A3：科技智慧
一、什么是数字孪生流域
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化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。
数字孪生流域作为一种新兴事物，正逐渐受到广泛关注。通俗来说，它就像是给河流造了一个虚拟的 “双胞胎”。要了解数字孪生流域，得先从数字孪生技术说起。数字孪生的定义比较复杂，简单来讲，就是数字与现实组成的一对双胞胎，在虚拟环境中构建复现现实的场景，模拟生活生产中的运营逻辑。比如军事沙盘，呈现敌我双方力量态势和山川河流，军事家据此布局行军打仗路线，推演胜负关系。又比如在工业制造领域，以汽车设计为例，基于数字孪生的工艺仿真可以把汽车设计的各个环节进行数字化呈现，模拟汽车生产、运行中的各种状况，发现问题后在系统上调整参数进行优化。
把数字孪生技术应用到流域治理与管理中，便形成了数字孪生流域。以前，流域综合管理信息化系统大多是二维平面系统或只有简单三维数据展示的系统，这使得流域管理、规划等工作与野外真实环境脱节。在二维地图界面上，能看到河流和水质监测站的数据，但河流周边的真实环境信息，如排污口、土地利用类型、植被覆盖等却看不到，而这些信息对流域管理至关重要。数字孪生流域则能 “身临其境” 地掌握流域水文的现状、异常和趋势，不仅能看到现场的数据，还能看到现场看不到的数据。
二、数字孪生流域的优势
1. 实时监测与预测
数字孪生流域利用先进的传感技术和数据采集系统，能够对流域内的水文数据进行实时监测。它不仅可以准确获取水位、流量、水质等常规水文参数，还能通过多源数据融合，收集气象、土壤、植被等相关信息，为全面了解流域状况提供丰富的数据支持。
例如，在溪源溪流域数字孪生建设中，通过对假拟洪水、历史洪水或实时洪水进行演算，结合卫星、无人机测量技术获得高精度数据源，模拟沿河滩地淹没范围及淹没水深的变化过程，为滩地淹没风险分析提供依据。同时，在黄河防汛中，数字孪生黄河通过应用智能的感知手段，将雨水情、水库属性及状态信息、河道整治工程及实时出险信息、水文站点等动态监测数据集成展示，既能融合展示流域天空地水信息和物联网感知数据，还能呈现气象降雨预报、水位、流量、洪水演进流场及淹没水深等可实时查询的动态图。
此外，数字孪生流域还能够利用强大的算法和模型，对未来的水资源变化进行预测。这对于提前采取防洪和排水措施至关重要。比如在山海鲸数字孪生流域中，水资源管理者可以创建虚拟的水文模型，通过实时数据采集和分析来模拟实际流域的变化，不仅可以实时监测流域内的水文数据，还能够预测未来的水资源变化。
2. 智能决策支持
数字孪生流域提供了数据可视化和智能分析功能，使决策者能够更好地理解复杂的水资源情况，制定更明智的管理策略。
通过数字孪生技术构建的虚拟流域，能够将各种数据以直观的图形、图表等形式展示出来，方便决策者快速掌握流域的整体情况。例如，在福州溪源溪小流域（溪源水库）数字孪生项目中，大屏幕上可以清晰叠加当地的实时雨情、水情、气象预报等监测数据，及各水库、关键节点的断面水位、气象、周边经济社会信息等数据。在黄河流域智慧防汛平台中，也可以直观看到河道涨退水过程和下游滩区受淹过程，平台根据雨水情和工程动态情况可优化水库调度方案，并同屏比选常规调度和优化调度方案结果。
同时，数字孪生流域还结合了人工智能等技术，对数据进行智能分析，为决策提供科学依据。在智慧防汛平台中，黄河智慧大脑依托大数据和人工智能技术，开发了具有自主知识产权的防汛知识平台，构建了历史上发生过的黄河流域水旱灾害场景库，并不断积累，优化提升，实现现实场景与历史场景的对比分析，为流域防汛决策提供智能推荐辅助。
3. 高效资源管理
基于数字孪生流域的数据，资源管理者能够更高效地分配水资源，确保供水和灌溉的可持续性。
数字孪生流域可以全面掌握流域的水资源状况，通过对数据的分析和模拟，制定合理的水资源分配方案。例如，天成易合数字孪生智慧水利系统可以将流域内的各类数据汇聚到平台之上，在 AI、AR “双引擎” 的驱动下，承载一系列场景立体感知、全域协同、精准研判的智慧水利可视化应用，实现江河湖海的实时 “可视、可知、可控”，从而实现水资源的高效管理和调度。
在防洪和水资源规划方面，数字孪生流域也发挥着重要作用。如在溪源溪流域数字孪生项目中，根据预报的水雨情变化趋势，系统生成了调度方案，建议溪源水提早预泄腾库，并逐步加大预泄流量，成功削减洪峰，最大程度减少了下游洪涝灾害损失，保障了人民群众生命财产安全。在水利数字孪生的应用场景中，数字冰雹智慧水利数字孪生应用基于数字孪生技术，构建实景三维流域，对流域全景、全要素态势进行精细化复现，为水利调度提供科学依据，促进水资源的合理分配和高效利用。
4. 应用领域广泛
数字孪生流域的应用领域涵盖了洪水预警与管理、水资源规划、生态保护、气候变化适应等多个方面。
在洪水预警与管理方面，数字孪生流域可以提供洪水预警和实时洪水管理，有助于降低洪水带来的风险。例如，福州溪源溪小流域数字孪生项目在防御台风 “海葵” 中发挥了重要作用，通过预报、预警、预演、预案，成功削减洪峰，保障了人民群众生命财产安全。在黄河防汛中，数字孪生黄河也为防汛演练和会商提供了重要支撑，通过智慧防汛平台实现水沙预报、信息预警、调度方案生成与影响过程预演、决策方案优选、智能匹配预案等功能。
在水资源规划方面，数字孪生流域支持水资源的科学规划，确保供水、灌溉和排水系统的高效运行。例如，九龙江北溪数字孪生技术和福州溪源溪小流域（溪源水库）数字孪生试点项目，为防洪防汛、水资源调度提供信息技术支撑，实现了智慧水利带来 “可视、可感、可知” 的数字化、可视化应用。
在生态保护方面，数字孪生流域有助于监测和维护流域内的生态系统，保护水生生物多样性。通过对流域生态环境的实时监测和分析，可以及时发现问题并采取相应的保护措施。
在气候变化适应方面，随着气候变化的加剧，数字孪生流域提供了适应新气象条件的重要工具。它可以模拟不同气候条件下的流域变化，为制定应对策略提供参考。
三、数字孪生流域的发展现状
数字孪生流域作为新兴的水利治理管理手段，目前在我国多个流域取得了显著的发展成果。
海河流域：海河流域积极开展数字孪生流域、数字孪生工程先行先试工作。签署《数字孪生海河共建共享框架协议》，海委与海河流域八省（自治区、直辖市）水利（水务）厅（局）、河北雄安新区管理委员会、永定河流域投资有限公司共同建立健全协商机制，成立数字孪生海河共建共享领导小组。各方统一规划与技术标准，统筹相关规划和建设项目，形成定位准确、功能互补的数字孪生水利规划体系，并统一技术标准。同时，共建共享合作成果，协商共享数据资源、调用模型 “算法” 资源、建立共享 “算力资源池”，持续推进系统迭代升级。近年来，高标准建设了满足实战化需求的数字孪生永定河，初步建成数字孪生岳城水库、数字孪生黄壁庄水库等，流域治水数字化、网络化、智能化水平加速提档升级。
长江流域：数字孪生长江建设取得重要成果。全国首个数字孪生流域建设重大项目长江流域全覆盖水监控系统建设项目开工，该项目是列入国务院确定的 150 项重大水利工程和《“十四五” 水安全保障规划》的智慧水利重点项目。通过构建覆盖长江干流及重点区域的水监测感知体系，搭建监测、评估、告警、处置、总结全过程管控应用体系，提升预报、预警、预演、预案 “四预” 对流域治理管理决策的支持能力。2023 年，数字孪生汉江、丹江口、江垭皂市先行先试任务全面完成，流域 L2 级底板地理空间数据建设工作基本完成，流域水文站网全线提档升级，智慧水文监测系统全面投产。2024 年，长江流域将大力推进数字孪生长江建设，持续推进长江流域全覆盖水监控系统项目建设，加快提升流域水利监测感知能力，推动建立 “政事企” 三方参与的数字孪生汉江流域建设机制，持续优化完善数字孪生丹江口 2.0 版，深入推进数字孪生江垭皂市建设，初步建成数字孪生三峡 2.0 版。配合水利部做好七大流域数字孪生整体立项建设工作，提高数字孪生系统安全防护能力，进一步协调推进信息共享，指导推进流域内重大引调水工程、水网、灌区等数字孪生建设。
四、如何建设数字孪生流域
大力推进数字孪生流域建设：丰富算据、优化算法、提升算力，加快实现对物理流域全要素和水利治理管理全过程的数字化映射、智能化模拟、前瞻性预演。
丰富算据：算据是基础，建设数字孪生流域首先要获取详细且全面的算据，即建设数据底板。数据底板所需数据涵盖范围广，不仅包括历史水文气象、地形地貌等既有数据，还包括流域建筑物分布、植被情况等前期未统计的数据。通过梳理数据底板建设需求，分析不同类型数据建设指标，调研数据来源，摸清数据家底，明确数据职责。数据来源包括数据生产、感知监测和部门共享。数据生产包括流域内相关的河、湖、水库及其管理范围、水闸、水坝、监测站、堤防等设施及其机电设备新生产的二三维模型数据；感知监测包括流域上监视河流、湖泊、水库、水闸、水坝等水利对象的监测站采集的实时水情、雨情、工情、墒情、视频等数据；部门共享包括行业内已建水资源、水工程、水环境、水安全、水生态等业务系统共享的二三维数据、生产数据以及跨行业部门共享的数据，如自然资源部门土地利用数据，气象部门降雨量数据，天地图在线地图等。
优化算法：算法是核心，有了完整的数据和强大的算力支撑，如果算法设计不科学，数字孪生流域的数字化映射、同步仿真运行也无法准确。科学的算法对于真实模拟出物理流域现状及动态至关重要。推进水利专业模型技术攻关，结合国产化软硬件环境改造的要求，对水文学模型进行模块化、标准化和云服务升级，对一维和二维水力学模型、泥沙动力学模型等进行模块化、标准化改造，按照模块化要求建设防洪工程调度、水资源配置、水量调度、地下水数值模拟、水利工程安全评价等模型；构建知识图谱、历史场景模式、业务规则、专家经验等水利业务知识库，建设知识表示、机器推理和机器学习等水利业务智能模型，确保数字孪生流域模拟过程和流域物理过程实现高保真。
提升算力：算力是保障，增加 CPU、GPU 设备等硬件可大幅提升算力。目前计算设备处理海量数据的能力还有待提升，在数字孪生流域建设过程中，可能会出现画面、数据延迟呈现的问题，需要提升系统的算力。根据数据处理、模型计算的需要，扩展计算资源，升级通信网络，完善会商环境，提升高效快速、安全可靠的算力水平。
数据底板建设六步走：理数、聚数、治数、存数、更数、用数。
理数：在数据底板建设初期，对现有数据资源体系进行梳理。第一步，梳理数据底板建设需求，分析不同类型数据建设指标；第二步，调研数据来源，摸清数据家底，明确数据职责。数据来源包括数据生产、感知监测和部门共享。
聚数：数据汇聚是整个数据底板的入口。借助 SuperMap GIS 软件提供的海量多源异构数据汇聚能力，按照 “一数一源” 原则、数据接入标准，将多来源多类型的流域数据接引到原始数据库中来。
治数：通过专业 GIS 数据治理软件对数据进行处理，提升数据质量。统一标准，在行业标准基础上结合项目实际需求，对数据进行标准化处理，包括坐标系统一、格式统一、字段属性统一、业务含义统一、表达式规则统一等；进行数据治理，解决数据存在的错误、重复、冲突等问题，治理内容包括拓扑处理、合并拆分、压缩纹理、光滑、重采样、裁剪、空间连接、整合等方式；进行数据美化，使场景更具真实感，满足流域孪生建设要求，美化内容包括模拟日照、天气效果，支持泛光、屏幕空间反射、动态模糊等方式；进行数据融合，将多尺度、多类型的流域单体化数据形成涵盖地上地下、水面水底、室内室外、二三维一体化的数字空间；进行数据质检，对数据完整性、正确性、一致性、拓扑关系等方面进行检查，为流域业务应用提供高质量的数据。
存数：SuperMap GIS 空间数据库引擎提供了数据一体化存储能力，支持分布式部署，其先进的存储技术能够针对数据需求快速定制不同的存储方式，满足海量多源流域数据的一体化存储。
更数：按照数据分级管理模式，建设部级 - 流域级 - 工程级三级数据更新机制。更新机制依托于相关技术大纲和导则，按照对应更新频次进行全量或增量更新，具体更新方式包括根据 AI 变化识别更新（如遥感影像数据），定期按区域或对象更新（如倾斜摄影数据），根据业务需求实时更新（如监测数据）等。
用数：通过数据共享释放数据价值。数据底板通过统一的 API 服务为上层支撑平台与业务应用提供多样化的能力。API 服务主要参考国家或行业内通用的标准进行制定，如二维数据按照国际 OGC 标准提供服务，三维数据按照行标 S3M 标准提供服务，感知数据以流数据服务接口提供，业务数据按照 RESTFUL 接口提供服务。基于这些数据，深入挖掘其潜在价值，提升监管工作的精确性和有效性，推动决策科学化、执行高效化、服务优质化。作为数字孪生流域的算据部分，数据底板可支撑数据、模型、知识三个平台引擎的建设，打造在数据 + 平台的模式下物理流域与数字流域之间的实时同步仿真运行，实现流域防洪、水资源管理调配、水利工程建设运行等上层业务的 “预报、预警、预演、预案”。
五、数字孪生流域的应用场景
1. 数字孪生流域：构建 “1+1+N” 的水利智慧管理工程三维电子沙盘系统，全面赋能水务治理工作与成果展示。
智汇云舟视频孪生流域以实景数字孪生平台为底层支持，综合运用多源数据，实现在水务中心实景数字孪生场景中的多种可视化应用与呈现。通过领导驾驶舱管理，定制不同专题数据展示，构建综合态势一张图，实现数据汇总、信息下钻，为精准决策提供支持。同时，精准还原全市水利数字孪生场景，标注重点区域和关键节点，形成防汛指挥、监管调度等业务全市一张图的局面。依托实景孪生平台，结合基础数据和水利专业模型，实现流域水位的预警、预报、预演、预案功能，提升应急处置能力。此外，通过指挥调度一张图决策，集成指挥调度及语音调度系统，结合现场数据，实现精准指挥和科学决策。在河湖管理方面，实现对河湖划界成果等业务 “一张图” 管理，对巡河人员和路线实时监控，充分发挥视频监控价值，精准指挥调度巡检过程。
2. 智慧水务：对水务管理场景的全要素、全过程、全领域进行数字映射，提高水资源的使用效率、降低浪费、保护水环境。
智汇云舟视频孪生智慧水务管理平台以三维地理信息引擎为核心，以时空数据为底座支撑，综合运用多种空间技术，对水务管理场景进行数字映射。在水厂综合管理方面，实现水厂综合态势一张图展示等数智化管理，推进水厂四预建设。通过接入水质监测数据，以多元图表方式对水质监测情况进行可视化综合呈现，并在数字孪生场景中直观展示水质监测点位，联动场景精准定位查看数据详情。在水源综合管理方面，直观展示水源地分布，标注关键位置，综合汇聚分析前端全量监测数据，为管理人员提供可视化数据支撑。在供水管线巡检管理方面，同样接入水质监测数据，集中汇聚和分析监测数据，在智慧水务综合态势一张图中可视化呈现，并通过数字孪生场景直观展示监测点位，及时提醒异常指标。
此外，成都智慧水务建设探索与实践也为智慧水务提供了成功案例。成都市强化智能互联，建设空天地一体水务感知网络，通过 “共享 + 自建” 的方式完善外场感知点位，基本实现多目标、多要素的实时在线感知监测。同时，夯实数据底板，打造融合共享的数字孪生基座，建成融合共享的水务智慧大脑，建设成都水系一张图，完成数据汇聚与共享，构建数字孪生模型平台和水务专业知识平台，为河长制管理工作提供智慧支撑。
航天数字孪生水务提出了 “1+1+N” 的数字孪生水务技术架构，即一张智慧水务监测感知网、一个水务数字孪生中枢平台、N 个智慧水务业务场景应用。通过构建 “空天地一体化” 的水务监测感知体系、建设数字孪生水务中枢平台、打造多个业务应用场景，用科技的力量全面赋能水务管理。南山区大沙河河口要素管控数字孪生流域应用场景，获评住建部 “智慧水务” 优秀案例，为智慧水务的发展提供了示范。
智汇云舟、众智鸿图、数字冰雹等企业的智慧水务数字孪生产品也在不同方面推动了智慧水务的高质量发展。这些产品从场景构建、实时渲染、全域感知、模拟仿真等方面出发，与水务业务深度融合，将水务全要素信息真实还原到孪生空间中，结合感知数据。
（来源：AI孪生新视界）