基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)應用研究

□孫光寶 鄧頌霖

為貫徹落實水利部關于加快智慧水利建設的決策部署，加強信息技術在水資源管理中的業(yè)務應用，水利部印發(fā)了《2022年推進智慧水利建設水資源管理工作要點》（下稱《要點》），提出了“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總體要求，強調(diào)水資源管理系統(tǒng)建設應著重加強用水量的需求與分析、水資源監(jiān)管、地下水超采治理等業(yè)務應用，搭建水資源管控“一張圖”，不斷提升水資源管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平，為推進水利的高質(zhì)量發(fā)展提供有力的支撐。在水資源管理系統(tǒng)建設中，數(shù)字孿生技術以異構(gòu)大數(shù)據(jù)為基礎，以跨時空知識為驅(qū)動，以多學科、多尺度、多概率數(shù)理模型為基礎，可實現(xiàn)水資源管理周期、過程的數(shù)字化復現(xiàn)和智能化模擬。借助數(shù)字孿生技術，能夠進一步提高水資源的智慧化、精細化水平。

文章結(jié)合數(shù)字孿生技術概念和水利工作的任務要求，提出了基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，詳細地闡述了架構(gòu)功能，并結(jié)合水資源管理的要求，探討了系統(tǒng)在水資源管理中的業(yè)務應用，以期為水利水資源管理和信息化系統(tǒng)建設提供有益的參考。

一、數(shù)字孿生技術概述

根據(jù)《2021數(shù)字孿生技術應用白皮書》中的定義可知，數(shù)字孿生技術是一種以數(shù)據(jù)和模型集成融合為基礎和核心的數(shù)字化理念和技術，即在數(shù)字空間中實時構(gòu)建物理對象的精確數(shù)字化映射，并基于數(shù)字整合與分析預測對物理實體發(fā)展進行模擬、驗證、預測和控制，最終實現(xiàn)智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。在水資源管理中，將收集的傳感器實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)字建模，利用數(shù)字孿生技術重構(gòu)水資源數(shù)據(jù)的“克隆體”，并借助大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等技術對水資源管理的發(fā)展趨勢進行模擬、預測，能夠為水資源管理提供決策支持。

二、基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)架構(gòu)及技術體系

（一）水資源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)《要點》中的工作要求，水利部門應通過信息技術強化水資源管理，著力提升水資源管理的“四預”能力（預報、預警、預演和預案），根據(jù)該要求，水利部門應根據(jù)“實時感知、數(shù)字映射、智慧模擬、智能應用”的智慧水利特征，構(gòu)建“2（水旱災害防御、水資源管理與調(diào)配）+N”應用為重點的水資源管理系統(tǒng)。基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)可分為實時感知層（流域水資源感知體系、水利工程設施感知體系、區(qū)域先進3S感知技術手段）、能力支撐體系（高速傳輸網(wǎng)絡、高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）、數(shù)字映射（流域一張圖、水利工程智慧孿生體）、智慧模擬體系（模擬模型、人工智能AI技術、虛擬現(xiàn)實AR技術等）、智能應用“2+N”（水旱災害防御、水資源管理與調(diào)配、水利工程建設、水土保持、水資源監(jiān)管、流域綜合治理等）。通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)流域管理“四預”（預報、預警、預演、預案），為水資源管理工作的精準化決策提供有力的支撐。

（二）實時感知，完善水資源系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)

實時感知層是實現(xiàn)水資源管理系統(tǒng)功能的最小單元，是感知流域水資源數(shù)據(jù)的關鍵。為確保水資源管理系統(tǒng)對物理實體的精準畫像、動態(tài)感知，應進一步完善流域水資源感知體系，實現(xiàn)流域水量、水位、流量、水質(zhì)、泥沙、降雨量等信息要素實時在線監(jiān)測，提升系統(tǒng)信息的收集和感知能力。同時，針對流域水資源分布范圍較大的問題，應結(jié)合高分辨率的航天航空遙感技術、地面水文監(jiān)測技術形成“空天一體化”監(jiān)測系統(tǒng)，提高流域內(nèi)水資源管理系統(tǒng)的信息收集、監(jiān)測覆蓋范圍、監(jiān)測精度水平。同時，為優(yōu)化流域內(nèi)的洪水災害預警監(jiān)測體系，可將雷達納入雨量常規(guī)監(jiān)測范圍，確保流域水資源信息應采盡采，摸清水資源取水、供水、輸水、用水、排水各環(huán)節(jié)信息。

除水資源信息感知體系外，系統(tǒng)應加強在水利工程的信息采集，實現(xiàn)水庫、泵站、水閘、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)等水利工程設施的信息全過程采集，完善流域內(nèi)水利工程設施狀態(tài)的全張采集、動態(tài)感知，在新建、改建、擴建水利工程設計時，應融入物聯(lián)網(wǎng)、智慧管理系統(tǒng)等系統(tǒng)設計與應用，提高流域水資源信息采集的準確性、全面性。

（三）高速傳輸，增強水資源數(shù)據(jù)處理能力

為確保實時感知數(shù)據(jù)的高速傳輸，在水資源系統(tǒng)建設時應同步建設、完善水利工程基礎信息傳輸網(wǎng)絡，充分利用5G無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等信息傳輸載體，遵循“積極利用、科學管理、依法管理、確保安全”的國家安全網(wǎng)絡管理原則，堅持水利工程設施與網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集接口的同步設計、協(xié)同推進、需求驅(qū)動、資源共享，統(tǒng)一標準、統(tǒng)一技術架構(gòu)，全面推進水利設施建設與高速傳輸網(wǎng)絡建設的深度融合，形成水利業(yè)務應用與水資源信息化保障環(huán)境相結(jié)合的水利信息化綜合體系。

（四）數(shù)字映射，構(gòu)建流域水資源管理智慧孿生體

在數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)幕A上，通過對流域水資源數(shù)據(jù)進行功能性仿真、評估、預測等，形成水資源管理算法、模型和處理方法，并與業(yè)務性數(shù)據(jù)（飲水信息、用水計劃、取水許可、監(jiān)督檢查等）、知識性數(shù)據(jù)（歷史數(shù)據(jù)、行業(yè)標準、政策約束等）耦合，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、預處理、分類、關聯(lián)和集成，獲得流域水資源孿生數(shù)據(jù)，建構(gòu)物理實體與虛擬實體服務的連接、互通，構(gòu)建全流域水資源“一張圖”，實現(xiàn)三維場景仿真模擬，形成水利工程智慧孿生體和數(shù)字流場，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的共享與增值?！耙粡垐D”是基于物理實體空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化展示，是流域水資源數(shù)據(jù)應用與服務的入口，為確保流域水資源管理的精準化、智慧化，“一張圖”應將實現(xiàn)空間分析、數(shù)據(jù)分析、仿真結(jié)果可視化、地形地貌數(shù)據(jù)、水資源管理需求、人員分布等數(shù)據(jù)集成化數(shù)據(jù)耦合展示和動態(tài)更新。

（五）智慧模擬，加強新技術應用

基于流域水資源孿生數(shù)據(jù)，可借助3D可視化展示系統(tǒng)、高仿真場景模擬、水利工程運行狀態(tài)監(jiān)測和重點區(qū)域地形水文監(jiān)測等數(shù)據(jù)，獲得高精度的水上水下一體化數(shù)字地形數(shù)據(jù)，通過疊加水位、水文、水利工程等相關信息，實現(xiàn)全場域數(shù)據(jù)環(huán)境模擬，并與真實環(huán)境對應，為水資源管理提供直觀、高效、精準的數(shù)據(jù)支持，可面向防災減災、流域水資源調(diào)度和水利工程建設等決策提供科學的數(shù)據(jù)支持服務。

通過建設全流域數(shù)字孿生體技術應用，基于數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和設計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等數(shù)字化手段，對流域河網(wǎng)水系和下墊面特征進行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，基于衛(wèi)星、無人機傾斜攝影等遙感數(shù)據(jù)解譯流域下墊面和小流域的基礎屬性數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)水雨情監(jiān)測站網(wǎng)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，建立流域監(jiān)測站網(wǎng)，可在具體的應用場景、不同時空分辨率、不同精細化粒度下實現(xiàn)河網(wǎng)水系、小流域下墊面、水利工程上下游、流域影響范圍和經(jīng)濟社會要素等全局性的要素動態(tài)、實時數(shù)字化智慧模擬，實現(xiàn)流域的智慧虛擬畫像。

（六）智慧應用，實現(xiàn)流域水資源管理“四預”目標

基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)，其核心是對已采集獲取的物理實體信息進行跨學科、多尺度、多概率仿真，通過對可能發(fā)生的概率性事件進行預測，最終為決策提供支撐服務。

在智慧應用中，系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)字孿生技術對流域內(nèi)降雨產(chǎn)流、流域匯流、洪水演進、水土侵蝕、水質(zhì)擴散、地下水運動、水文預測預報等數(shù)據(jù)進行預測，通過預測流域內(nèi)水位、水文、水量、水質(zhì)等變化情況和水資源管理的利用情況進行研究，提出防災減災方案和水資源調(diào)度調(diào)控決策方案，為水資源管理的保護、利用，污染事件的應急處置提供決策支持。在水資源管理系統(tǒng)中，基于水資源數(shù)字分析與處理，可實現(xiàn)用水計劃和水量調(diào)度管理的精細化，如結(jié)合土壤墑情、農(nóng)作物生長周期、氣象水文信息等基礎數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)水資源用水計劃、用水調(diào)度進行演算預測，并根據(jù)實時引水、用水數(shù)據(jù)實時更新水資源的總量、需水量、用水量等信息，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源管理與調(diào)配智慧化的科學模擬與決策。

為提高系統(tǒng)的自動化、信息化水平，降低人工干預對模擬仿真結(jié)果的干擾，水資源管理系統(tǒng)應集成人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)挖掘等技術手段，確保系統(tǒng)能夠在多源、復雜數(shù)據(jù)中分析、提取出有價值的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)預測的精度，縮短數(shù)據(jù)分析時間，為研究流域水資源規(guī)律提供技術支持。

三、基于數(shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)應用

水資源管理系統(tǒng)建設的最終目的是提升水資源管理的決策能力?；跀?shù)字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)可用于水資源數(shù)據(jù)監(jiān)測、水旱災害應急處置、水資源調(diào)度與管理、水資源監(jiān)管、水利工程設施建設等方面。

（一）強化流域水資源數(shù)據(jù)監(jiān)測能力

基于廣泛的流域水資源感知體系、水利工程設施感知體系和3S感知技術手段，建立健全覆蓋全流域、全場域的流域水資源數(shù)據(jù)監(jiān)測體系，可實現(xiàn)水資源流量、水位、水質(zhì)、水土保持等全要素的實時監(jiān)測，并結(jié)合水利設施在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和相關的基礎數(shù)據(jù)，形成“流域一張圖”三維立體的動態(tài)展示，可快速、可靠地展示水資源的相關數(shù)據(jù)，為流域水資源管理和規(guī)律研究提供數(shù)據(jù)支持。

（二）提高水旱災害防御處置能力

2022年，在十三屆全國人大五次會議部長通道采訪時，水利部部長李國英指出，中國水安全保障規(guī)劃的四級目標是提升水旱災害的防御能力、提升水資源集約節(jié)約利用能力、提升水資源優(yōu)化配置能力和提高大江大河大湖的生態(tài)保護治理能力。由此可見，提高流域水資源水旱災害的防御處置能力是水資源管理系統(tǒng)建設的首要目標。通過基于水資源物理實體數(shù)據(jù)采集構(gòu)建的數(shù)字孿生模型，可用于水利工程調(diào)度模擬預演、水資源調(diào)度、超標準洪水防御處置預案仿真與決策等方面，能夠?qū)崿F(xiàn)水旱災害防御關口前置、預測預警和科學決策。

在水旱災害預警預測方面，綜合水文數(shù)據(jù)滾動分析、預測未來中短期、長期氣象數(shù)據(jù)和水旱災害發(fā)生的可能性，對可能出現(xiàn)的水旱災害地點、時間進行中短期、長期預報，定向發(fā)布預報結(jié)果，實現(xiàn)水旱災害預警預報信息全覆蓋，最大限度地減輕水旱災害造成的經(jīng)濟損失。在洪水預演方面，通過綜合氣象、水文、水資源調(diào)度、水庫、河道、蓄滯洪區(qū)等數(shù)據(jù)進行綜合仿真模擬，對洪水預演方案進行調(diào)整，提高方案的可操作性，為洪水區(qū)人員疏散、水庫蓄泄等方面的決策提供組織支撐。

（三）提高水資源管理智慧化水平

在水資源管理中，可借助水資源管理系統(tǒng)進行水資源調(diào)度、調(diào)控，并結(jié)合用水限額、生態(tài)流量等紅線指標對流域內(nèi)的水資源需求進行調(diào)控、調(diào)配仿真模擬，平衡流域內(nèi)的水資源需求與生態(tài)保護之間的關系，形成預報超用水限額預警、生態(tài)流量預警業(yè)務系統(tǒng)，超用水限額預警可實時對比用水計劃批復用水量、取水許可水量和實際用水量，并分等級對流域內(nèi)的水資源管理部門發(fā)出預警。生態(tài)流量預警可實現(xiàn)流域內(nèi)河道斷面引水流量的實時監(jiān)控，結(jié)合上游的水量信息，模擬仿真斷面生態(tài)流量，及時發(fā)出生態(tài)流量預警，確保斷面生態(tài)流量安全，提前規(guī)避水資源管理的風險。

在水資源預報方面，通過建立水資源用量、污染物通量、水質(zhì)預報等數(shù)據(jù)監(jiān)測、模擬常態(tài)化機制，能夠為水資源保護、水資源生態(tài)治理監(jiān)測預警提供數(shù)據(jù)依據(jù)。針對超采地下水等問題，可結(jié)合地下水探測、河流斷面流量、氣象數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)構(gòu)建地下水三維動態(tài)模型，定期根據(jù)地下水水位、水量、水質(zhì)的勘測結(jié)果開展流域內(nèi)地下水資源超采治理工作。

（四）增強水資源監(jiān)管有效性

將水資源管理系統(tǒng)預警預報數(shù)據(jù)用于水資源監(jiān)督、水政執(zhí)法、水利工程運行管理、水土保持、河湖管理等領域，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源管理風險的提前預警、動態(tài)感知和數(shù)據(jù)溯源，為水資源監(jiān)管提供有力的支撐。

同時，通過河道槽蓄量監(jiān)測、計算、模擬，可獲得河道沖淤量、淤泥厚度、槽蓄量高程曲線圖、槽蓄量分布圖、沖淤量高程曲線圖等數(shù)據(jù)，借助高精度的水下地形模型、實時水位高程圖，分析流域內(nèi)不同時段的河道槽蓄量，能夠為河道演變、流域開發(fā)、防洪調(diào)度和河道治理、水資源監(jiān)管提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（五）支持水利工程設施建設運營科學決策

基于高精度河道地形、斷面數(shù)據(jù)和高頻高清遙感數(shù)據(jù)，可獲取河道、水庫等水面信息，通過與現(xiàn)有流域水文、實時監(jiān)控水位、流速、流量等數(shù)據(jù)進行混合建模，可實現(xiàn)河道流場水面—水位—流量—流速“空天一體化”實時化地感知孿生模型，助力水利工程的動態(tài)運行。

為實現(xiàn)流域水資源效益的最大化，可基于水資源管理系統(tǒng)對水資源發(fā)電、防凌、航運、水利工程建設等各項目標任務進行優(yōu)化。同時，基于數(shù)字孿生技術實時掌握的遙感數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)，可按日、周、月更新水利工程要素，跟蹤監(jiān)測水利工程土地利用、種植作物、河湖水體等下墊面要素和變化檢測，推演不同場景下水利工程全生命周期的運行態(tài)勢，并對洪澇災害情況下水利工程漫溢、決口、蓄滯洪區(qū)、城區(qū)淹沒等信息進行立體動態(tài)展示，為水利工程設施的運行優(yōu)化、災害預測預警、智慧水利工程態(tài)勢響應和決策提供智慧化的應用指導。

由于數(shù)字孿生技術具有水利設施、水文要素在線模擬和同步控制功能，可對水庫、水閘、堤防、水電站、泵站等工程設施進行仿真可視化，能夠直觀地掌握水利工程設施的運維情況、設備設施控制情況和終端虛擬調(diào)水等相關信息，如水閘啟閉、運行，水位流量變化、水利工程現(xiàn)場調(diào)度等情況。通過數(shù)據(jù)共享、預測耦合和協(xié)同調(diào)度等措施，能夠?qū)崿F(xiàn)流域內(nèi)水資源的協(xié)同管理與安全節(jié)約利用。

四、結(jié)語

數(shù)字孿生技術是一種基于實體數(shù)據(jù)構(gòu)建的仿真模型，可向業(yè)務系統(tǒng)的需求提供專業(yè)化數(shù)據(jù)監(jiān)測、預測預警、需求管理、業(yè)務調(diào)度等服務，已在航空、衛(wèi)星、電力、船舶等領域得到廣泛應用，形成了面向業(yè)務需求驅(qū)動的數(shù)字化創(chuàng)新應用。在水資源管理領域，數(shù)字孿生系統(tǒng)尚處于起步和探索應用的階段。通過全面采集流域內(nèi)水文數(shù)據(jù)、水利工程設施數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和要求，強化頂層設計，結(jié)合水資源管理的業(yè)務需求構(gòu)建數(shù)字孿生模型，充分利用數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等技術，構(gòu)建業(yè)務驅(qū)動、數(shù)據(jù)支持的水資源管理調(diào)度、防災減災預警、水利工程設施建設等決策支持系統(tǒng)，不斷推進水資源管理的數(shù)字化、智能化、精細化，以高質(zhì)量的水資源管理系統(tǒng)推動水利治理現(xiàn)代化。