数字赋能 提升能力 驱动新阶段水利高质量发展 ——水利部信息中心专家解读智慧水利建设要点

时间：2022-01-07 来源：中国水利报

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□记者 周妍 魏晓雯

　　目前，在加快推进数字孪生流域建设过程中，各流域各地在夯实算据基础、提升算法水平、补齐算力短板上，处于什么样的现状？

　　在获取算据方面，目前已初步构建空天地一体化的水利信息综合采集体系，但整体上智能化、自动化程度不高，新技术应用不足，距离透彻感知目标存在较大差距。

　　在优化算法方面，通过国家防汛抗旱指挥系统工程等项目建设，已建七大类水利专业模型，但模型的标准化、模块化水平不高，共建共享共用程度不够。

　　在提升算力方面，通过水利信息化重点工程建设，水利算力有了明显提升。

　　刘志雨：在获取算据方面，目前已初步构建空天地一体化的水利信息综合采集体系，建成各类信息采集点约43.36万处，但整体上智能化、自动化程度不高，新技术应用不足，距离全面透彻感知目标尚有较大差距。此外，水利基础信息不全，准确性不高，数据标准不一致，不同业务和层级间存在数据“重采、重存”现象，其他行业相关数据未能实现充分共享，互联网数据应用也处于起步阶段。下一步，各流域各地要锚定构建数字化场景的目标，通过优化提档地面监测、强化遥感监测、提升水利应急监测装备能力等构建天空地一体化水利感知网，以完善全国水利一张图、细化流域水利专题图、建设水利工程实体场景等为重点构建三级水利数据底板，建立健全更新机制实现各类数据的动态、实时、及时和定期更新，保持与物理流域的精准性、同步性、及时性。

　　在优化算法方面，目前已建成水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水土保持、水环境、工程安全评价和参数优化等七大类多套水利专业模型，但模型的标准化、模块化水平不高，共建共享共用程度不够、应用不普及、仿真模拟、可视化展示、大数据、人工智能等技术尚未推广使用。下一步，要锚定智慧化模拟的目标，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；要构建知识图谱、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。

　　在提升算力方面，通过水利信息化重点工程建设，水利算力有了明显提升。在通信网络方面，地市级以上水行政主管部门实现全联通，区县级水行政主管部门联通率为80.53%，骨干网带宽扩充至100Mbps以上；县级以上水利部门共配备各类卫星地面通信设备约3109台（套），卫星电话约6126部，北斗卫星站报汛站约7297个。在计算存储方面，省级以上水利部门建设私有云或共享政府云，水利云CPU（中央处理器）总核数45095核、存储容量达47PB。在视频会商方面，地市级以上水行政主管部门视频会议实现全联通，有些甚至延伸区县、乡镇。下一步，要根据数字孪生流域在数据处理、模型计算等方面的需要，进一步扩展计算资源，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。

　　目前，水利部强化“四预”工作进展如何？未来，基于数字孪生流域提供的算据算法算力支撑，在防洪、水资源、河湖管理等涉水重点工作领域“四预”功能会得到哪些完善？

　　2021年流域防洪工作取得积极进展，预报方面，紧扣“降雨-产流-汇流-演进”环节，创建以流域为单元的短中长期工作模式。在预警方面，首次实现行业预警直达防御一线。在预演方面，首次建立流域预报调度预演体系。在预案方面，滚动模拟优选洪水调度方案，实现防洪蓄水精准调度。

　　孙春鹏：水利部信息中心深入贯彻李国英部长关于强化“四预”工作的要求，聚焦实战，积极探索，取得初步成效。在预报方面，紧扣“降雨-产流-汇流-演进”环节，创建以流域为单元的短中长期工作模式，组织发布1374条河流44.2万站次洪水预报，嫩江、松花江、黑龙江、海河南系漳卫河、黄河汉江秋汛等关键洪水预报精准可靠。在预警方面，首次实现行业预警直达防御一线，累计发布暴雨短临预警355次、强降雨过程洪水预警48次，支撑水利行业洪水防御；组织向社会发布水情预警1653次，直接服务社会公众。在预演方面，首次建立流域预报调度预演体系，累计开展黄河、嫩江、黑龙江、漳卫河、汉江等洪水预演122次，为制定流域洪水调度方案提供了有力支撑。在预案方面，滚动模拟优选洪水调度预案304个，实现嫩江尼尔基水库精准调度、漳卫河岳城水库科学调度、黄河中游小浪底等四库联调和丹江口水库防洪蓄水双赢调度。

　　近期，信息中心正在编制《水利业务“四预”功能基本技术要求》，将对防洪、水资源等“2+N”水利“四预”工作进行全面规范和技术指导。在预报上，要对洪水、枯季径流、地下水水位、墒情、泥沙、冰情、台风暴潮、水质等水安全要素进行定量或者定性预测，实现短期预报、中期预测、长期展望相结合，努力提高预报精度，延长预见期，缩短作业时间。在预警上，要制定水利灾害风险阈值和指标，完善水利业务预警发布机制，及时把江河洪水、山洪灾害、渍涝灾害、工程灾害、干旱灾害、供水危机等风险预警信息直达工作一线。在预演上，要集成耦合水工程预报信息与流域防洪调度、水资源管理与调配、水工程调度运用、突发水事件处置、水生态过程调节等运行信息和其他边界条件，设定不同情景目标，实时分析水利工作面临的风险形势，对水利调度方案进行模拟仿真预演。在预案上，要结合水工程运行状况、经济社会发展现状等，对预演结果进行分析评估，滚动调整水工程运行、应急调度、人员防灾避险等应对措施，制定工程运行和优化调度等方案，有效提高预案的科学性和可操作性。在“十四五”时期，坚持“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，建成七大江河数字孪生流域，在重点防洪地区实现“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，提升N项业务应用水平，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

　　在构建水利数据底板中，覆盖全流域的一级数据底板、重点河段重点区域的二级数据底板、覆盖重要水利工程的三级数据底板将各自满足哪些需求？相互间如何实现共享和配合？

　　采用分级负责、内容互补、共建共享共用的方式，依托全国水利一张图汇聚流域省（自治区）和工程管理单位建设成果，形成全国统一数据集和服务规范，三级底板之间以数据交换、服务调用和业务协同等方式实现跨层级、跨业务共享，并实现三级底板联动更新。

　　付静：数据底板为智慧水利提供“算据”支撑，主要是升级扩展全国水利一张图，建设基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化、三级贯通的数据底板，并提供三维展示、数据融合、分析计算、动态场景等功能。建设内容主要包括：一是构建基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等在内的数据资源池；二是建设水利数据模型、水利网络模型等多维多时空尺度数据模型；三是建设涵盖业务数据、视频数据、遥感数据的水利数据汇聚平台；四是建设对汇集的多源数据进行统一、规范管理的水利数据治理平台；五是建设支撑各类水利数据行业内外共享的水利数据服务平台。按照数据底板中地理空间数据精度将数据底板分为三级。

　　覆盖全国的一级数据底板，其中地理空间数据包括高分卫星遥感影像、全国30米DEM（数字高程模型）以及局部区域测图卫星DEM等数据，主要是进行数字孪生流域中精度面上建模。用于满足整体形势分析、大区域情况研判以及分布式坡面产流、河网汇流模型等需要，形成全国统一的时空基准。

　　覆盖流域和省区重点区域的二级数据底板，包括航空遥感影像DOM（数字正射影像图）、大江大河及主要支流中下游航空倾斜摄影、大江大河中下游水下地形、高精度DEM、河湖管理范围矢量、水土保持重点对象精细化等数据，覆盖重点河段重点区域的二级数据底板是在一级底板的基础上，提高数据精度并进一步丰富数据内容，采用航空遥感方式，水利要素表示由点、线为主细化为面和体为主，主要是进行数字孪生流域重点区域精细建模。二级底板为流域和省区水利治理管理提供详实的工作底图，满足河道洪水演进、重点对象水土保持模型计算等需要。

　　覆盖重要水利工程的三级数据底板，包括水利工程BIM（建筑信息模型）数据、水利工程设计图以及水利工程周边航空倾斜摄影、工程区域的水下地形等数据，覆盖重要水利工程的三级数据底板主要是通过综合应用BIM+GIS（地理信息系统）、物联网、视频监控、VR/AR（虚拟现实/增强现实）等技术，进行数字孪生流域关键局部实体场景建模。三级数据底板为工程管理单位提供精准的信息支撑，满足水利工程安全监测评估、精准调度控制等需要。

　　三级底板之间的信息共享和配合是数字孪生流域建设的基本要求，主要体现在两个方面：一是采用水利部本级、流域管理机构、地方水利部门和工程管理单位分级负责、内容互补、共建共享共用的方式建设，依托全国水利一张图汇聚流域省（自治区）和工程管理单位建设成果，形成全国统一数据集和服务规范，三级底板之间以数据交换、服务调用和业务协同等方式实现跨层级、跨业务共享，避免重复建设。二是强化数据更新机制建立，实现三级底板联动更新，包括动态更新物理流域及水利工程等基础数据，实时更新重要站点水雨工灾等监测信息、发生洪水的河道遥感信息、参与调度运用的工程视频监控信息，及时更新汛前及汛期较大场次洪水之后的流域下垫面、重点河段中下游大断面、水下地形、模型参数等信息，定期更新影响区经济社会信息。通过三级底板建设与共享，发挥各级建设成果最大应用效益。

　　数字孪生流域建设是一项复杂的系统工程，水利系统上下应为强化推进数字孪生流域建设提供哪些技术支撑保障？

　　尽快开展先行先试，同步完善标准规范，加强技术管理、科研攻关和人才队伍建设，不断强化技术支撑保障。

　　钱峰：数字孪生流域建设是一项创新的技术密集型复杂系统工作，需要进行先行先试，并在此基础上完善标准规范，加强技术管理、科研攻关和人才队伍建设，不断强化技术支撑保障。

　　第一，开展先行先试。先行先试是数字孪生流域建设的重要技术路线，点上突破并以点带线带面。2022年，水利部将推进数字孪生流域和12个数字孪生水利工程先行先试，各省也要按照急用先建原则至少选择一个重要流域、一个重点工程进行试点。先行先试中，各级水利部门应加强指导，及时总结提炼和推广经验成果，逐步形成政产学研用衔接整合的成果转化推广应用体系。

　　第二，统一标准规范。标准规范是数字孪生领域建设分工、成果集成的基本技术保障。水利部将尽快出台《数字孪生流域建设技术大纲》《数字孪生水利工程建设技术导则》《水利业务“四预”功能基本技术要求》等指导性文件，同时，通过全面梳理检视现有水利网信标准规范体系，加快制定修订数字孪生流域建设相关标准规范。各地和工程管理单位在数字孪生建设中也要注重标准规范建设和应用。

　　第三，加强技术管理。技术管理是构建标准化、规范化、系统化的数字孪生流域重要保障。水利部将完善算据、算法等成果在汇交、共享、更新等方面的技术指标，出台相应制度，强化考核评估，形成动态管理的制度。此外，还要加强考察调研和学习借鉴，强化技术普及和跨流域区域合作。

　　第四，组织科研攻关。科研攻关是数字孪生流域是否先进可行的重要制约因素。重点应在立体监测感知、海量数据处理、专业模型算法、人工智能识别、超大场景渲染、关键信息基础设施安全防护、国产化软硬件环境适配和集成应用等关键技术领域进行攻关。水利部将推进智慧水利方面的重点实验室、工程研究中心（技术创新中心）、野外观测研究站等科技创新基地建设，支持引导流域、地方、高校、科研院所和企业，围绕共性和关键技术进行联合攻关。各单位应充分利用科研资源对建设过程中的关键技术积极探索研究。

　　第五，强化人才保障。人才保障是数字孪生流域能否顺利建成的根本保障。依托智慧水利人才培养基地、国家关键信息基础设施（水利）网络安全技术创新团队以及重大科研和建设项目、重大水利工程等，加大对数字孪生流域建设人才的培养、使用和引进力度，锻炼培养一批既熟悉水利业务又精通网信技术的复合型人才，打造一支数量充足、结构优化、布局合理、素质优良的专业化数字孪生流域建设人才队伍。