水利部蔡阳：聚焦重难点，推进数字孪生水利建设

▲水利部信息中心主任，水利部网信办主任蔡阳

水是基础性自然资源和战略性经济资源，是生态与环境的控制性要素，水利工作关系国计民生，是经济社会发展的重要支撑，对保障水安全、推动经济社会高质量发展具有重要意义。在我国历史上，古有灵渠、都江堰、京杭大运河，今有三峡、南水北调，每项水利工程都对造福百姓、促进社会发展起到了重大作用。当前，随着经济的快速发展、新技术的不断涌现及融合应用，水利建设事业也进入了全新的发展阶段。

2000 年前后，数字水利概念出现。数字水利，即采用包括 3S 技术在内的系列信息技术手段，对水利行业进行技术改造升级，让决策更科学、更合理，提升水利事业的效率与效能。数字孪生水利是在数字水利的基础上，融入云计算、物联网、大数据、移动互联网、人工智能等技术的综合应用，进一步实现对水利对象及水利活动的透彻感知、全面互联、深度共享、智能应用和泛在服务。

从数字水利到数字孪生水利，是新技术推进的结果，更是新时代发展的要求。在 2023 年全国水利工作会议上，水利部部长李国英强调，要大力推进数字孪生水利建设，实现水利业务“四预”（预报、预警、预演、预案）功能。数字孪生水利成为年度行业热词，受到多方关注。近两年国家先后发布的多项文件中，“数字孪生水利”一词多次出现。

水利部信息中心主任、网信办主任，中国地理信息产业协会副会长蔡阳，从顶层设计、建设重点、创新应用、技术赋能、下步工作五个方面分享了对数字孪生水利的见解与思考，探讨数字孪生水利建设如何推进。

过去十年，我国水利事业取得了举世瞩目的成就，水利信息化也进入新的发展阶段。水利部部长李国英明确提出，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程，构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系。

蔡阳介绍，近年来，水利部主要从规划、行政、工作、技术四个层面来逐步推进数字孪生水利建设，均发布了相关指导性的文件，基本完成了数字孪生水利建设的顶层设计。

在规划层面，水利部制定了《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”数字孪生流域建设总体方案》等系列文件，明确了推进智慧水利建设的时间表、路线图、任务书，为智慧水利的建设提供了指引。

在行政层面，水利部出台了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》，提出了智慧水利建设的总体要求、建设任务和保障措施；印发了《数字孪生流域共建共享管理办法（试行）》，明确了数字孪生流域建设共建共享工作要求，重点回答谁来建、如何共建、如何共享等问题，坚持“全国一盘棋”，确保不重不漏、资源共享、业务协同。

在工作层面，考虑到数字孪生水利建设体系庞大、任务繁重、时间紧迫，需要按照顶层设计和相关技术文件要求，总体谋划、科学组织、多方协同、合力推进，水利部印发了《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，明确了任务措施，落实了责任分工。数字孪生水利是一项技术难度大、实施复杂的系统工程，需要进行技术攻关和试点建设，水利部开展了先行先试工作，印发《关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，通过以数字孪生流域建设为主线，以数字孪生水利工程建设为切入点和突破口，以实现水利业务“四预”功能为目的，在大江大河重点河段、主要支流及重要水利工程开展数字孪生水利建设先行先试，示范引领。

在技术层面，2022 年以来，水利部先后出台了《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水网建设技术导则（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》等系列文件，明确了数字孪生水利的具体建设内容，细化了技术要求，为各级水利部门数字孪生水利建设提供了基本技术遵循。

2022 年，蔡阳在《中国水利》杂志发布《以数字孪生流域建设为核心构建具有“四预”功能智慧水利体系》文章，系统性地讲述了智慧水利的建设背景、目标与路径，引发广泛关注。“在不久前举办的 2023 中国水博览会暨第十八届中国（国际）水务高峰论坛上，有 160 余家单位企业参展，其中超过一半都在开展数字孪生水利。”蔡阳说，“数字孪生水利掀起了一股热潮。”

为什么要加快推进数字孪生流域建设？蔡阳表示，这是顺应自然规律、管理体制、技术发展的需要。

首先，流域是降水自然形成的以分水岭为边界，以江河湖泊为纽带的空间单元。水的自然属性决定了由流域内上下游、左右岸、干支流和地表地下的自然联系，形成了天然的水系整体，流域内山水林田湖草沙等各生态要素紧密联系、相互影响、相互依存，构成了流域生命共同体。所以强调要以流域为单元，这是顺应自然规律。

其次，流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性。这种特性决定了治水管水的思维和行为必须以流域为基础单元，坚持流域系统观念、坚持全流域“一盘棋”，实现流域统一规划、统一调度、统一治理、统一管理。历史上黄河三年两决口、百年一改道就是最生动写照。中华人民共和国成立后，我国水管理体制实行以流域为单元与区域管理相结合的管理体制，全国层面设置七大流域管理机构进行流域管理，各地方也在辖区内设置不同级别的管理机构管理重点河湖。所以强调整个流域统筹考虑，这是顺应管理体制。

最后，推进数字孪生流域建设是由水利工作的空间特点决定的，水利是一项大尺度、大范围的工作，不可能在物理流域中试验不同方案，只能在数字空间进行反复预演，经过综合评估分析后选择最优方案，运用到实际工作中，这是顺应技术发展。

除了数字孪生流域之外，根据水利业务特点，水利部又先后提出数字孪生水利工程、数字孪生水网并进行顶层设计。因此，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网和数字孪生水利工程，实现“2+N”业务应用“四预”（预报、预警、预演、预案），同步强化网络安全和保障体系，是数字孪生水利体系的主要任务。

物理流域指由分水线所包围的河流集水区，分地面和地下两类集水区。物理水网是物理流域中的自然河湖水系与引调排水和调蓄工程的组合，也就是数字孪生流域中的自然河湖、数字孪生引调排水工程和调蓄工程等组成数字孪生水网。水利工程也涉及跨流域，因此，三者之间不是简单包含关系。

“三者分别是物理流域、物理水网、物理水利工程在数字空间的映射，三者的关系决定于三个物理实体的相互关系，它们互不替代、各有侧重、相对独立、互联互通、信息共享。”蔡阳说，“随着数字孪生水利建设的逐步推进，我们有了更多的突破口和切入点。”

当前，全国数字孪生水利建设工作稳健起步，正在如火如荼开展，也取得了一些明显成效，如平台方面有近期正式发布的水利部数字孪生平台暨全国水利一张图 2023 版，数字孪生流域方面有数字孪生长江、数字孪生黄河等，数字孪生工程方面有数字孪生小浪底、数字孪生大藤峡等。这些成果在流域防洪和水资源管理与调配等领域发挥了重要作用，产生了显著的社会效益和经济效益。

围绕全国水利数据资源的整合应用与共享，早在 2009年，水利部就联合超图启动全国水利一张图的建设，先后历经 2015 版、2019 版等版本的迭代，今年还发布了 2023 版，强化了数字孪生诸多新功能。蔡阳表示，全国水利一张图的价值主要体现在：1. 实现“一张图 + 多领域应用”的新模式；2. 实现水利业务工作与一张图深度融合和良性循环。全国水利一张图动态更新、功能强大、安全可靠，已成为水利工作最重要、最有效的基础信息平台。

长江委、黄委、淮委各自运用大数据、人工智能等新一代信息技术，打造了相应的数字孪生流域，提升流域内的水旱灾害防御水平，保障流域水工程持续发挥防洪供水等综合效益，能更为有效地保护流域百姓生命财产安全。

数字孪生工程也取得了阶段性进展，数字孪生大藤峡工程是全国水利行业首个正式开工建设的数字孪生水利工程，项目对业务过程进行全息精准化模拟和超前仿真推演，在提高应急处置能力，提高洪水预报精度和延长预见期，提升船闸的自动化运行能力和智能化水平，强化水资源配置保障粤港澳大湾区水安全，保护西江干流鱼类资源等方面发挥了重要作用。

数字孪生小浪底通过数字孪生平台及相关业务“四预”功能建设，进一步提升防洪（防凌）、减淤、供水、灌溉、生态、发电等综合效益，有效提升小浪底水库水量调度、生态调度和应急调度的科学性、精准性和时效性，还增强应对突发性事件的反应能力，降低洪水灾害对工程保护范围人民生命和财产安全造成的损失，提高工程防灾减灾效益。

随着云计算、Web2.0 技术的发展，人类社会迎来了第三次信息技术浪潮，信息技术已经融入到水利工程设计、建造和管理等各个环节，将赋予水利信息化建设无限可能。“人工智能、大数据等新一代信息技术和 3S 技术的深度融合及应用，对推进数字孪生水利建设不可或缺。”蔡阳说。

例如，在数字孪生水利建设中，对于业务智能应用和“四预”功能的实现，都离不开人工智能的加持，特别是大数据分析、遥感智能分析、视频自动识别等。再如，不论是水利一张图更新，还是数字孪生平台的搭建，都需要 GIS 技术的支撑，这对 GIS 技术也提出了更高的要求：GIS 技术在水利工作中的应用已从结合地理要素的水利信息查询展示，发展到利用 GIS 进行空间运算，实现水利信息的统计、分析与模拟演示等。

“超图等 GIS 厂商，要不断融合及创新人工智能、大数据等技术，提升服务，以更好地支撑数字孪生水利建设。”蔡阳说，“特别是二三维一体化的技术攻关，还要实现游戏引擎和 WebGL 引擎融合应用，保证数据可视化效果；在数据挖掘方面，要通过大数据挖掘数据价值来支撑应用。希望超图这样自主创新的国产 GIS 软件，能在数据安全方面作出应有贡献。”

蔡阳曾在《数字孪生水利建设中应把握的重点和难点》一文中写到，数字孪生水利建设覆盖水利的各业务领域、各层级，涉及面广，应把握算据、算法、算力、智能应用和网络安全 5 个方面的建设重点。以算力为例，算力是数字孪生水利高效稳定运行的重要支撑，必须适度超前，重点是信息化基础设施建设，主要包括以下内容：

1. 水利感知网。水利部本级建设感知数据汇集、视频级联集控和水利遥感服务等平台。各流域管理机构和省级水行政主管部门建设流域、区域感知数据汇集平台，扩展定制视频级联集控平台流域、区域节点，以及水利遥感服务平台流域、区域节点，升级改造各类监测站，并装备无人机、无人船等设施。

2. 水利信息网。水利部本级、各流域管理机构和省级水行政主管部门拓展网络联通范围，实现水利系统全覆盖，优化调整网络结构，推进 IPv6 规模部署和应用，扩大水利信息网带宽。各流域管理机构和省级水行政主管部门组织有关单位升级水利工程工控网等。

3. 水利云。建设包括水利部本级节点和 7 个流域管理机构节点的一级水利云，省级水行政主管部门依托政务云、自建云等建设二级水利云。

他还总结了数字孪生水利建设的重点，主要体现在算据感知、算据更新、模型平台、知识平台、算力、业务应用“四预”、网络安全、技术标准、工作协调、资金投入、人才等方面。以算据感知为例，传统监测不满足全要素、全过程数字化场景需要，无法支撑物理世界与虚拟世界交互的精准性、同步性、及时性。因此，我们需要通过数字孪生水利建设牵引，倒逼物理流域、物理水网、物理水利工程监测，构建“天空地”一体化水利感知网：

1. 升级改造传统水利监测站网。检视并修订不符合数字孪生水利建设要求的标准规范，在水文、水资源、水利工程、水土保持等现有监测站网基础上，依据标准规范，完善优化站网布局，增设监测要素，增加监测频次，升级改造传统监测系统，实现自动在线监测。

2. 构建新型水利监测网。加强雷达、卫星遥感、航空遥感、高清视频、无人机、无人船、地面机器人、水下机器人等新型监测手段应用，融合地面监测数据，支撑虚拟世界与物理世界交互的精准性、同步性、及时性。

水利部 2023 年工作会议指出：完善全国水利一张图，推进数据挖掘分析，保障数据安全，强化遥感技术业务应用。2023 年 6 月 20 日，水利部在小浪底水利枢纽召开数字孪生水利建设现场会，发布数字孪生平台暨全国水利一张图 2023 版，该平台作为数字孪生水利的关键，通过有序汇集融合多源数据构建数字化场景，实现多要素数字映射；以数学模型为核心建设水利通用模型平台，实现物理流域同步仿真模拟；进一步推动多层级、多方式共建共享，促进流域防洪和水资源管理与调配等业务领域数字化转型发展，率先赋能流域防洪“预报、预警、预演、预案”，有效支撑了精准化决策，同时广泛服务于水利行业，有力提升了水利治理管理活动的数字化、网络化、智能化水平，驱动和支撑了新阶段水利高质量发展。

蔡阳解释说：“全国水利一张图还需不断完善，要实现相关数据和应用动态更新，让一张图更加鲜活；一张图是数据应用的保障，要基于一张图，特别通过一张图对大数据进行分析与决策，来支撑数据孪生水利的建设；遥感影像数据是一张图的图层之一，从 2015 年开始一张图的遥感数据就在每年覆盖更新，今年力争多次覆盖，来更好支撑水利业务工作；不断加强数据资源统筹管理、整合归集、共享利用。”他还特别强调了数据安全问题，“数据泄露后果不堪设想，因此要让数据拿不走，拿走了也读不懂，确保水利网络安全和数据安全。”

蔡阳表示，下一步水利部聚焦数字孪生水利，将大力开展有关工作：构建雨水情监测“三道防线”，进一步延长雨水情预见期、提高预报精准度，有效应对水旱灾害风险；在水利一张图基础上，持续完善水利部数字孪生平台，重点打造模型平台和知识平台，为数字孪生提供算法基础；强化数据安全防护，建设数据安全基础防护设施，推进商用密码应用。