現(xiàn)頻繁，且洪水過(guò)程陡漲陡落，致使澧水沿岸及尾閭和松澧地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)。 本試點(diǎn)以江埡和皂市等骨干工程為重要節(jié)點(diǎn)，充分利用綜合調(diào)度系統(tǒng)中的流域水模擬子系統(tǒng)，開(kāi)展澧水流域水文預(yù)報(bào)及洪水預(yù)警，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)澧水干流及溇水、渫水支流“降水—產(chǎn)流—匯流”全過(guò)程模擬，完善江埡、皂市水庫(kù)入庫(kù)洪水組成及未來(lái)洪水情勢(shì)分析功能，研判水庫(kù)和堤防等工程的實(shí)時(shí)防洪能力以及上下游重要城鎮(zhèn)等防控目標(biāo)的潛在防洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、薄弱環(huán)節(jié)與風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)時(shí)間， 及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，智能推薦避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移路線； 預(yù)演方面，針對(duì)防洪預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)， 依據(jù)預(yù)報(bào)信息，設(shè)定不同情景目標(biāo)，自動(dòng)生成防洪調(diào)度方案集，研發(fā)國(guó)產(chǎn)自主可控的流域多尺度、多維度、高精度、高效率的水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)專業(yè)模型的開(kāi)放集成與在線仿真，估算不同方案的洪災(zāi)損失及影響，結(jié)合多方案的預(yù)演反饋結(jié)果，精準(zhǔn)化決策生成推薦最優(yōu)調(diào)度方案，制定澧水干流防洪預(yù)案。

（3）數(shù)字孿生三峽庫(kù)區(qū)

三峽工程是治理和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程，本試點(diǎn)側(cè)重于研究三峽防洪對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)的影響模擬分析及再現(xiàn)。 主要建設(shè)內(nèi)容包括：

①構(gòu)建庫(kù)區(qū)淹沒(méi)模擬和分析模型。 完善三峽水庫(kù)水動(dòng)力學(xué)模型，研究基于變參數(shù)的數(shù)字孿生互饋徑流及水動(dòng)力洪水演進(jìn)模型，實(shí)現(xiàn)流域水模擬體系與數(shù)字孿生體系耦合，通過(guò)調(diào)度與工程信息實(shí)現(xiàn)互饋，提高水模擬精度，從而提出調(diào)度方案，反饋至物理體系，實(shí)現(xiàn)物理世界與孿生體之間的雙向反饋；構(gòu)建不同水位下三峽水庫(kù)調(diào)度效益和風(fēng)險(xiǎn)分析模型，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)水面線變化過(guò)程，評(píng)估重點(diǎn)地區(qū)的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，以中下游重要控制站和庫(kù)區(qū)水位為評(píng)估對(duì)象，測(cè)算三峽水庫(kù)綜合調(diào)度效益； 以調(diào)度目標(biāo)為導(dǎo)向，調(diào)用防洪知識(shí)圖譜，利用智能尋優(yōu)算法， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度方案的智能推薦，為精準(zhǔn)化決策提供技術(shù)支撐。

②研發(fā)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析模擬可視化場(chǎng)景。以精細(xì)化數(shù)字高程地圖為基礎(chǔ)，繪制三峽庫(kù)區(qū)2.5 維高程地圖， 實(shí)現(xiàn)基于等高線的渲染展示； 疊加流域模擬水面線計(jì)算成果， 實(shí)現(xiàn)概化場(chǎng)景的迅速構(gòu)建與展示；構(gòu)建三峽外觀BIM、重慶主城區(qū)和重點(diǎn)河段的精細(xì)化三維場(chǎng)景； 以三峽大壩為試點(diǎn)， 采用AR、MR 技術(shù)開(kāi)發(fā)混合現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)場(chǎng)景，在真實(shí)環(huán)境中投影出全息流域模型。

（4）數(shù)字孿生城陵磯河段

長(zhǎng)江中下游防洪突出矛盾主要集中在城陵磯附近地區(qū)。 本試點(diǎn)選取城陵磯以上河段、干流和洞庭湖區(qū)的27 處蓄滯洪區(qū)與289 處洲灘民垸作為建設(shè)和研究對(duì)象，開(kāi)展河段（枝城—東荊河口段）尺度的數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)。

結(jié)合《長(zhǎng)江洪水調(diào)度方案》等已有方案預(yù)案中調(diào)度規(guī)則，引入隨機(jī)模擬、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，構(gòu)建以長(zhǎng)江中下游行蓄洪空間為主體的防洪知識(shí)圖譜與知識(shí)運(yùn)用引擎， 完善知識(shí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多源涉水?dāng)?shù)據(jù)與知識(shí)的有機(jī)組織、 快速索引以及圖譜實(shí)時(shí)調(diào)用。開(kāi)展流域防洪態(tài)勢(shì)分析模型建設(shè)，分析流域剩余防洪能力以及預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的防洪壓力；開(kāi)展知識(shí)圖譜驅(qū)動(dòng)的行蓄洪空間調(diào)度模型研究，實(shí)現(xiàn)行蓄洪工程交互運(yùn)用、 防洪態(tài)勢(shì)時(shí)空演變互饋的智慧化模擬；構(gòu)建沿岸堤防風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估模型，對(duì)不同行蓄洪工程組合運(yùn)用方案進(jìn)行效益風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、多場(chǎng)景演化過(guò)程差異性對(duì)比與精準(zhǔn)化決策。

針對(duì)蓄滯洪區(qū)和洲灘民垸運(yùn)用人群專業(yè)引導(dǎo)難等問(wèn)題，采用基于位置服務(wù)（LBS）人群屬性的應(yīng)急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移技術(shù)， 動(dòng)態(tài)掌握轉(zhuǎn)移人員時(shí)空分布， 實(shí)現(xiàn)行蓄洪空間全息、 全景、全域、多時(shí)空、全過(guò)程模擬和不同工程組合調(diào)度運(yùn)用方式的精確預(yù)演，有效支撐防汛會(huì)商。

2.支撐流域水資源管理

以數(shù)字孿生漢江供水調(diào)度為示范，構(gòu)建支撐流域水資源調(diào)度管理需求的各項(xiàng)應(yīng)用。 考慮南水北調(diào)中線一期、引江濟(jì)漢等引調(diào)水工程的調(diào)度運(yùn)用，以及漢江流域主要控制斷面生態(tài)流量需求、沿江取水需求等，建立水資源調(diào)度（含供水調(diào)度）規(guī)則，為日常水資源管理如流域水量調(diào)度計(jì)劃編制和實(shí)時(shí)供水調(diào)度（如各種目標(biāo)流量的保障預(yù)警和調(diào)度）等需求提供技術(shù)支撐。

具體技術(shù)路線為：以漢江流域水量分配方案、漢江流域及南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度方案、年度水量調(diào)度計(jì)劃等為依據(jù)，接入多尺度徑流預(yù)報(bào)成果，滾動(dòng)預(yù)測(cè)主要控制斷面來(lái)水，制定水量調(diào)度預(yù)警指標(biāo)，對(duì)重要控制斷面預(yù)警；開(kāi)發(fā)漢江流域分區(qū)域水資源調(diào)度配置模型、丹江口水庫(kù)可調(diào)水量模型、供水調(diào)度模型，構(gòu)建靈活情景調(diào)度方案模擬仿真預(yù)演和結(jié)果綜合分析評(píng)估，智能優(yōu)選綜合效益最大的漢江流域水量調(diào)度和水工程調(diào)度運(yùn)行方案，提升漢江流域及跨流域調(diào)水工程水資源調(diào)度和管理能力。

3.支撐水庫(kù)工程庫(kù)區(qū)綜合管理

以數(shù)字孿生丹江口工程和數(shù)字孿生江埡、皂市工程為試點(diǎn)，利用視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航拍等技術(shù)，采用天上看、網(wǎng)上管、地上查的模式對(duì)庫(kù)區(qū)管理和保護(hù)范圍內(nèi)的管控對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)管。 構(gòu)建高頻次、大范圍立體監(jiān)測(cè)感知體系，基于智能算法模型，自動(dòng)解譯圖像變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)、 壩區(qū)等安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題； 制定完善的庫(kù)區(qū)巡檢管理流程，規(guī)范河湖“四亂”（亂占、亂采、亂堆、亂建）行為等事件的處置流程，實(shí)現(xiàn)涉水問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與處置閉環(huán)全過(guò)程的信息化與智能化，滿足庫(kù)區(qū)智慧化綜合管理要求。

4.支撐工程運(yùn)行安全管理

以數(shù)字孿生技術(shù)全面支撐丹江口水庫(kù)和江埡、 皂市工程現(xiàn)代化管理。 在各水庫(kù)已建大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)以及大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建大壩安全智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，提升大壩安全在線監(jiān)管能力； 構(gòu)建工程安全知識(shí)庫(kù)；建立工程安全評(píng)判規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工程安全狀態(tài)與具體監(jiān)測(cè)成果的關(guān)聯(lián)推理；實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行管理各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)共享，通過(guò)工程資產(chǎn)管理、工程安全管理、工程運(yùn)行管護(hù)等促進(jìn)工程管理單位數(shù)字化轉(zhuǎn)型，支撐工程智慧化運(yùn)行管理。

五、試點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究

1.變參數(shù)水文學(xué)模型研究

傳統(tǒng)水文模擬過(guò)程的一致性、水文模型參數(shù)難以描述變化環(huán)境下流域水文演化機(jī)理。 近年，丹江口水庫(kù)、三峽水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)中顯現(xiàn)出傳統(tǒng)常參數(shù)水文模型有局限性。 例如，運(yùn)用常參數(shù)水文預(yù)報(bào)模型對(duì)前期來(lái)水偏枯或土壤含水量飽和時(shí)的徑流模擬與產(chǎn)匯流分析精度均不理想，結(jié)果需進(jìn)行人工交互校驗(yàn)。 為此，通過(guò)分析不同水雨情、流域下墊面條件下流域產(chǎn)匯流機(jī)理，研究變參數(shù)水文模型，揭示參數(shù)變異機(jī)理，將水文性質(zhì)變化通過(guò)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)反饋給預(yù)報(bào)模型，并根據(jù)多模型預(yù)報(bào)結(jié)果研究實(shí)時(shí)互饋校正技術(shù)，以期提高數(shù)字孿生場(chǎng)景中流域模擬的準(zhǔn)確性。

2.防洪知識(shí)圖譜構(gòu)建及驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)

現(xiàn)有調(diào)度模型需要實(shí)時(shí)開(kāi)展流域上下游聯(lián)動(dòng)大范圍水文+水動(dòng)力計(jì)算和多種工程組合下的一一對(duì)應(yīng)的模擬計(jì)算，計(jì)算程序復(fù)雜，方案構(gòu)建難，難以支撐大規(guī)模工程集群調(diào)度和多區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)調(diào)控。 因此，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法挖掘極端工況下流域行蓄洪空間工程組合使用、復(fù)雜調(diào)度響應(yīng)關(guān)系以及調(diào)度效果，建立多維元素相關(guān)的工程調(diào)度響應(yīng)關(guān)系模型，快速揭示水工程調(diào)控-水文情勢(shì)變化-險(xiǎn)情災(zāi)情態(tài)勢(shì)之間的復(fù)雜互饋演化協(xié)變機(jī)理， 形成可以多參數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)的防洪知識(shí)圖譜， 為中下游洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用構(gòu)建知識(shí)支撐。

在防洪知識(shí)圖譜基礎(chǔ)上，基于模擬調(diào)度方案集與歷史調(diào)度方案集，構(gòu)建以防洪工程、 控制站點(diǎn)為主體，涵蓋水情、雨情、工情信息基本知識(shí)單元， 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)的防洪調(diào)度-響應(yīng)知識(shí)圖譜調(diào)用引擎， 實(shí)現(xiàn)工程智能推薦、工程調(diào)度響應(yīng)關(guān)系自動(dòng)索引與調(diào)度方案快速生成，提升工程聯(lián)合智能調(diào)度能力。

3.基于預(yù)報(bào)及供水需求的水資源調(diào)配模型

現(xiàn)有水資源調(diào)配模型難以支撐基于不同尺度水文預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)供水調(diào)度或月、季、年水量調(diào)度計(jì)劃的編制、調(diào)整等，難以支撐對(duì)流域水資源實(shí)時(shí)調(diào)度管理。 本次試點(diǎn)將改進(jìn)傳統(tǒng)水資源配置模型，耦合不同預(yù)見(jiàn)期尺度（日、月、年）徑流預(yù)報(bào)及不同供用水需求， 構(gòu)建水資源調(diào)度預(yù)警閾值集、 水資源調(diào)度知識(shí)圖譜和規(guī)則庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)支持需求驅(qū)動(dòng)的調(diào)度方案生產(chǎn)、不同時(shí)間尺度調(diào)度計(jì)劃調(diào)整等水資源調(diào)配模型，以支持調(diào)度方案的滾動(dòng)生產(chǎn)和調(diào)整，為水資源精細(xì)調(diào)度和科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

4.數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)

圍繞數(shù)字場(chǎng)景快捷交互響應(yīng)與可視化能力提升建設(shè)目標(biāo)， 基于GIS服務(wù)平臺(tái)， 采用3D+GIS 二三維一體化平臺(tái)作為防洪調(diào)度前端界面展示與二三維瀏覽分析的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)流域地物信息在孿生流域的合理呈現(xiàn)。 采用渲染引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)畫面高保真展示，采用基于物理引擎的技術(shù)手段，真實(shí)映射虛擬世界與孿生世界的交互反饋；引入云渲染技術(shù)，在保證畫面真實(shí)呈現(xiàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)多終端在線使用，在增強(qiáng)系統(tǒng)適配性的同時(shí)保證數(shù)據(jù)安全性。

六、結(jié) 語(yǔ)

闡述了以4 個(gè)典型區(qū)域和3 個(gè)典型工程為試點(diǎn)的數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)建設(shè)總體布局和主體建設(shè)內(nèi)容。 考慮試點(diǎn)區(qū)域不同的特征和業(yè)務(wù)管理需要，通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)底板、完善模型庫(kù)和知識(shí)平臺(tái)，完善流域治理管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用的“四預(yù)”功能，提升水旱災(zāi)害防御能力、增強(qiáng)水資源配置與管理水平。 同時(shí)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決流域預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確、防洪知識(shí)圖譜構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)不成熟、跨流域調(diào)水工程不同時(shí)空尺度水資源實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)配難等問(wèn)題。

現(xiàn)階段按照“先行先試”原則開(kāi)展重點(diǎn)區(qū)域數(shù)字孿生流域試點(diǎn)，初步成果預(yù)期在2022 年發(fā)揮重要作用。后期將結(jié)合人工智能技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織與挖潛，輔助解析復(fù)雜流域系統(tǒng)演化過(guò)程中的物理機(jī)理，建立大數(shù)據(jù)背景下具有物理機(jī)制的新一代流域數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步提高流域模擬精度。 同時(shí)進(jìn)一步拓展業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍，規(guī)范細(xì)化數(shù)據(jù)、模型接口等標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)凝練可推廣、可復(fù)制的模型或平臺(tái)，為全面開(kāi)展數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)和奠定技術(shù)基礎(chǔ)，為長(zhǎng)江流域治理管理提供重要的技術(shù)支撐。