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建設數字孿生流域

推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展

水利部黨組書(shū)記、部長(cháng) 李國英

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

習近平總書(shū)記強調，保護江河湖泊，事關(guān)人民群眾福祉，事關(guān)中華民族長(cháng)遠發(fā)展。我國江河水系眾多，保護治理是一個(gè)龐大復雜的系統工程，必須堅持數字賦能，依托現代信息技術(shù)變革治理理念和治理手段。建設數字孿生流域，就是要以物理流域為單元、時(shí)空數據為底座、數學(xué)模型為核心、水利知識為驅動(dòng)，對物理流域全要素和水利治理管理全過(guò)程的數字化映射、智能化模擬，實(shí)現與物理流域同步仿真運行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。

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

現代信息技術(shù)發(fā)展提供了支撐條件。進(jìn)入新發(fā)展階段，云計算、大數據、人工智能技術(shù)快速發(fā)展，推動(dòng)水利發(fā)展向數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化轉變的技術(shù)條件已經(jīng)具備。近年來(lái)，水利信息化建設取得積極成效，但流域透徹感知算據仍有不足，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(luò )安全防護能力偏弱，運行和管理智能水平亟待提升。要加強數字孿生、大數據、人工智能等新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合，充分發(fā)揮信息技術(shù)支撐驅動(dòng)作用，大力提升水利決策與管理的數字化、網(wǎng)絡(luò )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(shí)施統一規劃、統一治理、統一調度、統一管理。這就要求數字孿生流域提供強大技術(shù)支撐。統一規劃方面，通過(guò)在數字孿生流域中對規劃各要素進(jìn)行預演分析，全面、快速比對不同規劃方案的目標、效果和影響，確定最優(yōu)規劃方案。統一治理方面，通過(guò)在數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、規模標準、運行方式、實(shí)施優(yōu)先序等。統一調度方面，通過(guò)在數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)等調度過(guò)程，動(dòng)態(tài)調整優(yōu)化調度方案。統一管理方面，通過(guò)數字孿生流域動(dòng)態(tài)掌握河湖全貌，實(shí)現權威存證、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。

建設數字孿生流域，原則是堅持需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力，目標是實(shí)現數字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準化決策，核心任務(wù)是加強算據、算法、算力建設。

夯實(shí)算據基礎。算據是物理流域及其影響區域的數字化表達，是構建數字孿生流域的數據基礎，包括自然地理、干支流水系、河道流場(chǎng)、水利工程、經(jīng)濟社會(huì )等信息。要錨定數字化場(chǎng)景目標，構建天、空、地一體化水利感知網(wǎng)，通過(guò)優(yōu)化提檔水文、水資源、河床演變、水利工程等地面監測，進(jìn)一步完善地下水監測站網(wǎng)，加強衛星、無(wú)人機、無(wú)人船等載體遙感監測，提升應急監測能力，推進(jìn)物理流域監測系統的科學(xué)建設和高頻乃至在線(xiàn)運行，為數字孿生流域提供精準物理參數和現實(shí)約束條件，保持數字孿生流域與物理流域的精準性、同步性、及時(shí)性。按照全國、流域、重要水利工程，分級構建全國統一、及時(shí)更新的數據底板，為水利治理管理提供詳實(shí)的基礎底圖。

優(yōu)化算法模型。算法是構建數字孿生流域的關(guān)鍵性技術(shù)，是物理流域自然規律的數學(xué)表達，包括水利專(zhuān)業(yè)模型、智能分析模型、仿真可視化模型等內容。要錨定智慧化模擬目標，深入研究流域自然規律，充分利用大數據、人工智能等新一代信息技術(shù)，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、水資源調配、工程調度等模型，研發(fā)新一代高保真水利專(zhuān)業(yè)模型，統籌運用好基于機理揭示和規律把握的數學(xué)模型，以及基于數理統計和數據挖掘技術(shù)的數學(xué)模型，確保數字孿生流域模擬過(guò)程和流域物理過(guò)程實(shí)現高保真。建設水利業(yè)務(wù)智能仿真模型，構建水利業(yè)務(wù)遙感和視頻人工智能識別模型，實(shí)現水利工程運行和安全監測、應急突發(fā)水事件等自動(dòng)化精準識別。

提升算力水平。算力是數字孿生流域高效穩定運行的重要支撐，包括計算、通信、會(huì )商等硬件資源。要擴展計算資源，按照“集約高效、共享開(kāi)放、按需服務(wù)”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(mǎn)足數據處理、模型計算的需要。要升級通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現水利系統網(wǎng)絡(luò )無(wú)盲區無(wú)死角互聯(lián)，滿(mǎn)足各類(lèi)信息及時(shí)高效傳輸，并充分利用北斗、5G等新一代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，保障監測站網(wǎng)在極端惡劣環(huán)境下的安全可靠傳輸。

習近平總書(shū)記強調，要實(shí)施自然災害監測預警信息化工程，提高風(fēng)險早期識別和預報預警能力；要切實(shí)加強重大風(fēng)險預測預警能力，有切實(shí)管用的應對預案及具體可操作的舉措。要在數字孿生流域中強化預報、預警、預演、預案能力，實(shí)現風(fēng)險提前發(fā)現、預警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實(shí)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(guò)預報為預警工作贏(yíng)得先機。要堅持遵循自然規律，以流域為單元，構建下墊面動(dòng)態(tài)變化的數字流場(chǎng)，在總結分析典型歷史事件和掌握現狀的基礎上，以擴展預報內容、提高預報精度、延長(cháng)預見(jiàn)期為目標，通過(guò)機理分析和數據驅動(dòng)等方法，綜合運用氣象水文、水文水力學(xué)耦合預報以及預報調度一體化等技術(shù)，構建多維多時(shí)空預報體系，實(shí)現洪水、枯季徑流、地下水位、墑情、咸潮、泥沙、冰情、臺風(fēng)暴潮、水質(zhì)等各類(lèi)水安全要素全覆蓋，短期預報、中期預測、長(cháng)期展望等多尺度無(wú)縫銜接，監測站點(diǎn)、水系沿線(xiàn)、流域區域“點(diǎn)線(xiàn)面”相結合的多維展示。

快速直達預警。預警是前哨，通過(guò)預警為預演工作提供指引?？茖W(xué)設置風(fēng)險閾值指標，完善預警發(fā)布機制，以預警信息及時(shí)精準、預警對象全面覆蓋、預警渠道直達一線(xiàn)為目標，構建多種類(lèi)多渠道的水災害預警體系。在數字流場(chǎng)內，聚焦未來(lái)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(lèi)水災害，確定降雨量、水位、流量、水量等預警要素。根據預警不同量級、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(shí)發(fā)布預警信息。結合地區實(shí)際，利用各種有效手段，實(shí)現預警信息直達一線(xiàn)、直達社會(huì )公眾，提醒及時(shí)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(xué)預演。預演是關(guān)鍵，通過(guò)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度、水資源管理調配、水工程調度運用、突發(fā)水事件處置、水生態(tài)過(guò)程調節等運行信息和其他邊界條件，設定不同情景目標，實(shí)時(shí)分析水利工作面臨的風(fēng)險形勢，以貼近實(shí)戰、發(fā)現問(wèn)題為目標，構建全過(guò)程多情景模擬仿真的水利預演體系。在數字孿生流域和數字孿生水利工程基礎上，對規劃、設計或未來(lái)預測預報的場(chǎng)景進(jìn)行前瞻預演，既可以根據預報預警結果，“正向”預演出風(fēng)險形勢和影響，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，以在萌芽之時(shí)、成災之前發(fā)現問(wèn)題、提出措施；也可以根據調度目標，“逆向”推演出水利工程安全運行限制條件，制定和優(yōu)化調度方案，實(shí)現預報與調度的動(dòng)態(tài)交互和耦合模擬。

細化實(shí)化預案。預案是目的，通過(guò)“四預”環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，提升流域治理管理的數字化、網(wǎng)絡(luò )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(xué)高效決策的強大技術(shù)驅動(dòng)。要結合水工程運行狀況、經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展現狀等，在預演結果基礎上進(jìn)行分析評估，滾動(dòng)調整水工程運行、應急調度、人員防災避險等應對措施，迭代優(yōu)化運行調度方案，有效提高預案的科學(xué)性和可操作性。工程措施要考慮最新工況、經(jīng)濟社會(huì )情況，明確規定各類(lèi)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(shù)專(zhuān)家隊伍組建、人員轉移避險方案等。組織實(shí)施要全面落實(shí)工作責任，明確各類(lèi)措施的執行機構、權限和職責，進(jìn)一步增強預案的科學(xué)性、實(shí)用性和可操作性。