國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器研發(fā)與應(yīng)用

Research, development, and application of the National Water Network Allocation Simulator

桑學(xué)鋒，趙勇，王浩，鄭陽(yáng)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

摘要：全面提升水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力與供水保障能力、推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展，是數(shù)字孿生國(guó)家水網(wǎng)智能化建設(shè)的重要任務(wù)。水網(wǎng)調(diào)配推演器是數(shù)字孿生水網(wǎng)的核心驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)數(shù)字化手段對(duì)物理水網(wǎng)進(jìn)行全面、精準(zhǔn)的映射和模擬。本文從國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器建設(shè)復(fù)雜度和業(yè)務(wù)功能出發(fā)，提出模擬器功能框架、數(shù)據(jù)架構(gòu)、模型設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式；開(kāi)發(fā)了水網(wǎng)調(diào)配推演系統(tǒng)的界面功能、業(yè)務(wù)功能系統(tǒng)；研發(fā)并內(nèi)置了產(chǎn)匯流模擬、水資源評(píng)價(jià)、水資源優(yōu)化調(diào)配、水資源承載能力、水網(wǎng)綜合水價(jià)測(cè)算等機(jī)理專業(yè)模型；實(shí)現(xiàn)了需水預(yù)測(cè)、超大水網(wǎng)并行等技術(shù)突破。1965—2020年長(zhǎng)系列國(guó)家水網(wǎng)模擬應(yīng)用表明，調(diào)配推演器能夠?qū)Ξ?dāng)前水網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行定量評(píng)估，也可對(duì)未來(lái)水網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行推演分析。研究成果可有效提升水網(wǎng)調(diào)度時(shí)空尺度把控能力，如短期水量調(diào)配、季節(jié)性水資源管理、長(zhǎng)期水資源規(guī)劃、跨流域水資源調(diào)配及全國(guó)水資源統(tǒng)籌等，可為國(guó)家或相關(guān)流域水網(wǎng)調(diào)度和管理決策提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：國(guó)家水網(wǎng)；水資源調(diào)配；推演器；專業(yè)模型；數(shù)字孿生；水資源承載能力；需水預(yù)測(cè)

作者簡(jiǎn)介：桑學(xué)鋒，正高級(jí)工程師，主要從事水文與水資源、水環(huán)境綜合調(diào)控與管理研究

通信作者：趙勇，水資源研究所所長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事水循環(huán)演變、水資源高效利用與國(guó)家水網(wǎng)研究。E-mail：zhaoyong@iwhr.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFC3200200）；水利部重大科技項(xiàng)目（SKS-2022118）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.22.004

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國(guó)水資源供需矛盾日趨尖銳，水生態(tài)環(huán)境壓力持續(xù)攀升，水災(zāi)害防御形勢(shì)依然嚴(yán)峻，國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)正是應(yīng)對(duì)這三大問(wèn)題的有效措施。傳統(tǒng)水利管理模式和技術(shù)手段已難以適應(yīng)現(xiàn)代水利發(fā)展需求，迫切需要引入先進(jìn)的信息技術(shù)和管理理念，提升國(guó)家水網(wǎng)精細(xì)化、智能化管理水平。2023年5月中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》，為國(guó)家水網(wǎng)的構(gòu)建提供了明確方向和目標(biāo)，提出要加快構(gòu)建“系統(tǒng)完備、安全可靠，集約高效、綠色智能，循環(huán)通暢、調(diào)控有序”的國(guó)家水網(wǎng)。2022年以來(lái)水利部出臺(tái)《關(guān)于實(shí)施國(guó)家水網(wǎng)重大工程的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件，提出國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)具體要求和實(shí)施路徑。數(shù)字孿生水網(wǎng)作為國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容，是推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)志之一。

水網(wǎng)調(diào)配推演器是數(shù)字孿生水網(wǎng)的核心驅(qū)動(dòng)，也是國(guó)家水網(wǎng)調(diào)度的重要引擎，它通過(guò)數(shù)字化手段對(duì)物理水網(wǎng)進(jìn)行全面、精準(zhǔn)的映射和模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)水網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)、推演和評(píng)估，為水資源科學(xué)調(diào)配和水災(zāi)害有效防控提供支撐。本文從國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器的功能框架、數(shù)據(jù)架構(gòu)、模型設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式、功能系統(tǒng)及應(yīng)用效果等方面，解析國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器的開(kāi)發(fā)要領(lǐng)和功能特點(diǎn)。

國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器的研發(fā)基礎(chǔ)

在近30年水資源配置和調(diào)度相關(guān)理論方法和模型技術(shù)研究基礎(chǔ)上，2016年中國(guó)水利水電科學(xué)研究院承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“國(guó)家水資源承載力評(píng)價(jià)與戰(zhàn)略配置”，系統(tǒng)開(kāi)展了全國(guó)二元水循環(huán)模擬和水網(wǎng)調(diào)配推演模型構(gòu)建與應(yīng)用研究，為國(guó)家水網(wǎng)規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐；2021年在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“區(qū)域水平衡機(jī)制與國(guó)家水網(wǎng)布局優(yōu)化研究”中成功構(gòu)建了“國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器V1.0”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全國(guó)復(fù)雜水網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)與動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)全國(guó)水網(wǎng)效能進(jìn)行了評(píng)估。近年，國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器先后應(yīng)用于長(zhǎng)江流域水網(wǎng)工程推演、山東現(xiàn)代水網(wǎng)規(guī)劃、大灣區(qū)廣東水網(wǎng)調(diào)配等實(shí)踐中，并不斷完善提升。

國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器建設(shè)的復(fù)雜程度

1.水網(wǎng)要素結(jié)構(gòu)復(fù)雜

水網(wǎng)由河流、湖泊、水庫(kù)、渠道、泵閘等多種水體及水工程要素構(gòu)成，各要素空間上彼此交織、錯(cuò)綜分布，時(shí)間上耦合聯(lián)動(dòng)、動(dòng)態(tài)演變，使得水網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)高度的復(fù)雜性與互饋性。

2.水網(wǎng)業(yè)務(wù)流程復(fù)雜

水網(wǎng)業(yè)務(wù)涉及水資源調(diào)度、防洪抗旱、生態(tài)保護(hù)等多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，各領(lǐng)域均具備特定的操作規(guī)程和管理規(guī)范要求，各業(yè)務(wù)流程之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同構(gòu)建了一個(gè)多層次、多維度的復(fù)雜業(yè)務(wù)運(yùn)作體系。

3.數(shù)字水網(wǎng)過(guò)程模擬復(fù)雜

實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源形成、流動(dòng)、分配、消耗等多個(gè)過(guò)程的高精度模擬，需要準(zhǔn)確刻畫(huà)水文循環(huán)各過(guò)程，綜合考慮氣候變化與人類活動(dòng)等外部因素影響，涉及海量數(shù)據(jù)處理與高強(qiáng)度計(jì)算，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度高。

國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.功能設(shè)計(jì)

功能分析是構(gòu)建國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器的前提與基礎(chǔ)。依據(jù)時(shí)間尺度，將水網(wǎng)水資源調(diào)配業(yè)務(wù)分為超長(zhǎng)期、中長(zhǎng)期、短期實(shí)時(shí)與應(yīng)急四個(gè)層次。超長(zhǎng)期與中長(zhǎng)期層級(jí)側(cè)重資源配置類工作，包括區(qū)域與工程層面的水網(wǎng)規(guī)劃、水量分配，以及年度與月度計(jì)劃的編制與論證，其核心在于形成配置方案與制度安排；短期實(shí)時(shí)與應(yīng)急層級(jí)側(cè)重調(diào)度運(yùn)行管理，包括日常調(diào)度、設(shè)備檢修期的階段性調(diào)度，以及針對(duì)旱情、洪澇等突發(fā)事件的應(yīng)急調(diào)度與響應(yīng)，其核心在于在既定資源約束下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)處置。

通過(guò)對(duì)各類業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行分層框架設(shè)計(jì)，明晰各業(yè)務(wù)的目標(biāo)、約束與決策時(shí)效上的邊界，開(kāi)發(fā)與業(yè)務(wù)相匹配的調(diào)配推演子系統(tǒng)，并通過(guò)子系統(tǒng)間的耦合聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)配置與高效管理，提升系統(tǒng)對(duì)不確定性與極端事件的適應(yīng)與韌性，保障水資源的可持續(xù)利用。

▲國(guó)家水網(wǎng)水資源調(diào)配業(yè)務(wù)分類

2.總體架構(gòu)

采用“統(tǒng)一部署、多級(jí)應(yīng)用”系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，基于國(guó)家水利智能感知信息資源整合共享數(shù)據(jù)，按照“數(shù)據(jù)底板-算法模型-業(yè)務(wù)應(yīng)用-聯(lián)動(dòng)展示”四層構(gòu)建總體架構(gòu)，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口與協(xié)同機(jī)制貫通全鏈條。采用國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)保障數(shù)據(jù)自主可控，融合治理工程數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成一體化數(shù)據(jù)資源池。集約構(gòu)建涵蓋全國(guó)氣象預(yù)報(bào)、水文預(yù)報(bào)、地下水、經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)、配置、調(diào)度、水權(quán)水價(jià)與生態(tài)分析等模型的多功能模塊，形成機(jī)理與數(shù)據(jù)雙重驅(qū)動(dòng)的自主模型體系，為水網(wǎng)工程推演提供驅(qū)動(dòng)引擎。面向?qū)嶋H業(yè)務(wù)需求，建設(shè)“大屏總覽展示+分屏業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)+高級(jí)分析”的逐級(jí)展示界面，引入大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)與遙感解譯等組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)及水利一張圖等全方位服務(wù)。全面支撐水資源管理與調(diào)配、水旱災(zāi)害防御、水工程運(yùn)行方案、水網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估等核心業(yè)務(wù)工作，并實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)的流程協(xié)同與聯(lián)動(dòng)處置。

▲國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器總體架構(gòu)

3.數(shù)據(jù)架構(gòu)

依據(jù)國(guó)家水網(wǎng)“綱”“目”“結(jié)”要素特性，完成基于L1、L2、L3級(jí)數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)治理和匯聚工作，并構(gòu)建水網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)淠Ｐ?。通過(guò)數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、整合等處理流程形成水網(wǎng)專題庫(kù)，構(gòu)建水利大數(shù)據(jù)平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，打造水網(wǎng)水利數(shù)據(jù)資源超市，支撐水網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全生命周期管理與共享。

▲國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器數(shù)據(jù)架構(gòu)

4.外部交互架構(gòu)

根據(jù)數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)相關(guān)規(guī)范，構(gòu)建數(shù)據(jù)共享與指令聯(lián)動(dòng)機(jī)制，預(yù)設(shè)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)接口，可集約整合各級(jí)部門的建設(shè)成果，實(shí)現(xiàn)共建共享。具體措施如對(duì)接國(guó)家水網(wǎng)數(shù)字孿生平臺(tái)、流域防洪調(diào)度系統(tǒng)、水資源管理系統(tǒng)等，促成跨區(qū)域、跨部門、跨層級(jí)的數(shù)據(jù)交互與業(yè)務(wù)協(xié)同。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)接口還可以與氣象、自然資源、生態(tài)環(huán)境等外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，形成多源信息聯(lián)動(dòng)綜合應(yīng)用。

5.開(kāi)發(fā)方式

國(guó)家水網(wǎng)涵蓋“2+N”水利業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)模塊呈現(xiàn)多目標(biāo)、多用戶、多過(guò)程特點(diǎn)。國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器采用組件化開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)具備特定功能軟件模塊，實(shí)現(xiàn)模塊化封裝和標(biāo)準(zhǔn)化接口調(diào)用，并提升復(fù)用性。通過(guò)各類可通用組件、接口和構(gòu)件實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景和功能模塊的快速聯(lián)動(dòng)。各應(yīng)用模塊相對(duì)獨(dú)立，內(nèi)部業(yè)務(wù)流程升級(jí)和改造也相對(duì)獨(dú)立，在后續(xù)運(yùn)維中具備良好的可拓展性和易維護(hù)性。

6.運(yùn)行方式

根據(jù)流域管理和行政管理相結(jié)合的管理機(jī)制，國(guó)家水網(wǎng)涉及的業(yè)務(wù)管理單位涵蓋水利部、各流域管理機(jī)構(gòu)、地方各級(jí)水行政主管部門的相關(guān)業(yè)務(wù)部門，以及各級(jí)水工程的運(yùn)行管理單位等。構(gòu)建了“自上而下、自下而上”的業(yè)務(wù)管理拓?fù)鋷?kù)，實(shí)現(xiàn)了上傳下達(dá)的分解和匹配。上層負(fù)責(zé)針對(duì)國(guó)家水網(wǎng)總體聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)需求，為全局化水網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估、中長(zhǎng)期水網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃、水量動(dòng)態(tài)分配及調(diào)整等工作提供支持；下層則針對(duì)流域及各級(jí)水利部門在供水安全保障、水旱災(zāi)害防御方面的動(dòng)態(tài)調(diào)度需求，為短期水旱災(zāi)害防御聯(lián)合調(diào)度、河道工程安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、基于調(diào)令的閘泵聯(lián)合調(diào)度等工作提供支持。在業(yè)務(wù)執(zhí)行方面，水利部、流域管理機(jī)構(gòu)及省級(jí)水行政主管部門按職責(zé)從宏觀角度進(jìn)行管控；各基層水行政管理單位、水工程運(yùn)行管理單位等在微觀層面負(fù)責(zé)具體落實(shí)。這種方式既保證了水網(wǎng)水資源的統(tǒng)一管理，又充分考慮了各地區(qū)的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了流域管理和行政管理的有機(jī)結(jié)合。

▲國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器用戶及運(yùn)行關(guān)系

國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器系統(tǒng)研發(fā)

1.界面功能

國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器整體界面包括三部分：左部為導(dǎo)航控制面板，集中展示國(guó)家水網(wǎng)“綱”“目”“結(jié)”要素特征屬性；中部為三維可視化交互區(qū)，依托數(shù)字孿生技術(shù)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)水網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、水量流向及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)；右側(cè)為業(yè)務(wù)功能擴(kuò)展欄，集成調(diào)度方案生成、模擬結(jié)果對(duì)比分析、多維度報(bào)表輸出等模塊。界面采用分層分級(jí)設(shè)計(jì)原則，支持用戶按需切換全網(wǎng)宏觀態(tài)勢(shì)與局部細(xì)節(jié)仿真視圖，同時(shí)提供調(diào)令執(zhí)行進(jìn)度追蹤與實(shí)時(shí)告警提示功能，確保調(diào)度決策精準(zhǔn)性和時(shí)效性。

▲國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器界面功能

2.業(yè)務(wù)功能

面向水網(wǎng)水情和功能邏輯，設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)時(shí)水情、供需態(tài)勢(shì)、智算引擎、專題圖等四大功能分屏；面向水網(wǎng)支撐業(yè)務(wù)邏輯，研發(fā)規(guī)劃決策、工程評(píng)估、動(dòng)態(tài)調(diào)配、水權(quán)水價(jià)等四大業(yè)務(wù)分屏。

通過(guò)四大功能分屏與四大業(yè)務(wù)分屏的有機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家水網(wǎng)水資源監(jiān)測(cè)、分析、決策與調(diào)度的全流程閉環(huán)管理。實(shí)時(shí)水情分屏整合多源感知數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)展示水位、流量、雨量等關(guān)鍵指標(biāo)；供需態(tài)勢(shì)分屏結(jié)合歷史數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型，精準(zhǔn)刻畫(huà)不同水網(wǎng)區(qū)域用水需求與供給能力；智算引擎分屏內(nèi)置降水產(chǎn)匯流、水資源評(píng)價(jià)、水資源優(yōu)化配置、水資源優(yōu)化調(diào)度、水資源承載能力、水網(wǎng)綜合水價(jià)測(cè)算等專業(yè)模型，支撐復(fù)雜場(chǎng)景下的水網(wǎng)調(diào)度方案生成；專題圖分屏則提供可視化空間分析工具，輔助水網(wǎng)工程布局、水資源態(tài)勢(shì)評(píng)估等。

通過(guò)場(chǎng)景設(shè)置和功能分屏聯(lián)動(dòng)分析，在規(guī)劃決策方面可以支持流域政策沖擊分析、流域水量分配調(diào)整等業(yè)務(wù)；在工程評(píng)估方面可以支持水網(wǎng)工程規(guī)劃評(píng)估、工程調(diào)度方案修編等業(yè)務(wù)；在動(dòng)態(tài)調(diào)配方面可以支持年月計(jì)劃調(diào)度、日常動(dòng)態(tài)調(diào)度、抗旱應(yīng)急調(diào)度等業(yè)務(wù)；在水權(quán)水價(jià)方面可以支持水權(quán)初始分配、水網(wǎng)綜合水價(jià)測(cè)算、水網(wǎng)效益評(píng)估等業(yè)務(wù)。

3.專業(yè)模型研發(fā)

（1）專業(yè)模型架構(gòu)與耦合集成關(guān)系

針對(duì)水網(wǎng)格局下江河流域總量控制、年度計(jì)劃制定、實(shí)時(shí)及應(yīng)急調(diào)度為核心的管理需求，全面考慮水網(wǎng)水資源從源頭獲取到最終去向的全過(guò)程，研發(fā)相關(guān)的專業(yè)模型。這些模型旨在有效支撐江河流域水量分配、大型跨流域調(diào)水工程計(jì)劃調(diào)度以及日常與應(yīng)急調(diào)度方案編制。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求，需靈活進(jìn)行模型的組合與聯(lián)動(dòng)，每類模型可以由多個(gè)子模型構(gòu)成，形成集合預(yù)報(bào)體系，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的全面支撐，確保水網(wǎng)調(diào)配的科學(xué)性和高效性。

▲專業(yè)模型架構(gòu)與耦合集成關(guān)系

（2）相關(guān)原創(chuàng)技術(shù)突破

本研究采用自主產(chǎn)權(quán)的水資源通用調(diào)配模型SkyWasm，聯(lián)動(dòng)來(lái)水預(yù)報(bào)模型、需水預(yù)測(cè)模型、水量分配模型、水量調(diào)度模型以及水網(wǎng)柔性拓?fù)?、并行?jì)算等技術(shù)；成功研發(fā)構(gòu)建了全國(guó)“四級(jí)區(qū)+縣市+128項(xiàng)調(diào)水工程+5500座大中型水庫(kù)”的水網(wǎng)水資源一體化模型系統(tǒng)。以下重點(diǎn)介紹需水預(yù)測(cè)技術(shù)和超大水網(wǎng)并行計(jì)算技術(shù)。

①需水預(yù)測(cè)技術(shù)：融合用水主體的特點(diǎn)及策略學(xué)習(xí)，研發(fā)“基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與精英策略的機(jī)器學(xué)習(xí)算法及模型”。以深圳市為例，針對(duì)35個(gè)水廠近3年逐日用水量和水廠覆蓋區(qū)用水戶特點(diǎn)，預(yù)測(cè)下一年度水廠逐日用水，Nash效率系數(shù)達(dá)到0.942，滿足年用水計(jì)劃編制的精度要求。

②超大水網(wǎng)并行計(jì)算技術(shù)：針對(duì)全國(guó)水網(wǎng)巨復(fù)雜系統(tǒng)的工程節(jié)點(diǎn)、計(jì)算單元維數(shù)災(zāi)難和計(jì)算性能難點(diǎn)，研發(fā)基于Fortran語(yǔ)言的OpenMP并行算法，實(shí)現(xiàn)了大型稀疏矩陣并行計(jì)算下的多線程COO-RC動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，大幅度提高水網(wǎng)巨復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算效率。以全國(guó)水網(wǎng)模型工區(qū)為例，新方法的運(yùn)算時(shí)間由之前的2h縮減至5min，運(yùn)算速度提升24倍。

（3）模型前置內(nèi)嵌

在構(gòu)建專業(yè)模型基礎(chǔ)上，綜合考慮模型與業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)篩選和聯(lián)動(dòng)，采用專業(yè)模型平臺(tái)前置化的方案，將專業(yè)模型界面化內(nèi)嵌，實(shí)現(xiàn)核心引擎和業(yè)務(wù)融合。同時(shí)，開(kāi)展接口封裝和數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化工作，旨在實(shí)現(xiàn)專業(yè)模型與水網(wǎng)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)解決方案的實(shí)時(shí)交互。通過(guò)這一方式，確保準(zhǔn)確、高效地傳輸和解析不同專業(yè)模型的輸入輸出數(shù)據(jù)，從而為水網(wǎng)管理的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案制定提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器模擬效果及應(yīng)用

1.水網(wǎng)關(guān)鍵斷面徑流模擬

采用全國(guó)112個(gè)水文站數(shù)據(jù)，模型驗(yàn)證期關(guān)鍵斷面旬尺度徑流量精確度指標(biāo)（Nash系數(shù)）平均為0.83，其中90%以上站點(diǎn)Nash系數(shù)在0.8以上。

2.水網(wǎng)格局下水資源承載力評(píng)估

采用55年的歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了長(zhǎng)系列推演模擬，評(píng)估了國(guó)家現(xiàn)狀已建/在建水網(wǎng)連通工程建成前后的區(qū)域水資源承載狀態(tài)變化分布。評(píng)估結(jié)果顯示，在現(xiàn)狀水網(wǎng)連通工程完全達(dá)效的情況下，相關(guān)區(qū)域尤其是北方地區(qū)的水資源承載力顯著提升。然而從供水保障和高質(zhì)量發(fā)展的要求看，仍需進(jìn)一步完善重點(diǎn)區(qū)域的“綱”“目”“結(jié)”水網(wǎng)工程。

3.重點(diǎn)流域水網(wǎng)抗旱效益分析

針對(duì)長(zhǎng)江流域，開(kāi)展1596座大中型水庫(kù)、12項(xiàng)流域水網(wǎng)大型調(diào)水工程、260個(gè)地市經(jīng)濟(jì)與生態(tài)單元的水網(wǎng)水資源供需態(tài)勢(shì)推演，對(duì)2022年長(zhǎng)江流域大旱場(chǎng)景進(jìn)行了模擬。分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江中下游流域整體表現(xiàn)為氣象特大干旱，但徑流衰減明顯的區(qū)域?yàn)槎赐ズ?、清江、漢江和鄱陽(yáng)湖水系，比氣象干旱范圍小很多，河川關(guān)鍵斷面仍保持一定徑流量，這與2022年長(zhǎng)江特大干旱期間斷面徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布一致。這表明城市供水安全實(shí)現(xiàn)了大幅提升，水網(wǎng)調(diào)蓄結(jié)點(diǎn)和連通工程對(duì)于抵御大范圍干旱具有顯著作用。

▲長(zhǎng)江流域水網(wǎng)格局下氣象干旱與水文干旱推演對(duì)比

結(jié)論與展望

國(guó)家水網(wǎng)工程在應(yīng)對(duì)和解決我國(guó)水資源時(shí)空分布不均、水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不匹配等復(fù)雜問(wèn)題方面發(fā)揮了極為顯著且不可替代的作用。全面提升國(guó)家水網(wǎng)水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、供水保障能力，推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展，是數(shù)字孿生國(guó)家水網(wǎng)智能化建設(shè)的重要任務(wù)。水網(wǎng)調(diào)配推演器是數(shù)字孿生水網(wǎng)的核心驅(qū)動(dòng)。

①本文從國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器建設(shè)復(fù)雜度和業(yè)務(wù)功能出發(fā)，研究提出模擬器的功能框架、數(shù)據(jù)架構(gòu)、模型設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式，并開(kāi)發(fā)了水網(wǎng)業(yè)務(wù)功能系統(tǒng)。1965—2020年長(zhǎng)系列國(guó)家水網(wǎng)模擬應(yīng)用表明，調(diào)配推演器模擬精度較高，能夠?qū)Ξ?dāng)前水網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行定量評(píng)估，也可對(duì)未來(lái)水網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行推演分析。

②國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器作為國(guó)家數(shù)字孿生水網(wǎng)智能化建設(shè)的核心驅(qū)動(dòng)組件，依托數(shù)字化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)物理水網(wǎng)的全方位、高精度映射與模擬，能夠有效提升水網(wǎng)調(diào)度的時(shí)空尺度把控能力，如短期水量調(diào)配、季節(jié)性水資源管理、長(zhǎng)期水資源規(guī)劃、跨流域水資源調(diào)配以及全國(guó)范圍的水資源統(tǒng)籌等，研究成果可為國(guó)家或相關(guān)流域水網(wǎng)調(diào)度和管理決策提供技術(shù)支撐。

③為確保國(guó)家水網(wǎng)調(diào)度和管理的有效實(shí)施，迫切需要建立專門的調(diào)度中心，其核心功能應(yīng)當(dāng)緊密圍繞主管部門的業(yè)務(wù)職責(zé)和業(yè)務(wù)深度進(jìn)行設(shè)計(jì)，具備對(duì)水網(wǎng)調(diào)度涉及的時(shí)空尺度的精準(zhǔn)把控能力，這意味著需要能夠處理不同時(shí)間尺度的調(diào)度問(wèn)題，如短期水量調(diào)配、季節(jié)性水資源管理及長(zhǎng)期水資源規(guī)劃等。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)能夠應(yīng)對(duì)不同空間尺度上的挑戰(zhàn)，包括局部地區(qū)的水資源調(diào)度、跨流域的水資源調(diào)配及全國(guó)范圍的水資源統(tǒng)籌等。

本研究提出的國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器架構(gòu)設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)非常龐大，相關(guān)功能和模型還需要在實(shí)踐中不斷檢驗(yàn)和提升完善。

Abstract:The key tasks for building an intelligent digital twin of the national water network include, among others, enhancing the capacity for integrated water resources allocation and water supply security, so as to promote high-quality development of the water sector in the new stage. The water network allocation simulator serves as the core engine of the digital twin, providing comprehensive and accurate digital mapping and simulation of the physical water network. Based on the construction complexity and functional requirements of the National Water Network Allocation Simulator (NWNAS), a framework for its functions, data architecture, model design, and operation modes is proposed. A complete system integrating interface and business functions has been developed, incorporating specialized hydrological and water resources models such as runoff simulation, water resources assessment, optimization-based water allocation, water resources carrying capacity, and integrated water pricing calculation. Technical breakthroughs have been made in water demand forecasting and parallel computation for ultra-large-scale water networks. Long-term simulation applications covering 1965–2020 demonstrate that NWNAS can quantitatively evaluate the current operation status of the national water network and perform scenario analysis for future development planning. The research results effectively enhance spatio-temporal control over water network scheduling, including short-term allocation, seasonal management, long-term planning, inter-basin transfers, and national coordination, providing strong technical support for decision-making in national and basin-scale water network scheduling and management

Keywordsnational water network; water resources allocation; simulator; domain model; digital twin; water resources carrying capacity; water demand forecasting

本文引用格式：

桑學(xué)鋒，趙勇，王浩，等.國(guó)家水網(wǎng)調(diào)配推演器研發(fā)與應(yīng)用[J].中國(guó)水利2025（22）：18-25.

責(zé)編王慧

校對(duì)呂彩霞

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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