石羊河數字孿生流域建設探討

王萬禎，康德奎，王曉軍

（甘肅省水利廳石羊河流域水資源利用中心，甘肅武威 733000）

0 引 言

黨的十九大提出建設“網絡強國、數字中國、智慧社會”。進入新發展階段，我國產業數字化、網絡化、智能化轉型升級加速，智慧化已成為行業發展水平的重要指標，以信息化驅動現代化已成為各行業的必經之路。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出了“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”的明確要求。李國英部長結合目前水利工作實際，在講話中明確提出，智慧水利建設要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據、算法、算力建設，構建數字孿生流域，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系。

石羊河流域不斷推進水資源的信息化、智慧化管理，有力支撐了各項水利業務，提高了水利工作效率和管理水平，也為數字孿生流域建設奠定了較好的基礎。但與數字孿生流域建設目標相比也還存在一些不足，主要體現在透徹感知能力不足，信息基礎設施“算力”欠缺，整合共享有待提高，模型平臺不夠全面，網絡安全防護能力不足等方面。為鞏固好流域重點治理成效，進一步提升管理水平，加快構建現代水治理體系，深入推進流域綜合性治理，勢必要建設石羊河數字孿生流域。

1 石羊河流域概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，發源于祁連山北麓，自東向西由8 條河流及多條小溝小河組成。流域面積4.16萬km2，涉及甘肅省武威、金昌、張掖和白銀4 市9 縣（區），水資源總量16.59 億m3，其中：地表水15.6 億m3、與地表水不重復的地下水0.99 億m3。2020年總人口184 萬人，人均水資源量903 m3，為甘肅省平均水平1/2、全國平均水平1/3，屬典型的資源性缺水地區。

圖1 石羊河流域地理位置

20 世紀80年代到2007年20 多年里，石羊河流域人口增加33%，糧食產量增加了45%，國內生產總值（GDP）翻了6 倍，水資源總量反而減少了1%，供水矛盾不斷尖銳，上中游大量使用地表水，下游大力開采地下水，地下水采補失衡，生態環境惡化，羅布泊現象不斷顯現。石羊河流域水資源短缺引發的生態環境惡化問題，引起了黨中央、國務院的高度重視。為搶救民勤綠洲、改善石羊河流域生態環境，2007年12月，經國務院同意，國家發改委、水利部批復了《甘肅省石羊河流域重點治理規劃》，歷經十多年艱苦治理，有效遏制了生態環境惡化的趨勢，流域治理實現了經濟發展、群眾增收、生態環境改善的良好成效，成為甘肅乃至全國內陸河流域治理的典型樣板，被中國水利報社組織評出為2020 基層治水十大經驗之一。流域治理為落實最嚴格的水資源管理，提升有限水資源的利用效率，不斷推進水資源的信息化、智慧化管理，有力支撐了各項水利業務，提高了水利工作效率和管理水平，建立了規范統一的水資源管理體系。

2 石羊河流域數字孿生流域建設的必要性和基礎

石羊河流域重點治理是以搶救民勤綠洲為目標，通過搶救性、階段性和應急性措施，打了一劑“強心針”，初步遏制了流域生態惡化趨勢，但受地理位置和自然條件限制，流域生態環境底子差，生態依然十分脆弱，缺水形勢嚴峻，水資源供需矛盾仍然突出，資源型缺水仍是制約流域經濟社會發展的主要因素，加快構建現代水治理體系，優化有限有資源的高效利用和配置，直接影響著流域經濟社會的高質量可持續發展。在水利部“三對標、一規劃”專項行動總結大會上，水利部黨組書記、部長李國英提出將智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展的六大實施路徑之一以及新階段水利高質量發展最顯著的標志之一。2021年12月，水利部又召開推進數字孿生流域建設工作會議，專門安排部署數字孿生流域建設工作，為石羊河流域進一步提升水資源管理水平提供了根本遵循。

石羊河流域率先實行流域所有機電井的取用水智能化計量管理，并建設了石羊河流域水資源信息系統等，有效推進了石羊河流域水資源的信息化、智慧化的管理進程。通過不斷累積建設，基本建設了涵蓋流域地表水水量、地下水取水量、地下水水位、雨情氣象等水利要素的基礎感知網；實施了鑿井機組GPS 定位管理，對重要水利工程、重點區域進行視頻監控等；搭建了流域水利云平臺、大數據平臺；開發了流域水利“一張圖”；探索進行了預測預報模型開發；建設了調度管理中心等。但與數字孿生流域建設的目標相比，因受建設現狀條件下技術及資金限制，還存在一些不足。

3 對標數字孿生流域建設現有信息系統存在的不足

（1）基礎信息感知網建設未實現全覆蓋。如實現機井取用水實時監控2 200 眼，僅占流域機井1.9 萬眼總量的11%；地下水位監測67 處，流域面積4.16 萬km2，監測密度不夠；地表水引調水量監測僅實現主干渠道的監測，對出入庫流量、各取水口、泄水口未實現全覆蓋監測；無生態環境、天然河道泄補水監測；無流域重點區域航拍影像地理空間數據采集等。

圖2 石羊河流域信息系統軟件

（2）地理空間“一張圖”不夠全面完善。石羊河流域“一張圖”，包括流域水系、渠系、盆地、灌區等大部分水利要素，但也還缺少河湖、地表水功能區等要素，需不斷擴充完善；地圖基礎服務主要依靠谷歌、天地圖等公用接口服務，無專業水利要素的GIS 底層二三維地圖服務；未建設流域八大水系、石羊河干流、青土湖、上游水源涵養區的數字孿生示范場景等。

（3）與物理流域可仿真運行的模型平臺不足。石羊河流域智慧平臺項目探索建設了預測預報、水資源調度、視頻可視化預警等模型，但與2+N 水利各項業務相比，各類模型還不夠全面，尚不能全面的支撐起物理流域與數字流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化的智慧化模擬需求。

（4）自優化、自學習的知識平臺功能需不斷提升。孿生流域建設，要求進一步提升平臺系統的智慧化、智能化水平，建設具有結構化、自優化、自學習的知識平臺，達到具有機器推理和機器學習等功能，是整個平臺智能化運行，實現精準化決策的平臺。目前石羊河信息化平臺，自優化、自學習、機器推理、機器學習能力欠缺，需不斷進行提升。

（5）水利信息網及水利云安全進一步提升。目前云平臺、數據平臺、網絡通道等是基于現有監測及運行數據量搭建，增加相關的監測數據、模型平臺運算等，將勢必會出現現有存儲容量、算力、帶寬不足等問題，需升級擴容。另外，隨著信息網絡的高速發展，關鍵基礎設施網絡安全尤為重要。目前平臺網絡安全防護能力還不強，需不斷提升完善，增強防護，滿足數字孿生流域平臺安全可靠穩定運行要求。

4 石羊河流域數字孿生流域建設需實施內容

根據水利部數字孿生流域建設的目標要求，石羊河流域數字孿生流域建設內容，需實施以下內容。

4.1 增補升級，建設全面可靠的信息基礎設施

4.1.1 實現重要水利要素數據的全覆蓋監測

（1）對流域1.9 萬眼機井取用水實現全覆蓋遠程監控；在集成國家地下水監測站網等數據基礎上，補充增建地下水位監測站點，滿足覆蓋全流域地下水位變化監測要求。

圖3 水利部智慧水利建設規劃總體框架

（2）在已實現部分地表水取引水口、西營河專用輸水渠引調水監測的基礎上，集成水文部門徑流數據，增設8大水系對應水庫出入庫、取水口、泄水口的引調水監測，實現地表水來水用水的雙監測。同時以灌區為單位，進行支斗渠引調水信息化監測，優化灌區灌溉調配，提升用水效率。

（3）共享集成和補充增建雨情、氣象監測站點數據，實現可覆蓋流域8 大水系及上、中、下游的降雨、蒸發、墑情的數據，準確掌握流域不同區域的雨水情等情況。

（4）建設流域重點天然河道、青土湖等生態流量監測站點，實現對河湖生態流量監測。在重點河段共享或建設視頻監視站點，監視非法采砂等“四亂”現象。

（5）多種方式收集，在現有部分基礎數據的基礎上，補充完善流域重要水庫、控制性調水工程、重要引調水工程參數數據。集成統計部門用水相關的種植結構、灌溉面積、人口數量、牲畜數量等經濟社會數據。

（6）按需無人機航拍采集流域青土湖、石羊河干流、上游水源涵養區重點區域影像地理空間數據；集成生態環境、自然資源部門流域沙漠、綠地、林草、濕地區域影像、航拍地理空間數據。

（7）在已實現各大水庫、渠首視頻監視的基礎上，按需進行重點水利工程、重點閘門、重要區域的視頻監視；按照鑿井機組數量變化進行GPS 定位設備的增減安裝等其他所需數據的監測收集。

同時對共享的數據進行規范性和準確性復核，統一坐標、高程、度量單位等，保證數據的統一、標準、可用。實現對流域水資源、水生態、水環境、水災害等流域全覆蓋水監測體系，構建石羊河流域天空地一體化水利感知網，確保物理流域映射為數字流域的實際數據需求。

4.1.2 升級建設可靠的三級水利信息網及云平臺

（1）在現有流域云平臺、數據中心的基礎上，擴充云平臺存儲容量，加大帶寬，提升運算能力、訪問速度，保障孿生流域基礎存儲、計算能力需求。

（2）在現管理中心的基礎上，建立符合系統使用要求的流域機構、市、縣三級聯動的水利業務網，并預留省級集成聯動接口，實現數據功能的三級聯動、共享共用。

（3）基于現有網絡安全技術體系，完善和增強基礎防護、實現安全異地備份、增強關鍵信息基礎設施和重要數據防護能力，建立長效高效的運行和保障機制，確保數字孿生流域網絡安全高效運行，符合國家網絡安全及系統實際運行的各項標準要求。

4.2 升級擴展，建設全面完善的數據底板。

（1）在現有信息系統“一張圖”基礎上，升級擴展地圖元素，補充河湖劃界、地表水功能區等，確保水利要素的全面完善。

（2）在現有數據平臺架構下，對新建監測站點、共享數據，進行數據集成，實現各類數據在“一張圖”上的匯聚展示，分析和管理。

（3）結合水利部、省水利廳智慧水利建設，共享搭建石羊河流域基礎水利專業要素的GIS 底層二三維地圖服務，提升流域“一張圖”水利要素管理展示的精準性。

（4）建設對流域八大水系、石羊河干流、青土湖、上游水源涵養區和重點水庫、水利工程的數字孿生示范場景；對全流域各區域的地下水存儲、埋深情況進行三維建模。補充擴展重點區域的精細數據。

（5）開發基礎數據和孿生示范場景相結合的二三維一體化交互展示功能。

實現基于基礎數據、遙感影像和DEM等數據相結合的流域二三維水利全要素、全景的數字化映射，建設全面完善的流域數據底板。

圖4 石羊河流域水利“一張圖”

4.3 優化提升，建設2+N業務應用支撐模型平臺。

按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”原則，在各類監測、集成數據和GIS的二三維流域數字化映射的基礎上，建立水利專業模型、智能模型、可視化模型，助推2+N 業務應用。

（1）建設地下水水資源承載力、預警模型。利用監測的地下水位、水量監測數據，搭建的流域地下水存儲、埋深情況三維模型，建設地下水水資源承載力、預警模型。實現地下水取用水量、水位的實時雙監管；水位動態變化的二維等值線面、三維降幅模型直觀展示；進行超許可量預警、水位持續下降臨界值預警；并與已經建設的地下水審批系統、電子證照系統實現數據同步、融合應用。為最嚴格地下水“雙控”管理、超采治理提供支撐。

（2）建設來水預報、需水調配模型。收集梳理流域8大水系長序列徑流數據，不斷進行參數優化調整，建設來水預報模型；利用多年種植結構、牲畜數量、社會經歷等歷史計算數據，與實際需水、用水數據比對，建設需水調配模型。實現科學的水預測預報、需水預測模型計算，輔助水資源分配方案、調度方案制定。

（3）建設洪水預報、抗旱防汛模型。利用降雨監測數據，建設流域8 大水系分區域洪水預報模型，實現“降雨-產流-匯流-演進”功能，進行區域淹沒分析等，實現洪水預報。基于預報模型，利用降雨、蒸發、墑情等數據建設上中下游抗旱防汛模型，實現流域8 大水系、上中下游抗旱防汛的降雨預警、洪水預報、指定預案、提前預演的“四預”功能等，提升抗旱防汛的分析研判能力。

（4）建設河湖生態治理生態模型。基于河湖劃界、河湖岸線規劃、河湖生態監測數據，以河長制行政區劃分段，對重點區域河道進行三維建模，構建河湖管理模型。實現生態補水、污水排放、無序采砂等情況不同量級下的河道變化模擬演示、超限預警等。融合河湖長制視頻監視、巡查APP 數據，推進流域河湖長制工作落實，充分發揮石羊河全國示范河湖引領作用。

（5）建設祁連山冰雪、青土湖濕地變化分析模型。利用建設的數字孿生示范場景，賦予不同數據，模擬不同數值下的冰雪消融、青土湖生態變化等情況，動態掌握祁連山冰雪消融、青土湖濕地變化規律，為守住生態底線提供數據支撐。

（6）建設重點水利工程安全運行模型。對西營河專用輸水渠、景電二期調水、引流濟金等重點水利工程進行三維模擬仿真運行，接入實時監測或輸入模擬數據，模擬運行狀態和效果，界定最高調水標準，滿負荷調水情況等，輔助重點水利工程的安全運行，并發揮最大效益。

（7）視頻監視智能分析模型。充分發揮現具有入侵監測、入侵預警功能的視頻建設平臺基礎，加強后臺功能提升，建設視屏智能分析模型平臺。并對流域重點渠道樞紐、石羊河干流、采砂河道、重要設備、企業用水大戶取水口等補充進行視頻監視，提升對重點水利設施工況、工程運行、區域生態、設備安全、取用水情況的掌控及管理能力。

（8）建設水政監督執法及其他業務模型。基于現有GPS 定位鑿井機組定位管理，融合無人取證執法，建設水政監督模型，推進水政監測、水政執法的信息化、智慧化水平，提升執法效能。并充分結合其他業務需求，建立支撐水利管理的其他模型平臺。

4.4 探索研究，開發支撐精準決策的知識平臺。

對以上各類平臺的運算數據、運算方式進行融合，重點基于水資源配置和調度，不斷探索積累，開發具有結構化、自優化、自學習的知識平臺，實現地下水不同區域取用水量與水位升降的直觀聯系，準確計算流域地下水蓄變量、地下水平衡等。實現來水預測、需水預測、水量調度模型的耦合、融合計算，形成石羊河水資源科學精準的水資源調度方案，實現水資源配置管理的“四預”功能，支撐水資源管理的精準決策。

5 結論

重塑水資源管理秩序，提升水資源管理水平，是落實石羊河流域重點治理任務和鞏固治理成效的核心，水生態的健康發展，是可持續的堅定要求，石羊河重點治理工作得到水利部和社會各界的高度認可，被譽為“石羊河模式”。2020年11月，石羊河示范河湖建設作為水利部第一批全國創建的示范河湖順利通過驗收，生態治理成效顯著。石羊河數字孿生流域建設，將會解決現狀條件下，水情信息監測覆蓋不全面，分析和共享應用不充分的短板，各類模型的優化提升和補充建設，對促進石羊河流域“水利行業強監管”措施的落實、提升水資源管理效能及推進水生態治理保護發揮重要的作用，知識平臺建設將進一步提升水資源的智慧化、智能化管理水平，實現流域水利“四預”管理，數字賦能石羊河流域最嚴格水資源管理、流域生態復蘇、水資源集約節約利用等。為西北干旱地區，水資源嚴重緊缺的石羊河流域形成長期、良性地水資源管控提供先進科技支撐，推進流域新階段水利高質量發展，助力流域“五位一體”發展行穩致遠。