國家水網調配推演器研發與應用

2025年12月24日 15:05 中國水利雜志責編：戚金榮作者：中國水利雜志

國家水網調配推演器研發與應用

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

桑學鋒，趙勇，王浩，鄭陽

（中國水利水電科學研究院，100038，北京）

摘要：全面提升水資源統籌調配能力與供水保障能力、推動新階段水利高質量發展，是數字孿生國家水網智能化建設的重要任務。水網調配推演器是數字孿生水網的核心驅動，可通過數字化手段對物理水網進行全面、精準的映射和模擬。本文從國家水網調配推演器建設復雜度和業務功能出發，提出模擬器功能框架、數據架構、模型設計、運行方式；開發了水網調配推演系統的界面功能、業務功能系統；研發并內置了產匯流模擬、水資源評價、水資源優化調配、水資源承載能力、水網綜合水價測算等機理專業模型；實現了需水預測、超大水網并行等技術突破。1965—2020年長系列國家水網模擬應用表明，調配推演器能夠對當前水網運行狀況進行定量評估，也可對未來水網發展規劃進行推演分析。研究成果可有效提升水網調度時空尺度把控能力，如短期水量調配、季節性水資源管理、長期水資源規劃、跨流域水資源調配及全國水資源統籌等，可為國家或相關流域水網調度和管理決策提供技術支撐。

關鍵詞：國家水網；水資源調配；推演器；專業模型；數字孿生；水資源承載能力；需水預測

作者簡介：桑學鋒，正高級工程師，主要從事水文與水資源、水環境綜合調控與管理研究

通信作者：趙勇，水資源研究所所長，正高級工程師，主要從事水循環演變、水資源高效利用與國家水網研究。E-mail：[email protected]

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFC3200200）；水利部重大科技項目（SKS-2022118）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.22.004

隨著經濟社會發展，我國水資源供需矛盾日趨尖銳，水生態環境壓力持續攀升，水災害防御形勢依然嚴峻，國家水網建設正是應對這三大問題的有效措施。傳統水利管理模式和技術手段已難以適應現代水利發展需求，迫切需要引入先進的信息技術和管理理念，提升國家水網精細化、智能化管理水平。2023年5月中共中央、國務院印發《國家水網建設規劃綱要》，為國家水網的構建提供了明確方向和目標，提出要加快構建“系統完備、安全可靠，集約高效、綠色智能，循環通暢、調控有序”的國家水網。2022年以來水利部出臺《關于實施國家水網重大工程的指導意見》等文件，提出國家水網建設具體要求和實施路徑。數字孿生水網作為國家水網建設的重要內容，是推動新階段水利高質量發展的重要標志之一。

水網調配推演器是數字孿生水網的核心驅動，也是國家水網調度的重要引擎，它通過數字化手段對物理水網進行全面、精準的映射和模擬，實現對水網運行狀態的預測、推演和評估，為水資源科學調配和水災害有效防控提供支撐。本文從國家水網調配推演器的功能框架、數據架構、模型設計、運行方式、功能系統及應用效果等方面，解析國家水網調配推演器的開發要領和功能特點。

國家水網調配推演器的研發基礎

在近30年水資源配置和調度相關理論方法和模型技術研究基礎上，2016年中國水利水電科學研究院承擔了國家重點研發計劃項目“國家水資源承載力評價與戰略配置”，系統開展了全國二元水循環模擬和水網調配推演模型構建與應用研究，為國家水網規劃和優化運行提供了關鍵技術支撐；2021年在國家重點研發計劃項目“區域水平衡機制與國家水網布局優化研究”中成功構建了“國家水網調配推演器V1.0”，實現了對全國復雜水網系統的數字化表達與動態模擬，并對全國水網效能進行了評估。近年，國家水網調配推演器先后應用于長江流域水網工程推演、山東現代水網規劃、大灣區廣東水網調配等實踐中，并不斷完善提升。

國家水網調配推演器建設的復雜程度

1.水網要素結構復雜

水網由河流、湖泊、水庫、渠道、泵閘等多種水體及水工程要素構成，各要素空間上彼此交織、錯綜分布，時間上耦合聯動、動態演變，使得水網系統呈現高度的復雜性與互饋性。

2.水網業務流程復雜

水網業務涉及水資源調度、防洪抗旱、生態保護等多個業務領域，各領域均具備特定的操作規程和管理規范要求，各業務流程之間相互關聯、相互影響，共同構建了一個多層次、多維度的復雜業務運作體系。

3.數字水網過程模擬復雜

實現對水資源形成、流動、分配、消耗等多個過程的高精度模擬，需要準確刻畫水文循環各過程，綜合考慮氣候變化與人類活動等外部因素影響，涉及海量數據處理與高強度計算，技術實現難度高。

國家水網調配推演器架構設計

1.功能設計

功能分析是構建國家水網調配推演器的前提與基礎。依據時間尺度，將水網水資源調配業務分為超長期、中長期、短期實時與應急四個層次。超長期與中長期層級側重資源配置類工作，包括區域與工程層面的水網規劃、水量分配，以及年度與月度計劃的編制與論證，其核心在于形成配置方案與制度安排；短期實時與應急層級側重調度運行管理，包括日常調度、設備檢修期的階段性調度，以及針對旱情、洪澇等突發事件的應急調度與響應，其核心在于在既定資源約束下實現動態優化與風險處置。

通過對各類業務活動進行分層框架設計，明晰各業務的目標、約束與決策時效上的邊界，開發與業務相匹配的調配推演子系統，并通過子系統間的耦合聯動實現水資源的科學配置與高效管理，提升系統對不確定性與極端事件的適應與韌性，保障水資源的可持續利用。

▲國家水網水資源調配業務分類

2.總體架構

采用“統一部署、多級應用”系統設計理念，基于國家水利智能感知信息資源整合共享數據，按照“數據底板-算法模型-業務應用-聯動展示”四層構建總體架構，并通過標準化接口與協同機制貫通全鏈條。采用國產數據庫保障數據自主可控，融合治理工程數據、監測數據與業務數據，形成一體化數據資源池。集約構建涵蓋全國氣象預報、水文預報、地下水、經濟預測、配置、調度、水權水價與生態分析等模型的多功能模塊，形成機理與數據雙重驅動的自主模型體系，為水網工程推演提供驅動引擎。面向實際業務需求，建設“大屏總覽展示+分屏業務聯動+高級分析”的逐級展示界面，引入大數據分析、機器學習與遙感解譯等組件，實現數據的可視化實時聯動及水利一張圖等全方位服務。全面支撐水資源管理與調配、水旱災害防御、水工程運行方案、水網規劃評估等核心業務工作，并實現跨業務的流程協同與聯動處置。

▲國家水網調配推演器總體架構

3.數據架構

依據國家水網“綱”“目”“結”要素特性，完成基于L1、L2、L3級數據底板的基礎數據、監測數據、業務數據、空間數據等多源數據治理和匯聚工作，并構建水網數據拓撲模型。通過數據抽取、清洗、轉換、整合等處理流程形成水網專題庫，構建水利大數據平臺。在此基礎上，打造水網水利數據資源超市，支撐水網綜合業務應用，實現數據全生命周期管理與共享。

▲國家水網調配推演器數據架構

4.外部交互架構

根據數字孿生水網建設相關規范，構建數據共享與指令聯動機制，預設了相關標準接口，可集約整合各級部門的建設成果，實現共建共享。具體措施如對接國家水網數字孿生平臺、流域防洪調度系統、水資源管理系統等，促成跨區域、跨部門、跨層級的數據交互與業務協同。同時，標準接口還可以與氣象、自然資源、生態環境等外部系統進行數據共享，形成多源信息聯動綜合應用。

5.開發方式

國家水網涵蓋“2+N”水利業務，業務模塊呈現多目標、多用戶、多過程特點。國家水網調配推演器采用組件化開發技術，開發具備特定功能軟件模塊，實現模塊化封裝和標準化接口調用，并提升復用性。通過各類可通用組件、接口和構件實現業務場景和功能模塊的快速聯動。各應用模塊相對獨立，內部業務流程升級和改造也相對獨立，在后續運維中具備良好的可拓展性和易維護性。

6.運行方式

根據流域管理和行政管理相結合的管理機制，國家水網涉及的業務管理單位涵蓋水利部、各流域管理機構、地方各級水行政主管部門的相關業務部門，以及各級水工程的運行管理單位等。構建了“自上而下、自下而上”的業務管理拓撲庫，實現了上傳下達的分解和匹配。上層負責針對國家水網總體聯合調度業務需求，為全局化水網規劃評估、中長期水網調度計劃、水量動態分配及調整等工作提供支持；下層則針對流域及各級水利部門在供水安全保障、水旱災害防御方面的動態調度需求，為短期水旱災害防御聯合調度、河道工程安全實時監測預警、基于調令的閘泵聯合調度等工作提供支持。在業務執行方面，水利部、流域管理機構及省級水行政主管部門按職責從宏觀角度進行管控；各基層水行政管理單位、水工程運行管理單位等在微觀層面負責具體落實。這種方式既保證了水網水資源的統一管理，又充分考慮了各地區的實際情況，實現了流域管理和行政管理的有機結合。

▲國家水網調配推演器用戶及運行關系

國家水網調配推演器系統研發

1.界面功能

國家水網調配推演器整體界面包括三部分：左部為導航控制面板，集中展示國家水網“綱”“目”“結”要素特征屬性；中部為三維可視化交互區，依托數字孿生技術動態呈現水網拓撲結構、水量流向及關鍵節點運行狀態；右側為業務功能擴展欄，集成調度方案生成、模擬結果對比分析、多維度報表輸出等模塊。界面采用分層分級設計原則，支持用戶按需切換全網宏觀態勢與局部細節仿真視圖，同時提供調令執行進度追蹤與實時告警提示功能，確保調度決策精準性和時效性。

▲國家水網調配推演器界面功能

2.業務功能

面向水網水情和功能邏輯，設計研發實時水情、供需態勢、智算引擎、專題圖等四大功能分屏；面向水網支撐業務邏輯，研發規劃決策、工程評估、動態調配、水權水價等四大業務分屏。

通過四大功能分屏與四大業務分屏的有機聯動，實現國家水網水資源監測、分析、決策與調度的全流程閉環管理。實時水情分屏整合多源感知數據，動態展示水位、流量、雨量等關鍵指標；供需態勢分屏結合歷史數據與預測模型，精準刻畫不同水網區域用水需求與供給能力；智算引擎分屏內置降水產匯流、水資源評價、水資源優化配置、水資源優化調度、水資源承載能力、水網綜合水價測算等專業模型，支撐復雜場景下的水網調度方案生成；專題圖分屏則提供可視化空間分析工具，輔助水網工程布局、水資源態勢評估等。

通過場景設置和功能分屏聯動分析，在規劃決策方面可以支持流域政策沖擊分析、流域水量分配調整等業務；在工程評估方面可以支持水網工程規劃評估、工程調度方案修編等業務；在動態調配方面可以支持年月計劃調度、日常動態調度、抗旱應急調度等業務；在水權水價方面可以支持水權初始分配、水網綜合水價測算、水網效益評估等業務。

3.專業模型研發

（1）專業模型架構與耦合集成關系

針對水網格局下江河流域總量控制、年度計劃制定、實時及應急調度為核心的管理需求，全面考慮水網水資源從源頭獲取到最終去向的全過程，研發相關的專業模型。這些模型旨在有效支撐江河流域水量分配、大型跨流域調水工程計劃調度以及日常與應急調度方案編制。根據不同應用場景的實際需求，需靈活進行模型的組合與聯動，每類模型可以由多個子模型構成，形成集合預報體系，最終實現對相關業務領域的全面支撐，確保水網調配的科學性和高效性。

▲專業模型架構與耦合集成關系

（2）相關原創技術突破

本研究采用自主產權的水資源通用調配模型SkyWasm，聯動來水預報模型、需水預測模型、水量分配模型、水量調度模型以及水網柔性拓撲、并行計算等技術；成功研發構建了全國“四級區+縣市+128項調水工程+5500座大中型水庫”的水網水資源一體化模型系統。以下重點介紹需水預測技術和超大水網并行計算技術。

①需水預測技術：融合用水主體的特點及策略學習，研發“基于產業結構與精英策略的機器學習算法及模型”。以深圳市為例，針對35個水廠近3年逐日用水量和水廠覆蓋區用水戶特點，預測下一年度水廠逐日用水，Nash效率系數達到0.942，滿足年用水計劃編制的精度要求。

②超大水網并行計算技術：針對全國水網巨復雜系統的工程節點、計算單元維數災難和計算性能難點，研發基于Fortran語言的OpenMP并行算法，實現了大型稀疏矩陣并行計算下的多線程COO-RC動態內存管理，大幅度提高水網巨復雜系統的計算效率。以全國水網模型工區為例，新方法的運算時間由之前的2h縮減至5min，運算速度提升24倍。

（3）模型前置內嵌

在構建專業模型基礎上，綜合考慮模型與業務場景的實時篩選和聯動，采用專業模型平臺前置化的方案，將專業模型界面化內嵌，實現核心引擎和業務融合。同時，開展接口封裝和數據傳輸標準化工作，旨在實現專業模型與水網水情監測系統及業務解決方案的實時交互。通過這一方式，確保準確、高效地傳輸和解析不同專業模型的輸入輸出數據，從而為水網管理的預報、預警、預演和預案制定提供強有力的技術支撐。

國家水網調配推演器模擬效果及應用

1.水網關鍵斷面徑流模擬

采用全國112個水文站數據，模型驗證期關鍵斷面旬尺度徑流量精確度指標（Nash系數）平均為0.83，其中90%以上站點Nash系數在0.8以上。

2.水網格局下水資源承載力評估

采用55年的歷史氣象數據進行了長系列推演模擬，評估了國家現狀已建/在建水網連通工程建成前后的區域水資源承載狀態變化分布。評估結果顯示，在現狀水網連通工程完全達效的情況下，相關區域尤其是北方地區的水資源承載力顯著提升。然而從供水保障和高質量發展的要求看，仍需進一步完善重點區域的“綱”“目”“結”水網工程。

3.重點流域水網抗旱效益分析

針對長江流域，開展1596座大中型水庫、12項流域水網大型調水工程、260個地市經濟與生態單元的水網水資源供需態勢推演，對2022年長江流域大旱場景進行了模擬。分析發現，長江中下游流域整體表現為氣象特大干旱，但徑流衰減明顯的區域為洞庭湖、清江、漢江和鄱陽湖水系，比氣象干旱范圍小很多，河川關鍵斷面仍保持一定徑流量，這與2022年長江特大干旱期間斷面徑流監測數據分布一致。這表明城市供水安全實現了大幅提升，水網調蓄結點和連通工程對于抵御大范圍干旱具有顯著作用。

▲長江流域水網格局下氣象干旱與水文干旱推演對比

結論與展望

國家水網工程在應對和解決我國水資源時空分布不均、水資源與經濟社會發展不匹配等復雜問題方面發揮了極為顯著且不可替代的作用。全面提升國家水網水資源統籌調配能力、供水保障能力，推動新階段水利高質量發展，是數字孿生國家水網智能化建設的重要任務。水網調配推演器是數字孿生水網的核心驅動。

①本文從國家水網調配推演器建設復雜度和業務功能出發，研究提出模擬器的功能框架、數據架構、模型設計、運行方式，并開發了水網業務功能系統。1965—2020年長系列國家水網模擬應用表明，調配推演器模擬精度較高，能夠對當前水網的運行狀況進行定量評估，也可對未來水網的發展規劃進行推演分析。

②國家水網調配推演器作為國家數字孿生水網智能化建設的核心驅動組件，依托數字化技術手段實現對物理水網的全方位、高精度映射與模擬，能夠有效提升水網調度的時空尺度把控能力，如短期水量調配、季節性水資源管理、長期水資源規劃、跨流域水資源調配以及全國范圍的水資源統籌等，研究成果可為國家或相關流域水網調度和管理決策提供技術支撐。

③為確保國家水網調度和管理的有效實施，迫切需要建立專門的調度中心，其核心功能應當緊密圍繞主管部門的業務職責和業務深度進行設計，具備對水網調度涉及的時空尺度的精準把控能力，這意味著需要能夠處理不同時間尺度的調度問題，如短期水量調配、季節性水資源管理及長期水資源規劃等。同時，還應當能夠應對不同空間尺度上的挑戰，包括局部地區的水資源調度、跨流域的水資源調配及全國范圍的水資源統籌等。

本研究提出的國家水網調配推演器架構設計和業務系統涉及的數據非常龐大，相關功能和模型還需要在實踐中不斷檢驗和提升完善。

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