水利部將推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展的六

條路徑之一。

數字孿生水利建設是推進智慧水利建設的實施措施。

水

利部近兩年先后從行政、

規劃、

工作、

技術四個層面制定印發了系列

文件，明確了推進數字孿生水利建設的時間表、

路線圖、

任務書、

責

任單。

完成了頂層設計。數字孿生水利建設是一項技術難度大、

管理復雜的系統工程，存

在技術和管理方面的難點，水利部通過開展技術攻關和先行先試，探

索了解決難點的思路舉措。

第二部分把握數字孿生水利建設的重點與難點第一部分把握數字孿生水利建設的目標任務目錄

四三二一為什么形勢要求是什么定義定位怎么建實施路徑建什么目標任務

一

定義定位—定位智慧水利——全局性大目標，是水利高質量發展的顯著標志，是大方向和趨勢。

推進智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展的六條路徑之一。數字孿生水利——實施措施，統籌建設數字孿生流域、

數字孿生水網、

數字孿生水利工

程，構建具有

“

四預”功能的數字孿生水利體系。u第一層：明確發展方向，即智慧水利u第二層：實施措施，即建成具有

“

四

預”功能的數字孿生水利體系u第三層：主要任務，即

“

三個孿生

”

和”2+N”業務“四預”

數字孿生水利是充分運用物聯網、

云計算、

大數據、

人工智能、

虛擬現實等新一代信息技術，建設數字孿生

流域、

數字孿生水網、

數字孿生水利工程等新型基礎設施，實現流域防洪、

水資源管理與調配等

“2+N”業務應用

“四預”（預報、

預警、

預演、

預案）功能的綜合體系，提升水利治理管理數字化、

網絡化、

智能化水平，為新階

段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。數字孿生水利工程是以物理水

利工程為單元

、

時空數據為底座

、

數學模型為核心、

水利知識為驅動

，

對物理水利工程全要素和水利治理

管理活動全過程進行數字映射

、

智

能模擬

、

前瞻預演，與物理工程同

步仿真運行、

虛實交互、

迭代優化

，

實現對物理工程的實時監控、

發現

問題、

優化調度的新型基礎設施。數字孿生水網是以物理水網為

單元、

時空數據為底座、

數學模型

為核心、

水利知識為驅動，對物理

水網全要素和水利治理管理活動全

過程進行數字映射、

智能模擬、

前

瞻預演，與物理水網同步仿真運行、

虛實交互、

迭代優化，實現對物理

水網的實時監控、

聯合調度、

風險

防范的新型基礎設施。數字孿生流域是以物理流域為

單元、

時空數據為底座、數學模型

為核心、水利知識為驅動，對物理

流域全要素和水利治理管理活動全

過程進行數字映射、智能模擬、

前

瞻預演，與物理流域同步仿真運行、

虛實交互、迭代優化，實現對物理

流域的實時監控、

發現問題、

優化

調度的新型基礎設施。一

定義定位—定義

預報基本內涵是以流域為單元，遵循客觀規律，在總結分析典型歷史事件和及時掌握現狀的基礎上，根據業務

需求，采用基于機理揭示和規律把握、

數理統計和數據

挖掘技術等數學模型方法，對水安全要素發展趨勢做出

不同預見期（短期、

中期、

長期等）的定量或定性分析，

提高預報精度、

延長預見期。預警基本內涵是制定水利災害風險指標和閾值，拓寬預警信息發布渠道，及時把江河洪水、

山洪災害、

漬澇災

害、

工程災害、

干旱災害、

冰凌災害、

供水危機、

水域

空間占用、

水生態環境危害及相關次生災害等預警信息

直達水利工作一線和受影響區域的社會公眾，及時采取

應急處置措施，做好防災避險準備。預演基本內涵是在數字孿生流域中對典型歷史事件、

設

計、

規劃或未來預報場景下的水利工程調度進行模擬仿

真，正向預演出風險形勢和影響，逆向推演出水利工程

安全運行限制條件，及時發現問題，提出防風險措施

，

迭代優化方案。預案基本內涵是依據預演確定的方案，預案的基本內涵

是依據預演確定的方案，制定執行預案，主要包括水利

工程運用次序、

時機、

規則和非工程措施，明確調度機

構、權限和責任，以及信息報送流程和方式等，并組織

實施。一

定義定位—定義

首先，流域是降水自然形成的以分水嶺為邊界，以江河湖泊為紐帶的空間單元。

水的自然屬性決定了由流域內上下游左右岸干支流，地上地下的自然聯系，形成了天然的水系整體，流域內

山、

水、林、

田、湖、

草、沙等各生態要素緊密聯系，相互影響，相互依存，構成了流域生命共

同體，所以強調要以流域為單元。其次，我國水管理體制是以流域為單元的，全國層面設置七大流域管理機構進行流域管理，

地方也在轄區設置不同級別的管理機構管理重點河湖，所以強調要整個流域統籌考慮。再次，水利是一項涉及大尺度、

多領域、

全要素的工作，不可能在物理流域中試驗不同方

案，只能在數字空間進行反復預演，經過綜合評估分析后選擇最優方案，運用到實際工作中。二

形勢要求—內在需要

水利的特點決定--流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性

水利是經濟社會發展的基礎性行業，面向高質量發展的要求，亟需以技術創新為驅動，推動傳統

水利的轉型升級，提高水利治理的質量和效能。智慧水利是水利高質量發展的顯著標志。智慧

水利建設是推進新階段水利高質量發展的6條實施路徑之一。因此，通過數字孿生技術對物理流域、物理水

網、物理工程的實時監控、發現問題、優化調度

，

最終達到風險提前發現、預警提前發布、方案提前

制定、措施提前實施的目的。六條實施路徑：一要完善流域防洪工程體系，二要實施國家水網重大工程，三要復蘇河湖生態環境，四要推進智慧水利建設，五要建立健全節水制度政策，六要強化

體制機制法治管理。二

形勢要求

水利現狀和需求決定

數字孿生水利：建設數字孿生流域、數字孿生水網、

數字孿生水利工程等新型

基礎設施，實現“2+N”業務應用“四預”

功能的綜合體系，為水利決策管理提供前

瞻性、

科學性、

精準性、

安全性支持，為

新階段水利高質量發展提供有力支撐和強

力驅動。

數字孿生水利體系主要由數字孿

生流域、

數字孿生水網、

數字孿生水利工

程、

業務應用，以及網絡安全體系和保障

體系構成。三

目標任務—目標

（一）總體框架

數字孿生水利體系結構算

力至

“十四五”末期，建成七大江河數字孿生流域；骨干水網中的數字孿生南水北調中線基本建成，省級數字孿生水網取得突破；大江大河重要控制性樞紐基本建成數字孿生工程；在重點防洪地區實現流域防洪“四預”，在跨流域重大引調水工程、

跨省重點河湖基本實現水資源管理與調配

“

四預

”，

N項業務智能應用水平大幅提升；數據共享和網絡安全防護能力明顯增強；為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。三

目標任務—目標

（二）建設目標新建升級改造

算

法算

據按照

“

突出重點

、

急用先建”的原則進行建設，

“十四五”期間主要建設：長江

、

黃河

、

淮河

、

海河、

珠江、

松花江、

遼

河

、

太湖等干流，

180條

主要支流及重點河流，20

個重點湖泊。三

目標任務—任務

（三）數字孿生流域

按照

“規劃先行、

先導推進

”的原則，“十四五”期間：骨干水網：基本建成數字孿生南水北調

中線，積極推進數字孿生南水北調東線；省級水網：推進廣東、

浙江、

山東、

江

西、

湖北、

遼寧、

廣西等第一批省級先導區

數字孿生水網建設，并取得標志性成果，積

極推進第二批以及市、

縣級數字孿生水網建

設。三

目標任務—任務

（四）數字孿生水網

按照

“重點提升、

同步

新建

”

的原則進行建設，

“十四五”期間主要建設：123個重點水庫，98個

行蓄滯洪區，

140個重點水

閘，48個大中型灌區工程

，

47個其他重點水利工程等。三

目標任務—任務

（五）數字孿生水利工程

（六）2+N業務應用實現

“2+N”業務應用的

“

四預”。重點是構建流域防洪、

水資源管理

與調配（2）的智能應用，實現

“

四預

”

功能。

此外，水利工程建設與運行管理

、

河湖管

理

、

水土保持

、

農村水利水電

、

節水管

理與服務

、

南水北調運行與監督

、

水行

政執法

、

水利監督

、

水文管理

、

水利行

政、

水公共服務（N）。三

目標任務—任務

四

實施路徑

頂層設計：從行政、

規劃、

工作、

技術等層面相繼出臺一系列文件、規范和技術要求，明確了推進數字孿生水利建設的路線圖、

時間表、任務書、責任單。技術攻關：通過科技研發計劃、水利部重大科技項目開展感知、模型、仿真、安全等技術攻關。先行先試：根據各流域、

區域實際需求，全面開展先行，重點在數據底板、模型平臺、知識平臺及流域防洪、水資源管理與調配等業務應用“

四預”方面選擇先試，以取得重點突破。其間，技術指導人、業務指導人、責任專家持續指導把關，去年底，水利部已完成各單位先行先試工作中期評估，并發布中期評估結果。打造樣板：在先行先試工作基礎上，今年水利部將強化指導，加強調度，樹立典型，努力打造樣板，讓大家學有榜樣，追有方向。推廣應用：通過先行先試，特別是今年的樣板打造，努力形成一批可復制、可推廣的技術、方案、系統、案例等，為數字孿生水利全面建設打下堅實基礎。

第二部分把握數字孿生水利建設的重點與難點第一部分把握數字孿生水利建設的目標任務目錄

一

二技術方面的難點

管理方面的難點算據

算力

算法業務應用

網絡安全標準工作協調

資金投入

人才培養

1.算據方面（感知）應對思路通過數字孿生水利建設牽引、

倒逼物理監測，主要是構建天空地一體化感知網，支撐數字孿生流域與物理流域交互的精準性、

同步性、

及時性。一是升級改造傳統水利監測站網。

在水文、

水資源、

水利工程、

水土保持等監測站網基礎上，檢視并修訂不符合數字孿生建設要求的標準規范；完善優化站網布局，增設監測要素、

增加監測頻次，升級改造傳統監測系統，實現自動在線監測；二是構建新型水利監測網。加強多普勒（相控陣）雷達、

衛星遙感、

航空遙感、

高清視頻、

無人機、

無人船、

地面機器人、

水下機器人等新型

監測手段應用，融合地面監測數據，支撐數字孿生流域與物理流域交互的精準性、

同步性、

及時性。難點傳統監測不滿足全要

素

、

全過程數字化場景需

要，無法支撐數字孿生流

域與物理流域交互的精準

性

、

同步性

、

及時性，特

別是應對山洪災害防御。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

應對思路主要建設統一的多時空多尺度水利數據底板。一是建設覆蓋全國的一級數據底板。匯聚流域和省區建設成果，滿足整體

形勢分析、大區域情況研判以及分布式坡面產流、河網匯流模型等需要，形成統一的時空基準。

L1級數據底板主要包括：SRTM30米格網DEM；全國陸域范

圍2米分辨率DOM；全國陸域范圍30米格網下墊面地表覆蓋數據。二是建設重點河段重點區域的二級數據底板。集成流域管理范圍省區和工程管理單位建設成果，為流域和省區水利治理管理提供詳實的工作底圖，滿足

河道洪水演進、重點對象水土保持模型計算等需要。長度約5萬千米、面積約18萬平方千米。三是建設覆蓋重要水利工程的三級數據底板。構建實體場景模型，為工程

管理單位提供精準的信息支撐，滿足水利工程安全監測評估、精準調度控制等

需要。數據底板，尤其是地理空

間數據差距大，

L2級數據底板

的水文大斷面和水下地形更新

頻率不足（目前普遍5年左右更

新一次，重點河段需要每年汛

前更新1次）

，

L2級數據底板

的水面以上地形數據缺少，跨

行業數據方面，

防洪保護區

、

蓄滯洪區等區域村莊

、

經濟社

會、基礎設施等數據不掌握。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

.算據方面

底板難點

-1)(計算資源，

尤其

是

高性能計算資源嚴重缺乏，

通信網絡尚有差距。主要是滿足數字孿生水利算力需求。一是擴充計算資源，針對相控陣雷達、

區域氣候模式預報、

分布式水文模型、

格網化水力學模型等超大規模方程團迭代解算，以及精細化時空分析、

海量數據挖掘分析、

大場景渲染展示等情景所需的高性能海量計算需求，按照

“集約高效、

共享開放、

按需服務

”

的原則，采用自建云、

利用超算中心資源等方式，提升物理分布、

邏輯集中、

協同工作的高性能算力；二是升級通信網絡，實現水利系統網絡無盲區無死角互聯，滿足各類信息及時高效傳輸，并充分利用通信衛星、

北斗、

5G等新一代網絡技術，保障監測站網在極端惡劣環境下的安全可靠傳輸。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

.算力方面應對思路難點2一是研究流域自然規律，對降雨-產流-匯流-演進全過程洪水形成演變規律，河道泥沙演變趨勢及江湖關系變化機理，水庫群及引調水工程泥沙沖淤規律，以及大壩滲流及變形的發展規律等進行研究，

研發機理分析模型。努力打造通用的水利專業工程軟件包，用于流域防洪、供水調度、工程安全、泥

沙分析等專業，同時研發適用于各流域特點的實用模型。二是創新升級現有模型，充分利用大數據、人工智能等技術，融合多源信息，升級改造流域產

匯流、土壤侵蝕、水沙輸移、水資源調配、工程調度等模型，研發新一代具有自主知識產權的水利數理統計專業模型，實現變化流場下數字孿生水利多維度、多時空尺度的高保真模擬。三是研發智能識別模型，構建水利業務遙感、視頻、音頻等人工智能識別模型，實現河湖“

四亂”問題、水利工程運行、應急突發水事件等自動識別，提高識別準確率，并實施業務化運行。四是研發可視化模型，在水利專業模型計算的驅動下進行可視化計算，重點搭建自然背景、流場動態、水利工程、機電設備等可視化模型，在水利專業模型計算的驅動下進行可視化計算，實現仿

真場景。

應對思路

重點在防洪、供水、工程安全、泥沙分析等專業模型，及動態可視化模型等方面進行突破。

水利專業模型研

發工作總體處于分散狀態

，

模型水平不高，或者主要

依靠國外模型的情況。

遙

感智能識別模型業務化運

行存在差距。

可視化模型

處于空白狀態。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

3.算法方面（模型平臺）

難點知識平臺尚處于

起

步階段，無成功經驗可以

借鑒。首先圍繞流域防洪，構建支撐防洪調度、

工程運行的水工程調度規則庫，力

爭水工程聯合調度知識圖譜方面取得突破，在此基礎上，再擴展到其他領域。一是建設水利業務知識庫，建設涵蓋業務規則、

歷史場景、

專家經驗、

預

報調度方案等內容的知識庫，聚焦水利工程體系科學精細調度，集成應用各類

知識，推進預報調度一體化智能化、

實體工程與數字孿生工程同步交互調度。二是探索構建知識平臺，利用知識圖譜和機器學習等技術實現對水利對象

關聯關系和水利規律等知識的抽取、

管理和組合應用，為數字孿生水利提供智

能內核，支撐正向智能推理和反向溯因分析，主要包括水利知識和水利知識引

擎，水利知識經知識引擎組織、

推理后形成支撐研判、

決策的信息。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

.算法方面

知識平臺

應對思路難點3)(預報精度有待提高，預見期也有待延長。預警時間不夠長、

精準不夠、

覆蓋不廣、

發布渠

道不暢。應對思路一是延長預見期：遵循

“

降雨—產流—匯流—

演進”預報規律，實現氣象水文預報耦合，完善以流

域為單元的短中長期預測預報模式，實現由過去落地

雨預報到空中雨的預報，為預警、

預演贏得時間。

二

是提高洪水預報精度：建設降雨區域模式，提高預報

精細化程度，充分融合水工程調度信息，建立預報模

型參數在線率定業務機制。制定中小河流、

中小水庫洪水預警指標以及江

河湖庫干旱預警指標；加強北方地區以及局地暴雨

區

“

以測補報

”預警應用，推廣雷達短臨暴雨預警

應用；推動通過三大

“運營商

”發布水情預警，實

現預警信息（動態調整閾值）直達防御工作一線、

水庫

“三個責任人”、

受影響的社會公眾。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

應對思路

預報方面的難點預警方面的難點.業務應用方面4水工程防洪調度預演能力不足、

模擬反算功

能不強。有宏觀預案，但不落地，與實際工作需要有差距。應對思路在數字孿生水利建設中對典型歷史事件、

設計

規劃或未來預報場景下的水工程調度進行模擬仿真

，

開發單庫水位控制、

單庫補償調度、

水庫群聯合補償

調度等多種調度模式的“反算”功能和算法，實現基

于下游調度目標要求的上游水庫群防洪優化調度方案

“反算”預演。應對思路結合水工程運行狀況、

經濟社會發展現狀，評

估防洪預案，完善落實水工程運行調度方案、

工程

巡查防守、

人員轉移避險等應對措施，制定執行預

案，與基層組織已有應用打通，建立預案執行情況

實時反饋機制，實現預案的執行落地。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

預演方面的難點預案方面的難點.業務應用方面4數字孿生水利建設形

成海量數據，安全應用面

臨嚴峻挑戰；數據底板的

部分高精度地理空間數據

成果涉及秘密，但防汛等

業務需要在非涉密環境應

用。完善水利網絡安全體系，增強關鍵信息基礎設施和重要數據防護能力，確

保數字孿生水利運行安全。一是明確重要數據目錄，針對數字孿生水利產生的重要數據，依據《水利數

據分類分級指南》開展數據分類分級，認定重要數據并形成行業重要數據目錄。二是采取國家認定的地理信息保密處理技術進行處理并履行相應審查程序

，

在使用過程中結合密碼保護和網絡安全防護等多種技術手段加強數據安全保護

，

對數字孿生水利空間數據安全應用處理方案還要征得主管部門認可，確保重要數

據，尤其是地理空間數據安全合規應用。

根據水利專業模型高程精度要求的實際

需求，對于利用已有地形數據成果加工處理生成獲取的河流斷面數據，采用國家

認定的地理信息保密處理技術進行處理，形成在非涉密環境下使用的數據成果。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

應對思路5.

網絡安全方面難點充修改完善技術標準體系。一是補充或修訂監測感知類標準；二是編制數據底板、模型平臺、知識平臺以及資源共享類標準；三是急用但還沒有經過大規模應用的標準，先以技術文件形式印

發，通過規模化應用，完善標準，成熟后再上升為行業技術標準。一

攻克數字孿生水利建設技術方面的難點

建設的標準缺失較多，傳統標準不適應數字孿

生水利的需要。圍繞數字孿生水利對全要素、全過程水利治理管理活動的要求，補1.技術標準方面

應對思路難點涉及數字孿生水利數字孿生水利建設涉及上下游、左右岸、地表地下，量大、面廣，

參戰單位多，如何保證

共建共享、不重不漏難

度大。數字孿生水利建設靠一個單位無法完成，

因此，要強化統籌規劃，協同推

進，按照職責分工進行共建