劉慶濤 ，蔡思宇 ，沈紅霞

（1．水利部信息中心，北京 100053；2．中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引言

2022 年 2 月 21 日，水利部印發(fā)《水利部關(guān)于開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》，計(jì)劃用 2 a 左右時(shí)間，在大江大河重點(diǎn)河段、主要支流開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試，在重要水利工程開展數(shù)字孿生水利工程建設(shè)先行先試[1]。自 5 月18 日以來，水利部網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室（以下簡稱部網(wǎng)信辦）聯(lián)合各流域管理機(jī)構(gòu)，完成了全部 56 家先行先試單位 94 項(xiàng)任務(wù)的數(shù)字孿生流域（水利工程）建設(shè)先行先試實(shí)施方案審核工作[2]，這標(biāo)志著數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作全面進(jìn)入實(shí)施階段。此前，部網(wǎng)信辦已印發(fā)了 4 部數(shù)字孿生流域建設(shè)系列技術(shù)文件和管理辦法，即《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》和《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》等，明確了數(shù)字孿生流域建設(shè)目標(biāo)、范圍、任務(wù)、技術(shù)路線、共享成果等。在各單位的先行先試實(shí)施方案中，一些單位以生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)作為水資源管理與調(diào)配業(yè)務(wù)的重點(diǎn)突破方向，開展生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)需求分析、任務(wù)目標(biāo)定位、技術(shù)路線分析等。

本研究著重探討服務(wù)支撐生態(tài)流量監(jiān)管全過程“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）的數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)技術(shù)路線，為數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試和智慧水利水資源管理與調(diào)配業(yè)務(wù)提供實(shí)踐參考。

1 生態(tài)流量監(jiān)管總體方案

1.1 生態(tài)流量監(jiān)管現(xiàn)狀

河湖生態(tài)流量（水量、水位）是維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能紅線[3]，是倒逼用水總量控制、效率提高的重要抓手。近年水利部發(fā)布了第1～4 批全國重點(diǎn)河湖生態(tài)流量控制斷面，共計(jì)283 個(gè)斷面，各流域制定了本流域范圍內(nèi)的相關(guān)重點(diǎn)河湖斷面生態(tài)流量紅線監(jiān)管指標(biāo)，編報(bào)了生態(tài)流量保障實(shí)施方案，確定了生態(tài)流量預(yù)警方案、管控措施等。但各流域編制的生態(tài)流量保障方案中預(yù)警等級(jí)、閾值指標(biāo)設(shè)置、預(yù)警響應(yīng)措施、調(diào)度控制要素等還存在不夠規(guī)范和統(tǒng)一的情況，與當(dāng)前數(shù)字孿生流域建設(shè)提出的“四統(tǒng)一”（統(tǒng)一規(guī)劃、治理、調(diào)度、管理）[4]2要求不相適應(yīng)。少數(shù)流域、省級(jí)管理部門開發(fā)了生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分?jǐn)嗝媪髁浚ㄋ唬┑膶?shí)時(shí)監(jiān)測、指標(biāo)告警等功能[5]2，但功能還比較單一，對(duì)于生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析、流量預(yù)測、成因分析、調(diào)度方案預(yù)演、預(yù)警響應(yīng)等全過程管理缺乏服務(wù)支撐，還未構(gòu)建相關(guān)流程，以及斷面相關(guān)水利設(shè)施、取水口、取水戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系的知識(shí)圖譜，生態(tài)流量預(yù)測能力、調(diào)度方案預(yù)演等能力還有明顯不足。

1.2 業(yè)務(wù)需求

2022 年 6 月，水利部印發(fā)《2022 年推進(jìn)智慧水利建設(shè)水資源管理工作要點(diǎn)》（以下簡稱工作要點(diǎn)），要求在支撐河湖生態(tài)流量監(jiān)管方面，要利用水利部雨水情、全國省界斷面水文水資源監(jiān)測信息等系統(tǒng)，及時(shí)掌握重點(diǎn)河湖生態(tài)流量控制斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測和整編數(shù)據(jù)。要根據(jù)生態(tài)流量保障實(shí)施方案確定的預(yù)警閾值，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警響應(yīng)，采取會(huì)商、約談、通報(bào)等方式，落實(shí)水量調(diào)度和河道外取水管控措施。工作要點(diǎn)已明確提出支撐河湖生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)的需求和數(shù)字孿生平臺(tái)相關(guān)建設(shè)“四預(yù)”能力提升的方向和目標(biāo)。

為解決當(dāng)前存在的問題，對(duì)標(biāo)業(yè)務(wù)需求，在水利部本級(jí)先行先試任務(wù)中，基于數(shù)字孿生平臺(tái)，選取典型斷面實(shí)施生態(tài)流量監(jiān)管“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，以提升服務(wù)支撐生態(tài)流量監(jiān)管全過程“四預(yù)”能力。

1.3 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照數(shù)字孿生流域總體建設(shè)目標(biāo)、任務(wù)，結(jié)合水利部對(duì)生態(tài)流量監(jiān)管“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，基于水利部數(shù)字孿生平臺(tái)，開展數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識(shí)庫建設(shè)，提出基于數(shù)字孿生平臺(tái)的生態(tài)流量監(jiān)管“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用，總體架構(gòu)如圖1 所示。

1）數(shù)據(jù)底板方面。選取典型斷面，融合國家水資源數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫、水利一張圖服務(wù)及管理信息等數(shù)據(jù)[5]2，建設(shè)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享和動(dòng)態(tài)更新。

2）模型庫方面。建設(shè)耦合多維多時(shí)空尺度來水預(yù)報(bào)、流量預(yù)測的智能算法和模型。

3）知識(shí)庫方面。構(gòu)建相關(guān)業(yè)務(wù)流程，以及斷面相關(guān)水利設(shè)施、取水口、取水戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系的知識(shí)圖譜。

4）業(yè)務(wù)系統(tǒng)方面。實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)河湖生態(tài)流量斷面監(jiān)測預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析、流量預(yù)測、成因分析、調(diào)度方案預(yù)演、預(yù)警響應(yīng)等業(yè)務(wù)功能試點(diǎn)應(yīng)用，探索形成支撐生態(tài)流量預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的模擬分析能力，為區(qū)域水資源管理與調(diào)配提供精準(zhǔn)的決策支持。

2 數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)

2.1 數(shù)據(jù)底板建設(shè)

根據(jù)數(shù)據(jù)資源形態(tài)和應(yīng)用需求，從水利一張圖、實(shí)時(shí)雨水情系統(tǒng)、國家水資源管理系統(tǒng)等，匯集生態(tài)流量監(jiān)管所需的基礎(chǔ)、監(jiān)測、業(yè)務(wù)管理、地理空間等數(shù)據(jù)[4]7。

2.1.1 算據(jù)建設(shè)

算據(jù)主要包括基礎(chǔ)、監(jiān)測、業(yè)務(wù)、地理空間等數(shù)據(jù)，具體建設(shè)內(nèi)容分析如下：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從全國雨水情數(shù)據(jù)庫中匯集已上報(bào)數(shù)據(jù)的全國重點(diǎn)河湖生態(tài)流量控制斷面相關(guān)基礎(chǔ)信息，典型斷面關(guān)聯(lián)的代表性測站、水利工程（設(shè)施）、取水口（地表水、地下水）、灌區(qū)等的基礎(chǔ)信息?；A(chǔ)數(shù)據(jù)特征屬性可參考 SL/T 809—2021《水利對(duì)象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符》相關(guān)規(guī)定。

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)。從全國雨水情數(shù)據(jù)庫中匯集已上報(bào)數(shù)據(jù)的全國重點(diǎn)河湖生態(tài)流量控制斷面，以及典型斷面關(guān)聯(lián)的代表性測站、水利工程（設(shè)施）、取水口（地表水、地下水）、灌區(qū)等的水位，流量，取水量等監(jiān)測信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)特征應(yīng)符合 GB/T 50138—2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》和 GB 50179—2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》要求。

3）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。主要指生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括水文氣象預(yù)報(bào)成果、生態(tài)流量考核指標(biāo)、調(diào)度控制要素、控制斷面保障方案等，主要通過同步相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)共享交換等方式獲取相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

4）地理空間數(shù)據(jù)。主要指在全國水利一張圖地理空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)共享交換等方式獲取已建的 DEM，DOM，BIM 和水下地形等數(shù)據(jù)資源。

2.1.2 數(shù)據(jù)治理

針對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)在采集、傳輸及存儲(chǔ)過程中不可避免地出現(xiàn)各類異常值和缺失值的情況，對(duì)接入的實(shí)時(shí)雨水情、國家水資源管理系統(tǒng)的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，研發(fā)數(shù)據(jù)清洗整編算法，形成符合數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的水文水資源數(shù)據(jù)產(chǎn)品集，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)來源。

1）異常數(shù)據(jù)識(shí)別及處理。水位異常數(shù)據(jù)常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)跳變、平頭數(shù)據(jù)、定時(shí)報(bào)不來等情況，采用“閾值判定 + 拉依達(dá)準(zhǔn)則/箱型圖法”的方法[6]，先通過統(tǒng)計(jì)分析不同地區(qū)、時(shí)期的水位/流量變化分布特點(diǎn)確定水位分期分區(qū)閾值，進(jìn)行初步判定，然后通過拉依達(dá)準(zhǔn)則和箱型圖法進(jìn)行確認(rèn)。

2）缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)。數(shù)據(jù)插補(bǔ)采用分型插補(bǔ)的方式，將缺失時(shí)段分為短期（5 d 以下）、中期（5 ～15 d）和長期（15 d 以上），其中：短期插補(bǔ)，采用樣條插值法、Stineman 內(nèi)插法、加權(quán)滑動(dòng)平均值法[7]進(jìn)行插補(bǔ)；中期插補(bǔ)，采用決策樹法，通過建立隨機(jī)森林回歸模型[8]，利用自變量預(yù)測因變量，從而插補(bǔ)得到列向量中的缺失值；長期插補(bǔ)，采用基于基準(zhǔn)流量的隨機(jī)模擬方法，通過選取流量基準(zhǔn)值、歷史同期時(shí)段，計(jì)算歷史同期缺失時(shí)段流量相對(duì)于基準(zhǔn)流量的相對(duì)變化率，構(gòu)建變化率分布，采用隨機(jī)模擬方法進(jìn)行抽樣，并完成插補(bǔ)流量的計(jì)算。

3）實(shí)時(shí)清洗和整編。提取實(shí)時(shí)雨水情、水資源等數(shù)據(jù)庫推送的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過定制定時(shí)任務(wù)，每天自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)任務(wù)計(jì)算，形成單點(diǎn)單站的日平均降雨量、水位/流量、蓄水量/下泄量、取用水量（地表/地下、工業(yè)/農(nóng)業(yè)/生活）等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2.1.3 數(shù)據(jù)服務(wù)

在清洗整編后的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，形成以下類型數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)：

1）基礎(chǔ)類。梳理流域、河道、水庫的匯流關(guān)系，取用水戶與河道的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于知識(shí)圖譜等技術(shù)，挖掘各類信息內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成能夠解釋和追溯斷面流量變化原因的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2）監(jiān)測類。在監(jiān)測的雨量，河道、水庫、堰閘的水情，以及取用水?dāng)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)清洗整編技術(shù)，形成生態(tài)流量控制斷面及其關(guān)聯(lián)的雨量站、水庫、取用水戶等長系列日平均降雨量，水位/流量，蓄水量/下泄量，以及取用水量數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

3）數(shù)據(jù)加工類。以典型區(qū)為示范，提供各監(jiān)測類數(shù)據(jù)的逐旬/月/年均值、多年日/旬/月均值、特征值分析、生態(tài)流量監(jiān)管月報(bào)等數(shù)據(jù)加工類產(chǎn)品。

4）模型預(yù)測類?；谝褬?gòu)建的短期水文預(yù)報(bào)、中長期徑流預(yù)報(bào)及水動(dòng)力等模型，動(dòng)態(tài)發(fā)布典型斷面未來不同日、旬、月尺度的徑流預(yù)測產(chǎn)品。

2.2 模型庫建設(shè)

結(jié)合生態(tài)斷面考核要求及實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)流量保障方案水量調(diào)度預(yù)演的需求，水利專業(yè)模型建設(shè)內(nèi)容主要包括短期水文預(yù)報(bào)、中長期徑流預(yù)報(bào)、河道水流演進(jìn)、需水預(yù)測、典型區(qū)水量調(diào)度等模型建設(shè)，并通過模型耦合，在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)對(duì)取用水管理和生態(tài)流量監(jiān)管活動(dòng)的智慧化模擬。

1）短期水文預(yù)報(bào)模型?？紤]人類活動(dòng)對(duì)天然水循環(huán)的影響，建立融合地表取水過程，以及用、耗、排水過程的自然-社會(huì)二元水循環(huán)的流域分布式水文模型[9]。

2）中長期徑流預(yù)報(bào)模型。根據(jù)流域特征和徑流來水過程特點(diǎn)，挖掘控制斷面流量與各預(yù)報(bào)因子的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合多元線性回歸、支持向量回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測并集合成最終預(yù)測的徑流量[10]。

3）河道水流演進(jìn)模型。考慮沿程各支流匯入，構(gòu)建水庫以下至生態(tài)流量斷面間的一二維水文水動(dòng)力模型，模擬不同調(diào)度方案下的水流演進(jìn)過程。

4）需水預(yù)測模型。分析歷史分區(qū)域、行業(yè)地表水地下水取用水規(guī)律，構(gòu)建中長期需水預(yù)測模型，預(yù)測未來不同時(shí)間尺度、統(tǒng)計(jì)單元的需水量。

5）水量調(diào)度模型。在已有水量調(diào)配模型庫的基礎(chǔ)上，充分考慮生態(tài)流量保障、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水及水庫綜合利用目標(biāo)，構(gòu)建流域水量調(diào)配多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。

將徑流和需水 2 種預(yù)測結(jié)果輸入生態(tài)水量調(diào)度模型，得到水庫長、中、短期下泄量和供水量；將生態(tài)水量調(diào)度模型的計(jì)算結(jié)果輸入河道水動(dòng)力模型，得到水量調(diào)度方案下的流量演進(jìn)情況，為生態(tài)流量觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警斷面的情景推演提供決策支撐。

2.3 知識(shí)庫建設(shè)

采用基于圖數(shù)據(jù)庫的知識(shí)圖譜技術(shù)，對(duì)流域、河道、水庫、監(jiān)測站網(wǎng)、取用水戶等要素進(jìn)行語義連接，同時(shí)結(jié)合業(yè)務(wù)規(guī)則、方案和專家經(jīng)驗(yàn)等信息，建立數(shù)據(jù)、規(guī)則方案于一體的知識(shí)數(shù)據(jù)庫。

2.3.1 基于圖數(shù)據(jù)庫的生態(tài)流量預(yù)警知識(shí)圖譜構(gòu)建

在傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，搭架圖數(shù)據(jù)庫，從傳統(tǒng)的二維表擴(kuò)展到“節(jié)點(diǎn)-關(guān)系-節(jié)點(diǎn)”的三元結(jié)構(gòu)。通過對(duì)業(yè)務(wù)的抽象和梳理，建立“事件-狀態(tài)-實(shí)體”概念模型，將現(xiàn)有水資源管理領(lǐng)域的本體對(duì)象、屬性、聯(lián)系等描述以圖的方式連接起來，并建立不同事件、狀態(tài)和實(shí)體之間的真實(shí)語義關(guān)系，從而形成基于圖數(shù)據(jù)庫的知識(shí)圖譜框架。以生態(tài)流量預(yù)警為核心，以一次完整預(yù)警周期為對(duì)象，以圖譜的形式將一次生態(tài)流量預(yù)警周期中的各要素關(guān)聯(lián)起來。生態(tài)流量預(yù)警知識(shí)圖譜示意圖具體如圖2 所示。

圖2 生態(tài)流量預(yù)警知識(shí)圖譜示意圖

具體知識(shí)圖譜建立流程分析如下：

1）建立預(yù)警事件節(jié)點(diǎn)，記錄該預(yù)警發(fā)生的時(shí)間及級(jí)別，并與監(jiān)測斷面關(guān)聯(lián)。若該預(yù)警周期上一個(gè)周期已發(fā)生預(yù)警事件，則該預(yù)警事件與上一預(yù)警事件關(guān)聯(lián)。

2）建立預(yù)警時(shí)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，并與預(yù)警節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。各關(guān)聯(lián)關(guān)系分析如下：a．預(yù)警（時(shí)）-取用水狀態(tài)關(guān)系。記錄預(yù)警發(fā)生時(shí)，區(qū)域內(nèi)取用水戶的取用水狀態(tài)與歷史狀態(tài)的變化值和動(dòng)態(tài)度。b．預(yù)警（時(shí)）-水庫狀態(tài)關(guān)系。記錄預(yù)警發(fā)生時(shí)，某水庫的狀態(tài)與歷史狀態(tài)的變化值和動(dòng)態(tài)度。c．預(yù)警（時(shí)）-降雨?duì)顟B(tài)關(guān)系。記錄預(yù)警發(fā)生時(shí)，某雨量站的狀態(tài)與歷史狀態(tài)的變化值和動(dòng)態(tài)度。

3）在預(yù)警周期過程中，若實(shí)施管控措施，則建立管控措施節(jié)點(diǎn)，記錄措施實(shí)施的時(shí)間和具體內(nèi)容，既可以是對(duì)取用水的管控，也可以是對(duì)水庫的管控（如加大下泄流量）。同時(shí)，管控措施應(yīng)與預(yù)警事件及取用水戶或水庫實(shí)體關(guān)聯(lián)。

4）在預(yù)警周期結(jié)束時(shí)，建立預(yù)警響應(yīng)后狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，并與預(yù)警節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。各關(guān)聯(lián)關(guān)系分析如下：a．預(yù)警（后）-取用水狀態(tài)關(guān)系。記錄預(yù)警周期結(jié)束時(shí)，區(qū)域內(nèi)取用水戶的取用水狀態(tài)與預(yù)警時(shí)狀態(tài)的變化值和動(dòng)態(tài)度。b．預(yù)警（后）-水庫狀態(tài)關(guān)系。記錄預(yù)警周期結(jié)束時(shí)，某水庫的狀態(tài)與預(yù)警時(shí)狀態(tài)的變化值和動(dòng)態(tài)度。c．預(yù)警（后）-降雨?duì)顟B(tài)關(guān)系。記錄預(yù)警周期結(jié)束時(shí)，某雨量站的狀態(tài)與預(yù)警時(shí)狀態(tài)的變化值和動(dòng)態(tài)度。

2.3.2 業(yè)務(wù)規(guī)則庫

結(jié)合典型斷面生態(tài)流量保障調(diào)度方案中調(diào)度規(guī)則、常規(guī)調(diào)度管理、預(yù)警響應(yīng)流程、應(yīng)急調(diào)度方案、河道外用水管控措施，提取歷史場景調(diào)度指令下達(dá)及執(zhí)行情況數(shù)據(jù)，形成各類場景的業(yè)務(wù)規(guī)則庫。

2.3.3 知識(shí)圖譜整合

在知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)上，采用自頂向下（由專家創(chuàng)建）的方式，將現(xiàn)有業(yè)務(wù)規(guī)則（例如預(yù)警后采取的響應(yīng)措施）、方案和專家經(jīng)驗(yàn)等整合至知識(shí)庫中，實(shí)現(xiàn)完整的生態(tài)流量知識(shí)圖譜，從而形成豐富的歷史場景庫，為生態(tài)流量預(yù)警實(shí)時(shí)處置和調(diào)度決策指令下達(dá)提供支撐。

3 生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

3.1 功能模塊建設(shè)

按照生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，建設(shè)具有“四預(yù)”功能的重點(diǎn)河湖生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警與調(diào)控保障系統(tǒng)，主要包括監(jiān)測告警、預(yù)測預(yù)警、水量調(diào)度預(yù)演、會(huì)商服務(wù)等功能模塊。通過該系統(tǒng)建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)斷面信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和告警；提供典型斷面未來不同日、月、年尺度流量過程的預(yù)測；構(gòu)建基于圖數(shù)據(jù)庫的生態(tài)流量預(yù)警知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度預(yù)演及方案執(zhí)行復(fù)核功能；對(duì)當(dāng)前生態(tài)流量預(yù)警發(fā)生的成因進(jìn)行分析，為會(huì)商決策提供數(shù)據(jù)支撐等功能。

3.1.1 監(jiān)測告警模塊

通過接入清洗整編后的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、指標(biāo)閾值的接入和展示，對(duì)斷面生態(tài)流量觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警情況進(jìn)行判別及告警；向管理部門、相關(guān)流域和省區(qū)具體管理人員推送告警信息，告知目前告警狀態(tài)。具體流程分析如下：

1）通過 GIS 地圖展示生態(tài)流量控制斷面水位及流量監(jiān)測站群分布、流域生態(tài)流量監(jiān)測情況等，并采用不同的圖標(biāo)或顏色區(qū)分監(jiān)測、告警等狀態(tài)。

2）對(duì)于單個(gè)控制斷面，從斷面基本信息、生態(tài)流量指標(biāo)值、斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測信息、斷面監(jiān)測情況統(tǒng)計(jì)等進(jìn)行可視化展示，并實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測信息的查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

3）通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與指標(biāo)值的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警情況判別與告警，及時(shí)向管理部門、相關(guān)流域和省區(qū)具體管理人員推送預(yù)警信息，告知目前預(yù)警狀態(tài)；對(duì)于紅色預(yù)警的發(fā)生，設(shè)置信息發(fā)送功能，在 2 h 內(nèi)通報(bào)河流所在流域管理部門。

3.1.2 預(yù)測預(yù)警模塊

通過已構(gòu)建的水文、水動(dòng)力、水資源等水利專業(yè)模型，對(duì)典型斷面未來不同時(shí)間尺度的來水進(jìn)行預(yù)測。具體流程分析如下：

1）運(yùn)用已構(gòu)建的短期水文預(yù)報(bào)、中長期徑流預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度和河道徑流演進(jìn)等模型，對(duì)典型斷面未來不同日、月、年尺度的徑流進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合水情發(fā)展變化提前啟動(dòng)預(yù)警。

2）評(píng)估典型斷面徑流預(yù)測效果，通過構(gòu)建預(yù)報(bào)模型全生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)已構(gòu)建的模型進(jìn)行優(yōu)化，提升預(yù)測預(yù)警服務(wù)能力。

3.1.3 水量調(diào)度預(yù)演模塊

實(shí)現(xiàn)典型斷面生態(tài)流量保障調(diào)度方案中已明確的生態(tài)流量觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警情況下水量調(diào)配方案調(diào)配過程的概化實(shí)時(shí)展示，以及水量統(tǒng)計(jì)、復(fù)核等功能。具體流程分析如下：

1）收集梳理流域、河道、典型斷面、雨量站、水利工程（設(shè)施）、取水口、取水戶等物理實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)和空間關(guān)系，構(gòu)建基于圖數(shù)據(jù)庫的生態(tài)流量預(yù)警知識(shí)圖譜；將預(yù)警事件與實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前生態(tài)流量預(yù)警發(fā)生成因的可視化展示。

2）在生態(tài)流量觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警情況下，通過對(duì)控制工程下泄水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測及展示，復(fù)核水量調(diào)配方案的執(zhí)行情況。

3.1.4 會(huì)商服務(wù)模塊

對(duì)于保障調(diào)度方案無法解決的生態(tài)流量不觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警情況，以及其他需要組織會(huì)商的緊急事件，提供會(huì)商服務(wù)功能。具體流程分析如下：

1）針對(duì)觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警斷面，結(jié)合其上游來水、工程蓄水、河道外取用水及控制工程下泄情況等，從實(shí)時(shí)（過去 7 d）和中長尺度（過去 3～5 個(gè)月）2 個(gè)層面對(duì)告警成因進(jìn)行分析，為會(huì)商提供數(shù)據(jù)支撐。

2）運(yùn)用已構(gòu)建的典型區(qū)水量調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)不同水庫調(diào)蓄、區(qū)間用水壓減方案下水量調(diào)配過程的情景推演；構(gòu)建水量調(diào)配方案多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)多方案進(jìn)行綜合比選，為決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 “四預(yù)”業(yè)務(wù)流程

生態(tài)流量監(jiān)管業(yè)務(wù)“四預(yù)”流程如圖3 所示，具體業(yè)務(wù)功能體現(xiàn)分析如下：

圖3 生態(tài)流量監(jiān)管“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程圖

1）感知?；趪宜Y源數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫、水利一張圖服務(wù)等，獲取氣象、雨水情、取用水等信息數(shù)據(jù)。

2）預(yù)報(bào)。對(duì)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)清洗整編技術(shù)，集成耦合短期水文預(yù)報(bào)、中長期徑流預(yù)測等模型，實(shí)現(xiàn)典型斷面的流量預(yù)測。

3）預(yù)警。在對(duì)關(guān)鍵斷面基礎(chǔ)和監(jiān)測信息可視化展示的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)水文情勢(shì)分析，并結(jié)合生態(tài)流量預(yù)警指標(biāo)和閾值，對(duì)斷面生態(tài)流量觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警情況進(jìn)行判別及告警。

4）預(yù)演。針對(duì)預(yù)警斷面，基于構(gòu)建的生態(tài)流量預(yù)警知識(shí)圖譜和水利專業(yè)模型，構(gòu)建預(yù)演場景；結(jié)合水量分配方案、調(diào)度計(jì)劃等，對(duì)典型斷面生態(tài)流量保障調(diào)度方案進(jìn)行預(yù)演，復(fù)核方案的執(zhí)行情況，并對(duì)調(diào)度目標(biāo)無法滿足的方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

5）預(yù)案。構(gòu)建水量調(diào)配方案多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)多方案進(jìn)行綜合比選；通過對(duì)觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警斷面進(jìn)行成因分析和歷史情景推演，為會(huì)商決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

為爭取數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試盡快落地見效，發(fā)揮示范引領(lǐng)作用，提高水資源管理與調(diào)配業(yè)務(wù)“四預(yù)”能力，由水利部信息中心牽頭，依據(jù)《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》整體部署及《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》“十六字”總體目標(biāo)要求，以生態(tài)流量管理為水資源管理與調(diào)配業(yè)務(wù)發(fā)力點(diǎn)，開展全國統(tǒng)一的重點(diǎn)河湖生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警與調(diào)控保障系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)，以典型斷面為試點(diǎn)，支撐生態(tài)流量監(jiān)管的全過程管理業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量保障調(diào)度及水量分配方案模擬，并建立統(tǒng)一的全過程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括徑流預(yù)報(bào)預(yù)測模型等算法和統(tǒng)一規(guī)范的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)底板。流域機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)各省、水利工程單位按照統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開展本流域相關(guān)數(shù)字孿生平臺(tái)及“三算”建設(shè)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)共享匯入國家水資源管理或雨水情等系統(tǒng)，補(bǔ)充構(gòu)建基礎(chǔ)和監(jiān)測數(shù)據(jù)底板，通過調(diào)用水利部本級(jí)平臺(tái)通用模型或改造相關(guān)模型算法，分批逐個(gè)斷面實(shí)現(xiàn)支撐生態(tài)流量和水量分配“四預(yù)”業(yè)務(wù)功能。

按照“全國一盤棋”建設(shè)思路，由水利部網(wǎng)信辦、有關(guān)司局統(tǒng)籌推進(jìn)，探索各流域協(xié)同參與的全國重點(diǎn)河湖生態(tài)流量監(jiān)測預(yù)警與調(diào)控保障系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)模式，既是全國水資源管理與調(diào)配業(yè)務(wù)“四預(yù)”能力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量和水量分配全流程各環(huán)節(jié)管理的嘗試探索，也是數(shù)字孿生流域各參建單位協(xié)作推進(jìn)、共建共享體制機(jī)制建立和技術(shù)成果共享的摸索嘗試，將為全面建設(shè)數(shù)字孿生平臺(tái)發(fā)揮顯著的示范引領(lǐng)作用并提供典型經(jīng)驗(yàn)案例。