（桑学锋，赵勇，王浩，郑阳）摘要：全面提升水资源统筹调配能力与供水保障能力、推动新阶段水利高质量发展，是数字孪生国家水网智能化建设的重要任务。水网调配推演器是数字孪生水网的核心驱动，可通过数字化手段对物理水网进行全面、精准的映射和模拟。本文从国家水网调配推演器建设复杂度和业务功能出发，提出模拟器功能框架、数据架构、模型设计、运行方式；开发了水网调配推演系统的界面功能、业务功能系统；研发并内置了产汇流模拟、水资源评价、水资源优化调配、水资源承载能力、水网综合水价测算等机理专业模型；实现了需水预测、超大水网并行等技术突破。1965—2020年长系列国家水网模拟应用表明，调配推演器能够对当前水网运行状况进行定量评估，也可对未来水网发展规划进行推演分析。研究成果可有效提升水网调度时空尺度把控能力，如短期水量调配、季节性水资源管理、长期水资源规划、跨流域水资源调配及全国水资源统筹等，可为国家或相关流域水网调度和管理决策提供技术支撑。

关键词：国家水网；水资源调配；推演器；专业模型；数字孪生；水资源承载能力；需水预测 

随着经济社会发展，我国水资源供需矛盾日趋尖锐，水生态环境压力持续攀升，水灾害防御形势依然严峻，国家水网建设正是应对这三大问题的有效措施。传统水利管理模式和技术手段已难以适应现代水利发展需求，迫切需要引入先进的信息技术和管理理念，提升国家水网精细化、智能化管理水平。2023年5月中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》，为国家水网的构建提供了明确方向和目标，提出要加快构建“系统完备、安全可靠，集约高效、绿色智能，循环通畅、调控有序”的国家水网。2022年以来水利部出台《关于实施国家水网重大工程的指导意见》等文件，提出国家水网建设具体要求和实施路径。数字孪生水网作为国家水网建设的重要内容，是推动新阶段水利高质量发展的重要标志之一。 

水网调配推演器是数字孪生水网的核心驱动，也是国家水网调度的重要引擎，它通过数字化手段对物理水网进行全面、精准的映射和模拟，实现对水网运行状态的预测、推演和评估，为水资源科学调配和水灾害有效防控提供支撑。本文从国家水网调配推演器的功能框架、数据架构、模型设计、运行方式、功能系统及应用效果等方面，解析国家水网调配推演器的开发要领和功能特点。 

一、国家水网调配推演器的研发基础 

在近30年水资源配置和调度相关理论方法和模型技术研究基础上，2016年中国水利水电科学研究院承担了国家重点研发计划项目“国家水资源承载力评价与战略配置”，系统开展了全国二元水循环模拟和水网调配推演模型构建与应用研究，为国家水网规划和优化运行提供了关键技术支撑；2021年在国家重点研发计划项目“区域水平衡机制与国家水网布局优化研究”中成功构建了“国家水网调配推演器V1.0”，实现了对全国复杂水网系统的数字化表达与动态模拟，并对全国水网效能进行了评估。近年，国家水网调配推演器先后应用于长江流域水网工程推演、山东现代水网规划、大湾区广东水网调配等实践中，并不断完善提升。 

二、国家水网调配推演器建设的复杂程度 

1.水网要素结构复杂 

水网由河流、湖泊、水库、渠道、泵闸等多种水体及水工程要素构成，各要素空间上彼此交织、错综分布，时间上耦合联动、动态演变，使得水网系统呈现高度的复杂性与互馈性。 

2.水网业务流程复杂 

水网业务涉及水资源调度、防洪抗旱、生态保护等多个业务领域，各领域均具备特定的操作规程和管理规范要求，各业务流程之间相互关联、相互影响，共同构建了一个多层次、多维度的复杂业务运作体系。 

3.数字水网过程模拟复杂 

实现对水资源形成、流动、分配、消耗等多个过程的高精度模拟，需要准确刻画水文循环各过程，综合考虑气候变化与人类活动等外部因素影响，涉及海量数据处理与高强度计算，技术实现难度高。 

三、国家水网调配推演器架构设计 

1.功能设计 

功能分析是构建国家水网调配推演器的前提与基础。依据时间尺度，将水网水资源调配业务分为超长期、中长期、短期实时与应急四个层次。超长期与中长期层级侧重资源配置类工作，包括区域与工程层面的水网规划、水量分配，以及年度与月度计划的编制与论证，其核心在于形成配置方案与制度安排；短期实时与应急层级侧重调度运行管理，包括日常调度、设备检修期的阶段性调度，以及针对旱情、洪涝等突发事件的应急调度与响应，其核心在于在既定资源约束下实现动态优化与风险处置。 

通过对各类业务活动进行分层框架设计，明晰各业务的目标、约束与决策时效上的边界，开发与业务相匹配的调配推演子系统，并通过子系统间的耦合联动实现水资源的科学配置与高效管理，提升系统对不确定性与极端事件的适应与韧性，保障水资源的可持续利用。国家水网水资源调配业务分类见图1。 

2.总体架构 

采用“统一部署、多级应用”系统设计理念，基于国家水利智能感知信息资源整合共享数据，按照“数据底板-算法模型-业务应用-联动展示”四层构建总体架构（见图2），并通过标准化接口与协同机制贯通全链条。采用国产数据库保障数据自主可控，融合治理工程数据、监测数据与业务数据，形成一体化数据资源池。集约构建涵盖全国气象预报、水文预报、地下水、经济预测、配置、调度、水权水价与生态分析等模型的多功能模块，形成机理与数据双重驱动的自主模型体系，为水网工程推演提供驱动引擎。面向实际业务需求，建设“大屏总览展示+分屏业务联动+高级分析”的逐级展示界面，引入大数据分析、机器学习与遥感解译等组件，实现数据的可视化实时联动及水利一张图等全方位服务。全面支撑水资源管理与调配、水旱灾害防御、水工程运行方案、水网规划评估等核心业务工作，并实现跨业务的流程协同与联动处置。 

3.数据架构 

依据国家水网“纲”“目”“结”要素特性，完成基于L1、L2、L3级数据底板的基础数据、监测数据、业务数据、空间数据等多源数据治理和汇聚工作，并构建水网数据拓扑模型。通过数据抽取、清洗、转换、整合等处理流程形成水网专题库，构建水利大数据平台。在此基础上，打造水网水利数据资源超市，支撑水网综合业务应用，实现数据全生命周期管理与共享（见图3）。 

4.外部交互架构 

根据数字孪生水网建设相关规范，构建数据共享与指令联动机制，预设了相关标准接口，可集约整合各级部门的建设成果，实现共建共享。具体措施如对接国家水网数字孪生平台、流域防洪调度系统、水资源管理系统等，促成跨区域、跨部门、跨层级的数据交互与业务协同。同时，标准接口还可以与气象、自然资源、生态环境等外部系统进行数据共享，形成多源信息联动综合应用。 

5.开发方式 

国家水网涵盖“2+N”水利业务，业务模块呈现多目标、多用户、多过程特点。国家水网调配推演器采用组件化开发技术，开发具备特定功能软件模块，实现模块化封装和标准化接口调用，并提升复用性。通过各类可通用组件、接口和构件实现业务场景和功能模块的快速联动。各应用模块相对独立，内部业务流程升级和改造也相对独立，在后续运维中具备良好的可拓展性和易维护性。 

6.运行方式 

根据流域管理和行政管理相结合的管理机制，国家水网涉及的业务管理单位涵盖水利部、各流域管理机构、地方各级水行政主管部门的相关业务部门，以及各级水工程的运行管理单位等。构建了“自上而下、自下而上”的业务管理拓扑库，实现了上传下达的分解和匹配。上层负责针对国家水网总体联合调度业务需求，为全局化水网规划评估、中长期水网调度计划、水量动态分配及调整等工作提供支持；下层则针对流域及各级水利部门在供水安全保障、水旱灾害防御方面的动态调度需求，为短期水旱灾害防御联合调度、河道工程安全实时监测预警、基于调令的闸泵联合调度等工作提供支持。在业务执行方面，水利部、流域管理机构及省级水行政主管部门按职责从宏观角度进行管控；各基层水行政管理单位、水工程运行管理单位等在微观层面负责具体落实。这种方式既保证了水网水资源的统一管理，又充分考虑了各地区的实际情况，实现了流域管理和行政管理的有机结合。国家水网调配推演器用户及运行关系见图4。 

四、国家水网调配推演器系统研发 

1.界面功能 

国家水网调配推演器整体界面包括三部分：左部 为导航控制面板，集中展示国家水网“纲”“目”“结”要素特征属性；中部为三维可视化交互区，依托数字 孪生技术动态呈现水网拓扑结构、水量流向及关键节点运行状态；右侧为业务功能扩展栏，集成调度方案 生成、模拟结果对比分析、多维度报表输出等模块。界面采用分层分级设计原则，支持用户按需切换全网宏观态势与局部细节仿真视图，同时提供调令执行进度追踪与实时告警提示功能，确保调度决策精准性和时效性（见图5）。 

2.业务功能 

面向水网水情和功能逻辑，设计研发实时水情、供需态势、智算引擎、专题图等四大功能分屏；面向水网支撑业务逻辑，研发规划决策、工程评估、动态调配、水权水价等四大业务分屏。 

通过四大功能分屏与四大业务分屏的有机联动，实现国家水网水资源监测、分析、决策与调度的全流程闭环管理。实时水情分屏整合多源感知数据，动态展示水位、流量、雨量等关键指标；供需态势分屏结合历史数据与预测模型，精准刻画不同水网区域用水需求与供给能力；智算引擎分屏内置降水产汇流、水资源评价、水资源优化配置、水资源优化调度、水资源承载能力、水网综合水价测算等专业模型，支撑复杂场景下的水网调度方案生成；专题图分屏则提供可视化空间分析工具，辅助水网工程布局、水资源态势评估等。 

通过场景设置和功能分屏联动分析，在规划决策方面可以支持流域政策冲击分析、流域水量分配调整等业务；在工程评估方面可以支持水网工程规划评估、工程调度方案修编等业务；在动态调配方面可以支持年月计划调度、日常动态调度、抗旱应急调度等业务；在水权水价方面可以支持水权初始分配、水网综合水价测算、水网效益评估等业务。 

3.专业模型研发 

（1）专业模型架构与耦合集成关系 

针对水网格局下江河流域总量控制、年度计划制定、实时及应急调度为核心的管理需求，全面考虑水网水资源从源头获取到最终去向的全过程，研发相关的专业模型。这些模型旨在有效支撑江河流域水量分配、大型跨流域调水工程计划调度以及日常与应急调度方案编制。根据不同应用场景的实际需求，需灵活进行模型的组合与联动，每类模型可以由多个子模型构成，形成集合预报体系，最终实现对相关业务领域的全面支撑，确保水网调配的科学性和高效性。相关模型架构与耦合集成关系见图6。 

（2）相关原创技术突破 

本研究采用自主产权的水资源通用调配模型SkyWasm，联动来水预报模型、需水预测模型、水量分配模型、水量调度模型以及水网柔性拓扑、并行计算等技术；成功研发构建了全国“四级区+县市+128项调水工程+5500座大中型水库”的水网水资源一体化模型系统。以下重点介绍需水预测技术和超大水网并行计算技术。 

①需水预测技术：融合用水主体的特点及策略学习，研发“基于产业结构与精英策略的机器学习算法及模型”。以深圳市为例，针对35个水厂近3年逐日用水量和水厂覆盖区用水户特点，预测下一年度水厂逐日用水，Nash效率系数达到0.942，满足年用水计划编制的精度要求。 

②超大水网并行计算技术：针对全国水网巨复杂系统的工程节点、计算单元维数灾难和计算性能难点，研发基于Fortran语言的OpenMP并行算法，实现了大型稀疏矩阵并行计算下的多线程COO-RC动态内存管理，大幅度提高水网巨复杂系统的计算效率。以全国水网模型工区为例，新方法的运算时间由之前的2h缩减至5min，运算速度提升24倍。 

（3）模型前置内嵌 

在构建专业模型基础上，综合考虑模型与业务场景的实时筛选和联动，采用专业模型平台前置化的方案，将专业模型界面化内嵌，实现核心引擎和业务融合。同时，开展接口封装和数据传输标准化工作，旨在实现专业模型与水网水情监测系统及业务解决方案的实时交互。通过这一方式，确保准确、高效地传输和解析不同专业模型的输入输出数据，从而为水网管理的预报、预警、预演和预案制定提供强有力的技术支撑。 

五、国家水网调配推演器模拟效果及应用 

1.水网关键断面径流模拟 

采用全国112个水文站数据，模型验证期关键断面旬尺度径流量精确度指标（Nash系数）平均为0.83，其中90%以上站点Nash系数在0.8以上。 

2.水网格局下水资源承载力评估 

采用55年的历史气象数据进行了长系列推演模拟，评估了国家现状已建/在建水网连通工程建成前后的区域水资源承载状态变化分布。评估结果显示，在现状水网连通工程完全达效的情况下，相关区域尤其是北方地区的水资源承载力显著提升。然而从供水保障和高质量发展的要求看，仍需进一步完善重点区域的“纲”“目”“结”水网工程。 

3.重点流域水网抗旱效益分析 

针对长江流域，开展1596座大中型水库、12项流域水网大型调水工程、260个地市经济与生态单元的水网水资源供需态势推演，对2022年长江流域大旱场景进行了模拟。分析发现，长江中下游流域整体表现为气象特大干旱，但径流衰减明显的区域为洞庭湖、清江、汉江和鄱阳湖水系，比气象干旱范围小很多，河川关键断面仍保持一定径流量，这与2022年长江特大干旱期间断面径流监测数据分布一致（见图7）。这表明城市供水安全实现了大幅提升，水网调蓄结点和连通工程对于抵御大范围干旱具有显著作用。 

六、结论与展望 

国家水网工程在应对和解决我国水资源时空分布不均、水资源与经济社会发展不匹配等复杂问题方面发挥了极为显著且不可替代的作用。全面提升国家水网水资源统筹调配能力、供水保障能力，推动新阶段水利高质量发展，是数字孪生国家水网智能化建设的重要任务。水网调配推演器是数字孪生水网的核心驱动。 

①本文从国家水网调配推演器建设复杂度和业务功能出发，研究提出模拟器的功能框架、数据架构、模型设计、运行方式，并开发了水网业务功能系统。1965—2020年长系列国家水网模拟应用表明，调配推演器模拟精度较高，能够对当前水网的运行状况进行定量评估，也可对未来水网的发展规划进行推演分析。 

②国家水网调配推演器作为国家数字孪生水网智能化建设的核心驱动组件，依托数字化技术手段实现对物理水网的全方位、高精度映射与模拟，能够有效提升水网调度的时空尺度把控能力，如短期水量调配、季节性水资源管理、长期水资源规划、跨流域水资源调配以及全国范围的水资源统筹等，研究成果可为国家或相关流域水网调度和管理决策提供技术支撑。 

③为确保国家水网调度和管理的有效实施，迫切需要建立专门的调度中心，其核心功能应当紧密围绕主管部门的业务职责和业务深度进行设计，具备对水网调度涉及的时空尺度的精准把控能力，这意味着需要能够处理不同时间尺度的调度问题，如短期水量调配、季节性水资源管理及长期水资源规划等。同时，还应当能够应对不同空间尺度上的挑战，包括局部地区的水资源调度、跨流域的水资源调配及全国范围的水资源统筹等。 

本研究提出的国家水网调配推演器架构设计和业务系统涉及的数据非常庞大，相关功能和模型还需要在实践中不断检验和提升完善。