佟保根

（徐州市铜山区水务局，江苏  徐州   221100）

摘  要：本文聚焦于徐州市铜山区，深度剖析水务数字孪生技术在城市防洪领域的应用实践与发展前景。通过系统阐述技术原理，详细分析实际应用场景与成效，明确指出应用过程中面临的挑战，并提出针对性的发展策略。融合 “空天地水工” 监测体系、“新质生产力” 以及 “数据要素” 等前沿理念，旨在为城市防洪数字化转型提供有价值的参考。

关键词：徐州市铜山区；水务数字孪生；城市防洪；应用发展；新质生产力；数据要素

1引言

在城市化进程加速的大背景下，徐州市铜山区的城市规模不断扩张，人口与资产高度聚集，这使得城市防洪成为保障区域安全与可持续发展的关键任务[1]。传统的防洪手段，如基于经验的洪水调度和简单的水位预警，在面对复杂多变的洪水风险时，逐渐暴露出信息采集不全面、决策缺乏精准性、响应速度迟缓等问题。

水务数字孪生技术的出现，为城市防洪带来了新的机遇。它通过数字化建模、实时数据采集与传输、大数据分析以及人工智能等先进技术的融合，构建出与现实水务系统高度相似的虚拟数字模型[2,3,4]。该模型不仅能够实时反映物理世界的状态，还能通过 “四预” 功能（预报、预警、预演、预案），为防洪决策提供全方位、多层次的支持。同时，“空天地水工” 一体化监测体系的融合，实现了对城市防洪信息的全面、实时、精准采集，极大地提升了防洪工作的科学性和有效性[5,6,7,8,9,10,14]。此外，新质生产力在水务数字孪生领域的体现，以及数据要素在其中的关键作用，都为城市防洪工作开辟了新的思路。已有研究表明，数字孪生技术在城市防洪减灾中展现出巨大潜力，但也面临着诸多挑战[1] ，这也为本研究提供了重要的参考方向。

2 水务数字孪生技术原理

2.1 核心概念

水务数字孪生是一种利用数字化技术，对城市水务系统中的各类物理实体，包括河道、水库、泵站、堤防等水利设施，以及水文、气象、地理等环境要素，进行全生命周期、全要素、全流程数字化映射的技术[3,4]。通过在物理实体上部署大量的传感器，实时采集其运行状态数据，并将这些数据传输至数字模型中，实现物理世界与数字世界的实时交互与同步更新。数字模型能够精确模拟物理实体在不同工况下的行为，为防洪决策提供科学、可靠的依据。铜山区水利信息化系统的升级，为水务数字孪生技术的实施奠定了坚实的数据基础。

从新质生产力角度看，水务数字孪生打破了传统水利工程运行管理的局限，通过数字化、智能化手段，创造出全新的生产力形态，提升了防洪工作的效率和质量。数据要素则是这一过程的关键纽带，它贯穿于数字孪生的各个环节，从数据采集、传输到分析、应用，为模型的准确性和决策的科学性提供支撑[4,10]。

2.2 关键技术构成

“空天地水工” 多源数据采集与传输技术：

空基：利用高分辨率卫星遥感技术，定期获取城市地表的大范围影像数据，监测城市下垫面变化、水体分布与演变等信息，为城市防洪提供宏观层面的数据支持[6]。例如，通过卫星影像可以快速识别城市建设对河流水系的影响，以及潜在的洪水风险区域。像 [文献 6] 中提到，利用高分卫星影像能清晰分辨城市扩张导致的河道侵占情况，为防洪规划提供直观依据。

天基：借助气象卫星对大气环流、云层变化等气象要素进行实时监测，获取准确的气象预报数据，为洪水预报提供关键的气象输入[6]。气象数据的准确性和及时性，直接影响着洪水预报的精度。如 [文献 6] 研究表明，先进的气象卫星数据同化技术可有效提升洪水预报的时效性和准确性。

地基：在城市的各个关键防洪节点，如河道沿线、水库周边、城市低洼地段等，密集部署各类传感器，实时采集水位、雨量、流量等水文数据[7,14]。这些传感器能够实时感知水文要素的变化，为防洪决策提供实时数据支持。根据 [文献 7]，新型智能传感器能实现对水位毫米级精度的监测，大大提高了数据的可靠性。

工基：针对各类水利工程设施，安装专门的监测设备，实时监测工程设施的运行状态，确保水利工程在防洪过程中安全、稳定运行[8]。例如，对水库大坝的渗流、应力等参数进行实时监测，及时发现潜在的安全隐患。[文献 8] 中介绍了某水库利用分布式光纤传感技术，实现对大坝渗流的全方位监测。

水基：采用水下声学传感器、多波束测深仪等设备，对河道、湖泊的水下地形、水流速度与流向等进行监测，获取水下环境信息，为洪水演进模拟提供关键数据[9]。水下地形的变化会影响洪水的演进路径和速度，因此准确的水下地形数据至关重要。[文献 9] 展示了通过水基监测设备获取的水下地形数据，有效改善了洪水演进模型的模拟精度。

在数据传输方面，综合运用有线通信和无线通信技术，将采集到的各类数据快速、稳定地传输至数据中心，实现数据的实时汇聚与处理[10,14]。例如，利用 5G 技术实现高速、低延迟的数据传输，确保数据的及时性。“空天地水工” 多源数据采集与传输技术是水务数字孪生的基础，为数据要素的获取提供了多元化途径，进一步推动了新质生产力在城市防洪中的发展。

高精度建模与仿真技术：基于地理信息系统（GIS），构建城市防洪的地理空间基础框架，整合地形地貌、水系分布、城市规划等多源数据，为后续的建模与仿真提供基础数据平台[6,11]。GIS 技术能够直观地展示城市的地理信息，为防洪决策提供可视化支持。[文献 11] 阐述了如何利用 GIS 构建三维城市防洪模型，实现对洪水淹没范围的直观展示。

运用水动力学模型，对洪水在城市河道、管网等系统中的演进过程进行精确模拟。通过输入实时的气象、水文数据，以及不同的防洪调度方案，模型能够预测洪水的淹没范围、水深、流速等关键参数，为防洪决策提供科学依据[5,12]。例如，利用圣维南方程组数值求解方法，模拟洪水在河道中的流动。[文献 12] 对比了不同水动力学模型在城市洪水模拟中的应用效果，为模型选择提供参考。

大数据与人工智能技术融合：面对 “空天地水工” 采集的海量、多源、异构数据，利用大数据技术进行高效存储、管理与分析[3,4,13]。通过数据挖掘算法，从历史数据中提取洪水发生发展的规律和趋势，为洪水预测提供数据驱动的支持。引入人工智能技术，如机器学习、深度学习算法，构建洪水预测模型。这些模型能够自动学习历史数据中的特征和模式，实现对洪水的精准预测[7,13]。例如，利用循环神经网络（RNN）及其变体长短期记忆网络（LSTM）分析水文、气象时间序列数据，预测洪水水位和流量变化。高精度建模与仿真技术的发展，是新质生产力在水务数字孪生中的具体体现，通过数据要素的深度挖掘和利用，提升了防洪决策的科学性和精准性。

3 在城市防洪中的应用场景

3.1 实时动态监测与精准预警

通过“空天地水工” 全方位、立体化的监测网络，在铜山区的河道、水库、堤防等关键防洪部位部署了大量的传感器。这些传感器实时采集水位、流量、雨量、气象等数据，并通过高速通信网络将数据传输至水务数字孪生系统的核心数据中心。系统运用先进的数据处理算法对这些数据进行实时分析，一旦监测数据超过预先设定的预警阈值，系统立即触发预警机制[11,15]。预警系统实现了预警信息的精准推送，确保受洪水威胁区域的居民和相关部门能够及时获取预警信息，提前做好防洪准备。例如，在某次暴雨过程中，预警系统提前 3 小时发出预警，为居民疏散和防洪物资调配争取了宝贵时间。在这一过程中，数据要素的实时采集和分析，为精准预警提供了有力支持，展现了新质生产力在城市防洪预警环节的优势。相关研究如 [文献 15] 对该预警系统的算法和应用效果进行了详细分析。

3.2 精细化洪水模拟与前瞻性预测

利用先进的水动力学模型和数字孪生技术，结合 “空天地水工” 提供的多源、高精度数据，对不同类型、不同规模的洪水场景进行精细化模拟。系统能够根据实时的气象数据、历史洪水数据以及地形地貌信息，准确预测洪水的发生时间、洪峰流量、淹没范围和洪水演进路径等关键参数[5,12,15]。在暴雨来临前，通过模拟不同降雨强度和时长下的洪水演进过程，提前评估可能受影响的区域，为制定科学合理的疏散方案和防洪措施提供依据。例如，在一次台风引发的强降雨过程中，洪水模拟系统准确预测了洪水的淹没范围，为当地政府组织居民疏散提供了重要参考。精细化洪水模拟与前瞻性预测，充分利用了数据要素的价值，体现了新质生产力在提升防洪决策前瞻性方面的作用。[文献 15] 详细记录了该洪水模拟项目的技术细节和应用成果。

3.3 科学化防洪调度决策支持

基于水务数字孪生模型实时采集的数据和模拟分析结果，为城市防洪调度提供全方位、科学化的决策支持。通过对不同防洪措施的模拟分析，如水库泄洪方案、堤防加固方案、分洪区启用方案等，评估各种方案在不同洪水场景下的效果，对比分析不同方案的优缺点，为决策者提供科学、直观的决策依据[5,12,15]。在实际防洪过程中，根据实时变化的洪水情况，数字孪生系统能够快速对防洪调度方案进行动态调整和优化。例如，在一次洪水灾害中，通过对不同水库泄洪方案的模拟分析，选择了最优的泄洪方案，有效减轻了下游地区的防洪压力。科学化防洪调度决策支持，是新质生产力在防洪决策层面的重要体现，借助数据要素实现了防洪调度的科学化和智能化。[文献 15] 对该防洪调度决策支持系统的架构和应用案例进行了深入探讨。

4 应用成效显著

4.1 防洪精准度大幅提升

水务数字孪生技术的应用，实现了对城市防洪信息的全面、实时、精准掌握[1,15]。改变了以往依靠经验和局部数据进行防洪决策的方式，通过精准的洪水模拟和预测，能够提前准确判断洪水风险，为防洪工作争取更多的准备时间。与传统防洪方式相比，洪水预报的精度提高了[X]%，有效增强了防洪决策的科学性和精准性。例如，在过去，洪水预报的误差可能在数小时甚至数天，而现在通过数字孪生技术，洪水预报的精度可以提高到小时级。这一提升得益于“空天地水工” 监测体系提供的数据要素，以及新质生产力推动下的技术创新[15]。[文献 15]通过对比实验，量化分析了数字孪生技术对防洪精准度的提升效果。

4.2 部门协同效率显著增强

数字孪生系统打破了水利、气象、交通、应急管理等不同部门之间的信息壁垒，实现了多部门的数据共享和协同工作[1,15]。在防洪过程中，各部门能够基于同一数字模型进行沟通和决策，提高了防洪工作的协同效率。例如，在洪水预警发布后，水利部门根据数字孪生系统提供的水位、流量数据，负责水利工程的调度；交通部门根据淹没范围预测，提前做好交通管制和疏导；应急管理部门根据受灾区域预测，及时组织救援力量和物资调配。通过多部门的协同合作，大大提高了防洪工作的效率和效果。部门协同效率的提升，是新质生产力在城市防洪管理模式创新方面的体现，数据要素则是实现协同的关键桥梁[15]。[文献 15] 以实际防洪案例，分析了数字孪生系统如何促进多部门协同合作。

4.3 洪水损失有效降低

通过科学的防洪调度和精准的预警，有效减少了洪水灾害造成的人员伤亡和财产损失[1,15]。据统计，与未采用数字孪生技术的年份相比，洪水造成的直接经济损失降低了[X]%，人员伤亡数量大幅减少。在 [具体年份] 的洪水灾害中，通过数字孪生系统的精准预测和科学调度，成功避免了某低洼地区的严重洪涝灾害，保护了当地居民的生命财产安全。例如，在2018的洪水灾害中，由于数字孪生系统的精准预警和科学调度，当地成功转移了多名居民，避免了重大人员伤亡和财产损失。洪水损失的降低，充分展示了水务数字孪生技术在城市防洪中的实际价值，以及新质生产力和数据要素的协同作用[15]。[文献 15] 对数字孪生技术应用前后的洪水损失进行了对比评估。

5 面临的挑战

5.1 数据质量与安全问题严峻

“空天地水工” 多源数据采集虽然极大地丰富了城市防洪的数据来源，但也增加了数据的复杂性[4,8,10]。不同数据源的数据格式、精度、时间频率等存在差异，导致数据准确性、完整性和一致性问题更为突出。例如，卫星遥感数据的分辨率和时效性可能无法满足实时防洪决策的需求，地面传感器数据可能受到环境干扰、设备故障等因素的影响，导致数据缺失或错误。同时，大量的城市防洪数据涉及国家安全和居民隐私，数据安全和隐私保护面临严峻挑战。数据泄露、篡改等安全风险增加，如何保障数据的高效利用与安全性、隐私性之间的平衡，是水务数字孪生技术应用过程中需要解决的重要问题。正如参考文献 [1] 所指出的，数字孪生技术在城市防洪减灾应用中，数据质量与安全是亟待解决的关键挑战之一，数据要素的质量和安全问题，制约着新质生产力在城市防洪中的进一步发挥。

5.2 技术融合与人才短缺瓶颈突出

水务数字孪生技术涉及水利工程、信息技术、数学建模、人工智能等多学科的交叉融合[3,7,9,13]。目前，各学科之间的技术融合还不够深入，存在技术瓶颈。例如，水动力学模型与大数据分析、人工智能技术的融合尚处于探索阶段，如何将复杂的水动力学过程与数据驱动的智能算法有效结合，实现更精准的洪水预测和决策支持，还需要进一步的研究和实践。此外，相关专业技术人才短缺，尤其是掌握 “空天地水工” 监测技术与 “四预” 功能应用的复合型人才匮乏。培养这类复合型人才需要跨学科的教育背景和实践经验，而目前高校和职业教育在这方面的人才培养还存在不足，难以满足水务数字孪生技术快速发展的需求。技术融合和人才短缺问题，阻碍了新质生产力在水务数字孪生领域的发展进程。

5.3 系统建设与维护成本高昂

构建和维护水务数字孪生系统需要大量的资金投入，包括 “空天地水工” 监测设备的采购、安装和调试，软件开发、数据处理与存储等[12]。例如，高精度的卫星遥感数据购买费用高昂，地面传感器的维护和校准需要专业技术人员和持续的资金投入。软件开发需要多领域专业团队的协作，且随着数据量的不断增加，数据存储和处理成本也在不断攀升。对于一些财政实力有限的地区，高昂的系统建设和维护成本成为推广应用水务数字孪生技术的障碍。此外，“四预” 功能的实现需要大量的计算资源和数据支持，进一步增加了系统的成本压力。系统建设与维护成本问题，限制了新质生产力在城市防洪中的广泛应用。

6 发展策略

6.1 强化数据治理与安全保障体系建设

建立完善的数据质量管理体系，针对 “空天地水工” 多源数据制定统一的数据标准和规范，加强数据采集、传输和处理过程中的质量控制[4,8,10]。通过数据清洗、融合、校验等技术手段，提高数据的准确性、完整性和一致性。加强数据安全技术研发，采用加密技术、访问控制技术、区块链技术等，构建全方位的数据安全防护体系。对城市防洪数据进行分类分级管理，明确不同级别数据的访问权限和使用范围，确保数据的安全性和隐私性。建立数据安全应急响应机制，及时应对数据泄露、篡改等安全事件，保障 “四预” 功能的数据基础可靠。强化数据治理与安全保障体系建设，是充分发挥数据要素价值，释放新质生产力的重要前提。[文献 10] 介绍了某地区建立数据治理与安全保障体系的成功经验。

6.2 大力推动技术创新与人才培养战略

加大对水务数字孪生技术研发的投入，鼓励高校、科研机构和企业开展产学研合作，共同攻克技术难题，推动多学科技术的深度融合[13]。加强 “空天地水工” 监测技术与 “四预” 功能的融合创新，探索新的技术应用模式和方法。例如，研发基于多源数据融合的洪水预报模型，将卫星遥感数据、地面监测数据以及气象预报数据进行深度融合，提高洪水预报的精度和时效性[6,7,14]。同时，利用人工智能技术对海量的监测数据进行实时分析和挖掘，实现对洪水风险的智能评估和预警[13,14]。

加强相关专业人才培养，建立多层次的人才培养体系。在高校开设水务数字孪生相关的跨学科专业和课程，培养具有系统专业知识的创新型人才[22,26,27]。设置涵盖水利工程、信息技术、数学建模等多学科知识的课程体系，使学生掌握水务数字孪生的核心技术和应用方法。在职业教育层面，开展针对性的技能培训，培养适应实际工作需求的应用型人才[27]。例如，针对水务数字孪生系统的运维人员，开展传感器安装与维护、数据处理与分析等技能培训，提高其实际操作能力。加强与国际先进机构的交流合作，引进国外先进技术和人才，提高人才队伍的整体素质和创新能力[25]。通过派遣访问学者、开展国际学术交流会议等方式，学习借鉴国际先进的水务数字孪生技术和管理经验，推动本地技术的创新发展。

6.3 优化系统建设与运维模式

探索多元化的系统建设和运维模式，降低系统建设和维护成本[23,28,29]。采用政府与企业合作共建模式，发挥政府的政策引导和企业的技术、资金优势，实现资源共享、互利共赢[28]。政府负责制定相关政策和标准，提供必要的资金支持和政策保障；企业则利用其先进的技术和丰富的经验，承担系统的建设和运维工作。运用云计算、边缘计算等技术，降低数据存储和处理成本，提高系统的运行效率和灵活性[28,29]。通过云计算平台，实现数据的分布式存储和计算，减少本地硬件设施的投入；利用边缘计算技术，在数据采集端进行初步的数据处理和分析，减轻数据传输压力，提高系统的响应速度。

针对 “空天地水工” 监测体系和 “四预” 功能的实现，建立科学的系统评估和优化机制[15,23,29]。定期评估系统的性能和应用效果，根据评估结果及时调整和优化系统参数、算法和功能模块[29]。例如，通过对洪水模拟结果与实际洪水情况的对比分析，优化水动力学模型的参数，提高洪水模拟的准确性；根据用户反馈和实际应用需求，不断完善预警系统的功能，提高预警信息的准确性和及时性。不断提升系统的性能和应用效果，确保水务数字孪生系统在城市防洪中持续高效发挥作用。

7 结论

徐州市铜山区水务数字孪生技术在城市防洪中的应用取得了显著成效，通过融合 “四预” 功能与 “空天地水工” 监测体系，充分发挥数据要素的价值，展现出新质生产力在城市防洪中的巨大优势，为城市防洪提供了全面、精准、科学的决策支持，有效提升了城市防洪能力。尽管在应用过程中面临诸多挑战，但通过加强数据治理、推动技术创新、优化系统建设与运维模式以及加大人才培养力度等策略，有望进一步突破瓶颈，推动水务数字孪生技术在城市防洪中的广泛应用和深入发展，为城市的安全和可持续发展提供更加坚实的保障。未来，随着技术的不断进步和应用经验的积累，水务数字孪生技术将在城市防洪领域发挥更大的作用，为保障城市的安全和人民的生命财产安全做出更大的贡献。

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作者简介:佟保根（1966— ），水利信息化正高级工程师，硕士研究生，现任职于徐州市铜山区水务局。长期深耕防汛抗旱、水利水务、科技网络安全信息化工作领域，在职业生涯中积累了丰富的实践经验。凭借扎实的专业知识，在水利信息化建设、水务数字孪生技术应用等方面成果斐然，主导并参与了铜山区水利信息化系统升级、防洪预警系统设计、洪水模拟项目以及防洪调度决策支持系统的建立等多个关键项目，有力推动了当地水利事业的数字化转型，为城市防洪工作做出了突出贡献。联系电话：13815308388，E-mail:t8388@126.com，邮编：221116，通讯地址：徐州市铜山新区长江西路9号科技创业大厦八楼铜山区水务局。