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建設數(shù)字孿生流域

推動新階段水利高質量發(fā)展

水利部黨組書記、部長 李國英

習近平總書記強調(diào)，要全面貫徹網(wǎng)絡強國戰(zhàn)略，把數(shù)字技術廣泛應用于政府管理服務，推動政府數(shù)字化、智能化運行，為推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化提供有力支撐，并提出了提升流域設施數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平的明確要求。我們要深入學習貫徹習近平總書記重要講話精神和重要指示批示精神，加快建設數(shù)字孿生流域，構建智慧水利體系，推動新階段水利高質量發(fā)展。

習近平總書記強調(diào)，保護江河湖泊，事關人民群眾福祉，事關中華民族長遠發(fā)展。我國江河水系眾多，保護治理是一個龐大復雜的系統(tǒng)工程，必須堅持數(shù)字賦能，依托現(xiàn)代信息技術變革治理理念和治理手段。建設數(shù)字孿生流域，就是要以物理流域為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理全過程的數(shù)字化映射、智能化模擬，實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。

黨中央、國務院作出了明確部署。國家“十四五”規(guī)劃綱要明確要求，構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力。國家“十四五”新型基礎設施建設規(guī)劃明確提出，要推動大江大河大湖數(shù)字孿生、智慧化模擬和智能業(yè)務應用建設。黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要、長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要等，都對數(shù)字孿生流域建設提出了更加具體明確的要求。落實黨中央、國務院重大決策部署，必須大力推進數(shù)字孿生流域建設。

現(xiàn)代信息技術發(fā)展提供了支撐條件。進入新發(fā)展階段，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術快速發(fā)展，推動水利發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉變的技術條件已經(jīng)具備。近年來，水利信息化建設取得積極成效，但流域透徹感知算據(jù)仍有不足，模型算法距高保真目標尚有差距，計算存儲能力亦不足需，網(wǎng)絡安全防護能力偏弱，運行和管理智能水平亟待提升。要加強數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術與水利業(yè)務的深度融合，充分發(fā)揮信息技術支撐驅動作用，大力提升水利決策與管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平。

強化流域治理管理提出了迫切要求。流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性，治水管水必須以流域為單元，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理。這就要求數(shù)字孿生流域提供強大技術支撐。統(tǒng)一規(guī)劃方面，通過在數(shù)字孿生流域中對規(guī)劃各要素進行預演分析，全面、快速比對不同規(guī)劃方案的目標、效果和影響，確定最優(yōu)規(guī)劃方案。統(tǒng)一治理方面，通過在數(shù)字孿生流域中預演治理工程布局及建設方案，評估治理工程與規(guī)劃方案的符合性，分析治理工程對周邊環(huán)境和流域的整體影響，輔助確定治理工程布局、規(guī)模標準、運行方式、實施優(yōu)先序等。統(tǒng)一調(diào)度方面，通過在數(shù)字孿生流域中綜合分析比對各要素，預演防洪、供水、發(fā)電、航運、生態(tài)等調(diào)度過程，動態(tài)調(diào)整優(yōu)化調(diào)度方案。統(tǒng)一管理方面，通過數(shù)字孿生流域動態(tài)掌握河湖全貌，實現(xiàn)權威存證、精準定位、影響分析，更好支撐上下游、左右岸、干支流聯(lián)防聯(lián)控聯(lián)治。

建設數(shù)字孿生流域，原則是堅持需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力，目標是實現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策，核心任務是加強算據(jù)、算法、算力建設。

夯實算據(jù)基礎。算據(jù)是物理流域及其影響區(qū)域的數(shù)字化表達，是構建數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)基礎，包括自然地理、干支流水系、河道流場、水利工程、經(jīng)濟社會等信息。要錨定數(shù)字化場景目標，構建天、空、地一體化水利感知網(wǎng)，通過優(yōu)化提檔水文、水資源、河床演變、水利工程等地面監(jiān)測，進一步完善地下水監(jiān)測站網(wǎng)，加強衛(wèi)星、無人機、無人船等載體遙感監(jiān)測，提升應急監(jiān)測能力，推進物理流域監(jiān)測系統(tǒng)的科學建設和高頻乃至在線運行，為數(shù)字孿生流域提供精準物理參數(shù)和現(xiàn)實約束條件，保持數(shù)字孿生流域與物理流域的精準性、同步性、及時性。按照全國、流域、重要水利工程，分級構建全國統(tǒng)一、及時更新的數(shù)據(jù)底板，為水利治理管理提供詳實的基礎底圖。

優(yōu)化算法模型。算法是構建數(shù)字孿生流域的關鍵性技術，是物理流域自然規(guī)律的數(shù)學表達，包括水利專業(yè)模型、智能分析模型、仿真可視化模型等內(nèi)容。要錨定智慧化模擬目標，深入研究流域自然規(guī)律，充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術，融合流域多源信息，升級改造流域產(chǎn)匯流、土壤侵蝕、水沙輸移、水資源調(diào)配、工程調(diào)度等模型，研發(fā)新一代高保真水利專業(yè)模型，統(tǒng)籌運用好基于機理揭示和規(guī)律把握的數(shù)學模型，以及基于數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘技術的數(shù)學模型，確保數(shù)字孿生流域模擬過程和流域物理過程實現(xiàn)高保真。建設水利業(yè)務智能仿真模型，構建水利業(yè)務遙感和視頻人工智能識別模型，實現(xiàn)水利工程運行和安全監(jiān)測、應急突發(fā)水事件等自動化精準識別。

提升算力水平。算力是數(shù)字孿生流域高效穩(wěn)定運行的重要支撐，包括計算、通信、會商等硬件資源。要擴展計算資源，按照“集約高效、共享開放、按需服務”的原則，提升物理分布、邏輯集中、協(xié)同工作的高性能算力，滿足數(shù)據(jù)處理、模型計算的需要。要升級通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)水利系統(tǒng)網(wǎng)絡無盲區(qū)無死角互聯(lián)，滿足各類信息及時高效傳輸，并充分利用北斗、5G等新一代網(wǎng)絡技術，保障監(jiān)測站網(wǎng)在極端惡劣環(huán)境下的安全可靠傳輸。

習近平總書記強調(diào)，要實施自然災害監(jiān)測預警信息化工程，提高風險早期識別和預報預警能力；要切實加強重大風險預測預警能力，有切實管用的應對預案及具體可操作的舉措。要在數(shù)字孿生流域中強化預報、預警、預演、預案能力，實現(xiàn)風險提前發(fā)現(xiàn)、預警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實施，確保水利決策精準安全有效。

精準超前預報。預報是基礎，通過預報為預警工作贏得先機。要堅持遵循自然規(guī)律，以流域為單元，構建下墊面動態(tài)變化的數(shù)字流場，在總結分析典型歷史事件和掌握現(xiàn)狀的基礎上，以擴展預報內(nèi)容、提高預報精度、延長預見期為目標，通過機理分析和數(shù)據(jù)驅動等方法，綜合運用氣象水文、水文水力學耦合預報以及預報調(diào)度一體化等技術，構建多維多時空預報體系，實現(xiàn)洪水、枯季徑流、地下水位、墑情、咸潮、泥沙、冰情、臺風暴潮、水質等各類水安全要素全覆蓋，短期預報、中期預測、長期展望等多尺度無縫銜接，監(jiān)測站點、水系沿線、流域區(qū)域“點線面”相結合的多維展示。

快速直達預警。預警是前哨，通過預警為預演工作提供指引。科學設置風險閾值指標，完善預警發(fā)布機制，以預警信息及時精準、預警對象全面覆蓋、預警渠道直達一線為目標，構建多種類多渠道的水災害預警體系。在數(shù)字流場內(nèi)，聚焦未來可能發(fā)生的江河洪水、山洪災害、漬澇災害、工程災害、干旱災害、冰凌災害、供水危機、水生態(tài)損害等各類水災害，確定降雨量、水位、流量、水量等預警要素。根據(jù)預警不同量級、發(fā)展態(tài)勢以及可能造成的危害程度，明確預警等級，依托預警發(fā)布平臺，及時發(fā)布預警信息。結合地區(qū)實際，利用各種有效手段，實現(xiàn)預警信息直達一線、直達社會公眾，提醒及時采取應急處置措施，做好防災避險準備，做到防患于未然。

前瞻科學預演。預演是關鍵，通過預演為預案制定提供支撐。要集成耦合水工程預報信息與流域防洪調(diào)度、水資源管理調(diào)配、水工程調(diào)度運用、突發(fā)水事件處置、水生態(tài)過程調(diào)節(jié)等運行信息和其他邊界條件，設定不同情景目標，實時分析水利工作面臨的風險形勢，以貼近實戰(zhàn)、發(fā)現(xiàn)問題為目標，構建全過程多情景模擬仿真的水利預演體系。在數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程基礎上，對規(guī)劃、設計或未來預測預報的場景進行前瞻預演，既可以根據(jù)預報預警結果，“正向”預演出風險形勢和影響，及時發(fā)現(xiàn)問題，以在萌芽之時、成災之前發(fā)現(xiàn)問題、提出措施；也可以根據(jù)調(diào)度目標，“逆向”推演出水利工程安全運行限制條件，制定和優(yōu)化調(diào)度方案，實現(xiàn)預報與調(diào)度的動態(tài)交互和耦合模擬。

細化實化預案。預案是目的，通過“四預”環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，提升流域治理管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平，為增強國家水安全保障能力提供信息快速感知、智能分析研判、科學高效決策的強大技術驅動。要結合水工程運行狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀等，在預演結果基礎上進行分析評估，滾動調(diào)整水工程運行、應急調(diào)度、人員防災避險等應對措施，迭代優(yōu)化運行調(diào)度方案，有效提高預案的科學性和可操作性。工程措施要考慮最新工況、經(jīng)濟社會情況，明確規(guī)定各類水利工程的具體運用方式。非工程措施要明確值班值守、物料設備配置、查險搶險人員配備、技術專家隊伍組建、人員轉移避險方案等。組織實施要全面落實工作責任，明確各類措施的執(zhí)行機構、權限和職責，進一步增強預案的科學性、實用性和可操作性。