数字孪生赋能智慧水利：构建“天空地水工”一体化监测感知网络

引言：智慧水利新时代的数字化转型

随着全球气候变化和水资源短缺问题的加剧，水利行业正面临前所未有的挑战。为应对这些挑战，水利部于2024年7月发布了《数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动方案（2024—2026年）》，旨在通过数字孪生技术构建“天空地水工”一体化监测感知网络，全面提升水利监测感知能力，支撑数字孪生水利体系的算据获取和“四预”（预报、预警、预演、预案）功能实现。这一方案的实施标志着我国水利行业迈向智慧化、数字化的重要一步。

一、数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系

“天空地水工”一体化监测感知网络是数字孪生水利的重要组成部分，通过融合多种监测技术和设备，实现对水利对象全要素和治理管理全过程的智能监测感知。具体构成如下：

“天”：遥感技术的全面覆盖
利用光学遥感、SAR（合成孔径雷达）、重力、气象卫星、北斗等技术，实现对流域下垫面、河湖水体、洪涝灾害、工程面貌等的大尺度全局监测感知。
例如，卫星遥感技术在实施数字孪生水利“天空地”协同监测感知中发挥了关键作用，提供高分辨率的遥感数据。
“空”：无人机与高塔设备的高精度监测
通过无人机、高塔等设施设备，搭载激光雷达、天气雷达、测雨雷达等监测仪器，实现对水域岸线、蓄滞洪区、山洪灾害易发区等重点区域的地形、雨情等要素的中小尺度高精度动态及时监测感知。
“地”：地面监测设施的精准实时感知
部署雨量站、蒸发站、地下水站、土壤墒情站、视频监测站等地面监测设施设备，实现对关键区域点位雨情、蒸发、地下水位、墒情等要素的精准实时监测感知。
“水”：水中水下要素的自动化监测
采用声、光、电、无人船等监测技术装备，实现对河湖库水体的水位、流速、水质、泥沙含量、水下地形、水生生物等水中水下要素的精准自动化监测感知。
“工”：水利工程安全的实时精细监测
利用渗压计、光纤光栅、应变计、震动仪、测量机器人、水下机器人等手段，实现对水库大坝、堤防、水闸、隧洞等水利工程内外的渗流渗压、位移形变、应力应变等工情险情要素的实时精细监测感知。

二、主要目标与实施计划

该方案明确了到2026年底的主要目标：以水利部、流域管理机构、省级水行政主管部门的三级数字孪生平台为依托，基本建成“点线面体”监测网络，覆盖水利对象全要素和治理管理全过程，形成全要素、全天候的动态监控体系。具体目标包括：

提升四方面基础
技术装备：构建水利遥感卫星应用星座，搭建无人机监测共享服务平台，推进智能监测感知新技术设备应用。
通信安全：提升数据通信效能和韧性，强化网络安全防护，强化数据安全防护。
数据归集：构建水利部、流域和省级数据归集平台，实现多源数据的高效归集与共享。
制度标准：建立健全数据归集共享管理制度，加强监测感知标准与计量支撑。
提升六大核心领域能力
水旱灾害防御：加快雨水情监测预报“三道防线”建设，推进洪涝灾害遥感监测，加强山洪灾害监测预警，强化蓄滞洪区协同动态监测，加强旱情和咸情监测，推进冰湖和凌汛期凌情日常化监测。
水资源管理与调配：推进国家水网监测感知体系构建，完善取用水监测计量体系，开展河湖水资源和生态保护监测，持续推进全国重点河湖生态流量和跨省重要断面江河水量常态化监测，推进调水工程水量监测，加强集中式饮用水水源地水量水质监测，加强地下水监测能力建设。
水利工程建设和运行管理：推进新建水利工程高标准部署监测设施，加强已建水库大坝安全监测，开展水库全要素全天候监测，加强堤防水闸安全监测。
河湖长制及河湖管理：提升河湖库监测感知能力，提升河道采砂智慧监管能力，提升流域下垫面快速监测能力。
水土保持：提升人为水土流失遥感监测感知能力，建设国家水土保持监测站点优化布局工程，实施水土流失状况及变化动态监测，加强淤地坝安全监测。
农村水利水电：加快灌区在线监测建设，提高农村供水工程信息感知能力，加强小水电运行监测感知。

三、实施进展与未来计划

2024年进展
水利部审议通过《数字孪生水利一体化监测感知夯基提能行动方案》，明确提出通过高分辨率航天、航空遥感技术和地面水文监测技术的有机结合，推进建立流域“天空地”协同监测感知体系。
《淮委数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动实施方案》通过水利部网信办审查，立足淮河流域实际需求，构建一体化监测网络，支撑数字孪生水利体系算据获取。
湖北省水利厅《实施方案》顺利通过审查，创新性提出了“天空地水工”一体化监测感知体系构建思路，融合卫星遥感、无人机巡检、地面物联网监测等多种技术手段。
云南省水利厅《实施方案》通过水利部长江水利委员会网络安全和信息化领导小组办公室审查，聚集六大核心领域，构建“天空地水工”一体化监测感知网络，支撑云南数字孪生水利体系发展。
2025年计划
完善数字孪生水利体系，完善“天空地水工”一体化监测感知体系：构建水利遥感卫星应用星座，建设归集应用平台，完善应用机制，提升不同区域、不同分辨率、不同覆盖频次的观测能力。
加强坝工智能监测、坝外探测、用水在线计量监测等新技术新设备研发应用。
建设水利部本级、流域管理机构、省级及相关工程单位的数据归集平台，推进多源数据互联互通。
全面启动国家数字孪生水利建设工程(一期)，深化南水北调东中线工程数字孪生应用，持续推进数字孪生三峡、小浪底、丹江口等工程建设，统筹推进水库、堤防水闸、蓄滞洪区、调水工程、灌区、农村供水工程等数字孪生建设，推进水利智能业务应用，不断完善数字孪生水利体系。

四、结语：数字孪生引领水利行业高质量发展

数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知网络的构建，不仅是水利行业数字化转型的重要里程碑，也是实现水资源高效管理、水旱灾害防御、水利工程安全运行的关键支撑。通过“四预”功能的实现，水利部门能够更精准、更高效地应对各种复杂情境，为水利行业的高质量发展提供强有力的技术保障。

未来，随着数字孪生技术的不断迭代和应用的深化，水利行业将迎来更加智慧化、数字化的新时代，为实现生态文明建设和可持续发展目标贡献更大力量。