水利专业模型体系研究与模型平台推广
摘要：水利专业模型在数字孪生水利体系建设中扮演着关键角色，在防洪、水资源调配等水利核心业务管理方面具有重要意义。已开发的水利专业通用模型当前在各流域广泛应用，但仍存在专业性强、普适性差等问题。基于此，构建了兼顾通用与专用的数字孪生水利专业模型体系，提出模型物理机制优化、模型算法改进、人工智能赋能和监测数据动态互馈“四位一体”优化策略，同时通过模型集成与封装、建模工具建设、多模型耦合以及交互处理等模型平台构建关键技术研究，结合黄河下游洪水预报调度、丹江口水库水质推演等应用示范，展示了模型耦合应用实际成效。最后探讨了模型平台推广应用机制，通过采用分级部署应用方式，构建面向不同层级的共建共享应用机制，并结合业务需求，拓展动态化、分业务多模型耦合方案。
01、研究背景及方向
1.研究背景
数字孪生水利关键在“算”，重点在“演”。水利专业模型是实现数字孪生精准映射和虚实互动的核心。近年，我国在数字孪生水利模型建设方面取得阶段性成效，涵盖了多个领域的专业通用模型，并在重大防灾减灾工作中发挥了重要作用。然而，模型体系及平台在发展过程中仍面临诸多挑战，如模型类型复杂、映射关系不清、适配性分析不足等问题，限制了模型对业务的支撑能力。同时面对气候变化和人类活动加剧的挑战，传统水利专业模型在应对诸多水利业务工作时存在局限性。深入研究流域自然规律，充分利用大数据、人工智能等信息技术构建高保真水利专业模型，成为迫切需求。
针对现有水利专业模型体系进行系统梳理，以防洪业务为重点，建立模型与业务之间的映射关系，并在此基础上提出面向数字孪生的水利专业模型与平台优化策略，同时阐述了多模型耦合及其应用实践以及模型平台的推广应用策略。
2.模型平台建设概况
数字孪生水利建设关键在于构建包括机理分析模型、数理统计模型及混合模型在内的多种专业模型，为水利业务提供精细、量化的计算分析支持。水利部及各流域管理机构已开发了涵盖多个领域的水利专业通用模型，并广泛应用于防洪、水资源管理、水生态保护和水利工程运行等场景。这些模型结合地区自然地理条件、水资源特点及经济社会发展需求呈现出流域、区域特色。
国内外在模型平台建设方面均取得显著进展。国内平台以微服务和云平台架构为主，提供B/S架构在线计算服务，而国外平台如MIKE+、ANSYS系列则以C/S平台为主，正向网络化转变。这些平台均集成水文、水动力模型等常用水利专业模型，并逐渐增加地下水、城市管网等功能模块。然而，国内平台在建模工具、计算效率及用户社区等方面与国外平台相比仍存在一定差距。
综上，当前存在的问题主要包括：①业务与模型关系不清晰，模型的适配性分析不足；②模型预报精度和预见期不足，对水利业务支撑不够；③模型与应用紧耦合，建模过程复杂，模型应用难；④单模型无法满足需求，多模型耦合应用研究不足；⑤模型平台推广机制不完善。
3.研究技术路线
针对以上不足，分别从水利模型体系、模型优化、模型平台构建、多模型耦合、平台推广应用机制等方面开展研究，最终形成面向水利全业务应用的专业模型体系、面向数字孪生的水利模型（平台）优化策略、适用于不同层级的水利模型平台、复杂业务场景多模型耦合应用范式、适用于不同层级的模型平台推广应用体系等五个方面的成果，同时就未来的发展方向进行展望。
▲研究技术路线
02、水利专业模型体系研究
1.模型分类研究概述
水利部依据“一般共性业务+流域特殊问题”原则，构建了兼顾通用与专用的数字孪生水利专业模型体系。该体系分为通用模型和专用模型两部分，旨在全面覆盖水利领域的各类问题。通用模型针对水利共性问题，提供标准化的水流模拟、水质评估、水资源供需预测等方案。专用模型则根据特定流域或区域的条件定制，解决如冰凌预报、咸潮入侵、水土流失等特定水问题。
（1）通用模型
水利部本级组织各流域管理机构共同建设水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水土保持、水生态、水利工程安全等水利专业通用模型，其主要特点及应用领域归纳见下表。
▲水利通用模型分类信息
（2）专用模型
各流域结合本地区自然地理条件、水资源特点以及经济社会发展需求等因素，构建了具有流域/区域特色的模型，模型主要功能见下表。
▲流域/区域特色专用模型
2.模型对业务应用支撑研究概述
本研究聚焦于雨水情监测预报“三道防线”下的流域防洪场景，探究模型如何支撑“四预”（预报、预警、预演、预案）应用。以水利工程为核心，总体架构涉及区域降雨、产汇流水文、水利工程调度、洪水演进水动力模型等。
▲“三道防线”体系下防洪预报调度业务与模型的映射
（1）第一道防线
基于“空中雨”开展“四预”工作，模拟过程包括降雨、产汇流、工程调度以及洪水演进等过程。降雨预报精度和预见期直接影响后续的水文预报、工程调度和洪水演进模拟，从而进一步影响后续预警、预演和预案。因此本阶段重点是降雨的预报和预警，同时通过多源融合（多类模型、多种模式融合）、多目标耦合（正向反向分析、多库联合、多个模型输入输出耦合串联）、多要素平衡（精准度、预见期、专家经验）模拟分析，完成预演、预案，为决策调度提供“最快”方案，实现水库、水闸等控制工程“前瞻性”调度。
在降雨阶段，基于气象卫星、测雨雷达的监测数据，采用区域降水模式预报模型开展降雨预报，可以实现短临、中期、长期的预报结果。在产汇流阶段，根据降雨所在区域及下垫面条件不同，可以选择适用于降雨区的模型，包括集总式水文模型、分布式水文模型、数理统计模型等，同时可以对多种水文预报模型采用集合预报。在工程调度阶段，基于产汇流数据确定水库调度的入库流量边界，并结合预报和工程安全监测数据作为边界条件，选取合适的水库调度模型，包括单库调度、多库联合调度、正向和逆向计算等功能。在工程调度后，可以采用洪水演进模型进行下游洪水的预报和预演，可用的模型有一维水动力、二维水动力、一维二维耦合水动力模型，其中一维水动力模型主要用于不漫滩洪水，二维水动力模型主要用于漫滩洪水，一维二维耦合水动力模型兼顾了模型计算效率和功能。
（2）第二道防线
基于“落地雨”开展“四预”工作，重点关注水文预报、预警以及工程调度和下游洪水预演。
在产汇流阶段，基于地面雨量站实时监测，利用数据同化模型优化水文预报结果，使得水文预报结果更为精准。在工程调度阶段，以入库流量、工程安全、下游过洪能力作为边界条件，利用调度模型进行调度方案计算模拟。在洪水演进阶段，通过工程调度与洪水演进的正向-逆向-正向耦合预演，实现水库、水闸等控制性工程精准调度。
（3）第三道防线
基于水文站开展“四预”工作，该阶段重点基于洪水演进预演成果，制定精确、可行的预案。充分融合水文站水文监测数据、监控视频、无人机和遥感实时数据，通过工程调度模型、洪水演进模型融合模拟分析，高效预演并快速生成预案，为决策调度提供多目标、多条件下的最优方案。
水利专业模型作为“三道防线”重要组成单元，通过多目标、多层次、多阶段、多业务的精准模拟分析，促进预报、预警、预演、预案的精准生成。
3.模型的适用性改进策略
模型适用性受区域环境、水利业务及资源限制影响，主要因素包括区域气候、下垫面条件、实测资料获取和业务场景等。
（1）传统水文模型的区域适用性优化改造
传统水文模型的特点和原理决定了它们仅在一定的区域条件下适用。为了提高这些模型在不同区域的精度和适用性，需要针对模型机理进行深入研究，并结合各地区的区域特征，对模型进行优化改进。
实例1：网格型新安江模型改进。在传统新安江模型基础上融入分布式手段，进一步考虑降雨与下垫面空间分布不均匀性的影响，模型以每一个网格为计算单元进行产汇流计算，并基于下垫面特性的分布信息推求参数的空间分布。因此，模型在输出流域出口断面流量过程的同时，也可输出流域上任意网格单元的流量过程，从而拓展了适用性。
▲网格新安江模型网格单元流量过程
实例2：新安江模型产流模块改进。新安江模型采用蓄满产流原理，理论上主要适用于湿润及半湿润地区。陕北志丹流域处于中温带半湿润半干旱地区，为此对三水源新安江模型进行改进，增添了半干旱地区超渗产流计算，重点考虑未蓄满面积上超渗地面径流的产生与汇集过程。经改进后，该模型在志丹流域的径流深模拟合格率大幅提升，达到88.9%，拓展了模型的适用性。
（2）水利模型组件化与快速建模
水利部信息中心采用组件化、工作流、面向服务架构及容器技术，实现模型功能拆分与组件化，便于根据业务需求快速构建特定场景模型。如根据流域产汇流特点选取相应组件组合编排，构建适用模型。
▲组件化快速构建适用模型架构
（3）资料缺乏地区模型适用性改进
针对资料缺乏地区，采用遥感解译技术提供长周期监测数据，支持模型构建与参数率定；通过参数移植技术，将有资料地区率定的模型参数移植至相似无资料地区，经验证后快速适用；结合人工智能技术，构建感知流域特征的AI模型，迁移学习有测站区域径流规律至无测站地区，融合水文模型，解决洪水预报问题，提升模型预测能力与泛化能力。
03、基于数字孪生的水利专业模型优化
1.模型效能提升
（1）模型效能提升的技术瓶颈
水利专业模型在实际应用中面临计算精度、效率、预报精度及预见期等技术瓶颈。流域产汇流方面，集总式水文模型因无法感知下垫面信息而难以准确模拟复杂流域情况。分布式水文模型虽考虑流域特性但数据需求量大，监测体系难以满足，导致应用受限。河道水流演进方面，集总式水文模拟方法仍占主导，但水动力学模型因计算复杂、数据缺乏等，应用场景有限。在特殊场景如分洪溃口、动库容计算等，水动力学模型展现出精细模拟水流动力学特征优势，为复杂情况提供技术支持。因此需解决数据获取、模型计算效率等问题，提升水利专业模型实际应用效能。
（2）模型效能提升策略
聚焦数字孪生水利专业模型效能提升，提出模型物理机制优化、模型算法改进、人工智能赋能和监测数据动态反馈的“四位一体”优化策略。
①模型物理机制优化。深入探究水循环及其多物质输移过程，为模型优化提供理论支撑。深化流域水文与地貌特征研究，探索黄土高原等区域的精准模拟方法。加强坡面产沙与溯源冲刷研究，提升水文模拟精度。同时，探索山区河流高坝大库下游河床冲刷过程，发展水流-泥沙-河床演变的综合模拟框架。此外，还需开展高含沙水流环境下污染物过程及冰体热力生消等模拟方法研究，以全面优化模型物理机制。
②模型算法改进。基于有限元与非结构化垂向网格，开发精细化三维水动力模型。该模型采用有限元离散方法，更好地适应复杂几何形状与边界条件，同时利用新型非结构化垂向网格，更贴合实际水体和河床地形。
基于国产CPU/GPU平台研发“多节点-多GPU”大规模分布式异构并行计算水动力模型，用于高效求解流域尺度二维、三维水动力方程及其伴随输移过程，实现对大规模网格洪水过程的快速模拟。
在溃坝、决堤模拟中，融合大涡模拟（LES）和新一代涡识别技术，提高模拟精度。通过高速并行计算技术，捕捉多尺度湍流结构，更真实地反映水流特性。
③人工智能赋能机理模型。利用深度学习技术改进传统机理模型的参数化方案。通过收集大量观测及实验数据，训练深度学习模型，挖掘数据潜在规律，优化参数化方案，提高模型精度。
对于复杂的物理过程，构建深度学习混合模型。利用深度学习模型学习复杂的非线性关系，与机理模型结合，构建混合模型，以更准确地模拟某些过程，如预测海洋涡旋的演化过程，或模拟藻类的生长速度等。
④监测数据动态反馈。将雨水情监测预报“三道防线”数据与洪水预报模型耦合，提升预报精度和预见期。第一道防线获取天气信息，作为模型输入的早期宏观数据；第二道防线监测落地雨及产汇流数据，对预报进行细化调整；第三道防线监测水位、流量等数据，为模型提供精准实时支撑。
利用卡尔曼滤波法和三维、四维变分同化技术，充分挖掘和融合多源观测数据，构建适合的流域模型。通过对周边地区观测数据的合理外推和插值，结合物理原理和统计方法，挖掘潜在水文规律。同时利用卡尔曼滤波法进行动态分析和趋势预测，借助三维、四维变分同化技术将实时观测数据融入模型中，不断更新模型状态，提升预报精度。
2.模型对数据底板的拓展需求
为提高数字孪生水利专业模型的实时性与动态性，数据底板需满足更高的数据供给和服务需求。具体包括：
①时空多源异构数据处理。数据底板应整合复杂多样的多源异构数据，统一时间、空间分辨率，简化模型数据提取过程，提升效率。
②多维数据集构建与管理。构建针对模型所需的多维数据集，采用定制化、标签化管理，实现数据集动态调整更新，支撑全面快速分析。
③预演可视化与快速迭代分析。建立数据底板与水利专业模型、可视化模型间的快速迭代加载通道，实现模拟结果的快速展示、分析、反馈与迭代，提升应用效果。
④全过程全周期管理。对数据底板中的模型数据进行全过程、全周期管理，监控数据状态及变更，形成跟踪链路，构建溯源机制，确保数据完整性、一致性与准确性。
在模型准备阶段，数据底板处理多源异构数据，简化数据获取与处理过程。在模型率定阶段，调用多维数据集为模型提供成套数据支撑。在模型运行阶段，通过快速加载迭代引擎提供高效数据缓存机制，满足数据同化、快速迭代需求。此外，数据底板还为模型后期更新维护提供持续数据支撑，保障数据的实时性、一致性与可追溯性。这些功能共同支撑了数字孪生水利专业模型的高效运行与精准预测。
04、水利专业模型平台构建关键技术
针对水利专业建模过程复杂、模型应用难、多模型耦合应用等问题，通过构建模型平台，为模型提供标准化封装和模型组件服务，以工作流的方式实现对水利专业模型的组耦合应用，提升水利专业模型的可复用性和易用性。
1.模型平台设计原则
构建数字孪生水利模型平台需遵循通用性、可扩展性、可操作性和可维护性原则。通用性要求标准化接口和模块化设计，确保数据与模型的无缝对接和灵活复用。可扩展性强调开放式系统架构和灵活参数设置，便于未来功能扩展和第三方服务集成。可操作性注重用户友好界面和自动化流程，简化操作并提升模型使用效率。可维护性通过模块化设计和详尽文档支持，简化维护过程并为长期升级提供便利。
2.模型平台总体架构
数字孪生水利模型平台调用数据底板资源为业务应用提供实时滚动、多模型耦合及多用户并发计算支撑。平台主要由模型库和模拟仿真引擎组成。模型库涵盖水利专业、智能识别和可视化模型，满足多样化需求。模拟仿真引擎负责模型管理和仿真功能实现，包括标准化改造、集成封装、计算管理及服务管理等。本研究聚焦水利专业模型管理和调用，平台总体架构如下图所示。
▲水利专业模型平台总体架构
3.模型平台技术架构
模型平台基于微服务体系架构开发，实现水利和智能识别模型的组件化，并提供统一注册与发布服务。技术架构分为基础架构服务、后处理服务、模型中台、网关、对外服务、运维及服务治理。其中，基础架构服务为其他服务提供支撑，模型中台负责模型计算与配置管理，网关提供对外接口，对外服务实现平台开放性，后处理服务处理模型输出，运维及服务治理确保平台稳定与可用。此架构使模型在云平台上高效、可扩展且易于管理，实现模型从入库到可视化的全流程管理，并通过统一的封装、注册及发布标准，基于云服务环境，满足模型建设、改造或升级需求。如此的设计可确保平台灵活应对各种水利模拟需求，为数字孪生水利的建设提供坚实基础。
▲水利专业模型平台技术架构
4.模型平台关键技术
模型平台构建的核心技术涉及模型集成与封装、建模工具建设、多模型耦合以及交互处理等关键领域。
（1）模型集成与封装
模型标准化包括输入与输出的标准化，是集成与封装的基础。输入标准化确保驱动模型的数据集结构统一，包括建模要素、初始条件、模型参数等；输出标准化则定义反映模型运行结果的数据集，分为基本输出和拓展输出，如流量时序、平均雨量过程等，采用NetCDF或JSON格式存储，以支持多维科学数据的传递、压缩及并行操作。
模型封装旨在简化使用与部署，提供友好、高效且安全的接口。封装形式灵活，可由模型提供方按平台标准自行封装，或由平台开发者负责封装服务。封装后的模型具备清晰的对外接口，保障数据安全性，提升代码复用性、灵活性和扩展性。
（2）模型建模工具
集成建模工具实现在线快速建模，提升效率。平台提供通用及专业模型的数据预处理工具，如填洼、流向计算、流域形状提取等，支持水文、水动力等模型的快速构建。对于专业模型，如工程安全有限元模型，平台通过集成工具算法镜像，实现配置及使用，满足多样化建模需求。
（3）多模型耦合技术
面对复杂物理过程和多要素模拟的挑战，多模型耦合成为关键。模型平台支持堆叠式和联合式耦合，前者适用于有明确顺序的模型计算，后者适用于时间上需要交互的多模型组合。通过Kubernetes、耦合接口和转换程序协作，实现模型顺序耦合的编排、配置和时空连接。模型既可作为组件提供智能决策支持，也可形成耦合体系，提供整体解决方案。
（4）模型平台的交互处理
模型平台的高效交互处理能力是其核心优势。与数据底板和知识平台的交互显著提升了计算精度和应用智能化水平。
与数据底板的交互中，模型平台通过调用数据服务，实现快速建模、实时滚动计算等功能，快速响应边界变化，提升计算精度。基于全国水利一张图数据，利用在线建模工具快速完成模型数据预处理，优化建模流程。实时监测数据的调用则支持模型实时滚动计算和数据同化校正，提升应用效果。
与知识平台的交互中，模型平台提供API接口，使业务应用人员专注于业务应用，提升智能化水平。以水文模型为例，通过整合注册模型计算数据和方案至知识平台，大模型在对话中理解用户调用需求，提取关键时间、空间参数，调用水文模型并返回结果，综合回答用户问题。
05、水利专业模型耦合应用示范
聚焦流域防洪、河口风暴潮防御、水源地水质安全保障等典型业务场景，通过黄河下游洪水预报调度、丹江口水库水质推演过程模拟、丹江口水库工程安全性态模拟等典型案例介绍，为同类型的数字孪生水利项目提供参考。
1.黄河下游洪水预报调度耦合计算
以黄河下游洪水预报调度为例，利用水文预报模型、水库调度模型及二维水沙演进模型，模拟了从小浪底水库的入库来水预报、出库调度决策到黄河下游洪水演进的全过程。计算区域始于三门峡下游站，计算入库流量，随后洪水经过小浪底水库调节后出库。洪水汇流至花园口后，启动黄河下游二维水沙模型，模拟洪水发展演化过程。
▲黄河下游洪水预报调度耦合计算区域
（1）模型耦合
①多模型耦合集成。目前，黄河模型云平台集成了水文预报模型、水库调度模型及二维水沙模型。在该模型平台上，可实现洪水预报模型、调度模型及洪水演进模型之间的耦合。
②多模型耦合计算。在黄河模型云平台中，对于多个模型耦合形成的复杂流式计算任务，需要借助后端的调度计算引擎，对于不存在依赖关系的模型可并行进行计算，系统自动调用算力资源，并依次完成整个工作流的模型计算任务。
（2）应用成效
采用黄河流域模型平台对2021年黄河流域罕见的华西秋雨进行复演计算。采用黄河三门峡至花园口区间降雨径流模型，结合上游来水和区间汇流开展小浪底水库的入库预报；采用黄河勘察设计研究院研发的水库调度模型，对小浪底水库入库洪水的调度过程进行计算；采用黄河水利科学研究院研发的二维水沙模型，对黄河下游洪水演进过程进行计算。演算结果表明，在2021年秋汛洪水中，当时的调度方案能够削峰，且下游各断面流量均满足主槽过流能力，没有漫滩出现。该结果与实际观测数据相符，验证了相关模型的有效性。
2.丹江口水库水质推演过程模拟
数字孪生丹江口工程在水质安全方面研发了河库系统全域一维、二维、三维耦合高效高精度水动力水质模型，攻克了复杂水域陡峭深水区压力梯度误差导致水流水质模拟精度低的技术瓶颈，实现水力调控-水流结构调整-污染物输移扩散过程互馈的水质精准快速模拟。
（1）模型耦合
针对丹江口水库调蓄型深水库水质分层明显、入库河流多、水质安全隐患点众多及污染物类型多样等特点，长江科学院、南水北调中线水源公司等单位研发了入库河流一维水动力水质模型、突发水污染事件二维水动力水质模型、调蓄型深水库高效高精度三维水动力水质模型。开发了基于Service的独立低耦合、高可配模型通用化封装技术及标准化接口，通过一维、二维、三维水动力水质模型耦合，实现整个水库水质推演和突发水污染事件快速推演功能。
▲数字孪生丹江口水质安全模型耦合结构
（2）应用成效
数字孪生丹江口水质安全板块实现了库区三维水动力水质滚动计算，支持突发水污染事件快速模拟。平台复演了2023年泗河排污口偷排污水事件和丹江荆紫关锑污染事件，并每日自动推演库区氮磷水质浓度场三维分布情况，实现短时间内污染物输移扩散的精准研判，有力保障突发污染事件下库区水质安全。
3.丹江口水库工程安全性态模拟
丹江口大坝由混凝土重力坝和土石坝组成，混凝土坝布置于河床，两岸布置土石坝。数字孪生丹江口工程先行先试阶段选取9个代表性坝段，研发混凝土重力坝和土石坝有限元多物理场耦合仿真大坝模型，实现大坝温度、应力、变形、渗流、结合部位状态及大坝的整体抗滑稳定在线模拟和预警，有效提升大坝安全预警准确性和规范性。
（1）大坝安全模型构建路线
丹江口大坝安全数字孪生体应能及时准确地反映真实大坝安全性态的变化。针对混凝土坝的抗滑稳定、应力、新老混凝土结合状态等关键问题，构建混凝土坝温度场-渗流场-应力应变场耦合的三维有限元仿真模型，研发了耦合坝体应力场、渗流场的大坝抗滑稳定动态分析模型。针对土石坝的渗流、变形等关键问题，构建了土石坝渗流场-应力应变场-变形场耦合的三维有限元仿真模型，研发耦合坝体渗流场的坝坡抗滑稳定动态分析模型。数字孪生丹江口大坝安全模型耦合结构如下图所示。
▲数字孪生丹江口大坝安全模型耦合结构
（2）应用成效
大坝安全模型采用三维有限元仿真分析技术，克服了传统预演分析耗时长、及时性差的短板，实现大坝结构性态的实时在线推演。1分钟内便能以大坝的即时结构性态为起点，完成预测工况和特征水位下大坝安全性态的演算，实现对重点坝段多场景状态下的安全运行状态预测、预演、预警。平台每日自动推演大坝安全性态，实现了2023年汉江秋汛复演及170m蓄水过程大坝性态的同步跟踪与动态推演。
06、模型平台推广应用机制
随着数字孪生水利建设推进，模型平台推广成为关键。构建面向不同层级的推广应用机制，可提升建设质量，降低成本，增强平台支撑力，提高模型精准度和预见期。
1.模型平台分级部署应用方式
采用分级部署应用方式。水利部层面由水利部信息中心牵头，联合七大流域管理机构，实施“1+7+X”模式。水利部负责通用模型及标准制定，流域管理机构、省（自治区、直辖市）、地级市建设专业模型，形成实例，并为下级提供标准版模型。
▲不同层级水利模型平台之间关联架构
以山东省为例，采用“1+N”模式，通过省级统筹、省市共建模型平台，统一建设标准版，建设省级数字孪生水利项目实体模型，实现模型集成、管理、场景配置和模拟仿真功能，支撑多业务“四预”应用。结合区域特色，集成开发水利专业模型算法库，制定技术要求、模型结构、数据和接口标准，便于集成复用。
2.共建共享应用机制
（1）水利部与流域、省级平台共享
水利部构建通用模型库，流域管理机构和省级平台可共享调用，并根据需求实例化模型，应用于数字孪生项目。同时，反馈使用情况，协助完善模型，迭代升级算法。此外，各级模型应用成果也可共享，提升模型适用性和可靠性。
（2）省级与市级平台共享
省级平台在共享水利部通用模型基础上补充建设本省通用模型库，搭建具备多项功能的模型平台，面向市级构建统一、标准化模型平台；市级在此基础上构建适用于本层级的实例化模型。省、市两级间实现模型通用算法、实例化模型及应用成果共享共用。
（3）省（市）平台与数字孪生水利工程共享应用
数字孪生水利工程项目可依托省（市）级模型平台提供的算法和功能构建实例化模型，并注册到平台统一管理。模型预报结果可作为服务发布到平台，实现项目与平台间的共建、共享、共用，为“四预”应用提供支撑。
（4）模型平台知识产权保护与共享机制
水利专业模型平台的知识产权保护与共享需平衡，主要措施有：①制定详细规章制度，明确保护范围、各级责任和义务。根据知识产权类型采取不同保护措施，如模型设计、算法、数据结构、软件代码等。各级负责本级自建平台知识产权，上级下发的标准版平台由下发单位负责。②建立共享开放激励机制，鼓励科研机构开放模型及算法，采用多种方式向高校、企业、政府部门开放使用，通过反馈结果不断优化模型结构，迭代升级算法。
3.分业务多模型耦合方案
模型平台需结合业务需求，通过算法耦合形成实例化构建方案。此过程专业性强、耦合难度大，部分单位构建的模型效能不佳，难以实现“四预”目标。针对中小河流、市县级水网等，尚未形成有效的多模型耦合标准化方案。应在现有体系基础上，拓展动态化、分业务耦合方案。各级平台可直接调用标准化耦合方法，或在此基础上集成新建模型，满足业务需求。分业务多模型耦合流程见下图。
▲分业务多模型耦合流程
07、总结与展望
在深入研究水利专业模型基础上，构建兼顾通用与专用的数字孪生水利专业模型体系，并建立模型与业务之间的映射关系；针对模型计算精度和效率问题，提出基于模型物理机制优化、模型算法改进、人工智能赋能和监测数据动态反馈的“四位一体”优化策略；提出基于水利部模型技术标准的开放式模型平台构建方法，实现快速建模和多模型耦合，加强了与数字孪生平台的互动；在流域防洪、河口风暴潮防御等典型业务场景中，形成多模型耦合应用范式，可为同类项目提供参考；构建适用于不同层级的推广应用体系，以及共建共享机制和分级部署方式，有助于模型平台的广泛应用。
今后将继续从模型效能、平台优化和推广应用方面深化研究：①深化模型效能。加快模型机理分析方面的自主创新，优化模型架构算法；融合多源异构数据，提升模型在复杂地形和气候条件下的精度和适应性；借助实时数据同化，提高预报精度，延长洪水预见期。②模型平台持续迭代优化。深化细化模型数据标准、接口标准，开展建模流程标准化；快速建模、参数调整、算法优化等方面持续迭代优化，提升模型易用性、可靠性；利用数据底板和监测感知数据提升模型精度和时效性；深化与知识平台的交互能力，利用大模型赋能提升模型应用水平。③平台应用模式转变。构建面向社会开放的水利模型算法研究联盟，采用多种方式向高校、企业、政府部门开放使用；从单一提供模型算法服务向提供算法和模型构建方法融合服务转变，为不同层级、不同类型、不同业务提供全方位、立体化服务。
致谢：本研究是首届水利部卓越水利工程师培养工程（数字孪生水利班）五位学员于培训期间，在蔡阳、朱跃龙、陈永平、连炎清等导师指导下完成的，导师对论文提出了许多宝贵建议，在此表达诚挚谢意。
