Page 6 - 2022年第53卷第3期

用不足，无法自动分析计算水情、工情并提出管理建议等短板，在预报预预警、信息智能分析等方
面能力不强，且随着流域管理和社会经济发展对智能技术要求的不断提高，已有系统智慧化程度不
足的问题日益凸显。
在网络信息技术飞速发展的背景下，2008 年 IBM 公司率先提出了“智慧地球”的概念，掀起了全
球范围内“智慧化”建设的浪潮，此后智慧型流域建设 ［10］ 一直是我国水利行业重要发展方向，一些具
有一定智慧化功能的业务系统，如国家防汛抗旱指挥系统 ［11］ 、长江流域预报调度系统 ［12］ 等建成并投
入使用，尤其在我国流域已进入后工程时期的情况下，大部分系统缺乏调度模型技术，无法实现调
度模拟水系统中的工程体系。此外，当物理世界发生变化时定制化系统无法快速拓展延伸功能和应
用，距离数字孪生精准映射、精确反映所需的实时更新、及时迭代的目标存在较大差距 ［13］ 。
随着数字化转型与产业升级的加速，新时期水利建设目标也愈加明确，李国英部长明确提出要
充分运用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术推进水利高质量发展 ［14］ 。此外，“数字孪生长
江”、“数字孪生黄河”等流域数字孪生建设目标也多次被水利部与各大流域管理机构提及，数字孪生
流域已成为当下行业热门的研究课题 ［15］ 。然而，现阶段仍处于数字孪生流域建设的探索阶段，如何
进一步细化与完善流域数字孪生建设的具体实施方式与技术手段仍需进行大量研究探讨，这也是本
文的研究目的与初衷。
“数字孪生流域”的本质是充分利用监测及基础信息，结合流域相关领域知识，在虚拟世界中模
拟和再现水流及涉水相关物理以及决策要素的关联关系和动态变化，实现流域天然来水模拟预测、
水工程调度及其影响和效果的快速、准确智能分析，将感知获取的信息和计算分析的成果转换为流
域管理以及经济社会发展相关的分析评价要素，并通过对工程调度规则和水管理知识的应用，实现
决策方案的智能推送。因此，数字孪生流域除快速准确反映物理世界的实际变化外，更重要的是可
用于模拟和预演对比各种可能发生的情景（如不同分洪溃口及其影响），为流域管理决策提供更为智
能和精准的技术支持。数字孪生流域构建要素及作用如图 1 所示。

机理再现 决策支持
物理映射 基于物理机理的专业数学模型 应用知识实现智能分
在数字世界内准确映射流域 和数据分析技术，构建流域各 析，为流域管理和经
自然要素与流域管理业务以及 济社会发展提供决策
实体的全生命期全要素 社会经济活动之间的有机关联 支持

地形 历史 工程 社会 人类 水文 河道 水质 水生 工程 大数 调度 水管 风险 效益
地貌 实时 及其 经济 活动 水力 演变 模型 态模 调度 据分 规则 理知 评估 分析
预报
地质 调度 模型 模型 型 模型 析技 应用 识图
水雨
条件 运行 术 谱
情
图 1 数字孪生流域基本功能及构建要素

在流域普遍由天然河流转变成为受工程调度控制影响的河流的后工程时代 ［16］ ，数字孪生流域的
建立需依托水工程智慧调度运行，为流域预报、预警、预演、预案提供分析计算能力，为防汛抗旱
管理业务提供决策支持 ［17］ 。同时，由于数字孪生流域的信息全域性，不仅可为流域管理提供技术支
持，还可为涉及流域社会经济发展的交通、电力、农业和城镇发展提供可加工、可分性的数据信息
资源和泛在应用 ［18-19］ ，为流域经济社会可持续发展提供支撑。为此，水利部 2021 年 11 月发布的《智慧
水利建设顶层设计》 中明确数字孪生流域是智慧水利建设的核心部分，其建设内容包括数字孪生平
［20］
台、数据底板、模型平台和知识平台，如图 2 所示。
1.3 后工程时期数字孪生流域构建的关键是实现水工程联合智能调度 我国的流域管理已由工程建
［16］
设期向工程调度运行期转变（即后工程时期） 。根据第一次水利普查公报成果，我国已建成水库 9.8
万座（总库容约 9323 亿 m ）、水闸 26.8 万座、堤防 41.37 万 km、泵站 42.45 万座。由于大量水工程的调
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度应用，流域水文情势受到不可逆的影响，水工程调度也已由单独运行向联合运行发展，调度目标

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