在湖北省宜昌市秭归县拍摄的三峡大坝。王 罡摄（新华社发）
浙江省嘉兴市南湖区大桥镇工作人员实时监测水利数字化系统大屏数据。新华社记者 徐 昱摄
“水利一号”遥感卫星实施洪涝全局监测；无人机巡河，实时传回流域动态；堤坝、闸站、水库中数千个传感器不间断运转，水位、流量等数据秒级更新；数字孪生系统精准推演洪峰演进，为调度决策提供“智慧大脑”……“十四五”期间，各级水利部门按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，系统推进数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程建设，为流域安全、水资源调配、工程安全筑牢数字屏障，不断将创新成果转化为摸得着的民生福祉。
感知网络越织越密
“数字孪生水利不是简单的数字复刻，而是打造一个能监测、会分析、可预报的‘虚拟水利系统’。”浙江省水利厅厅长李锐举例，以水库为例，数字孪生体不仅能同步水位、库容等实时数据，还能给出汛期暴雨、干旱缺水等场景下的调度方案，为防洪调度、供水保障提供科学依据。今年6月，梅雨叠加台风“蝴蝶”，钱塘江中上游出现强降雨，浙江省提前24小时准确预报兰溪洪峰流量，为富春江、分水江等水库错峰调度提供决策支持。
变幻莫测的水沙条件，如同一道复杂的考题，要精准解题离不开强大的“智慧大脑”。
受近期陕西降雨影响，黄河中游泾河、渭河出现明显涨水过程，统筹考虑洪水防御和排沙减淤，9月8日9时起，水利部黄河水利委员会联合调度三门峡、小浪底等水库实施2025年黄河第二次调水调沙。
“我们统筹运用卫星遥感影像、无人机、测雨雷达、‘智能石头’，利用光电测沙仪等监测设备及水沙动力学、水工程调度模型，动态监测调控水库排沙与下游水沙变化情况，精准预测工程可能出现的险情及河势演变趋势，迭代优化调度方案。”水利部黄河水利委员会主任祖雷鸣介绍，根据数字孪生小浪底系统推演结果，此次调水调沙预计下泄水量约15亿立方米，可对黄河下游河道进行有效冲刷，为河道减淤和提升行洪能力提供有力保障。
如果说数字孪生是水利工程的“智慧大脑”，感知网络便是连接物理世界与数字空间的“神经末梢”。“以前山洪预警要等30分钟，现在15分钟就能精准推送，为群众转移抢出宝贵时间。”浙江省水文管理中心副主任童增来介绍，提升预警时效，核心在于加快数据采集传输速度。这些年，浙江对69个山洪灾害防治县的1.15万个重点村落逐一摸排，升级改造水文测站遥测终端，基本实现“镇镇有水位、村村有雨量”。
建设数字孪生水利体系是实现“推动水利高质量发展、保障我国水安全”的必由之路。目前，我国已基本形成涵盖31颗遥感卫星、100多部测雨雷达、4800多架无人机、13.3万处地面水文报汛站、30多万处工程安全监测点的“天空地水工”一体化监测感知系统。
“今年‘七下八上’防汛关键期，我们充分发挥‘天空地水工’一体化监测感知体系作用，建成了覆盖72类2600万水利对象的数字孪生平台数据底板，生成10米格网精度的全国数字流域水系，多维度掌握河道、水库、蓄滞洪区等流域下垫面、淹没面积、工程险情等动态变化数据，为水旱灾害防御决策提供了有力数据支撑。”水利部信息中心主任付静说。
水资源调配能力提升
9月13日23时，随着西辽河干流补水水头成功抵达安乐屯，与下游既有水面衔接，西辽河干流年内再次实现全线过流，流域生态环境持续向好。
在这场河流复苏行动中，为最大程度发挥每立方米水资源的作用，水利部松辽水利委员会持续完善“天空地水工”一体化监测感知网，进一步优化数字孪生西辽河功能，实现了对复杂水资源调度过程的实时感知、动态模拟、智能研判和精准决策。“数字孪生西辽河平台可实时汇集1.7万多处降水、地表、地下、取用水等监测站点的数据，滚动预演河道水流传播时间、组合流量、演进过程，优化调度水库蓄水、雨洪水、外调水和再生水，以求得调水最优解。”水利部松辽水利委员会总规划师林岚说。
数字孪生水利体系为水网调度提供了有力的数据保障。浙江省宁波市布设了超1.4万个监测感知点位，覆盖水库、供水等七大类水利工程，海量数据实时汇聚指挥中枢。在此基础上，宁波构建了“库群互联、三网协同”智慧水网体系，建成数字孪生水网系统，结合供水、雨水、污水“孪生三网”，实现“源头—水厂—龙头”全链条监管。
“输入100天供水需求，系统会自动优化水库、水厂调配方案，甚至规划备用水源启用。”浙江省宁波市水资源管理中心相关负责人周阳靖介绍，2024年抗旱期间，宁波通过数字孪生水网统筹水库蓄水、协调跨区域引水，累计向城区增供原水2100万立方米，将城区供水保证率稳定在99.8%。
在水资源管理领域，智慧化监测技术还在持续延伸应用触角。今年2月28日，南水北调工程安全度过第11个冰期输水阶段，其中南水北调中线工程较计划向京津冀多调水0.41亿立方米。
“以往调度多依赖经验判断与人工计算，如今依托智能调度业务应用平台，可实现输水能力自动评估与供水方案动态优化。”中国南水北调集团有限公司总经理孙志禹介绍，数字孪生南水北调中线系统构建了数理与机理相结合的水温及冰凌预报模型，融合了水力学、热力学等多学科算法，成功实现动态输水工况下冰盖生消演变的精准模拟。
如今，数字孪生水利体系通过统筹流域和区域生活、生产、生态用水，实现水资源精准预报、预警与调度，在不同来水与需水情境下优化配置方案，真正实现“精打细算用好水资源、从严从细管好水资源”。
科技成果加速应用
从“人防”到“技防”，从“间断巡查”到“实时监控”……当前，我国数字孪生水利建设已由积极探索、先行先试，进入全面深化推进和强化应用的新阶段。
一方面，“水利一号”遥感卫星组网并持续开展洪水、冰碛湖等监测工作，100多部水利测雨雷达组网运行。无人机搭载红外相机、激光雷达等，初步实现对堤坝等水利工程风险隐患的外部检测；机器狗、机器人加速应用于工程裂缝、渗漏等异常情况排查。
另一方面，研发应用水平持续提升，已研发“云—雨”降水预报模型、分布式洪水预报模型、水动力学洪水传导演进模型，进一步延长洪水预见期、提高预报精准度，为抵御流域性洪水提供了有力支撑。自主研发的太湖风浪模型在台风“竹节草”期间预测湖面最大倾斜与实测数据基本一致。甘肃、江西等地研发作物需水、渠系动态优化配水等模型，实现灌区作物高效节水灌溉。
付静介绍，今年“七下八上”防汛期间，通过研发短临降水预报模型、气象水文耦合模型和知识图谱，提前预测汛情。
流域防洪方面，初步建成七大流域防洪“四预”决策支持系统，主要江河关键期洪水预报准确率达90%以上。水资源管理与调配方面，在确保防洪安全的前提下科学拦蓄、调度雨洪资源，为太湖流域抗咸保供、珠江流域压咸补淡，以及京杭大运河生态补水等工作赢得主动。工程管理调度方面，通过在线监测和智能分析，在确保工程安全的前提下充分发挥工程综合效益。
建设数字孪生水利体系重在应用与实效。水利部部长李国英表示，要准确把握数字孪生水利体系建设面临的新形势新任务新要求，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”原则，加快构建“天空地水工”一体化监测感知系统，加强数据采集与归集共享，加快监测技术装备研发应用，加大科技支撑力度，对水利治理管理对象实施全覆盖、全空间、全要素、全天候监测感知，确保精准性、同步性、及时性。（记者 吉蕾蕾）
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