系統(tǒng)謀劃推進數(shù)字孿生水利體系建設

水利部黨組書記、部長 李國英

“十五五”規(guī)劃建議提出，“深入推進數(shù)字中國建設”“適度超前建設新型基礎設施”“推進傳統(tǒng)基礎設施更新和數(shù)智化改造”。《中共中央辦公廳國務院辦公廳關于全面推進江河保護治理的意見》明確要求以數(shù)字孿生流域為重點，系統(tǒng)謀劃推進數(shù)字孿生水利體系建設。我們要堅決落實好、完成好黨中央、國務院決策部署，謀劃好、建設好數(shù)字孿生水利體系。

習近平總書記高度重視水安全保障問題，對推動水利高質量發(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指南。近年來，隨著氣候變化和經(jīng)濟社會發(fā)展，水安全領域風險隱患增多與抵御能力不足疊加，歷史風險累積和新型風險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雜、更趨極端，提升水利發(fā)展質量、有效防控水安全風險的要求更加迫切、更為凸顯。同時，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進，前沿技術突破集中涌現(xiàn)，為實現(xiàn)水利智能分析研判和科學高效決策提供了技術支撐。建設數(shù)字孿生水利體系是應對風險挑戰(zhàn)、把握時代之變、塑造發(fā)展動能的關鍵手段，必須強化科技賦能、數(shù)智賦能，系統(tǒng)謀劃推進數(shù)字孿生水利體系建設，為推動水利高質量發(fā)展、保障我國水安全提供有力支撐。

推動數(shù)字孿生水利體系與物理水利對象同步運行、虛實交互、迭代優(yōu)化

數(shù)字孿生水利體系，是以物理水利對象為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學模型為核心、水利知識為驅動，對物理水利全要素和水利治理管理活動全過程進行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理水利對象同步運行、虛實交互、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)一調度、統(tǒng)一管理”，助力實現(xiàn)流域多要素、多對象、多目標治理管理的“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、調控有序”的水網(wǎng)構建和運行。數(shù)字孿生工程主要支撐水利工程的安全運行和功能發(fā)揮。

建設數(shù)字孿生水利體系，要按照“需求牽引、應用至上，數(shù)智賦能、提升能力”的原則，從水利工作實際需求出發(fā)，深入分析流域防洪、水資源管理與調配，以及水利工程建設和運行管理、河湖管理、水土保持、灌區(qū)現(xiàn)代化建設和改造、農(nóng)村供水等水利業(yè)務的目標、流程、功能、數(shù)據(jù)等需求，以效用為導向推進監(jiān)測感知系統(tǒng)、數(shù)學模型系統(tǒng)建設，搭建數(shù)字孿生平臺，全面支撐水利業(yè)務應用，實現(xiàn)預報、預警、預演、預案功能，提升水利現(xiàn)代化治理管理能力。

加快構建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知系統(tǒng)

數(shù)據(jù)是建設數(shù)字孿生水利體系的基礎，監(jiān)測感知是獲取數(shù)據(jù)的方式和渠道。必須加快構建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知系統(tǒng)，實現(xiàn)物理水利對象數(shù)據(jù)監(jiān)測感知的精準性、同步性、及時性。

一是實現(xiàn)全覆蓋、全空間、全要素、全天候監(jiān)測感知?！叭采w”，即覆蓋所有水利治理管理對象，亦即覆蓋每一條河流、每一級水網(wǎng)、每一座工程?！叭臻g”，即從“天”“空”“地”“水”“工”立體空間監(jiān)測感知水利治理管理對象的信息數(shù)據(jù)?！叭亍保磳崿F(xiàn)水利治理管理對象的所有信息感知，包括自然河湖水系的水文要素、水力學要素、泥沙動力學要素、數(shù)字高程模型、工程的位移變形、滲流滲壓、應力應變、地理信息系統(tǒng)等?！叭旌颉?，即不受天氣、時間和環(huán)境條件影響，可始終保持有效的監(jiān)測感知狀態(tài)，獲取全面、實時、連續(xù)、精準的數(shù)據(jù)信息。

二是強化適用于數(shù)字孿生水利體系構造的數(shù)據(jù)采集。面向和聚焦構建數(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需求的監(jiān)測感知標準規(guī)范，完善手段、路徑、方式、對象，推進監(jiān)測感知系統(tǒng)的科學建設和高頻乃至在線運行。采集水利治理管理對象的基礎數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測數(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)學模型計算高精度、高頻率、連續(xù)性要求，為構建數(shù)字孿生水利體系提供精準物理參數(shù)和現(xiàn)實約束條件，保持與物理對象的同步耦合。

三是加強數(shù)據(jù)歸集共享。加強數(shù)據(jù)資源跨地區(qū)、跨部門、跨層級的統(tǒng)籌管理、整合歸集、共享利用。充分利用國家監(jiān)測資源，共享經(jīng)濟社會、土地利用、生態(tài)環(huán)境、氣象等相關數(shù)據(jù)。構建水利數(shù)據(jù)歸集平臺，在全國水利一張圖的基礎上，圍繞數(shù)字孿生水利體系建設需求，開展多源、多維、多尺度數(shù)據(jù)歸集管理并形成有效運行管理機制。

四是加快監(jiān)測技術裝備研發(fā)應用。構建水利遙感衛(wèi)星應用星座，加快水利測雨雷達組網(wǎng)建設，積極推進基于衛(wèi)星遙感、雷達聲吶等對水利物理對象監(jiān)測和探測的新技術研究。強化無人機、無人船、水下機器人、激光雷達、側掃雷達、穿透式地質雷達、智能傳感器等新裝備研發(fā)應用，實現(xiàn)對流域內地理信息數(shù)據(jù)特別是下墊面、工程性態(tài)、水文要素、水力學要素、泥沙動力學要素的實時動態(tài)監(jiān)測。加快科技成果轉化應用，促進新一代信息技術與水利監(jiān)測感知深度融合。

確保數(shù)學模擬過程和物理過程實現(xiàn)“高保真”

數(shù)學模型是數(shù)字孿生水利體系精準映射、虛實交互、實現(xiàn)“四預”功能的關鍵。在現(xiàn)有水利模型基礎上深化攻關、集成應用，確保數(shù)學模擬過程和物理過程實現(xiàn)“高保真”。

一是突出模型建設重點。水利工作涉及防洪安全、供水安全、糧食安全、生態(tài)安全，模型計算前瞻性、精準性要求極高。必須把基于機理揭示和規(guī)律把握的機理模型，基于數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘的統(tǒng)計模型，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的核心，更好揭示事物發(fā)展規(guī)律，同步映射現(xiàn)實、復盤反演歷史、預測推演未來。

二是加強監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)學模型耦合聯(lián)動。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)測感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)以及約束條件、調度規(guī)則、歷史場景等水利專業(yè)知識，及時修正模型計算的邊界條件，在線動態(tài)率定模型計算的物理參數(shù)，降低模型系統(tǒng)誤差，提高模型模擬精準度。

三是加強模型研發(fā)。把握“高保真”要求，深化水利機理模型的應用和研究，加快推進融合衛(wèi)星、雷達等多源數(shù)據(jù)的“云—雨”降雨預報模型，建立分布式水文模型，健全洪水演進水動力學模型、冰水動力學模型、土壤侵蝕模型、泥沙動力學模型、污染物擴散輸移模型等。制定模型驗收和評價體系，基于歷史和實時典型數(shù)據(jù)，加強模型功能驗證，評估模型結果準確性。

四是強化“正向—逆向—正向”推演功能。針對不同情景分析計算，“正向”推演流域水流演進過程；通過設定業(yè)務決策目標及工程安全運用限制條件“逆向”推演工程調度方案，實現(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行“正向”推演，提供前瞻、科學、精準、安全決策支持。

持續(xù)變化的江河湖庫水文情勢、流域下墊面條件、工程運行性態(tài)、經(jīng)濟社會發(fā)展需求，決定了數(shù)字孿生水利體系建設必須在運用中完善、在實戰(zhàn)中升級，不斷適應并滿足新形勢下的水利治理管理需求，為推動水利高質量發(fā)展、保障我國水安全作出新的貢獻。