内容来源：2023 智慧水利建设高峰论坛——数字孪生水利高级研讨会

以下为中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所副所长刘昌军的现场分享：

大家下午好，我是中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所副所长刘昌军，很高兴能够参加今天的专题论坛。今天，我将就面向防洪四预的数字孪生流域做主题报告，重点分析其关键技术研发与实践应用，与在座的各位专一起分享探讨。

我的主题报告主要分为四个部分：

一、数字孪生流域建设背景任务

二、面向防洪四预的数字孪生流域关键技术研发

三、实际应用案例效果

四、未来工作思考

一、数字孪生流域建设背景任务

先大概介绍下数字孪生流域的建设背景任务，可以概括为四点。

一是国家信息化对智慧水利提出了新要求。“十四五”规划和2035年远景目标规划提出了七大数字经济重点产业和十大数字化应用场景，其中，构建智慧水利体系、以流域为单位提升水情测报和智能调度能力也是重点建设任务之一。《国家信息发展战略纲要》强调：信息化进入全面渗透、跨界统合、加速创新、引领发展的新阶段。

二是水利高质量发展对智慧水利提出新需求。水利部李国英部长指出，十四五水利改革发展的主线是“新阶段水利高质量发展”，并在“三对标、一规划”总结大会上强调提出新阶段水利高质量发展的六条实施路径，推进智慧水利建设则是其重要组成部分。

三是新技术发展为智慧水利提供新机遇。新一代信息技术发展，推动经济社会各领域向数字化、网络化、智能化加速跃升，为提高水利治理能力提供技术驱动。

四是近年来水利部对数字孪生领域多次提出部署要求。自2021年起，水利部发布流域四预防洪试点通知后，随后的两年间，水利部又陆续发布了关于大力推进智慧水利建设的指导意见、智慧水利建设顶层设计等相关部署，并于今年3月提出了水利业务“四预”功能基本技术。

数字孪生流域建设是构建智慧水利体系及实现“四预”的核心和关键。接下来，我将向大家重点介绍数字孪生流域建设的概念、建设内容、建设范围、建设任务等。

概念：数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动、对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字化映射、智慧化模拟，实现与物理流域同步仿真、虚实交互、迭代优化。简单来说，是利用数字技术建构一个“多尺度-分布式-多层次”全面多维精细刻画及动态模拟全景过程的模型系统，实现对流域的数字化管理与智能决策。

建设内容和范围：包括数字孪生平台和信息基础建设两个部分的内容。其中，数字孪生平台包括数据底板、模型平台以及知识平台；信息基础建设有水利感知网、水利信息网以及水利云等。建设范围主要是大江大河大湖及主要支流的重点流域和重点区域。这个范围内的流域管理机构以及省行政管理部门共同参与建设。

建设任务：数字孪生领域建设是构建智慧水利体系、实现四预核心和关键。在2021年李国英部长主持召开的部务会议中强调：推进智慧水利建设是实现新阶段水利高质量的重要路径之一。要按照需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系。此外，数字孪生流域建设有六大任务：获取算据、优化算法、提升算力、建设数字孪生水利工程、支撑业务应用、守住安全底线。

技术路线：建构具有“四预”功能的水利智能业务应用。在智慧流域上实现“2+N”业务的预报、预警、预演、预案，以预报为基础、以预警为前哨、以预演为关键、以预案为目的。

来源：根据刘昌军《面向防洪四预的数字孪生流域》报告编辑整理

二、面向防洪四预的数字孪生流域关键技术研发

关键技术一：三算四预

三算：以算据为基础构建天地一体化水利感知网和水利数据孪生展板；以算法为核心推进水利专业模型升级和“四预”业务系统建设、建构水利业务知识库、建设水利业务智能仿真模型;以算力为借力进行超大规模并行计算技术。

四预：围绕全流域分布式水文模型和预报调度一体化技术展开预报；以多时段-多尺度-多对象-多阶段的梯次预警模型和水旱灾害风险预警技术进行预警；预演：数字化场景、数字流场、全流程一体化预演技术；预案：预案体系、标准化模块化预演、决策方案；

“2+N”业务方向：以水旱灾害防御和水资源配置为主，对泥沙、水环境、灌区、牧区、水利遗产等相关方向进行业务开拓。

关键技术二：遥感监测

对地观测进入遥感大数据高性能处理时代，自动化和智能化数据分析成为水利遥感应用核心，探索工业化创新模式。

构建防洪调度空间数据支撑和解译平台。基于高性能计算集群，通过横向并行、纵向串行智能算法双线部署方案；实现分要素分产品智能化自动解译，为水利遥感业务化应用提供多元专业信息产品。

关键技术三：数据底板技术思路

构建起L1-L3级空间数据底板，并在此基础上实现基础数据、业务数据、空间数据、监测数据与多媒体数据的关联与融合。按照动静结合、高效流动的思路建立，即为汇聚的“河”：实现数据的持续“流动”更新；可控的“闸”：实现各类数据的融合与治理；可用的“泵”：多样化的数据服务；一体化管理的“湖”：数据资源统一存储与管理。

来源：根据刘昌军《面向防洪四预的数字孪生流域》报告编辑整理

关键技术四：水文模型研究

水文模型研究自1950年起步，共经历了第一代、第二代、第三代流域模型，朝着宏观规模化、微观精细化、模块定制化、系统集成化、物理机制更强、精准快速的趋势发展。水文模型软件方面，自主研发了时空变源混合产流SVSMR，可视化时空变源分布式水文模型软件FFMS、WEP模型等系列模型软件。

关键技术五:时空变源混合产流模型

时空变源是指在外因（降雨入渗和蒸发）和内因（重力和基质吸力）共同作用下的产流过程时空变化，混合产流则是在外因和内因时空变化下的流域产流呈现超渗/蓄满产流机制时空动态组合。时空变源混合产流模型适用于湿润、半湿润、半干旱和干旱地，能够动态调整最适宜的产流模拟模式，与国内外10个代表性模型相比，精度提高20%以上。

关键技术六:高性能计算平台

提出“一硬一软，一横一纵”三层拓扑并行计算架构，实现超大规模水文、水动力学模拟计算，为实现流域四预等提供了技术支撑。以黑龙江省为例，针对全省34万平方公里面积进行分布式水文模型建模，包含河道21686 条，划分674个计算单元，分为68个并行计算组进行模拟。

来源：根据刘昌军《面向防洪四预的数字孪生流域》报告编辑整理

三、实际应用案例效果

接下来，我就和大家分享一些关键技术的应用案例效果。

第一个案例是数字孪生淮河流域智慧防汛系统。

2021年，提出了数字孪生淮河 “54321”智慧防汛体系建设思路和框架，对淮河流域防洪“四预”系统进行了研发。实现高精度地形快速采集技术、超大规模水文水动力学一体化实时动态模拟预报并行计算技术、预报调度一体化和实时风险影响计算与评估技术、数字流场、数字孪生和数字映射三维可视化展示技术等关键技术创新。

这个系统初步构建了“四预”系统框架，探索数字孪生、数字映射和数字流场技术，初步研发了智慧防汛四预系统，通过仿真模拟等可视化技术，初步实现了物理防洪工程在数字化场景中实时动态展示。值得一提的是，数字孪生淮河流域智慧防汛系统以高分通过水利部中期评估并获得“优秀”等次，申报的“数字孪生淮河防洪‘四预’系统应用”案例高票入选水利部数字孪生流域建设先行先试优秀应用案例。

接着，我想向大家分享另一个典型案例——大汶河数字孪生流域。

这是小型水库雨水工情自动测报和水库安全运行及防洪调度项目，主要建设内容就是通过雨水工情自动测报、水库信息数字化管理、纳雨能力分析和流域联合调度预演等技术手段，为小型水库的安全运行及防洪调度提供及时、准确的信息，辅助领导决策，做好水库安全管理，保障水库良性运行。

大汶河数字孪生流域建设全面汇集流域200余T数据，整编规划后数据量达100.6T，形成36类数据，110余个图层，2337余种属性信息，制定了统一的数据治理标准，构建大汶河、沂沭河流域“湖仓一体”；防洪数据资源池；按需组装形成流域底板专题图；打破数据壁垒，实现数据互通，为大汶河和沂沭河数字孪生流域的业务化应用提供最充足的数据支撑；实现从数据信息知识的生产，完成汇集查询挖掘分析智能推荐三个层次的构建，形成服务于大汶河流域的防洪辅助决策知识。提供了模型高效智能模拟分析服务、智能感知服务和智能辅助决策服务3个智能服务，达到了以虚预实，实现时效分析和孪生预演的“数字孪生3.0版”。

来源：根据刘昌军《面向防洪四预的数字孪生流域》报告编辑整理

最后，关于数字孪生流域建设未来怎么做，我也有几点想法想和大家分享。

一要构建标准体系。坚持系统观点，做好顶层设计。夯实基础数据模型和标准，突破关键技术研发与推广，形成持续更新和迭代演讲体系。

二要建立太空监测网。充分利用已发射各种卫星资源，构建卫星星座，发射水利卫星，建设太空水文站网，提高监测频次和时效，为数字孪生流域数字映射提供支撑。

三是建立数据孪生底板。提出水利数据孪生底板理论技术框架，突破数字孪生底板关键技术。

四是升级水利专业模型。构建模型云服务平台，基于高性能并行计算框架、开发标准化各种模型输入输出接口、实现模块化自动建模和模型统一管理与维护，也可向用户提供模型云计算服务。

五是提升模型计算效率,优化数字孪生效果。基于国产CPU和GPU芯片以及自主研发洪水模型引擎算法，实现亿级网格（米级或亚米级）分钟级实时计算。结合WebGL和UE4的优势，优化超真实流域孪生场景效果；实现全流域亿级网格实时计算结果快速加载渲染。

六是加快四预”业务系统建设。实现感知多元化、计算实时化、分析智能化、防汛精准化、调度科学化；形成可复制、可推广的经验模式；打造数字化流域治理的“行业标杆”。