数字孪生技术在水资源管理中的应用研究

全球气候变化与城市化进程加速，导致水资源供需矛盾日益尖锐，洪涝干旱、水质污染等问题频发。传统水资源管理依赖人工监测与经验决策，存在数据采集滞后、模拟精度不足、应急响应迟缓等局限。例如，流域洪水预报多依赖历史数据推算，难以精准捕捉极端天气下的水文动态；跨区域水资源调度因缺乏实时动态模拟，常出现供需失衡现象。

数字孪生技术作为新一代信息技术与水利工程的深度融合产物，通过 “物理实体— 虚拟模型 — 数据交互” 的闭环体系，实现水资源系统全生命周期的数字化复刻与动态管控。其核心价值在于打破 “信息孤岛”，构建全域感知、精准模拟、智能协同的管理模式，为水资源可持续利用提供技术支撑。近年来，我国在流域治理、城市供水等领域开展了数字孪生应用试点，验证了其在提升管理效能中的显著作用，亟需系统梳理其应用路径与实践经验。

一、数字孪生技术的核心内涵与技术架构

（一）核心内涵

数字孪生技术是指通过传感器网络采集物理水资源系统的实时数据，构建与实体时空一致的虚拟数字模型，实现两者的动态交互与协同优化。在水资源管理中，这一技术不仅能复刻河流、水库、管网等物理实体的几何形态，更能模拟水流运动、水质演化、工程运行等复杂过程，形成 “感知 — 建模 — 分析 — 决策” 的完整闭环。例如，某水库数字孪生系统可实时同步水位、渗流、闸门状态等数据，虚拟模型能动态推演不同泄洪方案下的下游水位变化，为调度决策提供量化依据。

（二）技术架构

1.感知层：构建 “空天地水” 一体化监测网络，整合卫星遥感（获取流域降水、植被覆盖数据）、无人机巡检（识别岸线侵蚀、违建占用水域）、地面传感器（采集水位、流量、水质等参数）及水利工程监测设备（闸门开度、泵站功率），实现水资源全要素、全时空数据采集。数据通过 5G / 北斗等通信技术实时传输至云端平台，为虚拟建模提供基础支撑。

2.建模层：融合水文水动力模型、水质模型与三维地理信息系统（GIS），构建多尺度、多物理场的虚拟流域模型。通过 BIM 技术实现水利工程的精细化建模，结合机器学习算法优化模型参数，提升虚拟场景与物理实体的映射精度。例如，在城市供水系统建模中，需精确刻画管网拓扑结构、水力损失系数，确保虚拟模型能真实反映管网漏损与压力分布[1]。

3.应用层：开发面向不同场景的功能模块，包括实时监测仪表盘、多情景模拟引擎、智能决策支持系统等。通过可视化平台将虚拟模型的运算结果转化为直观的动态图表，如流域洪水演进动画、水库调度方案对比曲线，辅助管理者快速理解复杂信息并制定决策。

二、数字孪生技术在水资源管理中的应用场景

（一）流域洪水监测与预警

数字孪生系统通过整合降水雷达数据、水文站实时水位与河道地形数据，构建流域洪水数字孪生体，实现洪水过程的动态模拟与精准预警。例如，在长江中下游流域应用中，系统可实时接收每 15 分钟更新的降水数据，结合河道糙率、堤防高程等参数，推演未来 6 小时内洪水淹没范围与水深分布，精度误差控制在 5% 以内。当预测水位接近警戒值时，系统自动触发预警，同步推送疏散路线与防洪工程调度建议，较传统预警模式提前 2—3 小时响应时间。

（二）跨区域水资源优化调度

针对多水源、多用户的复杂水资源系统，数字孪生技术可模拟不同来水情景下的供需平衡关系，生成最优调度方案。以我国南水北调中线工程为例，数字孪生平台整合丹江口水库入库流量、沿线城市用水需求、渠道渗漏损失等数据，构建 “水源 — 干线 —用户” 全链条虚拟模型。通过模拟不同调水流量、时段分配方案对受水区地下水补给、生态基流的影响，优化得出 “丰水期多调水补库、枯水期精准配给” 的调度策略，使受水区供水保证率提升至 98% ，同时减少渠道弃水约 1.2 亿立方米 / 年[2]。

（三）水利工程全生命周期管理

在大型水利工程（如水库、水闸）运维中，数字孪生技术实现从设计、建设到运行的全流程数字化管控。以某高坝水库为例，施工阶段通过数字孪生模型实时比对 BIM设计参数与实际浇筑数据，及时修正混凝土温控方案，减少裂缝风险；运行阶段融合坝体位移监测、渗流量传感器数据，构建坝体安全评估模型，提前 6 个月预测潜在渗漏点，避免重大工程事故。此外，模型可模拟不同工况下的设备老化趋势，优化检修周期，使工程运维成本降低 15%-20% 。

（四）城市水环境治理

数字孪生技术为城市黑臭水体治理提供 “精准诊断 — 靶向治理” 方案。在某工业园区水环境整治中，系统通过布设 300 余个水质传感器，实时监测 COD、氨氮等指标，结合管网 GIS 数据与排污口位置，构建 “污染源 — 管网 — 河道” 污染扩散模型。模拟结果精准定位 3 处主要排污企业，量化其对下游水质的影响权重，据此制定 “限期治理 + 中水回用” 方案，使河道水质从劣 V 类提升至 Ⅲ 类，治理周期缩短 40% 。

三、典型案例分析：数字孪生九龙江流域应用实践

九龙江是福建省第二大河流，流域涵盖漳州、厦门等经济发达地区，面临防洪压力大、水资源供需矛盾突出等问题。2023 年，该流域建成数字孪生系统，实现 “预报 —预警 — 预演 — 预案” 四预功能一体化。

系统构建了覆盖全流域的感知网络，包括 126 个雨量站、58 个水文站、32 个水质监测点，数据采集频率达 5 分钟 / 次。虚拟模型融合流域 DEM 数据、水利工程参数与近 30 年水文系列，可精准模拟不同降雨情景下的洪水演进过程。在 2024 年 6 月的强降雨过程中，系统提前 8 小时预测北溪水闸最大入库流量为 3500m³/s ，与实际值偏差仅 3% ，通过预演 3 种泄洪方案，推荐 “分级泄洪 + 错峰调度” 策略，使下游村镇淹没面积减少 60%¹³ ]。

在水资源调度方面，系统整合农业灌溉、工业用水与生态需水数据，生成 “库群联合调度方案”。2024 年枯水期，通过优化枋洋水库、南一水库的放水时段，保障了漳州台商投资区工业用水，同时维持河道生态基流，实现经济效益与生态效益双赢。

结语

数字孪生技术为水资源管理提供的是能达成“实时感知、精准模拟、智能决策”的创新办法，在流域防洪、水资源的调度、工程的运维等范围展现出突出长处，诸如九龙江的案例显示，该技术对提升管理效率成效显著，压缩灾害损失规模，其落地尚需攻克数据融合、模型精度及成本控制等阻碍，今后应增进跨学科协同革新，引领技术标准化进程与实现轻量化，让数字孪生技术成为水安全保障方面的核心支撑力，推动实现人水融洽的可持续发展目标愿景。

参考文献：

[1]数字孪生系统的三维模型轻量化技术架构与质量评价方法研究[J].张晖;马立群.中国标准化,2024(21).

[2]数字孪生在我国干旱内陆河流域的高效节水应用探究[J].赵一君.陕西水利,2024(11).

[3]数字孪生东江对东江水资源管理的影响探析[J].钟小阳;王留杰;陈亮雄;杨静学.广东水利水电,2024(10).