系統(tǒng)謀劃推進(jìn)數(shù)字孿生水利體系建設(shè)

水利部黨組書記、部長 李國英

“十五五”規(guī)劃建議提出，“深入推進(jìn)數(shù)字中國建設(shè)”“適度超前建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施”“推進(jìn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施更新和數(shù)智化改造”?！吨泄仓醒朕k公廳國務(wù)院辦公廳關(guān)于全面推進(jìn)江河保護(hù)治理的意見》明確要求以數(shù)字孿生流域?yàn)橹攸c(diǎn)，系統(tǒng)謀劃推進(jìn)數(shù)字孿生水利體系建設(shè)。我們要堅(jiān)決落實(shí)好、完成好黨中央、國務(wù)院決策部署，謀劃好、建設(shè)好數(shù)字孿生水利體系。

習(xí)近平總書記高度重視水安全保障問題，對(duì)推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展、保障我國水安全提出明確要求，為水利工作提供了根本遵循和行動(dòng)指南。近年來，隨著氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水安全領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)隱患增多與抵御能力不足疊加，歷史風(fēng)險(xiǎn)累積和新型風(fēng)險(xiǎn)疊加的問題越來越突出，水安全保障面臨的環(huán)境條件比以往更加復(fù)雜、更趨極端，提升水利發(fā)展質(zhì)量、有效防控水安全風(fēng)險(xiǎn)的要求更加迫切、更為凸顯。同時(shí)，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，前沿技術(shù)突破集中涌現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)水利智能分析研判和科學(xué)高效決策提供了技術(shù)支撐。建設(shè)數(shù)字孿生水利體系是應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)、把握時(shí)代之變、塑造發(fā)展動(dòng)能的關(guān)鍵手段，必須強(qiáng)化科技賦能、數(shù)智賦能，系統(tǒng)謀劃推進(jìn)數(shù)字孿生水利體系建設(shè)，為推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展、保障我國水安全提供有力支撐。

推動(dòng)數(shù)字孿生水利體系與物理水利對(duì)象同步運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化

數(shù)字孿生水利體系，是以物理水利對(duì)象為單元、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理水利全要素和水利治理管理活動(dòng)全過程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，與物理水利對(duì)象同步運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化的綜合體系，由數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程組成，三者之間互不替代、各有側(cè)重、互聯(lián)互通、信息共享。數(shù)字孿生流域主要支撐流域“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理”，助力實(shí)現(xiàn)流域多要素、多對(duì)象、多目標(biāo)治理管理的“帕累托最優(yōu)”。數(shù)字孿生水網(wǎng)主要支撐“系統(tǒng)完備、安全可靠，集約高效、綠色智能，循環(huán)通暢、調(diào)控有序”的水網(wǎng)構(gòu)建和運(yùn)行。數(shù)字孿生工程主要支撐水利工程的安全運(yùn)行和功能發(fā)揮。

建設(shè)數(shù)字孿生水利體系，要按照“需求牽引、應(yīng)用至上，數(shù)智賦能、提升能力”的原則，從水利工作實(shí)際需求出發(fā)，深入分析流域防洪、水資源管理與調(diào)配，以及水利工程建設(shè)和運(yùn)行管理、河湖管理、水土保持、灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)和改造、農(nóng)村供水等水利業(yè)務(wù)的目標(biāo)、流程、功能、數(shù)據(jù)等需求，以效用為導(dǎo)向推進(jìn)監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)建設(shè)，搭建數(shù)字孿生平臺(tái)，全面支撐水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，提升水利現(xiàn)代化治理管理能力。

加快構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)

數(shù)據(jù)是建設(shè)數(shù)字孿生水利體系的基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)感知是獲取數(shù)據(jù)的方式和渠道。必須加快構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理水利對(duì)象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)感知的精準(zhǔn)性、同步性、及時(shí)性。

一是實(shí)現(xiàn)全覆蓋、全空間、全要素、全天候監(jiān)測(cè)感知。“全覆蓋”，即覆蓋所有水利治理管理對(duì)象，亦即覆蓋每一條河流、每一級(jí)水網(wǎng)、每一座工程。“全空間”，即從“天”“空”“地”“水”“工”立體空間監(jiān)測(cè)感知水利治理管理對(duì)象的信息數(shù)據(jù)。“全要素”，即實(shí)現(xiàn)水利治理管理對(duì)象的所有信息感知，包括自然河湖水系的水文要素、水力學(xué)要素、泥沙動(dòng)力學(xué)要素、數(shù)字高程模型、工程的位移變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變、地理信息系統(tǒng)等?！叭旌颉?，即不受天氣、時(shí)間和環(huán)境條件影響，可始終保持有效的監(jiān)測(cè)感知狀態(tài)，獲取全面、實(shí)時(shí)、連續(xù)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。

二是強(qiáng)化適用于數(shù)字孿生水利體系構(gòu)造的數(shù)據(jù)采集。面向和聚焦構(gòu)建數(shù)字孿生水利體系需求，檢視并修訂不滿足數(shù)字孿生水利體系建設(shè)需求的監(jiān)測(cè)感知標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完善手段、路徑、方式、對(duì)象，推進(jìn)監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)的科學(xué)建設(shè)和高頻乃至在線運(yùn)行。采集水利治理管理對(duì)象的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)，滿足數(shù)字孿生水利體系中數(shù)學(xué)模型計(jì)算高精度、高頻率、連續(xù)性要求，為構(gòu)建數(shù)字孿生水利體系提供精準(zhǔn)物理參數(shù)和現(xiàn)實(shí)約束條件，保持與物理對(duì)象的同步耦合。

三是加強(qiáng)數(shù)據(jù)歸集共享。加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源跨地區(qū)、跨部門、跨層級(jí)的統(tǒng)籌管理、整合歸集、共享利用。充分利用國家監(jiān)測(cè)資源，共享經(jīng)濟(jì)社會(huì)、土地利用、生態(tài)環(huán)境、氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)。構(gòu)建水利數(shù)據(jù)歸集平臺(tái)，在全國水利一張圖的基礎(chǔ)上，圍繞數(shù)字孿生水利體系建設(shè)需求，開展多源、多維、多尺度數(shù)據(jù)歸集管理并形成有效運(yùn)行管理機(jī)制。

四是加快監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用。構(gòu)建水利遙感衛(wèi)星應(yīng)用星座，加快水利測(cè)雨雷達(dá)組網(wǎng)建設(shè)，積極推進(jìn)基于衛(wèi)星遙感、雷達(dá)聲吶等對(duì)水利物理對(duì)象監(jiān)測(cè)和探測(cè)的新技術(shù)研究。強(qiáng)化無人機(jī)、無人船、水下機(jī)器人、激光雷達(dá)、側(cè)掃雷達(dá)、穿透式地質(zhì)雷達(dá)、智能傳感器等新裝備研發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)特別是下墊面、工程性態(tài)、水文要素、水力學(xué)要素、泥沙動(dòng)力學(xué)要素的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。加快科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，促進(jìn)新一代信息技術(shù)與水利監(jiān)測(cè)感知深度融合。

確保數(shù)學(xué)模擬過程和物理過程實(shí)現(xiàn)“高保真”

數(shù)學(xué)模型是數(shù)字孿生水利體系精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”功能的關(guān)鍵。在現(xiàn)有水利模型基礎(chǔ)上深化攻關(guān)、集成應(yīng)用，確保數(shù)學(xué)模擬過程和物理過程實(shí)現(xiàn)“高保真”。

一是突出模型建設(shè)重點(diǎn)。水利工作涉及防洪安全、供水安全、糧食安全、生態(tài)安全，模型計(jì)算前瞻性、精準(zhǔn)性要求極高。必須把基于機(jī)理揭示和規(guī)律把握的機(jī)理模型，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘的統(tǒng)計(jì)模型，以及兩種模型相互嵌入、系統(tǒng)融合的混合模型，作為數(shù)字孿生水利體系建設(shè)的核心，更好揭示事物發(fā)展規(guī)律，同步映射現(xiàn)實(shí)、復(fù)盤反演歷史、預(yù)測(cè)推演未來。

二是加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型耦合聯(lián)動(dòng)。根據(jù)不同區(qū)域氣候條件、下墊面條件及工程性態(tài)，充分利用“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)以及約束條件、調(diào)度規(guī)則、歷史場(chǎng)景等水利專業(yè)知識(shí)，及時(shí)修正模型計(jì)算的邊界條件，在線動(dòng)態(tài)率定模型計(jì)算的物理參數(shù)，降低模型系統(tǒng)誤差，提高模型模擬精準(zhǔn)度。

三是加強(qiáng)模型研發(fā)。把握“高保真”要求，深化水利機(jī)理模型的應(yīng)用和研究，加快推進(jìn)融合衛(wèi)星、雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)的“云—雨”降雨預(yù)報(bào)模型，建立分布式水文模型，健全洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型、冰水動(dòng)力學(xué)模型、土壤侵蝕模型、泥沙動(dòng)力學(xué)模型、污染物擴(kuò)散輸移模型等。制定模型驗(yàn)收和評(píng)價(jià)體系，基于歷史和實(shí)時(shí)典型數(shù)據(jù)，加強(qiáng)模型功能驗(yàn)證，評(píng)估模型結(jié)果準(zhǔn)確性。

四是強(qiáng)化“正向—逆向—正向”推演功能。針對(duì)不同情景分析計(jì)算，“正向”推演流域水流演進(jìn)過程；通過設(shè)定業(yè)務(wù)決策目標(biāo)及工程安全運(yùn)用限制條件“逆向”推演工程調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)多方案比選；在滿足邊界條件下考慮最新變化要素再次進(jìn)行“正向”推演，提供前瞻、科學(xué)、精準(zhǔn)、安全決策支持。

持續(xù)變化的江河湖庫水文情勢(shì)、流域下墊面條件、工程運(yùn)行性態(tài)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，決定了數(shù)字孿生水利體系建設(shè)必須在運(yùn)用中完善、在實(shí)戰(zhàn)中升級(jí)，不斷適應(yīng)并滿足新形勢(shì)下的水利治理管理需求，為推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展、保障我國水安全作出新的貢獻(xiàn)。