“我们要运用科技手段，不断提升雨水情监测、判断能力。数字孪生技术是推动水利工程建设数字化转型升级的重要抓手。”在近日举行的第76期科学咖啡馆活动上，主讲人、中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾工程技术研究中心原主任吕娟说。

近期，台风引起的暴雨、洪水，给灾害防御工作带来挑战。面对灾害，数字孪生水利技术成为支撑防汛的坚实科技力量。

实时同步仿真

数字孪生技术以数字化方式描述物理实体，建立全息动态虚拟模型。通过虚拟模型对数据的仿真、模拟、分析，可实现对实体属性和行为的监控、预测、控制。吕娟介绍，这一技术在航空航天、工业产品设计、工程全生命周期管理、城市建设等领域已有成熟应用。

具体到水利领域，数字孪生技术将大数据、云计算、人工智能等信息技术和水利业务深度融合，形成数字孪生水利。数字孪生水利将江河湖泊、水利工程实时映射到数字世界，提供精准预报、超前预警、快速预演、制定预案等服务，是防洪、水资源管理等水利工作的“智慧大脑”。

近年来，我国大力推进数字孪生水利建设。水利部印发《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等文件，从数字孪生流域、数字孪生水网和数字孪生工程三个层面，推动数字孪生水利建设。其中，数字孪生流域是重点建设内容。“数字孪生流域是物理流域在数字空间的映射，它通过信息基础设施和数字孪生平台，实现与物理流域的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。目前，数字孪生流域在水利领域处于探索和推进阶段。”吕娟说。

算法算力增强

对于数字孪生水利，聪明的算法和强大的算力至关重要。

“算法是数字孪生的‘心脏’，我们要不断提升算法的精准度，让模型能准确、科学反映水利系统的物理机制。”吕娟说。

这方面已取得积极进展。吕娟举例说，中国水利水电科学研究院建立了数值模拟与人工智能双引擎的城市洪涝模拟技术体系，实现对降雨产流—地表坡面汇流—管网汇流—河网汇流—防洪排涝工程调度的城市洪涝全过程一体化模拟，并且建立了一整套溃坝过程及下游洪水演进分析模型理论及快速分析技术。“这些模型可有效对洪涝灾害进行模拟，实现对灾害的快速预报预警。”吕娟说。

与此同时，在我国算力基础设施建设不断提速、算力规模不断增长的背景下，数字孪生水利算力水平也进一步提升。“2014年国家投资2300万元，用于山洪灾害预警的高性能并行加速计算中试基地建设，为防洪抗旱及水利大规模并行加速计算和网络化业务应用服务打下基础。”吕娟说，“现在，我们能做到2分钟一次的全国山洪沟水文模拟。”

技术落地见效

记者了解到，数字孪生技术已多次运用于防洪防汛。

在去年海河“23·7”流域性特大洪水期间，相关部门综合利用气象、水文、水动力等模型，对流域产汇流、洪水演进过程进行超前推演，精准预报永定河等洪水过程，提前3天做好东淀等蓄滞洪区启用准备。

今年，数字孪生三峡1.0版在长江第1号、第2号洪水防御和团洲垸决口险情处置中得到应用。

“山东重点流域防洪联合调度决策支持服务项目已升级为3.0版，‘以虚预实’功能可实现时效分析和孪生预演。同时，3.0版可提供模型高效智能模拟分析、智能感知、智能辅助决策服务。”吕娟说，不断迭代的洪涝模拟技术和数字孪生技术可有效支持洪涝灾害防御的各个场景或环节，助力防汛工作更高效、精准、科学。