Page 9 - 2022年第53卷第3期

提供数据和计算服务。
2.2 算力建设-专业模型及模拟体系构建 实现流域中水流、河道、水环境、水生态等物理世界的

数学模拟是数字孪生流域构建的动力，而这些模拟所需的模型存在自主研发通用性不足、对流域变
化环境快速响应（比如决口）适应能力不强等问题。本文从模型通用性、变化环境适应性两方面探索
数字孪生构建关键技术的研发和应用。

2.2.1 通用模型构建 专业模型是数字孪生流域构建的核心技术，也一直是流域水管理决策支持技
术的关键。国内外的多家研发机构或单位，经过多年的研究已形成各具优势的模型，尤其国外近
年来更呈现出系列化、产品化、平台化的趋势。比如，丹麦水力研究所已拥有水文、水资源、水
环境、水生态、海岸与海洋、城市、地下水等大量相关的计算模型，能够处理数据获取、整合、
验证分析等任务，已开发基于平台技术的 MIKE-Operation 模型平台，可将所有模型功能集成，方便
用户选用和配置。相较于国外，国内专业计算模型在理论技术上并不逊色，但是在实施技术的标
准化、通用性等方面服务能力不足。因此，数字孪生长江在建设过程中，根据灵活快速搭建和迭
代 的 需 要 ， 建 设 了 通 用 模 型 库 ， 包 括 降 雨 径 流 预 报 模 型 、 河 道 洪 水 演 算 模 型 、 水 质 预 报 预 测 模
型、水资源配置模型、调度模型、风险评估模型以及数据驱动模型等。数字孪生长江通用模型库
目录见表 1。
2.2.2 多专业模型耦合 多学科耦合的模型是数字孪生流域建设的新需要。传统的数学模型大部分
是围绕相对单一的信息要素和过程进行模拟，如降雨-径流接近产汇流问题，河道洪水演进模型可模
拟各断面水流/水位，水质、泥沙等模型则在水动力模型的基础上叠加泥沙输移机理和物质迁移扩散
机制，形成水质模型或泥沙模拟模型。但是在很多情况下，单一模型无法胜任复杂物理要素的模
拟，需要耦合多种学科模型来解决准确映射的问题。如堤防溃决时，溃口大小受水流冲刷影响发生
变化，而溃决断面变化又反过来影响水流态势的发展，目前能够全面模拟和反映堤防溃口水土相互
作用的数学模型尚不成熟。
传统技术中，可以用物理模型模拟堤防溃决，或者在人为给定（或简单土力学侵蚀计算）的溃口
发展过程基础上，采用水动力学模型（依托圣维南方程组）模拟溃口流量过程。为了更好地再现溃口
全域过程，本研究以物理模型为验证，监测、分析堤防结构材质溃决机理，耦合水动力学方程、泥
沙输移方程、河床变形方程，并结合土体重力失稳坍塌机理，提出了堤防溃决全场全过程模拟模
型，实现了“原型→物理模型→数字模型”的孪生映射，如图 5 所示。同时，按照模型通用性要求，建
立了随时提供插件化服务的堤防溃口耦合通用模型。
图 6 为采用水沙耦合模型对物理试验溃口模拟结果。从图中可以看出，计算峰值流量为 0.317 m /s，
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实测峰值流量为 0.307 m /s，相对误差为 3%，计算流量上涨过程和下降过程都与实测值符合较好。
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2.3 智能建设-流域水工程联合调度规则库及其引擎 不同于天然河流，数字孪生长江需要根据实
时及未来水雨情、工情、险情等，对水工程按照联合调度方案进行调度模拟，并对调度方案进行多
目标优化，分析其调度效果和风险，按照效益最大、风险最低的原则，将合适的调度方案推送给流
域调度管理决策者。因此，数字孪生长江的建设需要将水工程联合调度方案进行规则化、模型化。
经过多年的研究和流域管理实践，以防洪为主要目标，兼顾蓄水、发电、航运、泥沙、生态等其他
目标，长江流域已经形成了较为成熟的水工程联合调度方案 ［24］ ，并基于已有的调度研究成果和经验
知识体系，采用知识图谱等信息化手段，构建了水工程调度规则库，实现了水工程联合调度方案逻
［25］
辑化、结构化、数字化，初步构建出水工程联合调度的“智慧大脑” ，形成了数字孪生长江在防洪
领域的智慧应用。

2.3.1 水工程联合调度规则库 作为数字孪生长江的智能核心，发挥水工程综合效益关键技术主要
［26］
包括制定满足多目标需求的多种工程的调度方案和构建基于调度方案的调度规则库（或知识库） 。
长江流域自 2008 年三峡开展 175 m 试验性蓄水调度运用以来，聚焦防洪，兼顾发电、供水、航运等
水资源的综合利用、促进鱼类繁殖的生态调度、抑制水华的水环境保护等多方面需求，以 2009 年《三
峡优化调度方案》批复和应用为起点，长江流域经历了以三峡为核心从单一水库（2008—2011 年）到水

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