数字孪生流域智能化问题与技术探析

开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的1篇数字孪生流域智能化问题与技术探析，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。

一、研究背景

智慧水利建设是新时代中国实现水利现代化、为国家现代化提供强大治水支撑的重大战略举措，也是一项多学科交叉、高标准、高起点的长期性复杂系统工程。当前，我国智慧水利建设需求强烈、目标明确但基础条件尚不完备、关键技术亟待突破、保障体系亟需建立。坚持问题导向，针对重大问题实施科技攻关，是水利行业当前必须突破的难题。

二、关键问题与技术需求

数字孪生的本质是在信息世界对物理世界进行等价映射。各种基于数字化模型进行的仿真、分析、数据积累、挖掘乃至人工智能的应用，都是为了确保数字孪生流域与现实物理流域的映射与互馈。简而言之，必须促进数字孪生流域建设全方位技术突破，以有效的技术进步、完备的保障体系等保证数字孪生流域等价映射现实物理流域。数字孪生流域面临的挑战和涉及技术问题很多，本文选择基于水文实验的模拟模型、并行算法和智慧决策支持平台进行简要讨论与分析。

1.基于水文实验的模拟模型

（1）水文实验发展过程与面临问题

水文学是科学治水的重要理论基础，而水文实验则是水文学研究的重要途径，是水文模拟模型基本参数最主要、最可靠的获得手段。水文实验的根本目的是以水文循环为基本原理，以水量平衡为基本准则，通过联合被动的现象观测和主动的控制试验与实验，从定性、定量到定解，分析水文现象和水文过程的状态与成因，阐明其变化规律和内在联系。我国的水文实验曾经取得重要成就，新安江模型、陕北模型就是其标志性成果。随着全球气候变化和人类活动影响，变化环境下水文水资源情势与产汇流机制代替“山坡水文”成为水文实验研究的热点；而伴随以声、光、电原理为基础的观测设备发展，地球化学、同位素和微生物方法在水文过程研究中迅速普及，带来了水文实验的一波快速进步；计算机、网络及遥感技术的进步则为流域尺度学科的综合与集成提供了机遇。近20年来，我国开展了一系列遥感与地面观测一体化、覆盖流域水分能量、生物化学循环与经济社会活动的陆面过程观测实验，如黑河地区地气相互作用野外观测试验、内蒙古半干旱草原土壤—植被—大气相互作用、黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验等，为水文、气象、生态变量及其参数反演、估算和模型应用积累了宝贵的经验。总体来看，进入21世纪，我国水文实验取得长足进步，促进了水文学研究水平的提高。但必须看到，我国已有的水文实验覆盖面较小、无法适应我国复杂的水文情势研究，野外水文实验更是少之又少，导致变化环境下水文模拟的基础参数获取更加困难，严重影响了水文模拟精度与水文模型发展水平。特别是越来越多“电脑水文学家”热衷于通过电脑调参获得理想的峰型匹配和效率系数，而很少关心较高效率系数背后的参数是否合理、其蕴含的机理是什么等问题。

（2）提升水文模拟水平的主要途径

智慧水利给水文模拟提出了新挑战，变化环境带来了水文循环过程相应的巨大变化，数字孪生流域建设必须发展建立在水文实验基础上的高效率、低概化、符合我国复杂水情特点的中国水文模拟模型（通用模型）；同时，鼓励、支持发展流域/区域定制模型，用以进一步精细反映所在流域/区域的水循环特征与规律。切实提升我国水文模拟水平，首要之务就是系统强化水文实验工作。

①构建全国水文实验站网。在把握全国水文情势的空间异质性的基础上，根据数字孪生流域建设目标，构建覆盖我国大江大河及关键区域的国家水文实验站网，涵盖不同地理条件、人类活动干扰和景观多样性，并尽快发射水利专用卫星提供辅助与支撑。

②系统部署并积极开展多学科交叉的综合观测实验，加强水文学、大气科学、土壤学、地质学、生态学、地球物理、地球化学和同位素水文学等多学科协同研究，深刻揭示变化环境下水文循环过程中地球表层系统要素的相互作用及其演变机制。

③强化合作共享。野外水文实验需要人力物力投入大，观测数据来之不易，成果产出少且周期长，属于纯粹的公益事业，需要从资金投入、人才使用、评价导向等方面给予大力扶持；同时，统筹不同部门的水文实验，形成合作优势，共享实验数据。

④突破重点领域。随着全球工业化城市化的发展和生态环境问题的凸现，新的水文学分支应运而生，成为新的研究热点和揭示水文循环新变化特征与规律的有力武器，水文实验应加强对城市水文学、生态水文学的支撑。

2.并行算法

进入21世纪后，随着洪水预报、非点源污染监控、水资源评价管理及气候变化等方面研究的深入，对多学科交融、多过程耦合的分布式水文模拟提出了新需求；而分布式水文模型也随着地理信息系统、数字高程模型、遥感等方法和技术的发展而形成热点并取得显著成效，应用门槛大幅降低，模拟范围越来越大，时空分辨率趋于精细化。但是，传统分布式水文模型所采用的串行计算方式，限制了模型模拟的时空范围和精度，不利于进行多要素、多过程的耦合，难以支撑水文、气候和生态等学科的深入研究，因此支持分布式模型的并行计算成为新的关键技术需求。目前加快并行算法开发的基础条件已经成熟。硬件层面，使用集群系统的超级计算机和具有多核处理器的个人计算机被各研究领域广泛应用，运算能力已由T级快速进入到E级时代，为并行计算提供了硬件支持；软件层面，许多并行编程库和标准接口（如MPI、OpenMP、CUDA、Hybrid等）开发制定，降低了并行计算的门槛；并行框架层面，2000年以来陆续有学者在对水文模拟过程离散化的研究基础上，提出了一系列并行框架，为水文模型并行计算的实现提供理论依据。所以，科学推进数字孪生流域建设，需要研发并构建基于并行框架的多尺度耦合的分布式水文模型，以实现大规模跨尺度水文模拟。近期的突破方向可以考虑基于多种并行框架，使用细化的基本模拟单元计算复杂坡面的水文过程，使用多种层级的模拟单元区别计算多尺度（溪沟、中小河流、大江大河）的汇流过程，从而构建大规模跨尺度模拟的高性能分布式水文模型。需要强调的是，不同时空尺度上控制水文过程的物理规律不尽相同，必须根据实际问题和应用需求，选择适合的时间步长与空间离散单元，充分利用高性能平台的计算优势进行模拟，并解析其特征与规律。

3.智慧决策支持平台

变化环境带来了水循环过程的复杂变化，经济社会发展对水资源、水生态、水环境、水灾害问题的应对与解决提出了新要求，这都对科学治水提出了新挑战。数字孪生流域建设中的精准化决策便是应对新挑战的具体体现。精准化决策，对数字化场景、智能化模拟都提出了高要求，而大尺度多功能多目标系统决策支持平台则是精准化决策的必备载体。严格来说，智慧化大尺度流域水资源—水生态—水环境多目标调控管理与决策支持平台，国内外都鲜有成功报道。目前国内城市尺度乃至更小尺度的水利/水务综合平台多为演示平台，实用功能普遍比较单一、孱弱，其关键问题是不重视甚至忽视水文模拟模型的核心中枢作用，而重点关注很“好看”的演示功能；没有强大的“发动机”（水文模拟模型），其结果只能“好看”不“好用”。科学推进数字孪生流域建设，实现精准化决策，必须高度重视智慧决策支持平台的系统研发。

①转变观念。平台建设必须务求实效，“好用”为先、兼顾“好看”，以标准体系引领和约束基层的治水平台建设，减少低水平重复与资金浪费。

②在数字化场景、智慧化模拟的基础上，强化治水基础理论与方法、专家知识、人工智能的融合，尤应重视专家知识的获取和正确应用；近期可关注自主深度学习、可视化仿真等技术的突破与应用。

③强化水利大数据应用。我国是水利大国，治水历史悠久，积淀深厚；仅新中国成立以来的大型水利水电基础设施就积累了不可多得、世界领先的海量数据，要高度重视这些来之不易、极其珍贵的大数据的保护、数字化与数据挖掘。我国水利水电大数据的大样本，利用深度自主学习和训练，可以大幅提升智慧水利模拟和预测预报的准确性。

三、结论与建议

智慧水利建设必须促进数字孪生流域建设全方位技术突破，以有效的技术进步、完备的保障体系保证数字孪生流域等价映射现实物理流域。数字孪生流域建设必须发展建立在水文实验基础上的高效率、低概化、符合我国复杂水情特点的中国水文模拟模型；同时鼓励、支持发展流域/区域定制模型，用以进一步精细反映所在流域/区域的水循环特征与规律。水利系统应加强对水文实验的支持力度，系统规划并布局覆盖大江大河及关键区域的综合性水文实验，为进一步深化水文过程机理与规律的认识、提升我国水文模拟水平提供基础支撑。研发并构建基于并行框架的多尺度耦合的分布式水文模型，实现大规模跨尺度水文模拟基础条件已经成熟且具有重要意义。

参考文献：

[1]李国英.建设数字孪生流域推动新阶段水利高质量发展[N].学习时报，2022-06-29.

[2]张建云，等.关于智慧水利的认识与思考［J］.水利水运工程学报，2019（6）.

作者:李宗礼 张宜清 邢子强 吕洁 黎铭 刘家慧 单位:水利部水利水电规划设计总院 山东省水利勘测设计院有限公司