数字孪生永定河建设实践
数字孪生流域建设是智慧水利建设的核心与关键。2023年5月，水利部印发《加快推进永定河流域治理管理现代化工作方案》，将数字孪生永定河建设作为永定河流域治理管理现代化的主要标志，并列入数字孪生流域建设先行先试样板。目前，数字孪生永定河建设取得阶段性进展，相关成果应用于海河“23·7”流域性特大洪水期间永定河洪水的预报、演进、调度、复盘，并发挥重要作用，同时助力永定河全年全线有水的生态水量调度。
01、数字孪生永定河建设的背景意义
《永定河综合治理与生态修复总体方案》实施以来，通过上下游系统治理、协同治理，流域生态修复取得了显著成效。中国式现代化的新蓝图、京津冀协同发展的新部署、信息化发展的新应用、永定河流域水安全保障的新需求对加快推进数字孪生永定河建设提出了更高要求。
推进数字孪生永定河建设是落实国家重大发展战略的明确要求
国家“十四五”规划纲要明确要求，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。国家“十四五”新型基础设施建设规划明确提出，要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。《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》等都对数字孪生流域建设提出了具体明确的要求。落实党中央、国务院重大决策部署，必须大力推进数字孪生流域建设。数字孪生永定河建设是《永定河综合治理与生态修复总体方案》的重要实施内容，需要大力推进，打造数字孪生流域建设样板，助力永定河综合治理与生态修复，助推永定河流域经济社会高质量发展。
推进数字孪生永定河建设是适应现代信息技术发展的必然要求
进入新发展阶段，信息技术不断迭代升级。云计算、大数据、人工智能技术快速发展，为水利行业的数字化、网络化、智能化转型提供了先进技术条件；卫星遥感、无人机倾斜摄影、智能传感器、物联网等现代遥感和监测技术日趋成熟，为江河湖泊、水利工程在线监测提供了丰富的感知手段；理论建模、技术创新、软硬件升级整体推进，为水利智能分析研判和科学高效决策提供了强大技术支撑。需要充分利用云计算、数字孪生等新一代信息技术，大力推进数字孪生永定河建设，赋能永定河水资源统一调配、水旱灾害防御、生态保护治理等，提高永定河流域信息化、现代化管理水平。
推进数字孪生永定河建设是保障流域水安全的迫切要求
永定河官厅山峡源短流急，暴雨洪水突发性强，产汇流快，预见期短。在海河“23·7”流域性特大洪水中，卢沟桥断面洪峰2个小时内从1000m3/s涨至4650m3/s。亟须通过数字孪生技术，掌握洪水形成、演进和蓄泄机理，延长洪水预见期，提高防洪减灾能力。随着永定河综合治理与生态修复工作的开展，初步形成了“七库联调”“四水统筹”的流域水资源配置工程体系和多水源互济的供水格局，需要通过数字孪生永定河建设，为推进水资源节约集约安全利用提供智慧化决策支持。
推进数字孪生永定河建设是强化永定河流域治理管理的内在要求
水利部高度重视强化流域治理管理工作，明确要求把流域作为一个有机整体和基本单元，统筹上下游、左右岸、干支流，统筹全流域治理、全要素治理、全过程治理，强化流域统一规划、统一治理、统一调度、统一管理，全面提升流域水安全保障能力。目前，永定河已探索出一条以投资主体一体化带动流域治理一体化、促进政府与市场有机结合的流域治理新模式。随之而来的是流域水资源统一管理、流域河湖空间统一管控、流域协同治理等大量业务需求。要在强化流域统一治理管理制度框架下，大力推进数字孪生永定河建设，利用信息化、数字化、智能化工具，为永定河流域治理管理提供强大技术支撑。
02、数字孪生永定河建设的目标及任务
主要目标
建设数字孪生永定河，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全过程进行数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，重点支撑永定河流域生态水量调度和官厅水库下游防洪调度“四预”功能，兼顾河湖管理、工程管理等业务应用，赋能流域治理管理“四统一”，提高流域综合治理精准化决策水平。
建设任务
①完善水利感知。构建“天空地”一体化流域水信息感知网，实现流域水情、工情、水质、生态等要素信息的实时感知。
②构建数据底板。建设流域水利三维立体“一张图”与数据治理体系，实现物理流域与数字流域之间的动态交互与融合。
③构建模型平台。构建流域防洪、水资源调度、工程安全评价、遥感与视频识别等模型，实现水利治理过程智能化模拟。
④构建知识平台。重点挖掘生态水量调度、防洪调度等业务知识，构建流域治理管理知识体系。
⑤建设业务应用。建设流域防洪、水资源调度管理、河湖管理、工程管理等业务应用及其“四预”功能，实现业务管理精准化决策。
03、数字孪生永定河建设内容及初步成效
水利部海河水利委员会高度重视数字孪生永定河建设，认真落实李国英部长对数字孪生永定河建设的批示精神，按照水利部“十四五”数字孪生流域建设总体方案和先行先试工作要求，多次召开工作部署推进会，与永定河流域投资有限公司签署了《关于共同推进数字孪生永定河建设合作框架协议》，成立协调领导小组，开展数字孪生永定河建设工作。
目前，数字孪生永定河建设取得阶段性成效，初步实现了永定河流域水资源管理与调配“四预”功能和防洪调度“四预”功能，助力永定河2023年生态水量统一调度、水资源实时监测监控，以及海河“23·7”流域性特大洪水期间永定河流域洪水科学调度。
水利感知建设方面
利用物联网、北斗、遥感、无人机等监测技术，形成防洪、水资源调度、河湖管理、工程监管的多维智能监测体系，现已接入2000余处监测站点信息。其中，水量监测站1770处（雨量站969处、水文站337处、地下监测井464处），水质监测断面39处，水生态监测断面25处，各类视频监测点300余处；遥感监测永定河流域土地覆被情况；在海河“23·7”流域性特大洪水中，利用卫星遥感、无人机动态监测洪水过程及洪灾情况。
数据底板建设方面
建成了全流域15m分辨率DEM、0.8m分辨率DOM，960km骨干河道（洋河、桑干河、永定河、永定新河）0.5m分辨率DOM、间距1km河道断面，官厅水库以下骨干河道、永定河泛区、31处水利工程的优于8cm分辨率倾斜摄影，以及册田水库、官厅水库等7个骨干水利工程BIM模型。海河“23·7”流域性特大洪水后，复测了永定河三家店至屈家店168km骨干河道的0.5m分辨率DOM、间距500m河道断面等地形数据；制作了平面精度与天地图一致的流域水利专题图（包括河流、水库、湖泊、堤防、蓄滞洪区等水利对象），初步形成永定河流域水利三维立体“一张图”；汇聚永定河流域的水量、水质、水生态监测数据2100多万条，共享了57类5182个水利对象的基础数据、六大类业务数据、近20年流域市县经济社会数据、5TB空间数据等，初步构建永定河数据治理体系。
模型平台构建方面
构建水利专业模型
①防洪调度模型。构建了卢沟桥以上精细化分布式水文模型（单元平均面积为1km2）、山峡区间集总式水文模型、三家店至入海口河道二维水动力模型（单元网格为20m×20m）、重点工程（官厅水库、三家店枢纽、卢沟桥枢纽）调度模型等。在海河“23·7”流域性特大洪水期间，开展卢沟桥、固安河道断面的洪水预报，以及永定河蓄滞洪区的淹没与退水演算；灾后，采用测雨雷达的降水监测数据，对斋堂、青白口、卢沟桥断面的产汇流洪水进行复演，对固安、崔指挥营、邵七堤、屈家店河道断面的洪水过程复演。
②生态水量调度模型。构建了河道径流与水库入库流量预测模型、骨干河道一二维水动力模型、生态水量调度模型、生态补水效果评估模型等，实现永定河重要河道断面径流和水库入库流量未来一年内逐月预报，实现永定河骨干河道生态水量调度演算、水头演进、生态补水效果评估，支撑生态水量调度方案制定及调度过程监管。
③工程安全评价模型。构建了屈家店枢纽工程安全的多元回归模型、有限元模型、安全综合评判模型，基于水闸温度、变形、应力、渗流等监测数据，采用数值模拟计算温度场、变形场、应力场、渗流场等结构性态数据，预测工程安全风险。
构建智能识别模型
基于高清视频实时监控数据，利用AI视频算法，实现对水尺水位、水面漂浮物、突发环境事件风险源等各类水利视频监控对象的智能识别，为管理区内水文监测、水环境治理、施工现场管理等业务场景提供技术支撑。
搭建可视化模型
基于业务过程和决策支撑的仿真模拟需求，搭建可视化模型，建设自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备、“四预”过程五大场景类可视化模型，为场景模拟仿真提供实时渲染和可视化呈现，用于精准化工程调度与交互式数字孪生工作。
知识平台构建方面
汇集流域水利业务对象关联关系、业务规则、历史场景、专家经验和预报调度方案等知识，利用知识图谱等技术，重点挖掘生态水量调度、防洪调度等业务知识。已收集1939年、1956年、1963年、2012年、2023年的洪水历史资料、永定河防洪调度方案、防洪工程调度规则、干流水量分配方案、2019—2023年生态水量调度计划等，初步构建了防洪与水资源的知识体系。
业务应用建设方面
防洪调度
初步构建了官厅水库下游防洪数字化场景，基于防洪调度模型实现防洪调度“四预”功能，可预报河道断面洪水过程，预警大兴机场等重点防洪保护对象安全承受能力，预演卢沟桥等水闸枢纽、河道及堤防、永定河泛区的调度运用方式，优化防洪工程调度预案，辅助会商决策。
水资源调度
初步构建了永定河流域生态水量调度数字化场景，基于生态水量模型实现生态水量调度“四预”功能，可预报流域区域来水量与需水量，预警重要河道断面生态水量状况，预演骨干河道生态水量调度过程，优化生态水量调度预案，评估生态水量调度成效。
河湖管理
初步构建了河湖管理数字化场景，围绕河湖长制，动态掌握水域岸线、河道采砂、河湖库“四乱”（乱占、乱采、乱堆、乱建）等信息，实现河湖健康变化的预报预警。
工程管理
完成屈家店枢纽永定新河进洪闸的自动化控制改造，基于工程安全评价模型实现水闸工程安全的风险管控，基于BIM构建了屈家店枢纽工程管理数字化场景，实现工程安全分析、调度管理、巡查管护等功能，提高了工程运行管理水平。
企业运营管理
围绕永定河流域投资有限公司的高效运行管理，动态掌握企业组织、物资、合同、成本、财务、人事等信息，实现企业各部门、各分公司一体化管理，助力公司快速反应、紧密协作、良好运营。
水文化管理
利用数字化技术进行永定河历史变迁、水系历代治理、物质类文化遗产和非物质类文化遗产等水文化的采集、整理、存储、展示，初步分析人类活动对流域生态的影响。
04、完善数字孪生永定河的思考
下一步，水利部海河水利委员会将会同北京、天津、河北、山西、内蒙古水利（水务）厅（局）及永定河流域投资有限公司，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，完善数字孪生永定河的现有功能，重点增强防洪“四预”功能，全力提升数字孪生永定河建设，为永定河治理管理现代化赋能。
完善数据底板
接入气象卫星、气象雷达、测雨雷达、雨量站、水文站监测数据，补充山洪沟、蓄滞洪区、防洪影响区等基础数据，完善流域水利三维立体“一张图”。
完善防洪模型
完善卢沟桥以上精细化分布式水文模型及官厅水库以下二维水动力学模型、水利工程防洪调度模型、蓄滞洪区退水仿真模型。新建防洪反算模型，实现防洪调度快速模拟。新建溃堤、溃坝、堰塞湖、山洪通用模型，实现突发溃堤、溃坝、堰塞湖、山洪事件的洪水演进及灾害模拟分析。
提升防洪“四预”能力
充分考虑海河流域“63·8”“23·7”特大暴雨移植和历史大洪水考证，以及设定的不同洪水组合，开展多场景的洪水演进过程分析和水利工程调度模拟仿真，补充构建溃堤、溃坝、堰塞湖、山洪及多目标反算的预演功能，强化防洪“四预”能力提升。
提升水资源调度“四预”能力
完善不同来水条件下的径流预报模型，提高中长期径流预报能力。优化现有年度调度、季度调度、实时调度的业务功能，实现多场景组合下的水资源调度过程仿真预演，强化水资源调度“四预”能力提升。
