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以水文监测现代化夯实数字孪生建设基础——访水利部南京水

利水文自动化研究所所长刘九夫

编者按：数字孪生水利是水利高质量发展的重要标志。在2023年

全国水利工作会议上，水利部部长李国英提出要按照“需求牵引、应

用至上、数字赋能、提升能力”要求，统筹建设数字孪生流域、数字

孪生水网、数字孪生工程，构建具有“四预”功能的数字孪生水利体

系。

水文监测现代化是数字孪生建设的基础。聚焦全球涉水领域数字

孪生研究和我国水文监测现代化建设，本报记者专访水利部南京水利

水文自动化研究所所长刘九夫，围绕相关热点话题进行解读，敬请关

注。

问

当前数字孪生备受关注，如何理性看待数字孪生?

刘九夫：数字孪生是指某一物理对象或系统整个生命周期的动态

虚拟再现，根据实体空间、历史和实时等大数据，利用高保真模拟模

型、机器学习和推理等洞察物理对象或系统，为管理者提供辅助决策。

数字孪生的出现不是概念炒作，而是信息化发展到一定程度的必

然结果，数字孪生正成为人们解构、描述、认识物理世界的新型工具。

从长期来看，数字孪生是一套支撑数字化转型的综合技术体系，技术

在发展，体系在演进，其应用推广也是一个动态、演进和长期的过程。

数字孪生包括感知系统、高保真模拟模型、高交互展示平台和应用服

务等组成部分，我国在透彻感知、高保真模拟模型研究、软件平台研

发等方面存在诸多短板，成为制约数字孪生发展的瓶颈。当前，要坚

持需求牵引和价值导向，以需求迫切、基础较好、潜力巨大的应用场

景为突破口，在重点领域、重点环节率先实现突破。

问

全球关于涉水领域数字孪生的必威体育精装版研究进展如何?

刘九夫：2020年9月，欧洲航天局启动了数字孪生地球项目建设，

并开启包括森林、水文、南极洲、粮食系统、海洋、气候等在内的先

导项目。该项目将利用现有空间监测等发展成果，纳入必要的元素，

为水文过程的第一个数字孪生地球实例制作原型。作为一个集成的交

互式系统，以前所未有的分辨率和精度提供水循环和水文过程及其与

人类活动相互作用的最佳重建和模拟。

2022年9月，意大利特伦托大学、美国科罗拉多州立大学以及意

大利国家研究委员会的研究人员，提出建立一个人人参与的数字地球

孪生水文系统(DARTHs)。该系统强调模拟模型的极端重要性，提出模

型即应用(MaaA)、模型即工具(MaaT)、模型即服务(MaaS)、模型即

资源(MaaR)、模型即商品(MaaC)等理念。鉴于开放科学运动及其理

念，DARTHs开源的紧迫性得到了支持，研究人员可以利用这一方式

的合作中描述和控制不同地区的模型结果。另外，研究人员认为建立

DARTHs的目标是可行、可实现的，事实上，该数字孪生水文系统所

涉及的许多方面在当前的实践中已经成为现实。

问

水文监测现代化是数字孪生建设的基础，水文监测现代化应体现

在哪些方面?

刘九夫：当前，水文现代化建设对水文监测需求迫切，其中包括

建立全覆盖的“空天地”一体化水文监测体系，实现全要素全量程全

自动监测，水文信息采集传输接收处理、预测预报和分析评价全流程

自动化和智能化等。对标新时期水文现代化提出的新要求和传感器技

术发展趋势，水文监测现代化应实现“三全三高”，即推动实现全要

素、全自动、全过程监测，推动水文监测向高精度、高频率、高适应

方向发展。具体包括扩展监测要素、提升监测要求、升级监测手段。

在扩展监测要素上，水文现代化监测中的要素应根据行业管理、水文

现代化、水文学科发展等要求进行拓展，如旱情监测中拓展墒情要素，

地下水监测中拓展储量、水质等要素，水生态监测中拓展藻类、水生

植物、水生动物、生境等要素，以及拓展监测水文要素的驱动和影响

要素，其中包括风速、温度、湿度等。在提升监测要求上，目前流速

(流量)、蒸发、泥沙自动监测率较低，未来应聚力推动实现水文监测的

全自动;同时，应推动实现水文全过程监测，实现水文监测的在线化、

全量程和全场景监测。此外，实现水文监测现代化还需要提高水文监

测的时间频率;针对水文计量法规体系不完善、水文监测量值溯源和监

管有短板的情况，尽快实现水文监测的高精度;通过监测设备的微型化、

集成化、网络化、智能化等方式，提高水文监测设备装置的高适应性。

在升级监测手段上，目前我国以水文站网(地基)监测为主，缺乏空基和

天基监测，应推动实现水文监测的立体化，提升立体感知的智能水平，

通过卫星