以數(shù)字孿生海河建設驅動流域治理管理新發(fā)展

呂哲敏，劉恒偉

（海河水利委員會信息中心，天津 300170）

隨著科學技術的發(fā)展，在技術推進科學的迭代演進中，已進入科學技術是第一生產(chǎn)力的第四次工業(yè)革命時代，信息化技術正加速與傳統(tǒng)行業(yè)相互融合。黨的二十大報告指出，高質量發(fā)展是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務；強調(diào)推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展，促進數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟深度融合，構建現(xiàn)代化基礎設施體系。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算為智能化建設提供算力基礎，虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等為虛擬與現(xiàn)實世界的交互提供支撐途徑，這些科技革命成果集結所產(chǎn)生的集群式效應增強了水利高質量發(fā)展的迫切性[1-4]?，F(xiàn)階段，智慧水利建設不僅是推動新階段水利高質量發(fā)展6 條實施路徑之一，還是數(shù)字中國建設的重要組成部分。在水利部印發(fā)的《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》等系列文件中，提出加快構建具有預報、預警、預演、預案（以下簡稱“四預”）功能的智慧水利體系，為新階段水利高質量發(fā)展提供有力支撐和強力驅動[5，6]。其中，數(shù)字孿生流域不僅是智慧水利建設的核心，還是強化流域治理管理的迫切需求，有利于提升水利決策與管理的科學化、精準化、高效化[7，8]。

近年來，為加快海河流域智慧水利建設，推動新階段水利高質量發(fā)展，水利部海河水利委員會（以下簡稱海委）在水利部印發(fā)的系列文件基礎上，進一步完善智慧海河頂層設計，主要編制完成《數(shù)字孿生海河建設實施方案（2021—2025 年）》《“十四五”數(shù)字孿生海河建設方案》及《數(shù)字孿生海河2+N業(yè)務需求分析報告》。依托國家大型信息化項目，海委已建成網(wǎng)信基礎設施“六大工程”，具體包括基礎設施云、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一業(yè)務門戶、海委一張圖、統(tǒng)一身份鑒別體系、統(tǒng)一網(wǎng)絡安全防護體系，構成海委網(wǎng)信全要素基礎架構體系，為智慧海河建設夯實網(wǎng)信基礎。

1 數(shù)字孿生海河概述

1.1 總體建設框架

數(shù)字孿生海河建設主要分為五大部分，包括信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、水利業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全體系和綜合保障體系，總體框架如圖1 所示。由天空地一體化監(jiān)測的水利感知網(wǎng)、覆蓋流域管理機構到工程管理單位的水利業(yè)務網(wǎng)及水利工控網(wǎng)所構成的信息化基礎設施，為水利相關數(shù)據(jù)提供監(jiān)測感知條件，獲取各要素的實時變化信息。在數(shù)字孿生平臺中，數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生建設的重要基礎，實現(xiàn)對物理世界中地形地貌、水雨情、水利工程及其調(diào)度運行、人類活動等要素在數(shù)字世界的全要素映射；基于水文、水力學、水資源、水環(huán)境等方面的水利專業(yè)模型和智能可視化模型，構建能夠對水利對象進行全生命周期映射、模擬和仿真的模型平臺；水利知識作為數(shù)字孿生流域的驅動，以知識圖譜為技術框架，融入預報調(diào)度方案、業(yè)務規(guī)則、歷史場景和專家經(jīng)驗，為決策分析提供依據(jù)。網(wǎng)絡安全和綜合保障體系為系統(tǒng)提供重要支撐。通過數(shù)字孿生海河建設，實現(xiàn)全流域全要素動態(tài)實時信息交互和深度融合，模擬和預演對比各類業(yè)務場景，推進實現(xiàn)水利業(yè)務“四預”功能，提升流域治理管理的智慧化、精準化水平。

1.2 系統(tǒng)主要功能

與傳統(tǒng)水利信息化建設相比，數(shù)字孿生流域是全覆蓋、全要素、全過程的映射，具有多維性、即時性和可控性，其建設需要的關鍵技術包括數(shù)據(jù)治理、模型算法（即專業(yè)模型，包括基于物理機理和數(shù)據(jù)驅動等不同機制的模型）、知識抽?。垂こ陶{(diào)度規(guī)則、知識圖譜應用等）、通用平臺服務（即標準組件式搭建及其流程技術）、基于GIS+BIM 的VR 動態(tài)展示等。本質上，數(shù)字孿生流域是在充分利用監(jiān)測及基礎信息的基礎上，結合流域相關領域知識，在數(shù)字映射流域中模擬水文、水利工程調(diào)度等過程，以及自然要素和水管理要素之間的互相反饋作用，并通過智能識別與分析，為流域治理管理提供支持。高效協(xié)同的海河流域智能業(yè)務決策分析系統(tǒng)為海河流域水安全保障提供信息化技術手段，一方面可提高水旱災害監(jiān)測預報預警水平、提升山洪災害防御能力和流域水利工程聯(lián)合調(diào)度水平，另一方面有利于深入研究流域自然規(guī)律，通過融合流域多源信息，升級改造流域產(chǎn)匯流、水資源調(diào)配、工程調(diào)度等水利專業(yè)模型，提高變化流場下數(shù)字孿生流域多維度、多時空尺度的模擬準確性，最終提高防汛防災能力和水資源的利用效率，改善水環(huán)境和水生態(tài)，促進水利規(guī)劃、工程建設管理和社會服務的智能化，保障流域水安全，進一步推進海河流域水利高質量發(fā)展。

2 數(shù)字孿生海河與流域治理管理的關系

2.1 流域治理管理的必然性分析

根據(jù)習近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路和關于治水重要講話指示批示精神以及黨的十九屆五中全會把“堅持系統(tǒng)觀念”作為“十四五”時期經(jīng)濟社會發(fā)展的重要原則，水利部部長李國英在2021 年12 月3 日強化流域治理管理工作會議上的講話和水利部關于強化流域治理管理的指導意見均明確了流域治理管理的重要性。由于流域系統(tǒng)各要素之間相互聯(lián)系、相互制約且具有整體功能大于各要素之和的特點，流域治理管理成為水利高質量發(fā)展的必然選擇。這有利于強化流域規(guī)劃法定地位和指導約束作用；有利于統(tǒng)籌流域內(nèi)工程布局和項目實施，提高共享水平和使用效率；有利于統(tǒng)籌建設防洪、水資源、水生態(tài)等多目標調(diào)度體系，強化治理管理水平。此外，流域治理管理也是遵循自然規(guī)律的客觀要求，降水以流域為單元產(chǎn)流、匯流、演進，就必須從流域整體開展分析。

2.2 海河流域治理管理的目標

海河流域總面積32.06 萬km2，由海河、灤河、徒駭馬頰河三大水系組成，包括灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、黑龍港及運東地區(qū)諸河、漳衛(wèi)南運河、徒駭馬頰河河系，是洪水多發(fā)地區(qū)，也是我國七大流域中水資源最缺乏的流域。目前，海河流域已建成大、中、小型水庫1 900 余座；大、中型水閘近600 座；Ⅰ級、Ⅱ級堤防累計達標長度約4 600 km；28個蓄滯洪區(qū)總面積達到1.06萬km2，總容積約198億m3。龐大的水利工程體系必然需要統(tǒng)籌工程布局，考慮工程功能定位、區(qū)域分布。完善流域防洪工程體系和水資源優(yōu)化配置，進一步明確堅持流域系統(tǒng)觀念，建立協(xié)調(diào)統(tǒng)一的調(diào)度體制機制，從而保障流域水安全。針對海河流域“分流入海、分區(qū)防守”的防洪減災格局、“二縱六橫”的水資源配置格局、“六河五湖”的水生態(tài)綠色發(fā)展格局的特點，同時立足服務京津冀協(xié)同發(fā)展和高標準建設雄安新區(qū)等國家重大戰(zhàn)略，海河流域治理管理必須強化“四個統(tǒng)一”，即“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理”。

2.3 數(shù)字孿生流域支撐流域“四個統(tǒng)一”

為實現(xiàn)流域的“四個統(tǒng)一”，強化流域治理管理需要數(shù)字孿生流域作為技術支撐。在流域防洪業(yè)務中，數(shù)字孿生流域可以對流域河系內(nèi)的多條河流的眾多斷面進行洪水預報，同時根據(jù)水利業(yè)務應用的調(diào)度目標、預演節(jié)點、邊界條件等，預先演示出風險形勢和影響，進而推演出水利工程安全運行限制條件，提前為保障水安全制定防風險措施。對于水資源、水生態(tài)等業(yè)務，可以將流域自然本底特征、經(jīng)濟社會發(fā)展需要、生態(tài)環(huán)境保護等要求作為約束條件，通過對不同規(guī)劃方案進行多要素預演分析，確定最優(yōu)規(guī)劃方案，從而提高流域統(tǒng)一規(guī)劃的科學性、合理性、可行性。

數(shù)字孿生流域綜合考慮水利工程對周邊環(huán)境、流域整體、工程體系、經(jīng)濟社會等要素的影響，不僅可以評估水利工程規(guī)劃方案的可行性，還可以對多應用場景下數(shù)據(jù)進行匯聚、治理與挖掘，有利于統(tǒng)籌工程布局，從而實現(xiàn)流域統(tǒng)一治理。

流域內(nèi)龐大的水利工程體系需要基于數(shù)字孿生流域進行多目標聯(lián)合調(diào)度，以系統(tǒng)觀念實現(xiàn)流域調(diào)度整體達到最優(yōu)。根據(jù)上游來水預報和工程調(diào)度、下游影響區(qū)域變化等信息進行多種工程體系調(diào)度和優(yōu)化水資源調(diào)度方案的預演，并根據(jù)洪水路徑、洪峰洪量過程對防洪調(diào)度方案進行動態(tài)調(diào)整，以及根據(jù)流域內(nèi)不同區(qū)域的水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的現(xiàn)狀和發(fā)展要求設置目標，實現(xiàn)流域統(tǒng)一調(diào)度。

通過數(shù)字孿生流域實現(xiàn)對水利工程安全運行的監(jiān)測及控制，動態(tài)監(jiān)測水資源利用、河湖“四亂”、河湖生態(tài)環(huán)境復蘇等情況，同時提高信息共享和業(yè)務協(xié)同水平，為實現(xiàn)流域統(tǒng)一管理的目標提供技術支持。

3 數(shù)字孿生海河驅動流域治理管理新發(fā)展

3.1 數(shù)字孿生海河建設基礎

海委網(wǎng)信已建立全要素基礎架構體系，具備由37 臺服務器組成的基礎設施云平臺，50 顆CPU、7 TB 內(nèi)存的計算資源池，1 PB 的數(shù)據(jù)存儲資源池，實現(xiàn)了信息化基礎設施的互聯(lián)互通；已建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，基本實現(xiàn)海委數(shù)據(jù)資源跨部門、跨層級、跨業(yè)務、跨系統(tǒng)的融合治理、共享服務與智能應用；已將60 多個業(yè)務系統(tǒng)統(tǒng)籌歸類為7 大業(yè)務應用系統(tǒng)，為統(tǒng)一業(yè)務門戶提供基礎信息、動態(tài)監(jiān)測信息、業(yè)務信息等多項服務；融合“全國水利一張圖”成果，集成海委已有空間數(shù)據(jù)資源，形成了38 類圖層、11 個區(qū)域的空間數(shù)據(jù)主題圖，構建了“海委一張圖”應用服務平臺。海委網(wǎng)信“六大工程”為數(shù)字孿生海河建設提供良好基礎。

目前，海委大力推進岳城水庫、永定河流域先行先試數(shù)字孿生建設，將對數(shù)字孿生海河建設起到示范引導作用。為了推進數(shù)字孿生技術的創(chuàng)新發(fā)展，海委信息中心牽頭組建了“智慧海河創(chuàng)新實驗室”，旨在研究智能監(jiān)測、數(shù)字孿生等技術的創(chuàng)新與應用，提高海河流域水利信息化水平，為流域治理管理和水利高質量發(fā)展提供技術支持。

3.2 數(shù)字孿生海河驅動流域治理管理發(fā)展方向和作用

3.2.1 強化智能水利業(yè)務應用

按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的原則，水利“2+N”業(yè)務需求和應用是數(shù)字孿生流域建設的根本。數(shù)字孿生海河建設基于多源融合數(shù)據(jù)，充分考慮海河流域已建水利工程體系的基本特征，開展多尺度過程耦合的洪水預報，并結合知識庫中流域重點工程調(diào)度規(guī)則、歷史典型洪水等知識制定出最優(yōu)防洪調(diào)度預案，預演出風險形勢和影響，從而實現(xiàn)防洪業(yè)務“四預”功能，增強汛情分析預警能力并保障最大程度洪水風險規(guī)避。水資源管理與調(diào)度“四預”的實現(xiàn)，不僅有利于京津冀地區(qū)深化協(xié)作、流域治理上下游聯(lián)動機制完善、流域水資源剛性約束指標和水資源開發(fā)利用合理閾值制定，而且有助于實現(xiàn)流域水資源的精細化管理和超前預警，提高對生態(tài)水量調(diào)控、水資源統(tǒng)一調(diào)度、華北平原地下水開采等業(yè)務管理水平。此外，數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生海河的重要組成部分，通過感知工程全域空間數(shù)據(jù)與實時運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)新建水利工程全生命周期的數(shù)字化，運用智能識別與分析模型進行工程運行狀態(tài)的分析，為工程的運行管理與安全保障提供全面支撐。

3.2.2 驅動流域治理管理方式變革

數(shù)字孿生流域將新一代信息化技術與流域治理管理融合起來，將驅動治理管理方式變革。數(shù)字孿生流域對產(chǎn)匯流過程模擬、水利工程調(diào)度方案進行預演，進一步構建出水利工程智能調(diào)度、水災害動態(tài)評估和風險調(diào)控、人群避險轉移等不同決策階段的全過程信息，同時全要素管理對全過程信息的響應，將提升水利工程調(diào)度的決策支持能力和完善各項保障能力，驅動流域治理管理由被動響應向主動防御、多目標聯(lián)合調(diào)度的方向轉變。數(shù)字孿生流域能夠突破不同平臺、領域之間的信息壁壘，推進跨部門、跨地區(qū)、跨系統(tǒng)的水利業(yè)務協(xié)同管理，實現(xiàn)多平臺交互共享、多源信息系統(tǒng)整合，能夠避免傳統(tǒng)的內(nèi)部層級管理體制的弊端，有效提高管理效率。此外，數(shù)字孿生流域全面推動大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等信息化技術融入水利業(yè)務全過程，實現(xiàn)實時監(jiān)控、虛實交互的新流域治理管理模式。

3.2.3 提高水利信息化認知水平

在數(shù)字孿生流域建設過程中，通過對新階段各項水利業(yè)務過程、不同業(yè)務間聯(lián)系及與其他行業(yè)之間相互關系的重新梳理，將提高水利工作者對信息化技術、數(shù)字要素在水利業(yè)務中積極作用的認知。數(shù)字孿生流域也可以增加人們在流域治理管理中的參與感，通過PC、手機等移動終端來提供信息，各行業(yè)工作人員和居民可即時反饋相關信息和問題，激發(fā)人們對信息化建設的深刻認識。此外，基于數(shù)字孿生流域制定的方案和決策有利于明確職權劃分，督促各部門的協(xié)調(diào)協(xié)作，并增大治理管理力度。

3.2.4 保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展

數(shù)字孿生流域有利于推進水利行業(yè)向資源科學配置和節(jié)約高效利用發(fā)展。利用信息化技術充分挖掘流域水資源、水環(huán)境等各類信息，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與水資源環(huán)境的關系，完善頂層設計，統(tǒng)一規(guī)劃，避免重復建設，既是貫徹綠色低碳理念的體現(xiàn)，又利于雙碳目標的實現(xiàn)。在水利業(yè)務中，提高水旱災害防御能力、水資源集約利用和優(yōu)化配置及水生態(tài)環(huán)境監(jiān)督治理能力，是保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎。同時，加速數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟深度融合，推動經(jīng)濟結構轉型升級，提高全要素生產(chǎn)率，驅動生產(chǎn)方式發(fā)生變革，可以進一步推進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

4 展望

在氣候變暖背景下，海河流域的洪澇干旱等極端事件的發(fā)生頻次將逐漸增多。數(shù)字孿生流域通過“四預”功能增強流域內(nèi)水旱災害防御能力，同時提供為應對流域水文條件變化的適應性策略與水資源優(yōu)化調(diào)度預案，并統(tǒng)籌多水源調(diào)度維持流域生態(tài)環(huán)境[9，10]。在經(jīng)濟社會方面，數(shù)字技術和實體經(jīng)濟的深度融合，推進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉型。在此形勢下，充分發(fā)揮信息化對經(jīng)濟社會發(fā)展的驅動引領作用，加速推進傳統(tǒng)水利行業(yè)與數(shù)字技術的融合，將促進水利數(shù)字經(jīng)濟的產(chǎn)生[11]。此外，數(shù)字孿生技術可以提供一種從微觀延伸到宏觀、再從宏觀聚焦到微觀的思維過程，利于更深刻的探究水利事件發(fā)展的本質和關鍵。在這些新興信息化技術推動下，水利行業(yè)可能會出現(xiàn)更安全、更高效的“水利-生態(tài)-經(jīng)濟”相耦合的智能化新型系統(tǒng)。