開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的1篇數字孿生流域智能化問題與技術探析，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。

一、研究背景

智慧水利建設是新時代中國實現水利現代化、為國家現代化提供強大治水支撐的重大戰略舉措，也是一項多學科交叉、高標準、高起點的長期性復雜系統工程。當前，我國智慧水利建設需求強烈、目標明確但基礎條件尚不完備、關鍵技術亟待突破、保障體系亟需建立。堅持問題導向，針對重大問題實施科技攻關，是水利行業當前必須突破的難題。

二、關鍵問題與技術需求

數字孿生的本質是在信息世界對物理世界進行等價映射。各種基于數字化模型進行的仿真、分析、數據積累、挖掘乃至人工智能的應用，都是為了確保數字孿生流域與現實物理流域的映射與互饋。簡而言之，必須促進數字孿生流域建設全方位技術突破，以有效的技術進步、完備的保障體系等保證數字孿生流域等價映射現實物理流域。數字孿生流域面臨的挑戰和涉及技術問題很多，本文選擇基于水文實驗的模擬模型、并行算法和智慧決策支持平臺進行簡要討論與分析。

1.基于水文實驗的模擬模型

（1）水文實驗發展過程與面臨問題

水文學是科學治水的重要理論基礎，而水文實驗則是水文學研究的重要途徑，是水文模擬模型基本參數最主要、最可靠的獲得手段。水文實驗的根本目的是以水文循環為基本原理，以水量平衡為基本準則，通過聯合被動的現象觀測和主動的控制試驗與實驗，從定性、定量到定解，分析水文現象和水文過程的狀態與成因，闡明其變化規律和內在聯系。我國的水文實驗曾經取得重要成就，新安江模型、陜北模型就是其標志性成果。隨著全球氣候變化和人類活動影響，變化環境下水文水資源情勢與產匯流機制代替“山坡水文”成為水文實驗研究的熱點；而伴隨以聲、光、電原理為基礎的觀測設備發展，地球化學、同位素和微生物方法在水文過程研究中迅速普及，帶來了水文實驗的一波快速進步；計算機、網絡及遙感技術的進步則為流域尺度學科的綜合與集成提供了機遇。近20年來，我國開展了一系列遙感與地面觀測一體化、覆蓋流域水分能量、生物化學循環與經濟社會活動的陸面過程觀測實驗，如黑河地區地氣相互作用野外觀測試驗、內蒙古半干旱草原土壤—植被—大氣相互作用、黑河流域生態—水文過程綜合遙感觀測聯合試驗等，為水文、氣象、生態變量及其參數反演、估算和模型應用積累了寶貴的經驗。總體來看，進入21世紀，我國水文實驗取得長足進步，促進了水文學研究水平的提高。但必須看到，我國已有的水文實驗覆蓋面較小、無法適應我國復雜的水文情勢研究，野外水文實驗更是少之又少，導致變化環境下水文模擬的基礎參數獲取更加困難，嚴重影響了水文模擬精度與水文模型發展水平。特別是越來越多“電腦水文學家”熱衷于通過電腦調參獲得理想的峰型匹配和效率系數，而很少關心較高效率系數背后的參數是否合理、其蘊含的機理是什么等問題。

（2）提升水文模擬水平的主要途徑

智慧水利給水文模擬提出了新挑戰，變化環境帶來了水文循環過程相應的巨大變化，數字孿生流域建設必須發展建立在水文實驗基礎上的高效率、低概化、符合我國復雜水情特點的中國水文模擬模型（通用模型）；同時，鼓勵、支持發展流域/區域定制模型，用以進一步精細反映所在流域/區域的水循環特征與規律。切實提升我國水文模擬水平，首要之務就是系統強化水文實驗工作。

①構建全國水文實驗站網。在把握全國水文情勢的空間異質性的基礎上，根據數字孿生流域建設目標，構建覆蓋我國大江大河及關鍵區域的國家水文實驗站網，涵蓋不同地理條件、人類活動干擾和景觀多樣性，并盡快發射水利專用衛星提供輔助與支撐。

②系統部署并積極開展多學科交叉的綜合觀測實驗，加強水文學、大氣科學、土壤學、地質學、生態學、地球物理、地球化學和同位素水文學等多學科協同研究，深刻揭示變化環境下水文循環過程中地球表層系統要素的相互作用及其演變機制。

③強化合作共享。野外水文實驗需要人力物力投入大，觀測數據來之不易，成果產出少且周期長，屬于純粹的公益事業，需要從資金投入、人才使用、評價導向等方面給予大力扶持；同時，統籌不同部門的水文實驗，形成合作優勢，共享實驗數據。

④突破重點領域。隨著全球工業化城市化的發展和生態環境問題的凸現，新的水文學分支應運而生，成為新的研究熱點和揭示水文循環新變化特征與規律的有力武器，水文實驗應加強對城市水文學、生態水文學的支撐。

2.并行算法

進入21世紀后，隨著洪水預報、非點源污染監控、水資源評價管理及氣候變化等方面研究的深入，對多學科交融、多過程耦合的分布式水文模擬提出了新需求；而分布式水文模型也隨著地理信息系統、數字高程模型、遙感等方法和技術的發展而形成熱點并取得顯著成效，應用門檻大幅降低，模擬范圍越來越大，時空分辨率趨于精細化。但是，傳統分布式水文模型所采用的串行計算方式，限制了模型模擬的時空范圍和精度，不利于進行多要素、多過程的耦合，難以支撐水文、氣候和生態等學科的深入研究，因此支持分布式模型的并行計算成為新的關鍵技術需求。目前加快并行算法開發的基礎條件已經成熟。硬件層面，使用集群系統的超級計算機和具有多核處理器的個人計算機被各研究領域廣泛應用，運算能力已由T級快速進入到E級時代，為并行計算提供了硬件支持；軟件層面，許多并行編程庫和標準接口（如MPI、OpenMP、CUDA、Hybrid等）開發制定，降低了并行計算的門檻；并行框架層面，2000年以來陸續有學者在對水文模擬過程離散化的研究基礎上，提出了一系列并行框架，為水文模型并行計算的實現提供理論依據。所以，科學推進數字孿生流域建設，需要研發并構建基于并行框架的多尺度耦合的分布式水文模型，以實現大規模跨尺度水文模擬。近期的突破方向可以考慮基于多種并行框架，使用細化的基本模擬單元計算復雜坡面的水文過程，使用多種層級的模擬單元區別計算多尺度（溪溝、中小河流、大江大河）的匯流過程，從而構建大規模跨尺度模擬的高性能分布式水文模型。需要強調的是，不同時空尺度上控制水文過程的物理規律不盡相同，必須根據實際問題和應用需求，選擇適合的時間步長與空間離散單元，充分利用高性能平臺的計算優勢進行模擬，并解析其特征與規律。

3.智慧決策支持平臺

變化環境帶來了水循環過程的復雜變化，經濟社會發展對水資源、水生態、水環境、水災害問題的應對與解決提出了新要求，這都對科學治水提出了新挑戰。數字孿生流域建設中的精準化決策便是應對新挑戰的具體體現。精準化決策，對數字化場景、智能化模擬都提出了高要求，而大尺度多功能多目標系統決策支持平臺則是精準化決策的必備載體。嚴格來說，智慧化大尺度流域水資源—水生態—水環境多目標調控管理與決策支持平臺，國內外都鮮有成功報道。目前國內城市尺度乃至更小尺度的水利/水務綜合平臺多為演示平臺，實用功能普遍比較單一、孱弱，其關鍵問題是不重視甚至忽視水文模擬模型的核心中樞作用，而重點關注很“好看”的演示功能；沒有強大的“發動機”（水文模擬模型），其結果只能“好看”不“好用”。科學推進數字孿生流域建設，實現精準化決策，必須高度重視智慧決策支持平臺的系統研發。

①轉變觀念。平臺建設必須務求實效，“好用”為先、兼顧“好看”，以標準體系引領和約束基層的治水平臺建設，減少低水平重復與資金浪費。

②在數字化場景、智慧化模擬的基礎上，強化治水基礎理論與方法、專家知識、人工智能的融合，尤應重視專家知識的獲取和正確應用；近期可關注自主深度學習、可視化仿真等技術的突破與應用。

③強化水利大數據應用。我國是水利大國，治水歷史悠久，積淀深厚；僅新中國成立以來的大型水利水電基礎設施就積累了不可多得、世界領先的海量數據，要高度重視這些來之不易、極其珍貴的大數據的保護、數字化與數據挖掘。我國水利水電大數據的大樣本，利用深度自主學習和訓練，可以大幅提升智慧水利模擬和預測預報的準確性。

三、結論與建議

智慧水利建設必須促進數字孿生流域建設全方位技術突破，以有效的技術進步、完備的保障體系保證數字孿生流域等價映射現實物理流域。數字孿生流域建設必須發展建立在水文實驗基礎上的高效率、低概化、符合我國復雜水情特點的中國水文模擬模型；同時鼓勵、支持發展流域/區域定制模型，用以進一步精細反映所在流域/區域的水循環特征與規律。水利系統應加強對水文實驗的支持力度，系統規劃并布局覆蓋大江大河及關鍵區域的綜合性水文實驗，為進一步深化水文過程機理與規律的認識、提升我國水文模擬水平提供基礎支撐。研發并構建基于并行框架的多尺度耦合的分布式水文模型，實現大規模跨尺度水文模擬基礎條件已經成熟且具有重要意義。

參考文獻：

[1]李國英.建設數字孿生流域推動新階段水利高質量發展[N].學習時報，2022-06-29.

[2]張建云，等.關于智慧水利的認識與思考［J］.水利水運工程學報，2019（6）.

作者:李宗禮 張宜清 邢子強 呂潔 黎銘 劉家慧 單位:水利部水利水電規劃設計總院 山東省水利勘測設計院有限公司