Page 21 - 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

系统间相互作用机理进行系统、准确的认知，实现“以虚知实”。例如：研究变
化环境下的“四水”（大气水、地表水、土壤水、地下水）演变规律及其相互转
换关系；研究水土资源 - 社会经济 - 生态环境复合系统相互作用的机理、社会经
济发展的需水规律；研究降雨 - 产流 - 汇流 - 演进全过程洪水形成演变规律、气

候系统异常特征与干旱之间关系及旱涝急转的形成机制；研究坡面土壤侵蚀机理、
河湖环境变异机制及与生态效应、水库型饮用水源地富营养化演变机理、水库群
及引调水工程泥沙冲淤规律；研究水利工程全生命周期性能演化机理。
（四）流域数字模型

目前研究流域自然 - 社会二元水循环及其伴生过程采用的模型仍以机理模型
为主，采用的建模方式是离线方式。模型常用于规划设计阶段的工作，如流域综
合规划、洪旱灾害风险图制作、水资源配置规划等。随着数据量的日益庞大，尤
其是数据密集型科学的发展，以机器学习（尤其是深度学习）为核心的数据驱动

模型受到青睐。尽管如此，由于流域系统过程具有复杂性、交互性、多尺度、异
质性等特点，同时来源多样的数据可能存在不确定性，以及具有可用价值数据的
稀疏性，数据驱动模型还不能完全替代机理模型。因此，应在数字认知的基础上，
将两者优势互补，以机理－数据耦合驱动的方式构建新型数字模型，实现“以虚
仿实”。

（五）流域数字投影
实时性是数字孪生的重要特征，也是数字孪生保证时效性的基础。数字投
影是通过数据和模型融合，建立数字感知和数字模型的实时连接通道，将感知的

降水、蒸散发、径流、土壤含水量、水位等信息和取供用排信息，以及更新的自
然地理、社会经济信息，动态融合到数字模型运行过程中。数字模型系统能够根
据流域的动态“脾性”，“察言观色”地实时（可以根据时间业务需求选择合适
的频次）更新数字模型的结构、状态变量和参数，使数字模型结构能够真实反映

物理流域的物理过程及其时空关系。状态变量和参数能够真实反映物理流域的运
行态势，最终使数字模型输出的决策变量的预测结果无限逼近真值，实现“以虚
预实”。
（六）流域数字孪生

基于对流域单元级、系统级及系统之系统级各层次对象运行状态的实时在线
跟踪、及时诊断预警和高精度模拟预测，以及设定的预期目标，建立多目标决策

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