数字孪生水利建设中应把握的要点
2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 水利部将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六 条路径之一。数字孪生水利建设是推进智慧水利建设的实施措施。水利部近两年先后从行政、规划、工作、技术四个层面制定印发了系列文件，明确了推进数字孪生水利建设的时间表、路线图、任务书、责任单。完成了顶层设计。 数字孪生水利建设是一项技术难度大、管理复杂的系统工程，存 在技术和管理方面的难点，水利部通过开展技术攻关和先行先试，探索了解决难点的思路举措。 目录 第一部分把握数字孪生水利建设的目标任务 第二部分把握数字孪生水利建设的重点与难点 —二三四 是什么 定义定位 为什么形势要求 建什么目标任务 怎么建实施路径 智慧水利——全局性大目标，是水利高质量发展的显著标志，是大方向和趋势。推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的六条路径之一。 数字孪生水利——实施措施，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程，构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系。 第一层：明确发展方向，即智慧水利 第二层：实施措施，即建成具有“四预”功能的数字孪生水利体系 第三层：主要任务，即“三个孪生”和”2+N”业务“四预” 数字孪生水利是充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术，建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等新型基础设施，实现流域防洪、水资源管理与调配等“2+N”业务应用“四预”（预报、预警、预演、预案）功能的综合体系，提升水利治理管理数字化、网络化、智能化水平，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。 数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理流域的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。 数字孪生水利工程是以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利工程全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理工程的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。 数字孪生水网是以物理水网为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水网全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水网的实时监控、联合调度、风险 防范的新型基础设施。 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 预报 基本内涵是以流域为单元，遵循客观规律，在总结 分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上，根据业务需求，采用基于机理揭示和规律把握、数理统计和数据挖掘技术等数学模型方法，对水安全要素发展趋势做出不同预见期（短期、中期、长期等）的定量或定性分析，提高预报精度、延长预见期。 预警 基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值，拓宽预 警信息发布渠道，及时把江河洪水、山洪灾害、渍涝灾害、工程灾害、干旱灾害、冰凌灾害、供水危机、水域空间占用、水生态环境危害及相关次生灾害等预警信息直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，及时采取应急处置措施，做好防灾避险准备。 预演 基本内涵是在数字孪生流域中对典型历史事件、设 计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿真，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，及时发现问题，提出防风险措施，迭代优化方案。 预案 基本内涵是依据预演确定的方案，预案的基本内涵 是依据预演确定的方案，制定执行预案，主要包括水利工程运用次序、时机、规则和非工程措施，明确调度机构、权限和责任，以及信息报送流程和方式等，并组织实施。 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 习近平总书记强调，要推动数字经济和实体经济融合发展，把握数字化、网络化、智能化方向，推动制造业、服务业、农业等产业数字化，利用互联网新技术对传统产业进行全方位、全链条的改造，提高全要素生产率，发挥数字技术对经济发展的放大、叠加、倍增作用。（中共中央政治局第三十四次集中学习） 党的二十大报告 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》 《国家“十四五”新型基础设施建设规划》 《数字中国建设整体布局规划》 加快建设网络强国、数字中国 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 推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设 构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系 水利的特点决定--流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性 首先，流域是降水自然形成的以分水岭为边界，以江河湖泊为纽带的空间单元。水的自然属性决定了由流域内上下游左右岸干支流，地上地下的自然联系，形成了天然的水系整体，流域内山、水、林、田、湖、草、沙等各生态要素紧密联系，相互影响，相互依存，构成了流域生命共同体，所以强调要以流域为单元。 其次，我国水管理体制是以流域为单元的，全国层面设置七大流域管理机构进行流域管理，地方也在辖区设置不同级别的管理机构管理重点河湖，所以强调要整个流域统筹考虑。 再次，水利是一项涉及大尺度、多领域、全要素的工作，不可能在物理流域中试验不同方案，只能在数字空间进行反复预演，经过综合评估分析后选择最优方案，运用到实际工作中。 水利现状和需求决定 六条实施路径：一要完善流域防洪工程体系，二要实施国家水网重大工程，三要复苏河湖生态环境，四要推进智慧水利建设，五要建立健全节水制度政策，六要强化体制机制法治管理。 水利是经济社会发展的基础性行业，面向高质量发展的要求，亟需以技术创新为驱动，推动传统水利的转型升级，提高水利治理的质量和效能。 智慧水利是水利高质量发展的显著标志。智慧水利建设是推进新阶段水利高质量发展的6条实施路径之一。 因此，通过数字孪生技术对物理流域、物理水网、物理工程的实时监控、发现问题、优化调度，最终达到风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施的目的。 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 （一）总体框架 数字孪生水利：建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等新型基础设施，实现“2+N”业务应用“四预”功能的综合体系，为水利决策管理提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支持，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。数字孪生水利体系主要由数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、业务应用，以及网络安全体系和保障 体系构成。数字孪生水利体系结构 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 三目标任务—目标 算 法 算 据 算 力 （二）建设目标 至“十四五”末期， 建成七大江河数字孪生流域； 骨干水网中的数字孪生南水北调中线基本建成，省级数字孪生水网取得突破； 大江大河重要控制性枢纽基本建成数字孪生工程； 在重点防洪地区实现流域防洪“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，N项业务智能应用水平大幅提升； 数据共享和网络安全防护能力明显增强； 为新阶段水利高质量发展提供有力支撑 和强力驱动。 新建升级改造 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 （三）数字孪生流域 按照“突出重点、急用先建”的原则进行建设，“十四五”期间主要建设：长江、黄河、淮河、 海河、珠江、松花江、辽 河、太湖等干流，180条主要支流及重点河流，20个重点湖泊。 （四）数字孪生水网 按照“规划先行、先导推进”的原则，“十四五”期间： 骨干水网：基本建成数字孪生南水北调中线，积极推进数字孪生南水北调东线； 省级水网：推进广东、浙江、山东、江西、湖北、辽宁、广西等第一批省级先导区数字孪生水网建设，并取得标志性成果，积极推进第二批以及市、县级数字孪生水网建设。 三 目标任务—任务 （五）数字孪生水利工程 按照“重点提升、同步 新建”的原则进行建设，“十四五”期间主要建设：123个重点水库，98个 行蓄滞洪区，140个重点水闸，48个大中型灌区工程， 47个其他重点水利工程等。 三目标任务—任务 （六）2+N业务应用 实现“2+N”业务应用的“四预”。重点是构建流域防洪、水资源管理 与调配（2）的智能应用，实现“四预” 功能。此外， 水利工程建设与运行管理、河湖管理、水土保持、农村水利水电、节水管理与服务、南水北调运行与监督、水行政执法、水利监督、水文管理、水利行政、水公共服务（N）。 四实施路径 顶层设计：从行政、规划、工作、技术等层面相继出台一系列文件、规范和技术要求，明确了推进数字孪生水利建设的路线图、时间表、任务书、责任单。 技术攻关：通过科技研发计划、水利部重大科技项目开展感知、模型、仿真、安全等技术攻关。 先行先试：根据各流域、区域实际需求，全面开展先行，重点在数据底板、模型平台、知识平台及流域防洪、水资源管理与调配等业务应用“四预”方面选择先试，以取得重点突破。其间，技术指导人、业务指导人、责任专家持续指导把关，去年底，水利部已完成各单位先行先试工作中期评估，并发布中期评估结果。 打造样板：在先行先试工作基础上，今年水利部将强化指导，加强调度，树立典型，努力打 造样板，让大家学有榜样，追有方向。 推广应用：通过先行先试，特别是今年的样板打造，努力形成一批可复制、可推广的技术、 方案、系统、案例等，为数字孪生水利全面建设打下坚实基础。 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 目录 第一部分把握数字孪生水利建设的目标任务 第二部分把握数字孪生水利建设的重点与难点 —二 技术方面的难点管理方面的难点 算据 算力算法 业务应用网络安全 标准 工作协调资金投入人才培养 1.算据方面（感知）难点 传统监测不满足全要素、全过程数字化场景需要，无法支撑数字孪生流域与物理流域交互的精准性、同步性、及时性，特别是应对山洪灾害防御。 应对思路 通过数字孪生水利建设牵引、倒逼物理监测，主要是构建天空地一体化感知网，支撑数字孪生流域与物理流域交互的精准性、同步性、及时性。 一是升级改造传统水利监测站网。在水文、水资源、水利工程、水土保持等监测站网基础上，检视并修订不符合数字孪生建设要求的标准规范；完善优化站网布局，增设监测要素、增加监测频次，升级改造传统监测系统，实现自动在线监测； 二是构建新型水利监测网。加强多普勒（相控阵）雷达、卫星遥感、航空遥感、高清视频、无人机、无人船、地面机器人、水下机器人等新型监测手段应用，融合地面监测数据，支撑数字孪生流域与物理流域交互的精准性、同步性、及时性。 2023跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 1.算据方面（底板）难点 数据底板，尤其是地理空 间数据差距大，L2级数据底板的水文大断面和水下地形更新频率不足（目前普遍5年左右更新一次，重点河段需要每年汛前更新1次），L2级数据底板的水面以上地形数据缺少，跨行业数据方面，防洪保护区、蓄滞洪区等区域村庄、经济社会、基础设施等数据不掌握。 应对思路 主要建设统一的多时空多尺度水利数据底板。 一是建设覆盖全国的一级数据底板。汇聚流域和省区建设成果，满足整体 形势分析、大区域情况研判以及分布式坡面产流、河网汇流模型等需要，形成统一的时空基准。L1级数据底板主要包括：SRTM30米格网DEM；全国陆域范围2米分辨率DOM；全国陆域范围30米格网下垫面地表覆盖数据。 二是建设重点河段重点区域的二级数据底板。集成流域管理范围省区和工程管理单位建设成果，为流域和省区水利治理管理提供详实的工作底图，满足河道洪水演进、重点对象水土保持模型计算等需要。长度约5万千米、面积约18万平方千米。 三是建设覆盖重要水利工程的三级数据底板。构建实体场景模型，为工程管理单位提供精准的信息支撑，满足
