数字孪生流域建设

随着物联网、大数据、数字孪生等技术的蓬勃发展，利用新技术推进水利工程运行管理数字化、智能化已经成为当前水利工程信息化研究的热点方向。数字孪生作为实现物理世界和虚拟世界数据实时交互、融合的有效方法，引起了广泛关注和重视。

一、什么是数字孪生

数字孪生是克隆物理对象的虚拟仿真技术，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，集成传感器实时历史等数据，集成全面数字化描述物理对象的全生命周期过程(包含行为特征)。其基本特征架构为构建了物理空间与信息空间数据交互闭环通道，实现了虚拟体与物理体之间的交互联动，如下图所示：

数字孪生基本特征架构图

二、数字孪生技术的赋能价值

数字孪生是一种数字概念和技术手段，基于数据和模型集成和核心，通过数字空间实时构建物理对象精确数字映射。基于数据集成和分析预测模拟、验证、预测、控制物理实体生命周期过程，最终形成智能决策优化闭环。其赋能价值包括以下几个方面：

1、快速找到解决问题的办法

2、提早预见问题

3、精准预演隐形危险并能完全透明

4、系统性解决问题、细致周到

5、压实安全红线

三、数字孪生流域建设关键技术与实践应用

数字孪生流域建设是构建智慧水利体系、实现四预的核心和关键。

建设目标：利用数字技术构建一个“多尺度-分布式-多层次”的全面多维精细刻画及动态模拟流域全景过程的模型系统，实现对流域的数字化管理与智能决策。

数字孪生技术的实践应用

四、遥感技术在数字孪生流域和水利工程中的应用

遥感技术自20世纪80年代开始应用于洪涝灾害监测，目前已应用到旱情监测、水土保持监测、河湖监管、水生态环境监测评价等业务中。

遥感技术的应用

1、地下水监测

遥感技术在地下水中的应用研究已有近半个世纪的历史,但长时间以来一直应用于通过地质、地貌、植被来找寻地下水方面。

GRACE重力卫星可以提供全球尺度上阶次数达到120、时间分辨率为1个月或1周的地球重力场模型时变序，基于时变序列可以反演得到陆地水储量变化值，特别是对于数百km2和更大空间尺度，可以反演到平均小于1cm的陆地水储量变化。

地下水监测图

2、水深监测

地表水体面积并不是水资源量，除了有蓄水量、水位、面积关系曲线的水库或重要湖泊外，从面积转换到水量还必须解决水深的问题。

目前，就定性问题，例如同一水体深浅位置的问题，可以通过遥感技术来解决。就定量问题，水深在15米内时，遥感反演误差能控制在1米以内。

遥感技术在水库和湖泊的库容曲线的建立、修正和更新方面都已有较长的历史，其快速、低廉和能满足实用的精度具有很大的实用价值。

水深监测图

五、总结

“数字孪生流域建设”是2022年水利网信工作的重中之重，数字孪生与水的深化融合，是助力水文现代化的关键举措。近年来，云计算、大数据、人工智能等现代信息技术为水利发展向数字化、网络化、智能化转变提供了技术支撑条件，水利信息化建设取得积极成效，但网络安全防护能力和运行管理水平等方面仍有较大提升空间。未来，可通过加强数字孪生、大数据、人工智能等新一代信息技术与水利业务的深度融合，充分发挥信息技术支撑驱动作用，大力提升水利决策与管理的数字化、网络化、智能化水平，进而促进数字孪生流域建设。