【方案】智慧水利 -数据赋能海河23 •7 流域性特大洪水防御解决方案

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水利部将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条路径之一 ， 把建设 数字孪生水利体系作为推进智慧水利建设的实施措施。 水利部近两年先后从行政、 规划、 工作、 技术四个层面制定印发了系列文件 ， 完成了顶层设计； 开展了系列的技术攻关； 全面推进了数字孪生水利建设先行先试。 通过先行先试 ， 数字赋能流域防洪方面取得成功实践 ， 发挥了重要作用 ， 实现了多 项突破 ， 取得了经验和启示。 数字孪生水利建设面临难得的发展机遇 ， 同时也面临严峻挑战 ， 坚持 “需求牵引、 应用至上、 数字赋能、 提升能力” ， 攻坚克难 ， 扎实工作 ， 推进数字孪生水利健康发展。 第二部分 数 字 孪 生 水 利 的 应 用 实 践 第一部分 关 于 数 字 孪 生 水 利 建 设 目 录 四 三 一 二 为什么 形势要求 是什么 定位定义 怎么建 实施路径 建什么 建设目标 一 定义定位—定义 智慧水利——全局性大目标 ，是水利高质量发展的显著标志 ，是大方向和趋势。 推进智慧 水利建设是推动新阶段水利高质量发展的六条路径之一。 建设数字孪生水利——实施措施 ， 统筹建设数字孪生流域、 数字孪生水网、 数字孪生水 利工程 ，构建具有 “四预”功能的数字孪生水利体系。 u 第一层： 明确发展方向 ， 即智慧水利 u 第二层 ： 实施措施 ， 即建成具有 “ 四 预” 功能的数字孪生水利体系 u 第三层 ： 主要任务 ， 即 “ 三个孪生 ” 和” 2 +N” 业务“四预” “2+N” 业务应用“四预” 数字孪生 水利工程 智慧水利 数字孪生水利体系 发 展 目 标 第 一 层 数字孪生 流域 数字孪生 水网 实 施 措 施 第 二 层 主 要 任 务 第 三 层 网 络 安 全 体 系 保 障 体 系 层 解 构 数字孪生水利是充分运用物联网、 云计算、 大数据、 人工智能、 虚拟现实等新一代信息技术 ， 建设数字孪 生 流域、 数字孪生水网、 数字孪生水利工程等新型基础设施 ， 实现流域防洪、 水资源管理与调配等 “ 2+N” 业务应用 预报、 预警、 预演、 预案（ “四预”） 功能的综合体系 ， 提升水利治理管理数字化、 网络 化、 智能化水平 ， 为新 阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。 数字孪生水利工程是以物理水 利工程为单元 、 时空数据为底座 、 数学模型为核心、 水利知识为驱动 ， 对物理水利工程全要素和水利治理 管理活动全过程进行数字映射 、 智 能模拟 、 前瞻预演 ， 与物理工程同 步仿真运行、 虚实交互、 迭代优化 ， 实现对物理工程的实时监控、 发现 问题、 优化调度的新型基础设施。 数字孪生水网是以物理水网为 单元 、 时空数据为底座 、 数学模 型为核心 、 水利知识为驱动 ， 对 物理水网全要素和水利治理管理活 动全过程进行数字映射 、 智能模拟 、 前瞻预演 ，与物理水网同步仿真 运行、虚实交互 、 迭代优化 ， 实 现对物理水网的实时监控、 联合调 度、 风险防范的新型基础设施。 数字孪生流域是以物理流域为 单元、 时空数据为底座、数学模型 为核心、水利知识为驱动 ，对物理 流域全要素和水利治理管理活动全 过程进行数字映射、智能模拟、 前 瞻预演 ，与物理流域同步仿真运行、 虚实交互、迭代优化 ， 实现对物理 流域的实时监控、 发现问题、 优化 调度的新型基础设施。 一 定义定位—定义 预报 基本内涵是以流域为单元 ， 遵循客观规律 ， 在总 结 分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上 ， 根据业务 需求 ， 采用基于机理揭示和规律把握、 数理统计和数 据挖掘技术等数学模型方法 ， 对水安 全要素发展趋势 做 出不同预见期（短期、 中期、 长期等） 的定量或定性分 析，提高预报精度、 延长预见期。 预警 基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值 ， 拓宽预 警信息发布渠道 ， 及时把江河洪水、 山洪灾害、 渍涝灾 害、 工程灾害、 干旱灾害、 冰凌灾害、 供水危机、 水 域空间占用、 水生态环境危害及相关次生灾害等预警信 息直达水利工作一线和受影响区域的社会公众 ， 及时采 取应急处置措施 ，做好防灾避险准备。 预演 基本内涵是在数字孪生流域中对典型历史事件、 设 计、 规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿 真 ， 正向预演出风险形势和影响 ， 逆向推演出水利工 程安 全运行 限制条件 ， 及时发现问题 ， 提出防风险措 施 ，迭代优化方案。 预案 基本内涵是依据预演确定的方案 ， 预案的基本内涵 是依据预演确定的方案 ， 制定执行预案 ， 主要包括水 利工程运用次序、 时机、 规则和非工程措施 ， 明确调 度机构、权限和责任 ， 以及信息报送流程和方式等 ， 并 组织实施。 一 定义定位—定义 《数字中国建设 整体布局规划》 《国家“十四五” 新型基础设施建设 规划》 党的二十大报告 《中华人民共和 国国民经济和社 会发展第十四个 五年规划和 2035 年远景目 标纲要》 二 形势要求—党中央国务院的决策部署 推动大江大河大湖数字 孪生、 智慧化模拟和 智 能业务应用建设 构建智慧水利体系 ， 以 流域为单元提升水情测 报和智能调度能力 构建以数字孪生流域为 核心的智慧水利体系 加快建设网络 强 国、 数字中国 水利是一个大物理尺度的系统 ， 无法通过物理实 验验证所有边界条件。 通过在数字空间为物理世界构造出一个孪生体 ， 通过历史和实时的各类信息的有效汇集 ， 虚拟再现真 实的复杂系统 ，特别是针对一些极端情况并未遇到过， 但可以通过设置指标条件 ， 通过物理模型或数字模型 进行模拟仿真 ，进而对物理水利实时监控、 发现问题、 优化调度 ， 最终达到风险提前发现、 预警提前发布、 方案提前制定、 措施提前实施。 二 形势要求—内在需要 复杂水利系统调控现实需要 至 “十四五”末期， 建成水利部和七大江河数字孪生流域； 骨干水网中的数字孪生南水北调中线基本建 成 ，省级数字孪生水网取得突破； 大江大河重要控制性枢纽基本建成数字孪生 工程； 在重点防洪地区实现流域防洪 “预报预警预 演预案 （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” ， N 项业务智能应用水平大幅提升； 数据共享和网络 安 全防 护能力明显增强； 为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强 力驱动。 算 力 三 建设目标 算 法 新建 升级改造 算 据 从行政、 规划、 工作、 技术等层面 出 台包括数字孪生流域在内的系列文件， 明确了路线图、 时间表、 任务书、 责任单。 数字孪生流域建设先行先试全面开展先 行 ， 在重点和难点领域选择先试 ， 以 期取得重点突破。 其间 ， 技术指导人、 业务指导人、 责任专家持续指导把关 ， 去年 ， 部已完成各单位先行先试工作 中期评估 ， 并发布中期评估结果； 今 年水利部强化指导 ， 加强调度 ， 树立 典型 ， 努力打造样板 ， 为数字孪生水 利全面建设打下坚实基础。 通过重点研发计划、 水利部重 大科技项目开展数字孪生流域 监测感知、 模型平台、 仿真推 演、 网络 安 全 等相关技术攻关。 首个数字孪生流域建设重大项 目——长江流域全覆盖水监控 系统建设项目开工建设； 数字 孪生流域建设工程积极推进； 中央财政将在今年四季度增发 2023 年国债 10000 亿元 ， 集 中力量支持灾后恢复重建和弥 补防灾减灾救灾短板 ， 其中包 括数字孪生水利建设内容。 四 实施路径 推广 建设 顶层 设计 技术 攻关 先行 先试 第一部分 关 于 数 字 孪 生 水 利 建 设 第二部分 数 字 孪 生 水 利 的 应 用 实 践 目 录 海河 23·7 洪水防御应用实践 二 建构数字孪生 海河 五 几点体会 三 防洪“四预” 四 取得成效 雨水情特点 一 京津冀地区特殊的地貌格局决定了防汛的重要性： 一是地域重要 ， 重要城市： 首都、 雄安 以 及天津、 石家庄 ， 重要基础设施： 大兴机场、 南水北调； 二是 人类活动剧烈 ， 多来不来水 ， 下垫面变化大； 三是地下水超采严重 ， 水量不平 衡 ， 预报精度低； 四是源短流急 ， 位于太行山、 燕山山脉前缘 ， 山前到平原 过渡带短 ，河流水系呈扇形分布 ， 源短流急 ， 洪水陡涨陡落 ， 极易在短时间内 发生暴雨洪水。 7 月 28 日至 8 月 1 日 ， 受台风 “杜苏芮 ”北上与冷空气交绥影响 ， 海河发 生流域性特大洪水 ， 其中 ， 大清河、 永定河发生特大洪水 ， 子牙河发生大洪水。 本次洪水呈现降水范围广总量大、 暴雨时空集中强度大、 洪水并发量级大、 洪水涨势猛演进快、 径流总量大地下水回补多等五大特点。 一 雨水情特点 汛前依托国家重点研发计划进行技术攻关， 基于全国水利一张图构建 “ 数字孪生平台 ”， 2023 年 6 月 20 日进行了发布。 洪水期间积极利用卫星遥感、 无人机、 视频 监控等多种技术手段 ，强化天空地多源信息融合， 夯实“算据”基础； 持续完善模型平台 ， 开发知识平台 ， 强 化“算法”核心。 在 X86 云平台基础上 ，扩建信创云平台 ，建 成 12800 核 CPU 、 52TB 内存的 ARM 资源池 ， 运行虚拟机 2000 个 ，搭建每秒 58.3 万亿次双精 度浮点计算的高性能计算集群 ，做实”算力”支撑。 二 构建数字孪生海河 算 法 算 据 算 力 新建 升级改造 利用激光雷达、倾斜摄影等构建海河流域高精度地理空间数据底板；汇聚更新海河流域河流、 国家蓄滞洪区、大中型水库、堤防等基础数据。 逐一复核完善海河流域水库与测站关系 ，实现蓄滞洪区范围内堤防、 口门、进退洪闸、安 全 区 等 8 类对象和视频监测点关联。 开展水库重要指标一致性自动比对 ，分析水位及库容等特征值问题数据 ，建立与水库管理单位、 水库责任人快速校核应急机制。 二 构建数字孪生海河 -- 获取算据（基础数据） 二 构建数字孪生海河 -- 获取算据（动态数据） 加强天空地一体化监测 ， 全方位感知暴雨洪水态势。 交换汇集 1874 个地面监测站、 280 个地面应急监测点实时监测水情信息。 利用气象卫星和测雨雷达进行精细化降雨监测 ，发布测雨雷达预警 1873 次、 涉 及 6100 乡镇次 ， 气象卫星预警 160 次、 涉及 3096 地市次。 利用 13 颗雷达、 光学卫星遥感数据、 20 架次无人机航摄数据、 近万路视频监视 点位滚动跟踪洪水演进。 天空地多源监测信息融合 ， 开展了持续跟踪监测 ， 天空地多源信息在线融合应 用。 1 7 三 构建数字孪生海河 -- 获取算据（动态数据） 卫星遥感全程跟踪监测蓄滞洪区—东淀蓄滞洪区 8 月 1 日 18 时 ，泄流 长度达 17.8 公里 ，水 头距离东淀蓄滞洪区 5.5 公里 8 月 9 日 11 时 ，东淀 蓄 滞洪区大清河以北部分 已基本全部蓄水 8 月 1 日 7 时 ，大清河 新盖房分洪道泄流长度 约 8.5 公里 8 月 3 日 10 时 ，东 淀蓄滞洪区内水头前 进约 18 公里 1 8 滩里干渠右堤： 8 月 10 日 3 时 ，滩里干渠右岸（距离 大清河右岸约 400 米处） 出现漫溢溃口 ， 洪水漫流进入 东淀蓄滞洪区大清河以南地区 ， 漫溢水体面积约 0.54 平 方公里。 8 月 10 日 17 时 ，漫溢水体范围持续扩大 ， 较 10 日 3 时增加 8.68 平方公里。 8 月 11 日 18 时 ，漫溢水体面积增大约 1.40 平方公里。 8 月 12 日 6 时 ，漫溢水体已平稳 ， 不再继续扩大。 8 月 10 日 17 时 18 分雷达卫星影像，黑色为 水体滩里干渠漫溢溃口雷达卫星影像 三 构建数字孪生海河 -- 获取算据（动态数据） 卫星遥感全程跟踪监测蓄滞洪区—动态监测工程险情 1 9 加强多源信息融合验证 ，确保 险 情信息准确可 靠 ， 8 月 2 日 11 时 ，通过兰沟洼蓄滞洪区卫星 遥感影像 ，初步解译判定白沟河右堤西茨村附近 出现长度约 90 米的缺口； 8 月 2 日 12 时 ， 经无 人机全景影像详细判断白沟河东茨村左堤抢筑的月 牙堤存在溃口 ，溃口外东茨村受淹 ， 白沟河西茨 村南侧存在约 90 米长缺口 ， 白沟河内洪水外流淹 没村庄和农田，白沟河右堤存在 2 个缺口 ， 兰沟 洼蓄滞洪区西茨村村庄和农田受淹。 1 2 二 构建数字孪生海河 -- 获取算据（动态数据） 无人机精细监测工程险情和河道行洪情况—无人机数据共享平台 2 0 通过水利部视频级联集控平台级联接入 北京水利监视点位 2044 路、河北省 8753 路视频监视点位 ，有效弥补水文测站水毁 情况下的洪水水情估算， 7 月 31 日 ，调 阅卢沟桥拦河闸和分洪闸监视视频 ，支撑 卢沟桥枢纽下泄流量调度决策， 8 月 1—2 日 ，调阅河北廊坊沿永定河视频监视点 ， 跟踪洪水行进过程 ，支撑永定河泛区启用 决策。 二 构建数字孪生海河 -- 获取算据（动态数据） 视频监视实时准确掌握分洪、 行洪情况—监控访问 2 1 研发水利专业、 智能识别和可视化模型。 研发了新安江、 API 、 马斯京根等模型并实现微服务 化部署 ， 依托模型平台前处理工具、 模型编排、 并行计算等 ， 初步具备预报方案快速构建、 模型参数在线率定、 多家模式集合预报、 洪水实时动态演进、 正向逆向推演计算等关键 “ 四预”功 能。 集成海河流域洪水预报方案。 构建海河流域东淀、 永定河等 8 个蓄滞洪区洪水演进方案。 搭建自然背景、 流场动态、 水利工程、 机电设备等可视化模型 ，在数字场景中实现模拟仿真展示。 构建模拟仿真引擎。 利用知识图谱构建海河流域自然汇流和人工设施相结合的断面上下游 拓扑关系 ， 基于图数据库快速生成任意预报节点拓扑关系概化图 ， 支撑河系洪水预报、 库群联 合调度和蓄滞洪区洪水演进。 建成水利部本级模拟仿真引擎 ， 具备模型注册和发布、 模型编排、 模型实例化等功能。 模型注册和发布方面 ， 集成水利专业模型； 模型编排方面 ， 通过可视化 流程编排工具实现模型的可视化构建； 模型实例化方面 ，提供一系列模型前处理工具。 二 构建数字孪生海河 -- 优化算法 搭建高速并行计算环境。 构建水利云平台 ， 有 效支撑每日 2 次全国范围内的精细化预报 ， 缩短 业务处理时间 1.5 小时 ， 缩短洪水作业预报时间 30 分钟。 持续优化完善会商调度环境。 每日通过视频、 蓝信等连线会商 5 ～ 6 次 ， 及时沟通水库、 堰 闸等水工程对洪水预报的影响 ， 特别是动态掌 握蓄滞洪区启用时间、 水头演进、 滞蓄水量、 淹没范围等调度运用状态 ， 为海河流域洪水防 御提供算力和会商支撑。 二 构建数字孪生海河 -- 提升算力 南水北调中线惠南庄视频连线 高性能计算集群 三 防洪“四预”应用 预报：加强降雨预报和洪水预报耦合 ，实现洪水预报由落地雨向空中雨转变， 既延长了预见期又 提高了精准度。依据预报， 7 月 28 日启动洪水防御Ⅲ级应急响应， 7 月 30 日把应急响应提升至Ⅱ级。 7 月 27 日提前 5 天研判将启用 6 个蓄滞洪区 ，关键期洪水预报精准度达到 80% 。 预警：本次充分利用气象卫星、天气雷达和测雨雷达的监测信息 ，对未来 3 小时内可能发生强降雨 地区进行自动风险预警。强降水过程期间通过蓝信累计发布各类预警 2155 次 ，信息直达一线人员。 预演：建立永定河、东淀等 8 个蓄滞洪区的二维水动力学洪水演进模型 ，参考卫星遥感、无人机航 摄等数据 ，实时动态调整糙率等模型参数；提前 3 ～ 4 天预测东淀水头演进过程及最大可能淹没范围； 提前 4 天准确研判“不启用清南分洪区” ；提前 9 ～ 10 天准确预测永定河、兰沟洼等蓄滞洪区退水时间 ， 为蓄滞洪区科学运用、人员转移、堤防防守等提供了支撑。 预案：根据预报预警预演结果， 7 月 28 日至 8 月 4 日洪水发生发展的关键时刻 ，制订 15 个预案 ， 发 布 6 个调令。准调度流域防洪工程体系 ，河北、天津、河南水利部门根据蓄滞洪区运用预案 ，指导地方 本次洪水 ， 调度京津冀 84 座大中型水库 ， 充分拦洪削峰错峰 ， 累计拦蓄洪 水超 过 28.5 亿立方米本次洪水过程 ， 平均削峰率约为 65% ， 增蓄水量 27.2 亿立方 米； 8 座蓄滞洪区最大滞洪约 25.3 亿立方米； 通过沿海 4 处防潮闸排入渤海洪 水 35.8 亿立方米。 通过科学精细调度 ， 没有出现群死群伤 ， 各类水库无一垮坝 ， 重要堤防无一决 口 ， 避免了 24 个城镇、 751 万亩耕地受淹 ， 避免了 462.3 万人转移 ， 充分发 挥了流域防洪工程体系综合减灾效益 ， 最大程度减小了洪水灾害损失。 数据赋能实现了突破： 天空地一体化信息感知； 开展卫星云图和测雨雷达预 警 ; 构建数字孪生海河 ， 并基于其开展洪水预报、 二维水动力学洪水演进 ， 实现 防洪能力提升。 四 取得成效 数据赋能首先要全息感知 ， 这是基础。 数据赋能要对数据进行治理 ， 这是重点。 数据赋能要强化挖掘 ， 这是关键。 数据赋能要实现智能应用 ， 这是目的。 五 几点体会 谢 谢