尚海龙，田苡菲，王志扬，王天艺，罗智，朱新民

（1.北京江河中基工程咨询有限公司，100073，北京；
2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

建设数字孪生流域是提升国家水安全保障能力的重要支撑。国家“十四五”规划纲要明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。水利部要求大力推进数字孪生流域建设，积极推动新阶段水利高质量发展。数字孪生流域是智慧水利建设的核心内容。落实数字孪生流域建设的总体方案，需要在前期设计、方案编制阶段对数字孪生流域建设的需求进行深度分析，从推动新阶段水利高质量发展出发，深入分析数字孪生流域业务的工作流程、功能流程、信息共享、系统功能与性能等需求，以水利信息平台为基础，搭建流域保护治理全要素数字化场景，优化业务流程，增强“四预”能力，提升流域精准化决策水平。

数字孪生流域建设以目标流域数字化场景为基础底座，以水利模型算法库与水利知识图谱为支撑，以实现水利“四预”为目标，以支持各水利业务为最终目的，数字孪生流域是对物理流域的深度模拟与融合，促进逐步实现“2+N”智慧水利业务应用。

1.水旱灾害防御

水旱灾害防御业务工作主要集中在汛期（凌汛期），包括实时水情、沙情、雨情、凌情、工情、灾情监视，降雨洪水预报，气温凌情预报，防汛形势分析预测，预警信息通报，调度方案制定及调令发送等内容，以及汛前年度预案制定、防汛演练及汛后调度总结等内容。汛期流域水旱灾害防御管理单位及相关防汛业务单位实时监视气象、雨情、水（凌）情、工情、险情等汛情信息，流域管理部门按照相关规定办法制定降雨、来水预报方案，气温、凌情预报方案，根据天气形势变化必要时加密预报频次、发布气象水（凌）情预警信息，管理部门根据实时汛情数据、预报信息，全面分析研判防汛形势，制定调度方案，通过方案比选、风险分析，会商确定调度方案，制定防风险措施，向水工程管理单位下达调度指令，向河务部门及相关地区提出水旱灾害防御要求（见图1）。

图1 水旱灾害防御业务流程

（1）预报需求分析

水文部门采集实时气象水（凌）情信息，共享中央气象台数据源的气象预报信息，调用当地相关预报系统开展作业预报，一般提供流域内水库、重要河湖等关键站点和区间洪水预报过程。

（2）预警需求分析

按照流域内主要干流水情预警发布管理办法、水旱灾害防御应急预案等相关管理办法，根据监测及预报信息进行会商决策，判断是否需要发布预警信息或启动应急响应，根据不同的预警消息类型将之送至相应的一线管理人员。

（3）预演需求分析

流域水旱灾害防御管理部门及相关业务部门根据当前汛情、预报信息、防洪工程条件等，调用预报调度一体化平台、灾情评估与风险系统等模型系统开展多方案演算，“正向”预演出风险形势和影响，“逆向”推演出水工程安全运行限制条件，分析评估可能存在的问题，优选调度方案。

（4）预案需求分析

根据预演确定的方案，明确各类水利工程的具体运用方式，制定对应非工程措施，并落实组织实施的具体应对方案。

2.水资源管理与调配

（1）预报需求分析

水资源预报是支撑流域水量统一调度的基础之一。根据流域内水量统一调度的需要，流域地区的水文局或水文总站每月需制作发布主要来水区间及重要支流月径流预报，3—6月加发主要来水区间旬径流预报，汛期后发布目标流域主要来水区、重要支流径流总量及天然径流量预报（估），为流域分水、用水方案制定和水量统一管理调度提供数据支撑。

（2）预警需求分析

水资源预警是流域水量调度的“哨兵”。流域水量调度管理部门需要依据干支流重要控制断面、取水口流量，水文，气象等指标超出计划值情况，分析水资源管理风险产生的原因、影响范围、持续时间和预警等级等，向水利行业和社会公众发布对应的预警信息。

（3）预演需求分析

调度预演主要包括确定调度目标、模拟计算、制定和优化调度方案。调度预演以流域防洪（防凌）、控制断面生态流量达标率等为主要调度目标，以发电、灌溉等为次要调度目标，以流域内水库和干流主要闸坝重要断面为预演节点，以流域各区重要控制断面生态流量、重要水库水位（下泄）控制等为边界条件，进行全流域调度预演。

调度预演考虑当前河道，水工程的水情、工情，调度规程、计划、方案等，根据流域内主要河段的来水、引退水计划等水量调度信息，采用流量演进模型进行整体流量演进，“正向”预演出流域主要水文断面的流量过程，“逆向”推演出流域内水库、闸坝下泄等安全运行限制条件。调度预演在3D仿真系统中建立一个与现实流域下游相对应的可交互控制的虚拟3D水量调度环境，在虚拟3D水量调度场景中进行水量调度方案及调度过程的可视化表现，为流域水量调度方案的决策提供3D可视化服务。

调度预演要结合流域水资源管理知识库，优化水库、闸坝、泵站的调度方案，并考虑来水大小、旱情、水库运行风险、突发公共水安全风险等因素，结合流域干流水量制定应急调度预案，确定风险防控措施。

（4）预案需求分析

调度预案是执行流域水量统一调度的主要依据。调度预案主要包括工程调度运用、非工程类措施及调度预案。工程调度的主要依据是流域内年、月、旬、实时水量调度预案。综合考虑干流河段来水、用水、河道水损、水流时间、上下断面水量不平衡等要素，确定各需水地区不同时间段的分配水量。非工程措施主要是提高流域主要区间来水预报精度，调研各需水地区最新的需水情况，统计最新流域河道内外生态水量配置情况，制定水量应急调度预案。调度预案实施需要落实流域水资源管理相关水利工程调度运用计划，明确水量调度预案执行机构、权限和职责，以及调度预案信息报送内容、方式和要求。

3.水利工程建设和运行管理

根据目标流域直管工程资料及数据，打造物理工程的数字孪生场景，构建水利工程建设和运行管理平台，升级和优化现有水库运行监管、堤防水闸管理系统；
支持工程调度、多维度安全监测，接入水雨情等信息，结合堤防溃决等计算模型，叠加阈值设定、告警信息等应用，匹配相应预案措施并进行优化，实现水利工程建设和运行管理的“四预”应用。

4.河湖管理保护

结合数字地形、行政区划图层、堤防图层等数据，利用卫星、航拍、视频监控等设备采集图像数据，对物理单元对象进行数字孪生建设（见图2）。对涉河建设项目进行动态监管，升级完善巡查、详查、核查、复查等功能，构建查、认、改、罚全周期河湖监管平台。

图2 河湖业务管理流程

5.水文业务管理

图3体现了水文业务管理系统工作流程，可以实现信息收集、处理、监视以及水雨情分析和预报，河湖及地下水水量与水质的监测、分析和评价，为水文站网建设、水文监测数据的使用提供基础支撑，实现水文数据信息化管理，为防汛防旱和水资源管理提供决策支撑。

图3 水文业务管理流程

6.水土保持应用

充分通过利用物联网、大数据和数字模型对水土流失发生、发展、危害及水土保持效益进行实时监测，记录水土流失的类型、强度与分布特征、危害及治理效果。通过分析所有监测数据，掌握水土流失影响因子、发展规律及变化趋势，实现水土流失动态监测和科学防治（见图4）。

图4 水土保持业务管理流程

数字孪生体系架构中，数据主要包括由传统水利监测站网采集的水位、水质、流量、雨情、工情等数据，由新型水利监测站网采集的卫星遥感、高清视频、无人机影像、无人船水下地形等数据，由水利对象如水利工程、监测站（点）、管理对象、信息化对象等提供的基础数据。通过数字孪生体系便可对上述数据进行收集、传递、处理、存储与应用。

1.数据收集

数据收集是基础，数字孪生是物理环境的数字映射，因此物理数据采集的精准完备是首要环节，对物理数据的采集需要建立全域全时段的物联感知体系，实现物理对象运行态势的多维度、多层次精准监测及数据接入，确保设备可信可控，数据准确无误。

2.数据传递

数字孪生要做到对物理实体的动态模拟与实时交互，需要有一套完善而快捷的数据传递设施，并满足数据传输对类型多样、低时延、高可靠、高同步的需求。

3.数据处理

数据处理是对数据进行更深层次的挖掘和分析的前提，通过数据的收集与传递汇聚形成目标流域数据资源池，并对数据进行提取、清洗、关联、比对、标识、分拣六个阶段的处理。

4.数据存储

对已处理的目标流域数据资源池中的各类结构化数据和非结构化数据进行存储，根据数据类型的不同选择不同类型的数据库进行存储，如常规的关系型数据库MySQL，作为提高查询性能补充的内存数据库Redis，适合高伸缩性场景的数据库MongoDB，适合海量数据的存储与高性能实时查询的数据库HBase。

在选用适应的数据库方案后，搭配ElasticSearch的全文搜索引擎，并以多活多灾备的形式存储数据，可以极大地提高数据库的性能与安全性。

5.数据应用

对已经过处理且存储的数据，按照流域防汛、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、河湖管理保护等流域综合治理业务需求形成各个业务数据集，成为支撑模型平台、知识平台、数字化场景、业务处理、决策分析的数据底座。由产汇流模型、降雨径流模型、洪水泥沙演进模型、水资源调配模型、工程调度模型等组成的模型平台，由预报调度方案库、知识图谱库、业务规则库、历史场景模式库、专家经验库等组成的知识平台，基于流域一张图的数字化场景，按需调用业务数据集提供的数据服务，经科学计算、模拟推演、智能推理、溯因分析、业务逻辑处理等为“2+N”业务应用“四预”功能和科学化决策提供“算据”支撑。

数字孪生流域是个有机整体，数据底板、模型平台、知识平台、业务应用、信息基础设施等进行协调联动，水利部、流域管理单位、各项水利工程管理单位等各部分间要保持数据的一致性和联动性。围绕水旱灾害防御和水资源管理与调配等业务间的数据应用和协同，共享的数据主要包括站网监测数据、视频监视数据、遥感监测数据、基础数据、业务管理等。

1.站网监测数据

水文监测基于流域内干流重要水库、地区界面及重要控制断面、水资源监测断面和水生态监测断面进行，监测信息主要包括流量、水位、降水、蒸发、渗漏等。

水工程监测基于流域管理单位的工程监测站点进行，监测信息主要包括雨量、水位、变形、工情等。

取用水口监测基于流域管理单位的地表水、地下水取水口和退水口在线监测站点进行，监测信息主要包括水位、流速、流量、风速风向等。

2.视频监视数据

在管理水库或大型水利枢纽已建的视频监控基础上，通过平台直接级联或者网关方式接入到流域总管理单位，监视信息包括工程安全、河湖水势、违法违规等信息。

3.遥感监测数据

汇聚国内外的卫星数据资源，接收水利部信息中心、中国资源卫星应用中心、欧洲航天局等单位的遥感影像。监测信息包括流域干流高精度卫星遥感影像，优先选取晴空且总云量不超过5%的质量良好影像；
利用无人机采集重点河段各节点工程的可见光影像和视频监视数据。

4.基础数据

基础数据主要来源于水库、电站、闸坝等水利工程，水文监测站、水质监测站、水量监测站等监测站点，河流、湖泊、堤段等管理对象，及控制机房、通信线路、网络设备等信息化对象。

5.业务管理数据

主要包括水旱灾害防御、水资源管理与调配、河湖管理保护等业务管理过程中产生的数据。需要建立跨部门、跨层级的数据规范交换流程和方法，形成统一数据交换机制，建设以标准服务、标准封装数据形式的数据交换共享服务，支持Web Service协议、FTP协议和数据库等各类接口，提供数据集成、交换、分发、共享机制和平台能力，支持多种数据类型的多级交换。

1.系统功能分析

从推动新阶段水利高质量发展的角度出发，深入研究流域治理业务的目标、流程、功能、数据等需求，以流域水利“一张图”平台为基础，搭建流域保护治理全要素数字化场景，优化业务流程，增强“四预”能力，提升流域精准化决策水平。

（1）水旱灾害防御方面

构建目标流域下垫面动态变化的数字流场，结合区域防洪工程数字孪生成果，融合数字地形、基础设施、经济社会等数据，支持预案选择，实现防洪“四预”。预报上，遵循自然规律，总结分析典型历史事件，掌握现状基础，对未来发生的洪水进行预测预报，提高预报精度、延长预见期；
预警上，要制定水旱灾害风险阈值和指标，完善流域治理业务预警发布机制，让河流洪水、工程灾害等风险预警信息直达工作最前线，及时采取应急措施；
预演上，要集成耦合水工程预报信息与流域防洪调度、水工程调度运用、突发水事件处置等运行信息，设定不同的工况，对调度方案进行模拟仿真并预演；
预案上，需要结合水工程运行状况、社会发展现状等，对预演结果进行分析、评估，动态调整水工程运行、应急调度、人员防灾避险等应急措施，制定优化调度等方案。

（2）水资源监督管理和调度方面

集成水资源总量、用水权分配、取用水量、区域断面监控和经济社会信息等大数据，形成水资源监督管理和调度的全数字化场景，以保障水资源监督、调度与决策预演。预报上，开展流域区域中长期来水量和降水量预测，水资源供、需、耗、排动态监测与分析，流域区域需水量预测，提供动态的精细化评估；
预警上，以水资源量动态分析评价为依据，对行政区域水资源承载力预警和管控，促成节水管理；
预演上，以水资源高效利用调控和节约安全用水为目标，构建区域水资源供需分析及调配模型分析系统，实现不同节气时段、流域内或跨流域水资源量动态调配；
预案上，构建流域区域水库调度预案、闸坝调度方案、水量分配方案、河湖补水方案等，实现水资源安全高效利用的智慧化预案。

（3）水利工程建设和运行管理方面

规范质量管理，确保工程质量，强化工程监管，依托信息化先进技术指导水利工程管理的模式，组织开展安全质量巡查，实现在建项目全覆盖；
需重点聚焦堤防闸坝等工程的安全运行及建设管理，实现工程运行可控、调度指挥可协同的智慧化工程管理；
要实现工程动态实时监测和工程安全管理状态实时监控，为工程安全管理提供可靠的监管措施和保障。

（4）河湖管理保护方面

严格水生态空间管控，清理整治乱占、乱采、乱堆、乱建等问题，实现对“四乱”对象变化情况及流域岸线水事活动等的动态监管，以及涉河建设项目在线行政许可、建设和运行全过程监管等，为目标流域全面建设流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河提供支撑。

（5）水文管理方面

建立水文业务管理系统，整合流域内现有河湖水文综合信息管理平台，加强水文站网管理，完善水文远程测控、报汛管理、资料整编、水文信息服务等功能，提升水文管理科学化、数据传输网络化、数据处理自动化、数据存储“云化”、水文预报实时化、分析评价智能化等水平。

（6）水土保持方面

依托大量实时映射的基础数据，通过各类已有的水土保持业务模型，数字孪生流域可以在数字空间中对水土流失现状、水土流失治理和人为水土流失扰动等进行精准化模拟，为河湖管理单位实现水土保持工作数字化、网络化、可视化和智能化提供支撑。

2.系统性能分析

流域数字孪生系统的业务应用需求，对系统主要性能提出了要求。

一是可靠性与稳定性，能满足24小时不间断运行及中短时间内的高负载运行。二是易维护性和业务维护方便性，各类数据易于汇集，异常数据易于剔除，管理信息易于上报。业务流程能够根据管理模式进行修改、完善。三是保障各类运行数据和管理信息的安全性，保证信息的保密性与完整性，不易被侵入和干扰，不能被窃取和破坏，对数据的存储有充足的冗余备份，一旦数据库发生破坏，可快速恢复数据。四是适应性，平台在操作方式、运行环境、跨部门数据接入接口发生变化时，应具有快速跟进接入的适应能力。五是可扩展性，本系统与其他系统应该构建标准接口，统一入口、统一认证、统一权限，让系统从规模与功能上易于扩展和升级。

构建智慧水利工程体系必须坚持创新发展思想，形成创新发展理念，促进工程高质量发展，以建设数字孪生流域系统为基础，整体推动算据、算法、算力能力建设，促进工程形成具备预报、预警、预演、预案等能力的智慧水利体系，为新时期水利工程优质发展提供强大保障与有力驱动。智慧水利数字孪生流域建设任重而道远，需要立足多方面的需求分析，确保数字孪生流域建设方案有效落地实施，合理充足地深入分析数字孪生流域业务的流程、功能、数据等需求，有助于水利现代化建设，推动水利行业高质量发展。

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