以數(shù)字孿生淮河建設(shè)引領(lǐng)淮河保護(hù)治理事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

錢名開

（水利部淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心），233001，蚌埠）

水利部黨組將智慧水利作為“十四五”規(guī)劃的重點(diǎn)任務(wù)和水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志，把“推進(jìn)智慧水利建設(shè)”作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一，提出構(gòu)建數(shù)字孿生流域、 助力全國智慧水利建設(shè)。 水利部淮河水利委員會(huì)貫徹落實(shí)水利部黨組決策部署，加快推進(jìn)數(shù)字孿生淮河建設(shè)進(jìn)程，持續(xù)提升流域治理管理水平，努力推動(dòng)淮河保護(hù)治理事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

一、承續(xù)70 載輝煌，新階段淮河保護(hù)治理亟待智慧賦能

新中國治淮70 多年來，秉承“蓄泄兼籌”方針，堅(jiān)持上中下游系統(tǒng)治理， 淮河流域防洪工程體系不斷完善。 截至2020 年，淮河流域共建設(shè)人工河道2 100 多km、行蓄洪區(qū)27 處、泵站6.5 萬座、堤防6.3 萬km、大中型水庫6 300 余座， 淮河流域水旱災(zāi)害防御能力實(shí)現(xiàn)了前所未有的提升。

新發(fā)展階段對(duì)淮河保護(hù)與治理提出了新的更高要求，特別是伴隨著全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程的開啟，流域水情工情、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)生了深刻變化，新老水問題交織復(fù)雜。 對(duì)照高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)定位，流域治理管理能力還存在較大差距，尤其是非工程體系建設(shè)方面存在一定程度的滯后，如流域透徹感知算據(jù)不足、模型算法距高保真的目標(biāo)尚有差距、計(jì)算存儲(chǔ)能力還不強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力仍然偏弱、業(yè)務(wù)應(yīng)用智能程度比較低等。 承續(xù)70 年治淮輝煌，開啟淮河保護(hù)治理的新征程，亟待以數(shù)字孿生淮河建設(shè)進(jìn)行賦能。

第一，實(shí)施數(shù)字孿生淮河建設(shè)是貫徹落實(shí)黨和國家重要決策部署的必然要求。 “十四五”規(guī)劃綱要提出“構(gòu)建智慧水利體系， 以流域?yàn)閱卧嵘闇y報(bào)和智能調(diào)度能力”。2020 年8 月，習(xí)近平總書記視察淮河時(shí)強(qiáng)調(diào)“全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家，我們要提高抗御災(zāi)害能力，在抗御自然災(zāi)害方面要達(dá)到現(xiàn)代化水平”。 李國英部長對(duì)智慧水利和數(shù)字孿生流域建設(shè)多次作出規(guī)劃和部署，在水利部推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會(huì)議、 強(qiáng)化流域治理管理工作會(huì)議、2022 年全國水利工作會(huì)議上反復(fù)強(qiáng)調(diào)要按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”（即“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”）功能的智慧水利體系。 這些都為淮委實(shí)施數(shù)字孿生淮河建設(shè)指明了方向。

第二，實(shí)施數(shù)字孿生淮河建設(shè)是推動(dòng)淮河水利高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。 新發(fā)展階段，伴隨大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)水利數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化具備了更加充分的技術(shù)條件。 加快推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，以數(shù)字賦能水旱災(zāi)害防御、水資源集約節(jié)約利用、水資源優(yōu)化配置、大江大河大湖生態(tài)保護(hù)治理，是適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展形勢的必然要求。水利部黨組大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)，并將其作為水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志，加強(qiáng)數(shù)字化應(yīng)用，加快構(gòu)建智慧水利體系，提高“四預(yù)”和智能調(diào)度能力，建設(shè)數(shù)字流域、數(shù)字孿生流域和智慧流域，為水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐與強(qiáng)力支撐?；次⒆阈碌臍v史起點(diǎn)，積極貫徹落實(shí)水利部關(guān)于智慧水利建設(shè)的重大部署，搶抓發(fā)展機(jī)遇，探索轉(zhuǎn)型升級(jí)， 推進(jìn)新一代信息技術(shù)廣泛應(yīng)用，深化信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，以數(shù)字孿生淮河建設(shè)為引領(lǐng)，加快推動(dòng)淮河保護(hù)與治理事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

第三，實(shí)施數(shù)字孿生淮河建設(shè)是提升淮河流域治理管理能力的必要條件。 國家“十四五”規(guī)劃綱要明確要求“將數(shù)字技術(shù)廣泛應(yīng)用于政府管理服務(wù)，推動(dòng)政府治理流程再造和模式優(yōu)化，不斷提高決策科學(xué)性和服務(wù)效率”。 李國英部長針對(duì)淮河流域明確提出要樹立問題導(dǎo)向， 舉一反三，修訂洪水預(yù)報(bào)方案， 完善水文監(jiān)測站網(wǎng)，建設(shè)智慧流域防洪體系，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，為打贏流域防洪攻堅(jiān)戰(zhàn)提供科學(xué)精準(zhǔn)決策支持。 淮委作為水利部在淮河流域和山東半島區(qū)域內(nèi)的派出機(jī)構(gòu)，代表水利部行使所在流域內(nèi)的水行政管理職責(zé)，面對(duì)新的發(fā)展形勢，必須充分利用科技和數(shù)字賦能，以數(shù)字孿生淮河建設(shè)引領(lǐng)智慧水利建設(shè)， 通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的思維和方法，提升淮河保護(hù)治理的科學(xué)化、 精準(zhǔn)化、高效化水平，為流域統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

二、先行先試，積極探索智慧水利“淮河方案”

水利部黨組高度重視淮河防汛工作，專門指定淮委率先開展智慧防洪“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)。 淮委黨組認(rèn)真學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)部黨組關(guān)于智慧水利建設(shè)相關(guān)要求，積極探索智慧水利淮河方案。

第一，加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，健全體制機(jī)制。 淮委堅(jiān)持將數(shù)字孿生淮河建設(shè)作為重要研究事項(xiàng)，及時(shí)成立領(lǐng)導(dǎo)小組，全面凝心聚力，為數(shù)字孿生淮河建設(shè)提供堅(jiān)強(qiáng)組織保障。 多次召開黨組會(huì)、主任辦公會(huì)、專題辦公會(huì)，研究部署和推進(jìn)數(shù)字孿生淮河建設(shè)工作，多次組織中國水科院等科研單位召開專家研討會(huì)、咨詢會(huì)，探討解決關(guān)鍵技術(shù)難題，多次組織人員赴智慧水利先行先試城市，調(diào)研和學(xué)習(xí)借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，多渠道籌集投入資金，謀劃工程建設(shè)項(xiàng)目，全力保障建設(shè)工作順利實(shí)施。

第二，開展規(guī)劃研究，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)。 按照水利部“三對(duì)標(biāo)、一規(guī)劃”專項(xiàng)行動(dòng)要求，淮委統(tǒng)籌全委智慧力量，組織編制了《數(shù)字孿生淮河總體規(guī)劃》《數(shù)字孿生淮河智慧防洪體系建設(shè)試點(diǎn)方案》等。 通過規(guī)劃設(shè)計(jì)，明確了數(shù)字孿生淮河建設(shè)指導(dǎo)思想、目標(biāo)、總體思路及建設(shè)任務(wù)，規(guī)劃了重點(diǎn)工程和實(shí)施安排，確保數(shù)字孿生淮河建設(shè)工作扎實(shí)起步。

第三，堅(jiān)持“三算”賦能，強(qiáng)化數(shù)字支撐。 一是完善算據(jù)。 強(qiáng)化空天地一體化監(jiān)測，采用直升機(jī)加載激光雷達(dá)技術(shù)等， 獲得了淮河干流蒙洼、姜唐湖等5 處行蓄洪區(qū)共742 km2、1 m分辨率的高精度地形數(shù)據(jù)， 淮河干流相關(guān)河段130 km、50 m 間隔河道斷面數(shù)據(jù)，以及淮河流域片33 萬km2、10 m分辨率的高精度數(shù)字高程數(shù)據(jù)，融合集成多源多尺度數(shù)據(jù)約3 T， 初步搭建了淮河正陽關(guān)以上數(shù)字流場；完善淮河水利一張圖成果，補(bǔ)充河道岸線保護(hù)與利用規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、“四亂”（亂占、亂采、亂堆、亂建）問題專項(xiàng)整治成果等， 接入水利部病險(xiǎn)水庫信息。 二是優(yōu)化算法。 研發(fā)了短時(shí)段精細(xì)化洪水預(yù)報(bào)模型，精細(xì)考慮暴雨時(shí)空分布， 進(jìn)一步提高了洪水預(yù)報(bào)精度； 基于最新高精度地形地貌數(shù)據(jù)，研發(fā)了時(shí)空變?cè)捶植际剿哪Ｐ?，?shí)現(xiàn)了流域“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”全過程精細(xì)化數(shù)學(xué)模擬；利用三維激光掃描等新技術(shù)，制作了重點(diǎn)工程實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型及BIM 模型，實(shí)現(xiàn)了王家壩閘數(shù)字化；構(gòu)建了基于GPU 加速技術(shù)的一、二維水動(dòng)力學(xué)洪水模擬計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了正陽關(guān)以上流域洪水快速精細(xì)化模擬。 三是提升算力。購置3 臺(tái)高性能服務(wù)器，完成了“一朵云”288 核CPU、512 GB 內(nèi)存、6 TB存儲(chǔ)容量淮委計(jì)算存儲(chǔ)資源池?cái)U(kuò)容；采用“一橫（計(jì)算單元并行）一縱（產(chǎn)匯流過程并行）一硬（GPU/CPU 并行）一軟（讀寫并行）”分布式并行調(diào)度算法， 提升了計(jì)算效率， 平均可在50 s內(nèi)完成每個(gè)蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)全過程計(jì)算，正陽關(guān)以上流域洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)和快速精細(xì)化演示目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。

第四，強(qiáng)化業(yè)務(wù)應(yīng)用，推進(jìn)“四預(yù)”覆蓋。 率先完成了淮河王家壩至正陽關(guān)試點(diǎn)流域防洪“四預(yù)”系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了淮河洪水“四預(yù)”的全鏈條在線協(xié)同、實(shí)時(shí)融合和動(dòng)態(tài)仿真。 實(shí)現(xiàn)了洪水預(yù)報(bào)2 h 自動(dòng)更新， 全天候?qū)崟r(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)效性和頻次得到顯著增強(qiáng)。 經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，淮河干流控制站最大流量相對(duì)誤差基本在10%以下，洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期基本能夠達(dá)到2~4 d，“四預(yù)”系統(tǒng)在多場關(guān)鍵洪水預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。

第五，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)，守住網(wǎng)絡(luò)安全底線。 加快實(shí)施淮委網(wǎng)絡(luò)安全能力提升工程，率先開展信息系統(tǒng)密碼應(yīng)用改造，實(shí)現(xiàn)與水利部安全態(tài)勢感知平臺(tái)的威脅情報(bào)共享，增強(qiáng)了主動(dòng)監(jiān)測預(yù)警、 縱深防御和應(yīng)急響應(yīng)能力，網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)全天候安全穩(wěn)定運(yùn)行，切實(shí)守牢網(wǎng)絡(luò)安全底線。 在2020年、2021 年水利部和公安部的網(wǎng)絡(luò)安全攻防演練中，連續(xù)兩年創(chuàng)造信息資產(chǎn)“零失陷”的優(yōu)異成績。

三、堅(jiān)持“三化協(xié)同”，全力推動(dòng)數(shù)字孿生淮河建設(shè)

在水利部黨組堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)和主管部門正確指導(dǎo)下，淮委堅(jiān)持系統(tǒng)化謀劃、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、制度化保障“三化協(xié)同”工作機(jī)制，爭取早日建成高水平數(shù)字孿生淮河。

第一，堅(jiān)持系統(tǒng)化謀劃，進(jìn)一步健全體制機(jī)制。 貫徹落實(shí)水利部關(guān)于數(shù)字孿生流域建設(shè)的重要部署，在健全領(lǐng)導(dǎo)體制機(jī)制上下功夫。 堅(jiān)持把數(shù)字孿生淮河建設(shè)列入淮委重要議事日程，發(fā)揮好工作專班作用，明晰任務(wù)分工和時(shí)間節(jié)點(diǎn)， 按照清單管理、掛圖作戰(zhàn)的工作模式，加快對(duì)接水利部智慧水利相關(guān)規(guī)劃，完善《數(shù)字孿生淮河總體規(guī)劃》， 細(xì)化相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求， 及時(shí)開展專題研究，做好規(guī)劃實(shí)施各項(xiàng)保障，確保各項(xiàng)任務(wù)按時(shí)保質(zhì)完成。

第二，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，進(jìn)一步落實(shí)重點(diǎn)任務(wù)。 在獲取算據(jù)方面，緊盯數(shù)字化場景目標(biāo)，持續(xù)優(yōu)化水利監(jiān)測站網(wǎng)布局，補(bǔ)充監(jiān)測手段，構(gòu)建及時(shí)更新的數(shù)據(jù)底板。 2022 年，在全國L1 級(jí)數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，補(bǔ)充無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云、水下地形等數(shù)據(jù)，根據(jù)資金落實(shí)情況逐步建成重點(diǎn)河段和區(qū)域精細(xì)地表、水下地形模型，構(gòu)建覆蓋流域重點(diǎn)河段、重點(diǎn)區(qū)域的L2級(jí)數(shù)據(jù)底板和重點(diǎn)工程L3級(jí)數(shù)據(jù)底板。全力推進(jìn)沙潁河、洪河、史灌河、閭河、白露河、潢河、寨河、竹竿河、浉河等9 條支流水文監(jiān)測預(yù)警設(shè)施建設(shè)。

在優(yōu)化算法方面，按照智慧化模擬的目標(biāo)夯實(shí)現(xiàn)有的算法模型基礎(chǔ)，堅(jiān)持深化攻關(guān)和集成應(yīng)用，構(gòu)建多級(jí)協(xié)同的模型平臺(tái)。 2022 年，升級(jí)改造現(xiàn)有產(chǎn)匯流模型，開展基于長短期記憶（LSTM）的流域降雨—洪水預(yù)報(bào)模型、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合長短期記憶（CNN-LSTM）的流域洪水預(yù)報(bào)模型等智能洪水預(yù)報(bào)模型的探索研究及初步應(yīng)用。

在提升算力方面， 根據(jù)數(shù)據(jù)處理、模型計(jì)算需要，在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上提升高效快速、安全可靠的算力水平。 按照“集約高效、共享開放、按需服務(wù)”原則，提升高性能算力，擴(kuò)展計(jì)算存儲(chǔ)資源，完善會(huì)商環(huán)境，充分利用北斗、5G 等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 保障監(jiān)測站網(wǎng)在極端惡劣環(huán)境下的安全可靠傳輸。 2022 年，利用數(shù)字孿生淮河蚌埠—浮山段工程項(xiàng)目， 搭建高性能、高安全的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源池。

在建設(shè)數(shù)字孿生工程方面，以安全運(yùn)行為目標(biāo)，開展工程精細(xì)建模，努力構(gòu)建具備現(xiàn)代化水平的數(shù)字孿生工程。 2022 年，完成數(shù)字孿生南四湖二級(jí)壩工程示范建設(shè)，運(yùn)用三維建模技術(shù)建設(shè)數(shù)字化孿生模型，構(gòu)建閘區(qū)、湖區(qū)L2+L3 級(jí)數(shù)據(jù)底板；開發(fā)洪水預(yù)報(bào)模型、 二維水動(dòng)力演進(jìn)模型、防洪調(diào)度模型等水利專業(yè)模型，結(jié)合人工智能模型，建設(shè)具有“四預(yù)”功能的防洪調(diào)度智能應(yīng)用。

在支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，錨定精準(zhǔn)化決策的目標(biāo)，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式，構(gòu)建智能化業(yè)務(wù)應(yīng)用和管理體系。 堅(jiān)持急用先行，以防洪和水資源管理應(yīng)用為先導(dǎo)和重點(diǎn)，逐步安排數(shù)字孿生工程建設(shè)，適時(shí)推進(jìn)N 項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。 2022 年，完成王家壩以上數(shù)字孿生流域防洪“四預(yù)”系統(tǒng)建設(shè)和洪澤湖以上預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)建設(shè), 全力推進(jìn)數(shù)字孿生淮河蚌埠—浮山段防洪及水資源調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)。

在守住安全底線方面，按照網(wǎng)絡(luò)安全法等法律法規(guī)要求，加強(qiáng)體系化防護(hù)，致力于數(shù)字孿生淮河安全。 2022 年，持續(xù)強(qiáng)化淮委政務(wù)內(nèi)外網(wǎng)、 淮河數(shù)據(jù)容備中心等信息系統(tǒng)的運(yùn)維能力，做好網(wǎng)絡(luò)信息安全保密有關(guān)工作，完成淮委網(wǎng)絡(luò)安全能力提升及IPV6 改造項(xiàng)目建設(shè)、淮委電子政務(wù)項(xiàng)目建設(shè)的收尾任務(wù)。

第三，堅(jiān)持制度化保障，進(jìn)一步加大支撐力度。 2022 年，在積極爭取國家專項(xiàng)投資的同時(shí)，淮委將繼續(xù)投資建設(shè)王家壩以上數(shù)字孿生流域；多渠道籌措資金， 結(jié)合淮河蚌浮段、王臨段、洪汝河治理、沂沭泗上游堤防加固等在建、規(guī)劃建設(shè)工程，分期分區(qū)分段同步推進(jìn)數(shù)字孿生工程建設(shè)；通過水利基本建設(shè)帶智慧水利、管理項(xiàng)目（河湖、水資源、監(jiān)督等）帶智慧水利等方式，為數(shù)字孿生淮河建設(shè)提供持續(xù)投入；加大對(duì)數(shù)字孿生淮河建設(shè)人才隊(duì)伍培訓(xùn)、培養(yǎng)、引進(jìn)力度，計(jì)劃引進(jìn)一批高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才，加快鍛煉和培養(yǎng)一批既熟悉水利業(yè)務(wù)又精通網(wǎng)信技術(shù)的復(fù)合型人才。

四、結(jié) 語

數(shù)字孿生淮河建設(shè)使命光榮、責(zé)任重大、任務(wù)艱巨，淮委將按照水利部黨組的決策部署， 錨定流域統(tǒng)一治理管理目標(biāo)，進(jìn)一步強(qiáng)化思想認(rèn)識(shí)和組織領(lǐng)導(dǎo)，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，加大資金投入力度，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，筑牢網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)， 快速推進(jìn)數(shù)字孿生淮河建設(shè)， 努力實(shí)現(xiàn)淮河流域治理管理水平在“十四五”期間再上新臺(tái)階。