數(shù)字孿生流域智能化模擬關(guān)鍵問題與技術(shù)需求

李宗禮，張宜清，邢子強(qiáng)，呂潔，黎銘，劉家慧

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，100120，北京；2.山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，250013，濟(jì)南）

一、研究背景

智慧水利建設(shè)是新時代中國實現(xiàn)水利現(xiàn)代化、為國家現(xiàn)代化提供強(qiáng)大治水支撐的重大戰(zhàn)略舉措，也是一項多學(xué)科交叉、高標(biāo)準(zhǔn)、高起點的長期性復(fù)雜系統(tǒng)工程。當(dāng)前，我國智慧水利建設(shè)需求強(qiáng)烈、目標(biāo)明確但基礎(chǔ)條件尚不完備、關(guān)鍵技術(shù)亟待突破、保障體系亟需建立。堅持問題導(dǎo)向，針對重大問題實施科技攻關(guān)，是水利行業(yè)當(dāng)前必須突破的難題。

二、關(guān)鍵問題與技術(shù)需求

數(shù)字孿生的本質(zhì)是在信息世界對物理世界進(jìn)行等價映射。各種基于數(shù)字化模型進(jìn)行的仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘乃至人工智能的應(yīng)用，都是為了確保數(shù)字孿生流域與現(xiàn)實物理流域的映射與互饋。簡而言之，必須促進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)全方位技術(shù)突破，以有效的技術(shù)進(jìn)步、完備的保障體系等保證數(shù)字孿生流域等價映射現(xiàn)實物理流域。數(shù)字孿生流域面臨的挑戰(zhàn)和涉及技術(shù)問題很多，本文選擇基于水文實驗的模擬模型、并行算法和智慧決策支持平臺進(jìn)行簡要討論與分析。

1.基于水文實驗的模擬模型

（1）水文實驗發(fā)展過程與面臨問題

水文學(xué)是科學(xué)治水的重要理論基礎(chǔ)，而水文實驗則是水文學(xué)研究的重要途徑，是水文模擬模型基本參數(shù)最主要、最可靠的獲得手段。水文實驗的根本目的是以水文循環(huán)為基本原理，以水量平衡為基本準(zhǔn)則，通過聯(lián)合被動的現(xiàn)象觀測和主動的控制試驗與實驗，從定性、定量到定解，分析水文現(xiàn)象和水文過程的狀態(tài)與成因，闡明其變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。

我國的水文實驗曾經(jīng)取得重要成就，新安江模型、陜北模型就是其標(biāo)志性成果。隨著全球氣候變化和人類活動影響，變化環(huán)境下水文水資源情勢與產(chǎn)匯流機(jī)制代替“山坡水文”成為水文實驗研究的熱點；而伴隨以聲、光、電原理為基礎(chǔ)的觀測設(shè)備發(fā)展，地球化學(xué)、同位素和微生物方法在水文過程研究中迅速普及，帶來了水文實驗的一波快速進(jìn)步；計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及遙感技術(shù)的進(jìn)步則為流域尺度學(xué)科的綜合與集成提供了機(jī)遇。

近20年來，我國開展了一系列遙感與地面觀測一體化、覆蓋流域水分能量、生物化學(xué)循環(huán)與經(jīng)濟(jì)社會活動的陸面過程觀測實驗，如黑河地區(qū)地氣相互作用野外觀測試驗、內(nèi)蒙古半干旱草原土壤—植被—大氣相互作用、黑河流域生態(tài)—水文過程綜合遙感觀測聯(lián)合試驗等，為水文、氣象、生態(tài)變量及其參數(shù)反演、估算和模型應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗?？傮w來看，進(jìn)入21世紀(jì)，我國水文實驗取得長足進(jìn)步，促進(jìn)了水文學(xué)研究水平的提高。但必須看到，我國已有的水文實驗覆蓋面較小、無法適應(yīng)我國復(fù)雜的水文情勢研究，野外水文實驗更是少之又少，導(dǎo)致變化環(huán)境下水文模擬的基礎(chǔ)參數(shù)獲取更加困難，嚴(yán)重影響了水文模擬精度與水文模型發(fā)展水平。特別是越來越多“電腦水文學(xué)家”熱衷于通過電腦調(diào)參獲得理想的峰型匹配和效率系數(shù)，而很少關(guān)心較高效率系數(shù)背后的參數(shù)是否合理、其蘊(yùn)含的機(jī)理是什么等問題。

（2）提升水文模擬水平的主要途徑

智慧水利給水文模擬提出了新挑戰(zhàn)，變化環(huán)境帶來了水文循環(huán)過程相應(yīng)的巨大變化，數(shù)字孿生流域建設(shè)必須發(fā)展建立在水文實驗基礎(chǔ)上的高效率、低概化、符合我國復(fù)雜水情特點的中國水文模擬模型（通用模型）；同時，鼓勵、支持發(fā)展流域/區(qū)域定制模型，用以進(jìn)一步精細(xì)反映所在流域/區(qū)域的水循環(huán)特征與規(guī)律。

切實提升我國水文模擬水平，首要之務(wù)就是系統(tǒng)強(qiáng)化水文實驗工作。

①構(gòu)建全國水文實驗站網(wǎng)。在把握全國水文情勢的空間異質(zhì)性的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)字孿生流域建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)建覆蓋我國大江大河及關(guān)鍵區(qū)域的國家水文實驗站網(wǎng)，涵蓋不同地理條件、人類活動干擾和景觀多樣性，并盡快發(fā)射水利專用衛(wèi)星提供輔助與支撐。

②系統(tǒng)部署并積極開展多學(xué)科交叉的綜合觀測實驗，加強(qiáng)水文學(xué)、大氣科學(xué)、土壤學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、地球物理、地球化學(xué)和同位素水文學(xué)等多學(xué)科協(xié)同研究，深刻揭示變化環(huán)境下水文循環(huán)過程中地球表層系統(tǒng)要素的相互作用及其演變機(jī)制。

③強(qiáng)化合作共享。野外水文實驗需要人力物力投入大，觀測數(shù)據(jù)來之不易，成果產(chǎn)出少且周期長，屬于純粹的公益事業(yè)，需要從資金投入、人才使用、評價導(dǎo)向等方面給予大力扶持；同時，統(tǒng)籌不同部門的水文實驗，形成合作優(yōu)勢，共享實驗數(shù)據(jù)。

④突破重點領(lǐng)域。隨著全球工業(yè)化城市化的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境問題的凸現(xiàn)，新的水文學(xué)分支應(yīng)運(yùn)而生，成為新的研究熱點和揭示水文循環(huán)新變化特征與規(guī)律的有力武器，水文實驗應(yīng)加強(qiáng)對城市水文學(xué)、生態(tài)水文學(xué)的支撐。

2.并行算法

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著洪水預(yù)報、非點源污染監(jiān)控、水資源評價管理及氣候變化等方面研究的深入，對多學(xué)科交融、多過程耦合的分布式水文模擬提出了新需求；而分布式水文模型也隨著地理信息系統(tǒng)、數(shù)字高程模型、遙感等方法和技術(shù)的發(fā)展而形成熱點并取得顯著成效，應(yīng)用門檻大幅降低，模擬范圍越來越大，時空分辨率趨于精細(xì)化。但是，傳統(tǒng)分布式水文模型所采用的串行計算方式，限制了模型模擬的時空范圍和精度，不利于進(jìn)行多要素、多過程的耦合，難以支撐水文、氣候和生態(tài)等學(xué)科的深入研究，因此支持分布式模型的并行計算成為新的關(guān)鍵技術(shù)需求。

目前加快并行算法開發(fā)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)成熟。硬件層面，使用集群系統(tǒng)的超級計算機(jī)和具有多核處理器的個人計算機(jī)被各研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，運(yùn)算能力已由T級快速進(jìn)入到E級時代，為并行計算提供了硬件支持；軟件層面，許多并行編程庫和標(biāo)準(zhǔn)接口（如MPI、OpenMP、CUDA、Hybrid等）開發(fā)制定，降低了并行計算的門檻；并行框架層面，2000年以來陸續(xù)有學(xué)者在對水文模擬過程離散化的研究基礎(chǔ)上，提出了一系列并行框架，為水文模型并行計算的實現(xiàn)提供理論依據(jù)。所以，科學(xué)推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，需要研發(fā)并構(gòu)建基于并行框架的多尺度耦合的分布式水文模型，以實現(xiàn)大規(guī)模跨尺度水文模擬。

近期的突破方向可以考慮基于多種并行框架，使用細(xì)化的基本模擬單元計算復(fù)雜坡面的水文過程，使用多種層級的模擬單元區(qū)別計算多尺度（溪溝、中小河流、大江大河）的匯流過程，從而構(gòu)建大規(guī)?？绯叨饶M的高性能分布式水文模型。需要強(qiáng)調(diào)的是，不同時空尺度上控制水文過程的物理規(guī)律不盡相同，必須根據(jù)實際問題和應(yīng)用需求，選擇適合的時間步長與空間離散單元，充分利用高性能平臺的計算優(yōu)勢進(jìn)行模擬，并解析其特征與規(guī)律。

3.智慧決策支持平臺

變化環(huán)境帶來了水循環(huán)過程的復(fù)雜變化，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害問題的應(yīng)對與解決提出了新要求，這都對科學(xué)治水提出了新挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生流域建設(shè)中的精準(zhǔn)化決策便是應(yīng)對新挑戰(zhàn)的具體體現(xiàn)。

精準(zhǔn)化決策，對數(shù)字化場景、智能化模擬都提出了高要求，而大尺度多功能多目標(biāo)系統(tǒng)決策支持平臺則是精準(zhǔn)化決策的必備載體。嚴(yán)格來說，智慧化大尺度流域水資源—水生態(tài)—水環(huán)境多目標(biāo)調(diào)控管理與決策支持平臺，國內(nèi)外都鮮有成功報道。目前國內(nèi)城市尺度乃至更小尺度的水利/水務(wù)綜合平臺多為演示平臺，實用功能普遍比較單一、孱弱，其關(guān)鍵問題是不重視甚至忽視水文模擬模型的核心中樞作用，而重點關(guān)注很“好看”的演示功能；沒有強(qiáng)大的“發(fā)動機(jī)”（水文模擬模型），其結(jié)果只能“好看”不“好用”。

科學(xué)推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，實現(xiàn)精準(zhǔn)化決策，必須高度重視智慧決策支持平臺的系統(tǒng)研發(fā)。

①轉(zhuǎn)變觀念。平臺建設(shè)必須務(wù)求實效，“好用”為先、兼顧“好看”，以標(biāo)準(zhǔn)體系引領(lǐng)和約束基層的治水平臺建設(shè)，減少低水平重復(fù)與資金浪費(fèi)。

②在數(shù)字化場景、智慧化模擬的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化治水基礎(chǔ)理論與方法、專家知識、人工智能的融合，尤應(yīng)重視專家知識的獲取和正確應(yīng)用；近期可關(guān)注自主深度學(xué)習(xí)、可視化仿真等技術(shù)的突破與應(yīng)用。

③強(qiáng)化水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用。我國是水利大國，治水歷史悠久，積淀深厚；僅新中國成立以來的大型水利水電基礎(chǔ)設(shè)施就積累了不可多得、世界領(lǐng)先的海量數(shù)據(jù)，要高度重視這些來之不易、極其珍貴的大數(shù)據(jù)的保護(hù)、數(shù)字化與數(shù)據(jù)挖掘。我國水利水電大數(shù)據(jù)的大樣本，利用深度自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以大幅提升智慧水利模擬和預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性。

三、結(jié)論與建議

智慧水利建設(shè)必須促進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)全方位技術(shù)突破，以有效的技術(shù)進(jìn)步、完備的保障體系保證數(shù)字孿生流域等價映射現(xiàn)實物理流域。

數(shù)字孿生流域建設(shè)必須發(fā)展建立在水文實驗基礎(chǔ)上的高效率、低概化、符合我國復(fù)雜水情特點的中國水文模擬模型；同時鼓勵、支持發(fā)展流域/區(qū)域定制模型，用以進(jìn)一步

精細(xì)反映所在流域/區(qū)域的水循環(huán)特征與規(guī)律。水利系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)對水文實驗的支持力度，系統(tǒng)規(guī)劃并布局覆蓋大江大河及關(guān)鍵區(qū)域的綜合性水文實驗，為進(jìn)一步深化水文過程機(jī)理與規(guī)律的認(rèn)識、提升我國水文模擬水平提供基礎(chǔ)支撐。研發(fā)并構(gòu)建基于并行框架的多尺度耦合的分布式水文模型，實現(xiàn)大規(guī)?？绯叨人哪M基礎(chǔ)條件已經(jīng)成熟且具有重要意義?！?/p>