推进长江数字孪生流域建设的水文实践与思考
长江水利委员会水文局局长、党组书记 程海云
建设数字孪生流域、构建智慧水利体系是推动新阶段水利高质量发展的实施路径之一。水文是水利的基础，是推动水利高质量发展的先行性工作。近年来，水利部长江水利委员会水文局坚持问题导向、需求导向，持续夯实算据基础，不断优化算法模型，着力提升预报、预警、预演、预案“四预”能力，全力推进长江流域数字孪生流域建设。
一、厚植优势，持续夯实算据基础
算据是构建数字孪生流域的数据基础。长江委水文局不断织密监测网络，着力提升感知能力，发挥点多、线长、面广的站网优势，以及系列长、要素全、频次高的数据优势，持续夯实算据基础，努力保障物理流域与数字流域算据的准确性、同步性、及时性。
1.织密监测网络
在长江干流及重要支流设有117个水文站、199个水位站、353个水质断面、20个水生态断面、432口地下水监测井、4822个河道断面开展定量观测，系统收集水文、水质、水生态、地下水、河道等数据。自1950年起，每五年一次在长江中下游2000余公里河段开展水道地形测量，全面掌握河道冲淤特点及河势变化。强化与流域内各省市水文、气象及水库管理等部门的信息共享与互联互通，实时汇集长江流域3万余站水情、雨情、工情信息。加强卫星遥感、无人机监测、地面观测等多手段耦合、多尺度融合应用，初步建成覆盖全域的“空天地”立体水文感知网，构建水文基础数据底板。
2.提升感知能力
开展“一站一策”水文测报能力提升，加大新仪器设备的研发与应用力度，水文感知能力持续增强。降水、蒸发、水温自记率提升至90%，水位自记率达100%；声学时差法、扫描雷达法等在线测流技术投产使用，流量在线监测率逾50%；深化产学研合作与科技创新，量子点光谱测沙仪、水文水资源全要素实时监测一体化基站、集高洪出航及智能避障等功能于一体的无人船流量监测等新产品面世。开发了面向流域水生态修复的水文-水环境-水生态信息感知技术，研发了多种监测装备及方法，构建了流域“三水”同步监测模式并在全国水利系统推广实施。无人机、无人船以及三维激光扫描系统等广泛运用于水道地形测量，建成国内首批大水深精密测深校验基准场，陡深型河道精密测深成套技术投入使用，不断提升感知能力与时效。
3.强化融合创新
与多家业内领先企事业单位和仪器厂商建立战略合作关系，搭建合作平台，整合优势资源，完善标准体系，催生新技术、新产品、新业态。强化多手段应用，厘清不同感知装备性能特性，结合不同河段水流特征，建立涵盖高、中、低水沙情的全量程感知体系。加强多源数据融合，充分利用智能算法，对多源异构数据资源进行降维、去噪及特征提取，构建全息信息模型，丰富算据种类，提升算据准确率。
二、把握规律，不断优化算法模型
算法是构建数字孪生流域的关键性技术。深入研究流域水文基本规律，优化建立算法库与方法集，形成了种类丰富的水文专业模型，努力为实现流域物理过程和数字孪生流域模拟过程高保真提供算法支撑。
1.加强水文规律研究
面向治江新形势、新要求，利用长系列水文原型观测资料，依托各类重点科研项目，锚定智慧化模拟目标，针对长江流域梯级水库群阻隔效应、蓄泄影响等复杂变化环境，加强流域水文情势、产汇流规律、洪水演进机理、河道行洪能力、河床冲淤演变等水文映射基础研究。
2.强化水文监测支撑
一是建设整编方法库，建立了水位、降水、流量、泥沙、潮流量等各类水文要素整编算法库，封装了“水位流量关系单值化”“特征值自动摘录”“过程线平滑去噪”等水文数据处理算法库，为水文资料在线整编提供支撑。二是构建智能算法库，开展人工智能算法、误差传播及控制方法等研究，提出了基于数据驱动的在线监测智能算法。
3.丰富水文预报模型
一是建立模型服务开发标准体系，创建了基于资源共建、共管、共享模式的“CJH模型应用市场”，集成封装新安江模型、API模型、相关图模型、一维水动力CJH™模型、江湖分蓄洪区容积自适应洪水模拟模型、洪水概率预报业务化模型等专业模型。二是搭建长江水文建模平台，与模型应用市场无缝对接，实现了长江全流域水模拟预报。三是积极开展崩岸预警、潮流预报、泥沙预报、水污染扩散等技术研究，拓展其他要素预报预警模型。
4.提升调度推演能力
基于实时调度规则库、历史洪水调度案例库、专家经验，采用知识图谱技术，结构化预报调度原理、规律、规则、经验、策略及方法，利用新一代信息技术，构建实时洪水调度知识平台，基于知识图谱推理方法，智能推荐调度方案集，助力防汛调度智慧决策。
三、创新引领，着力提升“四预”能力
强化预报、预警、预演、预案“四预”能力，为构建智能业务应用，实现风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施提供基础。
1.不断提升预报水平
建立“大中小、长中短”时空嵌套的水文水资源渐进预报方法集，研发基于“气-陆-库-水”的全周期智能预报技术，开发可累积式发展的模型库和方法库，构建了较完整的水文水资源预报预警体系，短期预报精度由80%提高至90%，预见期由1～3天延长至3～7天，实现水资源逐月定量预测，提高了预报精度，延长了预见期。
2.及时开展水文预警
编制《长江水情预警发布管理办法》，为流域洪水、枯水预警等级界定和预警信息及时发布提供科学依据。在历次抗击高洪的过程中，创新信息发布手段，丰富信息服务内容，面向社会及时发布水文预警。
3.全力做好分析预演
相继完成“81.7”、1998年、1954年、“83.10”、1870年等历史大洪水防洪调度演练技术支撑，建立分析预演体系，加速“CJH模型应用市场”“长江模拟预报引擎”和实时调度知识平台等新技术孵化，支撑数字孪生平台建设。
4.科学制定决策预案
纳入长江流域全河系近1000多套方案，覆盖长江流域111座水工程、400余个水文站，有效支撑流域智慧模拟。创新“江-河-湖-库”联调联算智慧优化技术，实现多节点、多工程、预报调度复杂互馈关系的联动计算。打造知识推理引擎，运用水工程知识图谱调度规则库，实现调度预演实时方案快速生成，有力支撑决策调度。
四、先行先试，推进数字孪生流域建设
按照“大系统设计、分系统建设、模块化链接”原则，打造水文要素感知、水文数据处理、水文分析评价、水文预报调度等水文全业务链生态圈，不断丰富“2+N”智慧水利业务应用体系。
1.建设水文业务应用平台
基于水文细分领域，建设统分结合、各有侧重、标准统一的水文业务应用集群，提升水文业务的网络化、数字化水平。一是坚持“实时智能”高标准，建设长江智慧水文监测系统、水文监测在线整编系统、水文年鉴在线汇编系统，强化水文监测、整编、报汛一体化全流程智能化管理，创新水文监测业务模式。二是打造“预报调度一体化”新模式，从20世纪80年底起迭代升级长江防洪预报调度系统，成功应用于水旱灾害防御工作中。三是以需求为导向，研发了长江水文泥沙信息分析管理系统、水文多要素综合管理平台、水质实验室信息管理系统、长江口潮位预报系统、长江中下游崩岸预警平台等业务平台，生产效能显著提升。长江防洪预报调度系统、水文监测在线整编系统分别获水利部2020年智慧水利先行先试最佳实践和优秀案例。
2.打造水文综合服务引擎
贯通水文业务应用集群，基于数字孪生技术，构建集监控管理、大数据分析、智能应用为一体的水文水资源监测预报预警平台，提供水文测报、预报预警、分析评价一站式服务，凝聚“测、报、算”专业合力，提升水文业务的智能化水平。当前，长江委水文局正在探索利用新一代数字技术对水文业务、水文管理和水文服务开展更深层次的重塑，促进业务数据化、数据资产化、应用场景化，提高工作效率，提升服务品质，推动水文数字化转型。
3.开展数字孪生项目建设
开展长江流域控制性水利工程综合调度系统建设，打造集流域情势分析、流域水模拟、防洪及水量调度等功能为一体的数字孪生平台；承担长江三峡库区、太湖典型水网工程等数字孪生项目建设，先行先试、以点带面，积累可以推广、可被复制的成果及经验，推进数字孪生流域建设。
数字孪生流域建设是一项复杂的系统工程，涉及多层级、多专业、多学科，只有进行时，没有完成时。当前，长江水文还存在水文全要素感知能力不足、水文物理模型高保真度不够、智能模型功能不强、算力资源不够、数字生态不健全等短板，将对标对表、补齐短板，从综合站网、立体监测、专业支撑、信息服务、管理保障等方面，不断加强水文业务与数字技术的深度融合，全力构建全息信息智能模型，打造更具时效性和精准度的数据底板，深化流域水文物理规律研究，迭代优化高保真水文业务模型，大力提升“四预”智能应用能力，为强化流域治理管理、推动水利高质量发展贡献水文力量。