Page 25 - 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

（五）现象能合理解释
现象能合理解释是指当物理流域中出现洪水、干旱、水污染、水工程灾变等
水安全现象时，利用虚拟流域模型对这些现象进行规律解析、态势判断以及模拟
分析，建立各种关联因子的知识图谱，以挖掘水安全现象所蕴含的机理，从而使

流域管理者和决策者能够全面理解和合理解释流域、河流及工程运行的行为，制
定合理的控制性策略。数字孪生流域的虚拟模型是基于反映流域“骨架”的几何
模型和动态更新的数字映射模型，融合了水循环系统结构内部各子系统相互作用
机理的揭示以及水循环演变规律的准确掌握所构建的微分代数模型和基于水文水

资源及水利工程运行等专业知识启发所建立的统计相关模型（如数理统计、机器
学习、深度学习等）。其中，微分代数模型考虑了流域现象的因果关系，反映了
运行机理，但是对复杂情况概化带来了很多不确定性，如分布式和集中式水文模
型出现“异参同效”的现象；统计相关模型是通过对大量样本进行因子挖掘，进

而建立因变量和自变量之间的相关关系，但是模型精度易受样本代表性的影响。
将微分代数模型和统计相关模型融合能扬长避短，不仅可规避前者不完备的动态
建模和不确定性信息影响的不足，而且能避免后者样本有限和样本有偏的缺点，
既保证了模型计算精度，又能提高结果的可解释性。现象的解释性要从机理模型

和数据驱动模型的建模、仿真模拟、决策支持等互补融合层面进行评价。
（六）虚实能动态交互
物理流域和虚拟流域的同步运行和迭代优化要求两者能够虚实交互，通过双
向实时互动，促进两者实现共智进化。虚拟流域利用实时采集的洪水涨落、干旱

轻重、水资源丰枯、墒情好差、泥沙多寡、台风暴潮疾缓、水质优劣、工程安危
等水安全要素数据对虚拟流域对象的几何结构、运行状态、模型参数、外观状态
进行持续更新和自动演化，保证了虚拟流域和物理流域的同步性。虚拟流域作为
自然水系、水利工程、水利治理管理对象等实体对象的运行状态监测、演变态势

诊断、发展形势预测、决策方案优化、控制策略验证等平台，有助于流域管理者
和决策者让自然水系、水利工程、水利治理管理对象按照期望的运行轨迹进行演
化。虚实的互动性可以从流域防洪、水资源管理与调配等业务需求所决定的时间
尺度方面进行评价：一是虚拟流域利用采集的洪水、枯季径流、地下水位等数据

进行模型自动化更新与升级；二是利用虚拟流域对自然水系、水利工程等物理流
域对象进行方案优化后下达和执行最优的决策方案。

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