推進(jìn)長江數(shù)字孿生流域建設(shè)的水文實踐與思考

程海云

（水利部長江水利委員會水文局，430010，武漢）

建設(shè)數(shù)字孿生流域、構(gòu)建智慧水利體系是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的實施路徑之一。水文是水利的基礎(chǔ)，是推動水利高質(zhì)量發(fā)展的先行性工作。近年來，水利部長江水利委員會水文局堅持問題導(dǎo)向、需求導(dǎo)向，持續(xù)夯實算據(jù)基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化算法模型，著力提升預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力，全力推進(jìn)長江流域數(shù)字孿生流域建設(shè)。

一、厚植優(yōu)勢，持續(xù)夯實算據(jù)基礎(chǔ)

算據(jù)是構(gòu)建數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。長江委水文部門不斷織密監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，著力提升感知能力，發(fā)揮點多、線長、面廣的站網(wǎng)優(yōu)勢，以及系列長、要素全、頻次高的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，持續(xù)夯實算據(jù)基礎(chǔ)，努力保障物理流域與數(shù)字流域算據(jù)的準(zhǔn)確性、同步性、及時性。

1.織密監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

在長江干流及重要支流設(shè)有117個水文站、199個水位站、353個水質(zhì)斷面、20個水生態(tài)斷面、432口地下水監(jiān)測井、4 822個河道斷面，開展定量觀測，系統(tǒng)收集水文、水質(zhì)、水生態(tài)、地下水、河道等數(shù)據(jù)。自1950年起，每五年一次在長江中下游2 000余km河段開展水道地形測量，全面掌握河道沖淤特點及河勢變化。強(qiáng)化與流域內(nèi)各省市水文、氣象及水庫管理等部門的信息共享與互聯(lián)互通，實時匯集長江流域3萬余站點水情、雨情、工情等信息。加強(qiáng)衛(wèi)星遙感、無人機(jī)監(jiān)測、地面觀測等多手段耦合、多尺度融合應(yīng)用，初步建成覆蓋全域的“空天地”立體水文感知網(wǎng)，構(gòu)建水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底板。

2.提升感知能力

開展“一站一策”水文測報能力提升，加大新儀器設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用力度，水文感知能力持續(xù)增強(qiáng)。降水、蒸發(fā)、水溫自記率提升至90%，水位自記率達(dá)100%；聲學(xué)時差法、掃描雷達(dá)法等在線測流技術(shù)投產(chǎn)使用，流量在線監(jiān)測率逾50%；深化產(chǎn)學(xué)研合作與科技創(chuàng)新，量子點光譜測沙儀、水文水資源全要素實時監(jiān)測一體化基站、集高洪出航及智能避障等功能于一體的無人船流量監(jiān)測等新產(chǎn)品面世。開發(fā)了面向流域水生態(tài)修復(fù)的水文-水環(huán)境-水生態(tài)信息感知技術(shù)，研發(fā)了多種監(jiān)測裝備及方法，構(gòu)建了流域“三水”同步監(jiān)測模式并在全國水利系統(tǒng)推廣實施。無人機(jī)、無人船以及三維激光掃描系統(tǒng)等廣泛運(yùn)用于水道地形測量，建成國內(nèi)首批大水深精密測深校驗基準(zhǔn)場，陡深型河道精密測深成套技術(shù)投入使用，不斷提升感知能力與時效。

3.強(qiáng)化融合創(chuàng)新

與多家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企事業(yè)單位建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，搭建合作平臺，整合優(yōu)勢資源，完善標(biāo)準(zhǔn)體系，催生新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)。強(qiáng)化多手段應(yīng)用，厘清不同感知裝備性能特性，結(jié)合不同河段水流特征，建立涵蓋高、中、低水沙情的全量程感知體系。加強(qiáng)多源數(shù)據(jù)融合，充分利用智能算法，對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行降維、去噪及特征提取，構(gòu)建全息信息模型，豐富算據(jù)種類，提升算據(jù)準(zhǔn)確率。

二、把握規(guī)律，不斷優(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)。深入研究流域水文基本規(guī)律，優(yōu)化建立算法庫與方法集，形成了種類豐富的水文專業(yè)模型，努力為實現(xiàn)流域物理過程和數(shù)字孿生流域模擬過程高保真提供算法支撐。

1.加強(qiáng)水文規(guī)律研究

面向治江新形勢、新要求，利用長系列水文原型觀測資料，依托各類重點科研項目，錨定智慧化模擬目標(biāo)，針對長江流域梯級水庫群阻隔效應(yīng)、蓄泄影響等復(fù)雜變化環(huán)境，加強(qiáng)流域水文情勢、產(chǎn)匯流規(guī)律、洪水演進(jìn)機(jī)理、河道行洪能力、河床沖淤演變等水文映射基礎(chǔ)研究。

2.強(qiáng)化水文監(jiān)測支撐

一是建設(shè)整編方法庫，建立水位、降水、流量、泥沙等各類水文要素整編算法庫，封裝“水位流量關(guān)系單值化”“特征值自動摘錄”“過程線平滑去噪”等水文數(shù)據(jù)處理算法庫，為水文資料在線整編提供支撐。二是構(gòu)建智能算法庫，開展人工智能算法、誤差傳播及控制方法等研究，提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的在線監(jiān)測智能算法。

3.豐富水文預(yù)報模型

一是建立模型服務(wù)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系，創(chuàng)建了基于資源共建、共管、共享模式的“CJH模型應(yīng)用市場”，集成封裝新安江模型、API模型、相關(guān)圖模型、一維水動力CJHTM模型、江湖分蓄洪區(qū)容積自適應(yīng)洪水模擬模型、洪水概率預(yù)報業(yè)務(wù)化模型等專業(yè)模型。二是搭建長江水文建模平臺，與模型應(yīng)用市場無縫對接，實現(xiàn)了長江全流域水模擬預(yù)報。三是積極開展崩岸預(yù)警、潮流預(yù)報、泥沙預(yù)報、水污染擴(kuò)散等技術(shù)研究，拓展其他要素預(yù)報預(yù)警模型。

4.提升調(diào)度推演能力

基于實時調(diào)度規(guī)則庫、歷史洪水調(diào)度案例庫、專家經(jīng)驗，采用知識圖譜技術(shù)，結(jié)構(gòu)化預(yù)報調(diào)度原理、規(guī)律、規(guī)則、經(jīng)驗、策略及方法，利用新一代信息技術(shù)，構(gòu)建實時洪水調(diào)度知識平臺，基于知識圖譜推理方法，智能推薦調(diào)度方案集，助力防汛調(diào)度智慧決策。

三、創(chuàng)新引領(lǐng)，著力提升“四預(yù)”能力

強(qiáng)化預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力，為構(gòu)建智能業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)風(fēng)險提前發(fā)現(xiàn)、預(yù)警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實施提供基礎(chǔ)。

1.不斷提升預(yù)報水平

建立“大中小、長中短”時空嵌套的水文水資源漸進(jìn)預(yù)報方法集，研發(fā)基于“氣-陸-庫-水”的全周期智能預(yù)報技術(shù)，開發(fā)可累積式發(fā)展的模型庫和方法庫，構(gòu)建了較完整的水文水資源預(yù)報預(yù)警體系，短期預(yù)報精度由80%提高至90%，預(yù)見期由1～3天延長至3～7天，實現(xiàn)水資源逐月定量預(yù)測，提高了預(yù)報精度，延長了預(yù)見期。

2.及時開展水文預(yù)警

編制《長江水情預(yù)警發(fā)布管理辦法》，為流域洪水、枯水預(yù)警等級界定和預(yù)警信息及時發(fā)布提供科學(xué)依據(jù)。在歷次抗擊高洪的過程中，創(chuàng)新信息發(fā)布手段，豐富信息服務(wù)內(nèi)容，面向社會及時發(fā)布水文預(yù)警。

3.全力做好分析預(yù)演

完成“81·7”、1998年、1954年、“83·10”、1870年等歷史大洪水防洪調(diào)度演練技術(shù)支撐，建立分析預(yù)演體系，加速“CJH模型應(yīng)用市場”“長江模擬預(yù)報引擎”和實時調(diào)度知識平臺等新技術(shù)孵化，支撐數(shù)字孿生平臺建設(shè)。

4.科學(xué)制定決策預(yù)案

納入長江流域全河系近1 000多套方案，覆蓋長江流域111座水工程、400余個水文站，有效支撐流域智慧模擬。創(chuàng)新“江-河-湖-庫”聯(lián)調(diào)聯(lián)算智慧優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)多節(jié)點、多工程、預(yù)報調(diào)度復(fù)雜互饋關(guān)系的聯(lián)動計算。打造知識推理引擎，運(yùn)用水工程知識圖譜調(diào)度規(guī)則庫，實現(xiàn)調(diào)度預(yù)演實時方案快速生成，有力支撐決策調(diào)度。

四、先行先試，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)

按照“大系統(tǒng)設(shè)計、分系統(tǒng)建設(shè)、模塊化鏈接”原則，打造水文要素感知、水文數(shù)據(jù)處理、水文分析評價、水文預(yù)報調(diào)度等水文全業(yè)務(wù)鏈生態(tài)圈，不斷豐富“2+N”智慧水利業(yè)務(wù)應(yīng)用體系。

1.建設(shè)水文業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺

基于水文細(xì)分領(lǐng)域，建設(shè)統(tǒng)分結(jié)合、各有側(cè)重、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的水文業(yè)務(wù)應(yīng)用集群，提升水文業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化水平。一是堅持“實時智能”高標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)長江智慧水文監(jiān)測系統(tǒng)、水文監(jiān)測在線整編系統(tǒng)、水文年鑒在線匯編系統(tǒng)，強(qiáng)化水文監(jiān)測、整編、報汛一體化全流程智能化管理，創(chuàng)新水文監(jiān)測業(yè)務(wù)模式。二是打造“預(yù)報調(diào)度一體化”新模式，從20世紀(jì)80年代末起迭代升級長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，成功應(yīng)用于水旱災(zāi)害防御工作中。三是以需求為導(dǎo)向，研發(fā)了長江水文泥沙信息分析管理系統(tǒng)、水文多要素綜合管理平臺、水質(zhì)實驗室信息管理系統(tǒng)、長江口潮位預(yù)報系統(tǒng)、長江中下游崩岸預(yù)警平臺等業(yè)務(wù)平臺，生產(chǎn)效能顯著提升。長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)、水文監(jiān)測在線整編系統(tǒng)分別獲水利部2020年智慧水利先行先試最佳實踐和優(yōu)秀案例。

2.打造水文綜合服務(wù)引擎

貫通水文業(yè)務(wù)應(yīng)用集群，基于數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建集監(jiān)控管理、大數(shù)據(jù)分析、智能應(yīng)用于一體的水文水資源監(jiān)測預(yù)報預(yù)警平臺，提供水文測報、預(yù)報預(yù)警、分析評價一站式服務(wù)，凝聚“測、報、算”專業(yè)合力，提升水文業(yè)務(wù)的智能化水平。當(dāng)前，長江水文部門正在探索利用新一代數(shù)字技術(shù)對水文業(yè)務(wù)、管理和服務(wù)開展更深層次的重塑，促進(jìn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、應(yīng)用場景化，提高工作效率，提升服務(wù)品質(zhì)，推動水文數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3.開展數(shù)字孿生項目建設(shè)

開展長江流域控制性水利工程綜合調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，打造集流域情勢分析、流域水模擬、防洪及水量調(diào)度等功能于一體的數(shù)字孿生平臺；承擔(dān)長江三峽庫區(qū)、太湖典型水網(wǎng)工程等數(shù)字孿生項目建設(shè)，積累經(jīng)驗，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)。

數(shù)字孿生流域建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多層級、多專業(yè)、多學(xué)科。當(dāng)前，長江水文部門還存在水文全要素感知能力不足、水文物理模型高保真度不夠、智能模型功能不強(qiáng)、算力資源不夠等短板，將對標(biāo)對表、補(bǔ)齊短板，不斷加強(qiáng)水文業(yè)務(wù)與數(shù)字技術(shù)的深度融合，全力構(gòu)建全息信息智能模型，打造更具時效性和精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)底板，深化流域水文物理規(guī)律研究，迭代優(yōu)化高保真水文業(yè)務(wù)模型，大力提升“四預(yù)”智能應(yīng)用能力，為強(qiáng)化流域治理管理、推動水利高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)水文力量。 ■