引言
随着新一代信息技术的不断发展，水利信息化、智能化水平得到了显著提高，智慧水利建设取得了积极成效。但从总体上看，水利信息化建设仍存在一些问题和不足。随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的不断发展，数字孪生技术在智慧水利体系建设中发挥了重要作用。本文针对智慧水利体系建设的需求和挑战，提出了数字孪生技术驱动智慧水利体系建设的实现路径，并以某市水库群管理系统为例，详细介绍了数字孪生技术在水利工程全生命周期管理中的应用模式。本研究对进一步促进智慧水利体系建设、提高水利信息化水平具有一定的参考意义。
一、数字孪生技术的定义与基本原理
数字孪生技术是基于数字化模型、传感器数据、网络传输、虚拟现实等技术，对物理对象进行动态仿真与监测，通过数据分析和智能决策，实现物理对象的自动化运行并对其进行优化决策的一种全新信息技术。其基本原理是通过构建数字化模型，将现实物理世界的对象在虚拟空间中进行仿真模拟，并将结果反馈给物理世界，使其完成物理对象的闭环运行。数字孪生技术可以为水利体系提供更完整、更智能的解决方案，提升水利体系的智能化水平。其核心技术包括大数据、云计算、物联网、人工智能等，在智慧水利体系建设中起着关键支撑作用。
二、数字孪生技术在水利领域的应用现状
近年来，我国在水利信息化建设方面取得了显著成效，水利信息化的水平和能力得到了大幅提升。但从总体上看，我国水利信息化还存在一些问题，如：信息孤岛问题突出，数据标准不统一，水利大数据的价值尚未充分挖掘；应用范围窄、覆盖面小，对业务流程的指导作用不强；智能化程度不高、缺乏统一标准等。为解决上述问题，应通过数字孪生技术构建水利工程的孪生模型，通过信息采集、数据融合、实时监测、智能决策、风险预警和应急调度等应用场景的建设，实现水利工程全生命周期的实时监测、动态仿真与智能决策、动态模拟与应急调度等功能，使数字孪生技术在智慧水利体系建设中发挥关键作用。
三、智慧水利体系建设的需求与挑战
3.1智慧水利体系的内涵与发展目标
智慧水利体系是基于“新一代信息技术”，以水利业务应用系统为核心，以水利物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术为支撑，依托于统一的智慧水利技术框架体系，以“一库、一图、一网”为目标，通过多源异构数据采集与融合、数据实时传输与融合分析、动态仿真模拟与预警预测等功能，实现水工程安全监测、水环境实时监测、水资源实时监测等各类业务应用系统的信息集成，并通过实时动态监测、数据分析挖掘与智能决策优化等手段，实现对水工程运行状态的科学分析与调度决策，从而达到高效、科学、经济运行和管理的目的。
3.2传统水利体系存在的问题与局限
传统水利体系主要由水工程体系、水文监测体系、水资源管理与调度体系、防洪减灾体系、水生态保护与修复体系组成，并形成了“水工+水文”“水工程+水文”的总体架构。在传统水利体系中，水利工程仅为水资源管理与调度的基础和手段，水工程仅作为水资源调配的通道，水文仅是水情预报的工具，防洪减灾体系仅为防洪减灾的辅助措施，水生态保护与修复仅为生态环境保护的支撑措施。传统水利体系存在着自动化程度低、无法感知、缺乏有效数据支撑、存在信息孤岛、决策和运行缺乏智能化等问题，难以适应现代水利发展需求。
3.3信息化、智能化背景下的水利发展需求
随着我国经济社会的发展，对水利服务能力的要求也不断提高，水灾害防御、水资源管理、水生态保护与修复等方面都需要现代水利的支撑。同时，信息化、智能化在水利领域的应用也为解决这些问题提供了新思路。智慧水利建设是对传统水利体系的革新，需要采用新一代信息技术，对现有水利系统进行改造升级，通过构建统一的智慧水利体系，实现“一库、一图、一网”等功能，从根本上解决传统水利体系中存在的问题。智慧水利体系建设可以提高水资源利用效率、提升防灾减灾能力、改善水生态环境质量、提高水行政管理水平等，实现生态环境与经济社会的协调发展。
3.4面临的技术与管理挑战
当前，水利信息化建设正处于“数字水利”向“智慧水利”转变的关键时期，随着技术的进步、管理的需求和模式的变革，水利信息化建设面临着技术与管理两方面挑战。首先，当前水利信息化建设对数字孪生技术的应用仍处于初期阶段，大量的基础数据尚未整理完成，无法支撑智慧水利建设的需求。其次，数据治理能力仍是当前智慧水利建设中面临的最大挑战之一。随着物联网、云计算、大数据等信息技术与业务场景深入融合，大量数据采集、存储、处理、共享和应用等方面面临着巨大的压力与挑战。因此，亟须加强水利信息化建设中数字孪生技术应用研究。
四、数字孪生技术在智慧水利体系中的关键作用
4.1数据采集与多源异构互联
数据采集是智慧水利体系的基础，在智慧水利体系中，通过实时数据采集与数据融合，实现数据的标准化、规范化、统一化与可共享。利用物联网、大数据、云平台等技术，对数据进行采集、传输、存储及处理，实现数据的可视化。同时，在平台中添加感知层，实现对各类感知设备的接入和统一管理，提高数据采集效率。利用异构互联技术将不同来源的业务系统及设备接入到统一平台中，实现跨系统和跨设备的数据共享。通过实时信息交互和统一共享，可以实现各类水利业务系统间的协同管理和快速响应，提高工作效率，降低运维成本。
4.2虚实融合的水利对象建模
在数字孪生体的映射空间，通过建立物理实体和虚拟实体之间的关联关系，将水利对象和系统中的各类数据、模型等进行虚实融合，实现物理实体的全要素感知与信息传输，进而为智慧水利体系提供基础支撑。一方面，通过对水、沙、土、气等多种水利对象的虚实融合建模，能够对水利对象进行高精度数字孪生建模；另一方面，利用物联网、大数据等技术，通过构建虚实融合的模型实现对现实物理实体的全要素感知和信息传输。数字孪生体能够对虚拟实体进行实时、连续、全面、精细的仿真模拟，实现对现实物理实体状态的实时监测和分析，为智慧水利体系提供多维感知和数据支撑。
4.3实时监测与动态仿真
数字孪生技术能根据水利对象的物理模型及业务运行过程，实时监测和更新对象的状态信息，并结合业务运行情况动态仿真对象的行为过程，从而对水利对象进行预测预警、故障诊断、风险评估等。基于数字孪生技术，实现对物理水利工程的智能感知、实时监测和动态仿真，为水利工程的优化设计、运行调度以及风险分析等提供支持。例如，针对黄河流域水生态系统健康状况和治理成效评估，需要根据黄河流域的地形地貌和水文气象等特点，在虚拟空间构建黄河流域的水文模型、水质模型和水生态模型等，为黄河流域治理方案优化、生态环境保护、水资源管理与调度提供技术支撑。
4.4智能决策与运维优化
数字孪生技术在智慧水利体系中的另一个关键作用是智能决策与运维优化。在数字孪生技术支持下，通过模型集成、数据挖掘、知识发现等技术，实现对水利系统的全局分析和动态仿真，从而有效解决传统水利系统仅能依据经验或单套系统进行的局部优化问题。例如，通过数字孪生模型可以实现对水库库容的实时优化调度，从而为水库管理人员提供决策依据；通过对水文情势的分析，可以为防汛抗旱提供重要决策支持；通过对水库周边环境的实时监测和分析，可以为水库安全运行提供指导。数字孪生技术还可将仿真结果应用于水工程日常运维管理中，有效提升水工程运行管理效率。
4.5预警预测与应急调度
数字孪生技术能够提供基于水文学和水文模型的水文预报，在水工程调度的过程中，将实时获取的数据与预报结果进行比对分析，预测可能出现的问题，为调度提供可靠依据。数字孪生技术可以对洪水灾害、河道冲淤、水库溃坝、水旱灾害等进行模拟，通过系统实时推演，了解突发事件的发展情况和发展趋势，对可能出现的问题提前预警并进行应急调度。数字孪生技术将物理空间和虚拟空间紧密结合在一起，充分利用地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）等技术，能够对洪水灾害等进行模拟、预测和分析，为洪水防御提供支撑。
五、数字孪生驱动智慧水利体系的实现路径
5.1技术架构与功能框架设计
基于数字孪生技术，通过建立水利对象的数字化映射，将物理水利工程、水文监测设施、水资源管理与调度设施等进行数字孪生建模，通过数字孪生体的虚实融合实现对物理水利工程的智能感知、实时监测与动态仿真。在此基础上，通过构建虚拟空间，实现对物理水利工程的智能决策、动态仿真以及应急调度等功能。基于水利业务需求，面向水工程运行管理、水资源管理与调度、水生态保护与修复等领域，构建涵盖水库、堤防、水闸、泵站、灌区等水工程的水利数字孪生体，实现对水利对象的数字化映射以及水利对象之间的数据交互与信息共享，进而实现对水利对象的智能感知和动态仿真。
5.2关键技术（物联网、大数据、云平台、AI等）集成
以物联网、大数据、云平台、 AI等为技术基础，充分利用数字孪生技术，实现物理实体与虚拟模型的协同运行，实现水利全要素全过程的数字化、网络化和智能化管理，构建高效智慧的水利体系。在数字孪生驱动智慧水利体系建设中，需要全面落实国家关于加强新一代信息技术与水利行业深度融合的要求，在现有规划和项目设计中充分考虑数字孪生驱动智慧水利体系建设的需求。数字孪生驱动智慧水利体系建设的实现路径主要包括：构建数字孪生应用支撑平台、搭建数字孪生模型、实现数字孪生与物理实体交互融合、实现多源异构数据集成管理、开展虚拟仿真试验等。
5.3水利数字孪生平台搭建方法
水利数字孪生平台以水利数据为基础，建立时空维度的感知体系，通过数据汇聚、分析处理、模型构建、孪生驱动、模拟评估等环节实现数据可视化和模型仿真，并对感知数据进行管理，使其与水利业务深度融合。在此基础上，采用 Web端和移动端等多终端协同方式实现对数据的可视化展示和应用。通过对海量的感知数据进行整合与处理，以时间轴为基础构建水雨情、工程等专题数据库，实现数据的存储、计算与分析。同时，运用三维 GIS技术、仿真技术、物联网技术、大数据分析等技术手段，结合各业务场景的需求，开发出各类应用服务。
5.4各类水利场景下的应用模式（如水库、河道、城市排涝等）
（1）水库场景：实现水库的实时监控、水位、水流量、出库流量、库容等要素的动态监测，及时掌握水库运行情况，并结合业务系统实现水库的高效调度。（2）河道场景：实现河道断面的三维模型构建，能够直观地展示河道断面信息，结合业务系统实现河道水位、流速、流量等要素的动态监测，并结合业务系统实现河道水位的预测预报。（3）城市排涝场景：通过搭建数字孪生城市洪涝仿真模型，通过监测数据对积水点进行实时监控，及时发现并处理内涝隐患，并结合业务系统实现积水点信息的反馈和自动调度，为城市内涝防治提供参考。
结语
数字孪生技术的出现，为水利领域提供了一种全新的技术手段，数字孪生技术通过融合物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术，形成了一套完整的体系架构，使水利业务从概念到应用都发生了深刻的变革。数字孪生技术驱动智慧水利体系建设是智慧水利的核心战略，具有良好的应用前景。当前，数字孪生技术在智慧水利领域的研究与应用仍处于起步阶段，与发达国家相比还存在一定差距。因此，应加大对数字孪生技术的研究力度，促进其与智慧水利体系的深度融合，从而为推动智慧水利建设提供更好的理论支撑。
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