Page 15 - 水利水电工程施工管理概论

第一章 水利水电工程智慧管理——以数字孪生流域建设为例

施来最大程度地规避风险、减少损失、提高效益，实现对物理流域对象的模拟、
监控、诊断、预测与控制，解决物理流域系统中规划、设计、运行、管理、任务
执行等闭环过程中的复杂性和不确定性问题。
基于数字孪生流域概念定义与内涵分析，将数字孪生核心特点和流域治理管

理相结合，提出数字孪生流域的特征，包括高度保真、演化自治、实时同步、闭
环互动及共生进化。
高度保真性指河流、湖泊等自然水系以及地下含水层机构和大坝、闸门、泵
站、渠道、管道等物理流域对象与虚拟流域空间中的虚拟对象不仅在几何结构和

外形表观有着高度的相似性，而且水流运动状态、工程运行状态以及流域治理管
理活动状态也保持高度仿真，同时要求建立描述水资源—生态环境—社会经济系
统相互作用、共同演化的流域数字孪生模型，能够精确地模拟预测物理流域系统
的时空变化过程。

演化自治性是物理流域对象（如物理空间中的水流运动）和虚拟流域对象
（如虚拟空间中水流运动）遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒等相同的物理原
理进行相互独立的时空演化。如根据采集的真实河道的边界条件或假定的边界条
件，在虚拟流域空间中，利用可扩展的数字孪生模型（如水文水动力模型和可视

化模型）能够立体直观地自主模拟仿真推演历史或未来或某种工况条件下河道水
流的演进过程，分析各种外部影响因子对河道水流状态及伴随属性的影响，从而
提升数字孪生流域的推演能力。
实时同步性指物理流域对象在受气候变化和人类活动影响下处于不断变化过

程中，那么这就要求虚拟流域对象与对应的物理流域对象的初始条件和动态运行
时的结构、状态、参数保持一致性。利用物理流域对象（如河道）当前状态（如
地形、水位、流量）的实时数据初始化虚拟流域模型运行的起始状态，以保证数
字孪生模型能够实时预测物理流域对象的运行轨迹，尤其能够跟踪极端事件的变

化态势。在数字孪生模型运行中，利用实测数据不断调整模型结构、状态和参数，
使物理流域对象演化的物理规律与虚拟流域模型蕴含的物理规律保持一致，以保
证对物理流域对象变化轨迹进行高精度的预测。
闭环互动性指虚拟流域和物理流域之间通过实时连接交互嵌入业务链中，实

现数字孪生流域的闭环来实现业务赋能。一方面，通过对物理流域空间中水循环
过程的监测分析以及演变规律和形成机理的深度洞察，完善和调整流域数字模型

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