基于數字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)應用研究

為貫徹落實水利部關于加快智慧水利建設的決策部署，加強信息技術在水資源管理中的業(yè)務應用，水利部印發(fā)了《2022年推進智慧水利建設水資源管理工作要點》（下稱《要點》），提出了“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的總體要求，強調水資源管理系統(tǒng)建設應著重加強用水量的需求與分析、水資源監(jiān)管、地下水超采治理等業(yè)務應用，搭建水資源管控“一張圖”，不斷提升水資源管理的數字化、網絡化、智能化水平，為推進水利的高質量發(fā)展提供有力的支撐。在水資源管理系統(tǒng)建設中，數字孿生技術以異構大數據為基礎，以跨時空知識為驅動，以多學科、多尺度、多概率數理模型為基礎，可實現(xiàn)水資源管理周期、過程的數字化復現(xiàn)和智能化模擬。借助數字孿生技術，能夠進一步提高水資源的智慧化、精細化水平。

文章結合數字孿生技術概念和水利工作的任務要求，提出了基于數字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)總體架構，詳細地闡述了架構功能，并結合水資源管理的要求，探討了系統(tǒng)在水資源管理中的業(yè)務應用，以期為水利水資源管理和信息化系統(tǒng)建設提供有益的參考。

一、數字孿生技術概述

根據《2021數字孿生技術應用白皮書》中的定義可知，數字孿生技術是一種以數據和模型集成融合為基礎和核心的數字化理念和技術，即在數字空間中實時構建物理對象的精確數字化映射，并基于數字整合與分析預測對物理實體發(fā)展進行模擬、驗證、預測和控制，最終實現(xiàn)智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。在水資源管理中，將收集的傳感器實時數據、歷史數據進行數字建模，利用數字孿生技術重構水資源數據的“克隆體”，并借助大數據、人工智能、機器學習等技術對水資源管理的發(fā)展趨勢進行模擬、預測，能夠為水資源管理提供決策支持。

二、基于數字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)架構及技術體系

（一）水資源管理系統(tǒng)總體架構

根據《要點》中的工作要求，水利部門應通過信息技術強化水資源管理，著力提升水資源管理的“四預”能力（預報、預警、預演和預案），根據該要求，水利部門應根據“實時感知、數字映射、智慧模擬、智能應用”的智慧水利特征，構建“2（水旱災害防御、水資源管理與調配）+N”應用為重點的水資源管理系統(tǒng)?；跀底謱\生技術的水資源管理系統(tǒng)可分為實時感知層（流域水資源感知體系、水利工程設施感知體系、區(qū)域先進3S感知技術手段）、能力支撐體系（高速傳輸網絡、高速數據處理系統(tǒng)）、數字映射（流域一張圖、水利工程智慧孿生體）、智慧模擬體系（模擬模型、人工智能AI技術、虛擬現(xiàn)實AR技術等）、智能應用“2+N”（水旱災害防御、水資源管理與調配、水利工程建設、水土保持、水資源監(jiān)管、流域綜合治理等）。通過構建基于數字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)流域管理“四預”（預報、預警、預演、預案），為水資源管理工作的精準化決策提供有力的支撐。

（二）實時感知，完善水資源系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)

實時感知層是實現(xiàn)水資源管理系統(tǒng)功能的最小單元，是感知流域水資源數據的關鍵。為確保水資源管理系統(tǒng)對物理實體的精準畫像、動態(tài)感知，應進一步完善流域水資源感知體系，實現(xiàn)流域水量、水位、流量、水質、泥沙、降雨量等信息要素實時在線監(jiān)測，提升系統(tǒng)信息的收集和感知能力。同時，針對流域水資源分布范圍較大的問題，應結合高分辨率的航天航空遙感技術、地面水文監(jiān)測技術形成“空天一體化”監(jiān)測系統(tǒng)，提高流域內水資源管理系統(tǒng)的信息收集、監(jiān)測覆蓋范圍、監(jiān)測精度水平。同時，為優(yōu)化流域內的洪水災害預警監(jiān)測體系，可將雷達納入雨量常規(guī)監(jiān)測范圍，確保流域水資源信息應采盡采，摸清水資源取水、供水、輸水、用水、排水各環(huán)節(jié)信息。

除水資源信息感知體系外，系統(tǒng)應加強在水利工程的信息采集，實現(xiàn)水庫、泵站、水閘、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)等水利工程設施的信息全過程采集，完善流域內水利工程設施狀態(tài)的全張采集、動態(tài)感知，在新建、改建、擴建水利工程設計時，應融入物聯(lián)網、智慧管理系統(tǒng)等系統(tǒng)設計與應用，提高流域水資源信息采集的準確性、全面性。

（三）高速傳輸，增強水資源數據處理能力

為確保實時感知數據的高速傳輸，在水資源系統(tǒng)建設時應同步建設、完善水利工程基礎信息傳輸網絡，充分利用5G無線網絡、有線網絡、衛(wèi)星通信等信息傳輸載體，遵循“積極利用、科學管理、依法管理、確保安全”的國家安全網絡管理原則，堅持水利工程設施與網絡、數據采集接口的同步設計、協(xié)同推進、需求驅動、資源共享，統(tǒng)一標準、統(tǒng)一技術架構，全面推進水利設施建設與高速傳輸網絡建設的深度融合，形成水利業(yè)務應用與水資源信息化保障環(huán)境相結合的水利信息化綜合體系。

（四）數字映射，構建流域水資源管理智慧孿生體

在數據采集、傳輸的基礎上，通過對流域水資源數據進行功能性仿真、評估、預測等，形成水資源管理算法、模型和處理方法，并與業(yè)務性數據（飲水信息、用水計劃、取水許可、監(jiān)督檢查等）、知識性數據（歷史數據、行業(yè)標準、政策約束等）耦合，通過數據轉換、預處理、分類、關聯(lián)和集成，獲得流域水資源孿生數據，建構物理實體與虛擬實體服務的連接、互通，構建全流域水資源“一張圖”，實現(xiàn)三維場景仿真模擬，形成水利工程智慧孿生體和數字流場，實現(xiàn)水利數據的共享與增值?！耙粡垐D”是基于物理實體空間數據和屬性數據的一體化展示，是流域水資源數據應用與服務的入口，為確保流域水資源管理的精準化、智慧化，“一張圖”應將實現(xiàn)空間分析、數據分析、仿真結果可視化、地形地貌數據、水資源管理需求、人員分布等數據集成化數據耦合展示和動態(tài)更新。

（五）智慧模擬，加強新技術應用

基于流域水資源孿生數據，可借助3D可視化展示系統(tǒng)、高仿真場景模擬、水利工程運行狀態(tài)監(jiān)測和重點區(qū)域地形水文監(jiān)測等數據，獲得高精度的水上水下一體化數字地形數據，通過疊加水位、水文、水利工程等相關信息，實現(xiàn)全場域數據環(huán)境模擬，并與真實環(huán)境對應，為水資源管理提供直觀、高效、精準的數據支持，可面向防災減災、流域水資源調度和水利工程建設等決策提供科學的數據支持服務。

通過建設全流域數字孿生體技術應用，基于數字孿生數據和設計工具、仿真工具、物聯(lián)網、虛擬現(xiàn)實等數字化手段，對流域河網水系和下墊面特征進行數字化轉化，基于衛(wèi)星、無人機傾斜攝影等遙感數據解譯流域下墊面和小流域的基礎屬性數據，對流域內水雨情監(jiān)測站網進行數字化轉化，建立流域監(jiān)測站網，可在具體的應用場景、不同時空分辨率、不同精細化粒度下實現(xiàn)河網水系、小流域下墊面、水利工程上下游、流域影響范圍和經濟社會要素等全局性的要素動態(tài)、實時數字化智慧模擬，實現(xiàn)流域的智慧虛擬畫像。

（六）智慧應用，實現(xiàn)流域水資源管理“四預”目標

基于數字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)，其核心是對已采集獲取的物理實體信息進行跨學科、多尺度、多概率仿真，通過對可能發(fā)生的概率性事件進行預測，最終為決策提供支撐服務。

在智慧應用中，系統(tǒng)可根據數字孿生技術對流域內降雨產流、流域匯流、洪水演進、水土侵蝕、水質擴散、地下水運動、水文預測預報等數據進行預測，通過預測流域內水位、水文、水量、水質等變化情況和水資源管理的利用情況進行研究，提出防災減災方案和水資源調度調控決策方案，為水資源管理的保護、利用，污染事件的應急處置提供決策支持。在水資源管理系統(tǒng)中，基于水資源數字分析與處理，可實現(xiàn)用水計劃和水量調度管理的精細化，如結合土壤墑情、農作物生長周期、氣象水文信息等基礎數據，對流域內水資源用水計劃、用水調度進行演算預測，并根據實時引水、用水數據實時更新水資源的總量、需水量、用水量等信息，能夠實現(xiàn)水資源管理與調配智慧化的科學模擬與決策。

為提高系統(tǒng)的自動化、信息化水平，降低人工干預對模擬仿真結果的干擾，水資源管理系統(tǒng)應集成人工智能、神經網絡、大數據挖掘等技術手段，確保系統(tǒng)能夠在多源、復雜數據中分析、提取出有價值的數據，提高數據預測的精度，縮短數據分析時間，為研究流域水資源規(guī)律提供技術支持。

三、基于數字孿生技術的水資源管理系統(tǒng)應用

水資源管理系統(tǒng)建設的最終目的是提升水資源管理的決策能力?；跀底謱\生技術的水資源管理系統(tǒng)可用于水資源數據監(jiān)測、水旱災害應急處置、水資源調度與管理、水資源監(jiān)管、水利工程設施建設等方面。

（一）強化流域水資源數據監(jiān)測能力

基于廣泛的流域水資源感知體系、水利工程設施感知體系和3S感知技術手段，建立健全覆蓋全流域、全場域的流域水資源數據監(jiān)測體系，可實現(xiàn)水資源流量、水位、水質、水土保持等全要素的實時監(jiān)測，并結合水利設施在線監(jiān)測數據、歷史數據和相關的基礎數據，形成“流域一張圖”三維立體的動態(tài)展示，可快速、可靠地展示水資源的相關數據，為流域水資源管理和規(guī)律研究提供數據支持。

（二）提高水旱災害防御處置能力

2022年，在十三屆全國人大五次會議部長通道采訪時，水利部部長李國英指出，中國水安全保障規(guī)劃的四級目標是提升水旱災害的防御能力、提升水資源集約節(jié)約利用能力、提升水資源優(yōu)化配置能力和提高大江大河大湖的生態(tài)保護治理能力。由此可見，提高流域水資源水旱災害的防御處置能力是水資源管理系統(tǒng)建設的首要目標。通過基于水資源物理實體數據采集構建的數字孿生模型，可用于水利工程調度模擬預演、水資源調度、超標準洪水防御處置預案仿真與決策等方面，能夠實現(xiàn)水旱災害防御關口前置、預測預警和科學決策。

在水旱災害預警預測方面，綜合水文數據滾動分析、預測未來中短期、長期氣象數據和水旱災害發(fā)生的可能性，對可能出現(xiàn)的水旱災害地點、時間進行中短期、長期預報，定向發(fā)布預報結果，實現(xiàn)水旱災害預警預報信息全覆蓋，最大限度地減輕水旱災害造成的經濟損失。在洪水預演方面，通過綜合氣象、水文、水資源調度、水庫、河道、蓄滯洪區(qū)等數據進行綜合仿真模擬，對洪水預演方案進行調整，提高方案的可操作性，為洪水區(qū)人員疏散、水庫蓄泄等方面的決策提供組織支撐。

（三）提高水資源管理智慧化水平

在水資源管理中，可借助水資源管理系統(tǒng)進行水資源調度、調控，并結合用水限額、生態(tài)流量等紅線指標對流域內的水資源需求進行調控、調配仿真模擬，平衡流域內的水資源需求與生態(tài)保護之間的關系，形成預報超用水限額預警、生態(tài)流量預警業(yè)務系統(tǒng)，超用水限額預警可實時對比用水計劃批復用水量、取水許可水量和實際用水量，并分等級對流域內的水資源管理部門發(fā)出預警。生態(tài)流量預警可實現(xiàn)流域內河道斷面引水流量的實時監(jiān)控，結合上游的水量信息，模擬仿真斷面生態(tài)流量，及時發(fā)出生態(tài)流量預警，確保斷面生態(tài)流量安全，提前規(guī)避水資源管理的風險。

在水資源預報方面，通過建立水資源用量、污染物通量、水質預報等數據監(jiān)測、模擬常態(tài)化機制，能夠為水資源保護、水資源生態(tài)治理監(jiān)測預警提供數據依據。針對超采地下水等問題，可結合地下水探測、河流斷面流量、氣象數據等多源數據構建地下水三維動態(tài)模型，定期根據地下水水位、水量、水質的勘測結果開展流域內地下水資源超采治理工作。

（四）增強水資源監(jiān)管有效性

將水資源管理系統(tǒng)預警預報數據用于水資源監(jiān)督、水政執(zhí)法、水利工程運行管理、水土保持、河湖管理等領域，能夠實現(xiàn)水資源管理風險的提前預警、動態(tài)感知和數據溯源，為水資源監(jiān)管提供有力的支撐。

同時，通過河道槽蓄量監(jiān)測、計算、模擬，可獲得河道沖淤量、淤泥厚度、槽蓄量高程曲線圖、槽蓄量分布圖、沖淤量高程曲線圖等數據，借助高精度的水下地形模型、實時水位高程圖，分析流域內不同時段的河道槽蓄量，能夠為河道演變、流域開發(fā)、防洪調度和河道治理、水資源監(jiān)管提供數據依據。

（五）支持水利工程設施建設運營科學決策

基于高精度河道地形、斷面數據和高頻高清遙感數據，可獲取河道、水庫等水面信息，通過與現(xiàn)有流域水文、實時監(jiān)控水位、流速、流量等數據進行混合建模，可實現(xiàn)河道流場水面—水位—流量—流速“空天一體化”實時化地感知孿生模型，助力水利工程的動態(tài)運行。

為實現(xiàn)流域水資源效益的最大化，可基于水資源管理系統(tǒng)對水資源發(fā)電、防凌、航運、水利工程建設等各項目標任務進行優(yōu)化。同時，基于數字孿生技術實時掌握的遙感數據、遙感影像數據，可按日、周、月更新水利工程要素，跟蹤監(jiān)測水利工程土地利用、種植作物、河湖水體等下墊面要素和變化檢測，推演不同場景下水利工程全生命周期的運行態(tài)勢，并對洪澇災害情況下水利工程漫溢、決口、蓄滯洪區(qū)、城區(qū)淹沒等信息進行立體動態(tài)展示，為水利工程設施的運行優(yōu)化、災害預測預警、智慧水利工程態(tài)勢響應和決策提供智慧化的應用指導。

由于數字孿生技術具有水利設施、水文要素在線模擬和同步控制功能，可對水庫、水閘、堤防、水電站、泵站等工程設施進行仿真可視化，能夠直觀地掌握水利工程設施的運維情況、設備設施控制情況和終端虛擬調水等相關信息，如水閘啟閉、運行，水位流量變化、水利工程現(xiàn)場調度等情況。通過數據共享、預測耦合和協(xié)同調度等措施，能夠實現(xiàn)流域內水資源的協(xié)同管理與安全節(jié)約利用。

四、結語

數字孿生技術是一種基于實體數據構建的仿真模型，可向業(yè)務系統(tǒng)的需求提供專業(yè)化數據監(jiān)測、預測預警、需求管理、業(yè)務調度等服務，已在航空、衛(wèi)星、電力、船舶等領域得到廣泛應用，形成了面向業(yè)務需求驅動的數字化創(chuàng)新應用。在水資源管理領域，數字孿生系統(tǒng)尚處于起步和探索應用的階段。通過全面采集流域內水文數據、水利工程設施數據、氣象數據等，統(tǒng)一數據標準和要求，強化頂層設計，結合水資源管理的業(yè)務需求構建數字孿生模型，充分利用數字映射、數字孿生、仿真模擬等技術，構建業(yè)務驅動、數據支持的水資源管理調度、防災減災預警、水利工程設施建設等決策支持系統(tǒng)，不斷推進水資源管理的數字化、智能化、精細化，以高質量的水資源管理系統(tǒng)推動水利治理現(xiàn)代化。