基于数字孪生技术的水资源管理系统应用研究

为贯彻落实水利部关于加快智慧水利建设的决策部署，加强信息技术在水资源管理中的业务应用，水利部印发了《2022年推进智慧水利建设水资源管理工作要点》（下称《要点》），提出了“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总体要求，强调水资源管理系统建设应着重加强用水量的需求与分析、水资源监管、地下水超采治理等业务应用，搭建水资源管控“一张图”，不断提升水资源管理的数字化、网络化、智能化水平，为推进水利的高质量发展提供有力的支撑。在水资源管理系统建设中，数字孪生技术以异构大数据为基础，以跨时空知识为驱动，以多学科、多尺度、多概率数理模型为基础，可实现水资源管理周期、过程的数字化复现和智能化模拟。借助数字孪生技术，能够进一步提高水资源的智慧化、精细化水平。

文章结合数字孪生技术概念和水利工作的任务要求，提出了基于数字孪生技术的水资源管理系统总体架构，详细地阐述了架构功能，并结合水资源管理的要求，探讨了系统在水资源管理中的业务应用，以期为水利水资源管理和信息化系统建设提供有益的参考。

一、数字孪生技术概述

根据《2021数字孪生技术应用白皮书》中的定义可知，数字孪生技术是一种以数据和模型集成融合为基础和核心的数字化理念和技术，即在数字空间中实时构建物理对象的精确数字化映射，并基于数字整合与分析预测对物理实体发展进行模拟、验证、预测和控制，最终实现智能决策的优化闭环。在水资源管理中，将收集的传感器实时数据、历史数据进行数字建模，利用数字孪生技术重构水资源数据的“克隆体”，并借助大数据、人工智能、机器学习等技术对水资源管理的发展趋势进行模拟、预测，能够为水资源管理提供决策支持。

二、基于数字孪生技术的水资源管理系统架构及技术体系

（一）水资源管理系统总体架构

根据《要点》中的工作要求，水利部门应通过信息技术强化水资源管理，着力提升水资源管理的“四预”能力（预报、预警、预演和预案），根据该要求，水利部门应根据“实时感知、数字映射、智慧模拟、智能应用”的智慧水利特征，构建“2（水旱灾害防御、水资源管理与调配）+N”应用为重点的水资源管理系统。基于数字孪生技术的水资源管理系统可分为实时感知层（流域水资源感知体系、水利工程设施感知体系、区域先进3S感知技术手段）、能力支撑体系（高速传输网络、高速数据处理系统）、数字映射（流域一张图、水利工程智慧孪生体）、智慧模拟体系（模拟模型、人工智能AI技术、虚拟现实AR技术等）、智能应用“2+N”（水旱灾害防御、水资源管理与调配、水利工程建设、水土保持、水资源监管、流域综合治理等）。通过构建基于数字孪生技术的水资源管理系统，可实现流域管理“四预”（预报、预警、预演、预案），为水资源管理工作的精准化决策提供有力的支撑。

（二）实时感知，完善水资源系统监控系统

实时感知层是实现水资源管理系统功能的最小单元，是感知流域水资源数据的关键。为确保水资源管理系统对物理实体的精准画像、动态感知，应进一步完善流域水资源感知体系，实现流域水量、水位、流量、水质、泥沙、降雨量等信息要素实时在线监测，提升系统信息的收集和感知能力。同时，针对流域水资源分布范围较大的问题，应结合高分辨率的航天航空遥感技术、地面水文监测技术形成“空天一体化”监测系统，提高流域内水资源管理系统的信息收集、监测覆盖范围、监测精度水平。同时，为优化流域内的洪水灾害预警监测体系，可将雷达纳入雨量常规监测范围，确保流域水资源信息应采尽采，摸清水资源取水、供水、输水、用水、排水各环节信息。

除水资源信息感知体系外，系统应加强在水利工程的信息采集，实现水库、泵站、水闸、灌区、蓄滞洪区等水利工程设施的信息全过程采集，完善流域内水利工程设施状态的全张采集、动态感知，在新建、改建、扩建水利工程设计时，应融入物联网、智慧管理系统等系统设计与应用，提高流域水资源信息采集的准确性、全面性。

（三）高速传输，增强水资源数据处理能力

为确保实时感知数据的高速传输，在水资源系统建设时应同步建设、完善水利工程基础信息传输网络，充分利用5G无线网络、有线网络、卫星通信等信息传输载体，遵循“积极利用、科学管理、依法管理、确保安全”的国家安全网络管理原则，坚持水利工程设施与网络、数据采集接口的同步设计、协同推进、需求驱动、资源共享，统一标准、统一技术架构，全面推进水利设施建设与高速传输网络建设的深度融合，形成水利业务应用与水资源信息化保障环境相结合的水利信息化综合体系。

（四）数字映射，构建流域水资源管理智慧孪生体

在数据采集、传输的基础上，通过对流域水资源数据进行功能性仿真、评估、预测等，形成水资源管理算法、模型和处理方法，并与业务性数据（饮水信息、用水计划、取水许可、监督检查等）、知识性数据（历史数据、行业标准、政策约束等）耦合，通过数据转换、预处理、分类、关联和集成，获得流域水资源孪生数据，建构物理实体与虚拟实体服务的连接、互通，构建全流域水资源“一张图”，实现三维场景仿真模拟，形成水利工程智慧孪生体和数字流场，实现水利数据的共享与增值。“一张图”是基于物理实体空间数据和属性数据的一体化展示，是流域水资源数据应用与服务的入口，为确保流域水资源管理的精准化、智慧化，“一张图”应将实现空间分析、数据分析、仿真结果可视化、地形地貌数据、水资源管理需求、人员分布等数据集成化数据耦合展示和动态更新。

（五）智慧模拟，加强新技术应用

基于流域水资源孪生数据，可借助3D可视化展示系统、高仿真场景模拟、水利工程运行状态监测和重点区域地形水文监测等数据，获得高精度的水上水下一体化数字地形数据，通过叠加水位、水文、水利工程等相关信息，实现全场域数据环境模拟，并与真实环境对应，为水资源管理提供直观、高效、精准的数据支持，可面向防灾减灾、流域水资源调度和水利工程建设等决策提供科学的数据支持服务。

通过建设全流域数字孪生体技术应用，基于数字孪生数据和设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等数字化手段，对流域河网水系和下垫面特征进行数字化转化，基于卫星、无人机倾斜摄影等遥感数据解译流域下垫面和小流域的基础属性数据，对流域内水雨情监测站网进行数字化转化，建立流域监测站网，可在具体的应用场景、不同时空分辨率、不同精细化粒度下实现河网水系、小流域下垫面、水利工程上下游、流域影响范围和经济社会要素等全局性的要素动态、实时数字化智慧模拟，实现流域的智慧虚拟画像。

（六）智慧应用，实现流域水资源管理“四预”目标

基于数字孪生技术的水资源管理系统，其核心是对已采集获取的物理实体信息进行跨学科、多尺度、多概率仿真，通过对可能发生的概率性事件进行预测，最终为决策提供支撑服务。

在智慧应用中，系统可根据数字孪生技术对流域内降雨产流、流域汇流、洪水演进、水土侵蚀、水质扩散、地下水运动、水文预测预报等数据进行预测，通过预测流域内水位、水文、水量、水质等变化情况和水资源管理的利用情况进行研究，提出防灾减灾方案和水资源调度调控决策方案，为水资源管理的保护、利用，污染事件的应急处置提供决策支持。在水资源管理系统中，基于水资源数字分析与处理，可实现用水计划和水量调度管理的精细化，如结合土壤墒情、农作物生长周期、气象水文信息等基础数据，对流域内水资源用水计划、用水调度进行演算预测，并根据实时引水、用水数据实时更新水资源的总量、需水量、用水量等信息，能够实现水资源管理与调配智慧化的科学模拟与决策。

为提高系统的自动化、信息化水平，降低人工干预对模拟仿真结果的干扰，水资源管理系统应集成人工智能、神经网络、大数据挖掘等技术手段，确保系统能够在多源、复杂数据中分析、提取出有价值的数据，提高数据预测的精度，缩短数据分析时间，为研究流域水资源规律提供技术支持。

三、基于数字孪生技术的水资源管理系统应用

水资源管理系统建设的最终目的是提升水资源管理的决策能力。基于数字孪生技术的水资源管理系统可用于水资源数据监测、水旱灾害应急处置、水资源调度与管理、水资源监管、水利工程设施建设等方面。

（一）强化流域水资源数据监测能力

基于广泛的流域水资源感知体系、水利工程设施感知体系和3S感知技术手段，建立健全覆盖全流域、全场域的流域水资源数据监测体系，可实现水资源流量、水位、水质、水土保持等全要素的实时监测，并结合水利设施在线监测数据、历史数据和相关的基础数据，形成“流域一张图”三维立体的动态展示，可快速、可靠地展示水资源的相关数据，为流域水资源管理和规律研究提供数据支持。

（二）提高水旱灾害防御处置能力

2022年，在十三届全国人大五次会议部长通道采访时，水利部部长李国英指出，中国水安全保障规划的四级目标是提升水旱灾害的防御能力、提升水资源集约节约利用能力、提升水资源优化配置能力和提高大江大河大湖的生态保护治理能力。由此可见，提高流域水资源水旱灾害的防御处置能力是水资源管理系统建设的首要目标。通过基于水资源物理实体数据采集构建的数字孪生模型，可用于水利工程调度模拟预演、水资源调度、超标准洪水防御处置预案仿真与决策等方面，能够实现水旱灾害防御关口前置、预测预警和科学决策。

在水旱灾害预警预测方面，综合水文数据滚动分析、预测未来中短期、长期气象数据和水旱灾害发生的可能性，对可能出现的水旱灾害地点、时间进行中短期、长期预报，定向发布预报结果，实现水旱灾害预警预报信息全覆盖，最大限度地减轻水旱灾害造成的经济损失。在洪水预演方面，通过综合气象、水文、水资源调度、水库、河道、蓄滞洪区等数据进行综合仿真模拟，对洪水预演方案进行调整，提高方案的可操作性，为洪水区人员疏散、水库蓄泄等方面的决策提供组织支撑。

（三）提高水资源管理智慧化水平

在水资源管理中，可借助水资源管理系统进行水资源调度、调控，并结合用水限额、生态流量等红线指标对流域内的水资源需求进行调控、调配仿真模拟，平衡流域内的水资源需求与生态保护之间的关系，形成预报超用水限额预警、生态流量预警业务系统，超用水限额预警可实时对比用水计划批复用水量、取水许可水量和实际用水量，并分等级对流域内的水资源管理部门发出预警。生态流量预警可实现流域内河道断面引水流量的实时监控，结合上游的水量信息，模拟仿真断面生态流量，及时发出生态流量预警，确保断面生态流量安全，提前规避水资源管理的风险。

在水资源预报方面，通过建立水资源用量、污染物通量、水质预报等数据监测、模拟常态化机制，能够为水资源保护、水资源生态治理监测预警提供数据依据。针对超采地下水等问题，可结合地下水探测、河流断面流量、气象数据等多源数据构建地下水三维动态模型，定期根据地下水水位、水量、水质的勘测结果开展流域内地下水资源超采治理工作。

（四）增强水资源监管有效性

将水资源管理系统预警预报数据用于水资源监督、水政执法、水利工程运行管理、水土保持、河湖管理等领域，能够实现水资源管理风险的提前预警、动态感知和数据溯源，为水资源监管提供有力的支撑。

同时，通过河道槽蓄量监测、计算、模拟，可获得河道冲淤量、淤泥厚度、槽蓄量高程曲线图、槽蓄量分布图、冲淤量高程曲线图等数据，借助高精度的水下地形模型、实时水位高程图，分析流域内不同时段的河道槽蓄量，能够为河道演变、流域开发、防洪调度和河道治理、水资源监管提供数据依据。

（五）支持水利工程设施建设运营科学决策

基于高精度河道地形、断面数据和高频高清遥感数据，可获取河道、水库等水面信息，通过与现有流域水文、实时监控水位、流速、流量等数据进行混合建模，可实现河道流场水面—水位—流量—流速“空天一体化”实时化地感知孪生模型，助力水利工程的动态运行。

为实现流域水资源效益的最大化，可基于水资源管理系统对水资源发电、防凌、航运、水利工程建设等各项目标任务进行优化。同时，基于数字孪生技术实时掌握的遥感数据、遥感影像数据，可按日、周、月更新水利工程要素，跟踪监测水利工程土地利用、种植作物、河湖水体等下垫面要素和变化检测，推演不同场景下水利工程全生命周期的运行态势，并对洪涝灾害情况下水利工程漫溢、决口、蓄滞洪区、城区淹没等信息进行立体动态展示，为水利工程设施的运行优化、灾害预测预警、智慧水利工程态势响应和决策提供智慧化的应用指导。

由于数字孪生技术具有水利设施、水文要素在线模拟和同步控制功能，可对水库、水闸、堤防、水电站、泵站等工程设施进行仿真可视化，能够直观地掌握水利工程设施的运维情况、设备设施控制情况和终端虚拟调水等相关信息，如水闸启闭、运行，水位流量变化、水利工程现场调度等情况。通过数据共享、预测耦合和协同调度等措施，能够实现流域内水资源的协同管理与安全节约利用。

四、结语

数字孪生技术是一种基于实体数据构建的仿真模型，可向业务系统的需求提供专业化数据监测、预测预警、需求管理、业务调度等服务，已在航空、卫星、电力、船舶等领域得到广泛应用，形成了面向业务需求驱动的数字化创新应用。在水资源管理领域，数字孪生系统尚处于起步和探索应用的阶段。通过全面采集流域内水文数据、水利工程设施数据、气象数据等，统一数据标准和要求，强化顶层设计，结合水资源管理的业务需求构建数字孪生模型，充分利用数字映射、数字孪生、仿真模拟等技术，构建业务驱动、数据支持的水资源管理调度、防灾减灾预警、水利工程设施建设等决策支持系统，不断推进水资源管理的数字化、智能化、精细化，以高质量的水资源管理系统推动水利治理现代化。