李 莉 王 輝

水是生存之本，文明之源。千百年來，人類社會傍水而居，生生不息。然而，我國水資源短缺、時空分布不均、水旱災害多發(fā)，是世界上江河治理難度最大、治水任務最為繁重的國家之一。可以說，中華民族的發(fā)展史就是一部前赴后繼的治水史。黨的十八大以來，習近平總書記站在國家安全和戰(zhàn)略全局的高度，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統治理、兩手發(fā)力”的十六字治水方針和關于網絡強國的重要思想，為推進新時代治水提供了根本遵循。

“2023年2月，中共中央、國務院印發(fā)了數字中國建設整體布局規(guī)劃。規(guī)劃指出，要構建以數字孿生流域為核心的智慧水利體系，賦能數字中國創(chuàng)新發(fā)展?！蹦暇┧茖W研究院水工水力學研究所副所長范子武告訴記者，隨著數字中國成為國家戰(zhàn)略，水利發(fā)展也面臨深刻變革——治水，更需“智水”。

作為我國較早從事智慧水利相關研究的科研工作者之一，范子武帶領數字孿生水利研究團隊，依托南京水利科學研究院（以下簡稱“南科院”）齊全的水利學科領先理論技術，充分發(fā)揮基礎數據優(yōu)勢、模型優(yōu)勢和人才優(yōu)勢，建立了水文、水資源、大壩安全管理、生態(tài)環(huán)境等一系列智能模型，探索“四預”智能業(yè)務實際應用，并利用高分遙感、無人機等新一代監(jiān)測手段，形成空、天、地、潛一體化感知體系，在江蘇省水工程預報調度一體化、三峽工程、大藤峽工程、長三角水網工程等國家、區(qū)域重大水利工程建設中廣泛應用，為新階段水利高質量發(fā)展、國家水安全保障發(fā)揮了重要的作用，提供了有力的支撐。

數字孿生賦能智慧水利

大江大河的保護與治理，關乎中華民族的偉大復興。國家“十四五”規(guī)劃綱要提出“構建智慧水利體系，以流域為單元，提升水情測報和智能調度能力”。水利部高度重視智慧水利建設，周密部署，明確了推進智慧水利的時間表、路線圖、任務書和責任單。水利部部長李國英也曾明確指出，智慧水利建設要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑。

可以說，“數字孿生”已成為智慧水利建設的核心。在范子武看來，數字孿生與水利的深化融合，亦是助力水利現代化的關鍵舉措。

范子武告訴記者，孿生技術古已有之，比如軍事沙盤。沙盤上呈現出敵我雙方的力量態(tài)勢、交戰(zhàn)地點的山川河流，軍事家根據沙盤來布局行軍打仗路線，通過在沙盤上排兵布陣來推演勝負關系。“數字孿生水利，就好像是虛擬與現實組成的一對雙胞胎，是在虛擬環(huán)境中構建現實場景的數字版‘克隆體’，通過將物理系統轉化為虛擬模型，實現對設備、環(huán)境等多維度信息的采集、監(jiān)控和分析。”在具體工作中，“推進數字孿生水利建設是由水利工作的空間特點決定的，有些水利科研工作是大尺度、大范圍的工作，不可能在物理流域中試驗不同方案，只能在數字空間進行反復預演，經過綜合評估分析后選擇最優(yōu)方案，運用到實際工作中，這是順應技術發(fā)展的必然選擇”。

“早在‘十五’期間，南科院就已經開展了與智慧水利相關的研究工作?！狈蹲游浣榻B說，在2004年編制的學科建設與學術發(fā)展規(guī)劃中，南科院將水利信息技術作為重點發(fā)展方向納入了學科建設總體布局。作為我國水利科學研究的發(fā)源地，在長期科研的過程中，南科院也積累了大量的基礎數據，為數字孿生水利建設提供了算據。這些基礎數據包括全國水利普查數據、水庫大壩數據、水閘數據、在役水利工程安全監(jiān)測數據、通航建筑物數據、灘涂和海堤基礎數據，以及小水電基礎數據和分布在全國各地的專業(yè)模型等，此外，南科院還建成了綜合交通大數據中心及一批水利交通行業(yè)野外觀測站以豐富基礎數據的內容。

“如果把數字孿生水利比作一個人，利用這些數據可以更準確地構建數據底板，增加數字孿生水利的‘閱歷’?！狈蹲游湔f，目前，團隊研發(fā)了水旱災害防御，水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水工程調度等領域專業(yè)模型和多業(yè)務場景的應用系統，為實現水利業(yè)務精細化管理、提高預測預報精度和科學決策打下了堅實的基礎。

“不僅如此，數字孿生技術在水利工程建設中的應用場景更是非常廣泛。”他說，通過相關技術，可以更加精準地掌握水資源的使用情況和變化趨勢，優(yōu)化水資源配置和調度，提高水資源利用效率和水質安全水平；可以預測洪水災害；可以預測水質變化，及時采取措施防止水污染；可以實現水利資源的科學管理和規(guī)劃，提高決策的準確性和效率；還可以降低人力成本和管理難度。

多年來，由范子武帶領的數字孿生團隊，在系統支撐、平臺搭建、業(yè)務應用、系統建設等方面取得了豐碩的科研成果，這些成果在江蘇水工程預報調度一體化、三峽工程、大藤峽工程、長三角水網工程等國家、區(qū)域重大水利工程建設中得到了廣泛應用，為保障國家水安全發(fā)揮了重要的支撐作用。

在系統平臺方面，團隊通過搭建南科院互聯互通云平臺、智慧水利數據引擎平臺、數字孿生可視化引擎平臺和水利專業(yè)模型平臺，實現了動態(tài)交互、實施融合及仿真度很高的數字孿生工程和數字孿生流域；在業(yè)務系統方面，團隊以流域防洪，水資源管理與調配為核心，推動水利“2+N”業(yè)務應用系統體系建設，開發(fā)了流域洪水預報、預報調度一體化、動態(tài)洪水風險圖管理、水資源配置與管理、水環(huán)境聯控聯調、大壩安全智慧管理、數字灌區(qū)及工程安全監(jiān)測與預警等一系列系統平臺，目前已形成具有南科院優(yōu)勢專業(yè)特色的數字孿生水利建設技術方案。

為城市水環(huán)境建設“保駕護航”

2016年9月，錢江潮起。世界的目光聚焦“G20杭州時間”，27位外方領導人在此暢敘未來。杭州之美走向世界——美在山水相依、湖城合璧。當大家對杭州的水環(huán)境建設拍手叫好時，范子武和團隊成員心中無限滿足——他們的努力，為G20峰會的召開創(chuàng)造了良好的區(qū)域水環(huán)境，也為后來杭州蕭山城區(qū)河網水質持續(xù)改善奠定了堅實的基礎。由他參與的“長三角地區(qū)城市河網水環(huán)境提升技術與應用”項目也因此被授予2019年度國家科技進步獎二等獎。這無疑是對水利科技工作者最大的褒獎。對范子武來說，他很享受這個過程，“用科技的手段，和大家一起去解決一些實際問題，大家開心了，我們也開心”。

生活在城市的每個人，身在其中，每時每刻都被深深地影響著。“城市的發(fā)展史，就是一部城市與水相伴而生的歷史，改變了水環(huán)境、重塑了水生態(tài)?！笨梢哉f，范子武參與并見證了這場發(fā)展與共生的變革。

2015年，隨著國家“一帶一路”建設工作的逐步鋪開，地處“一帶一路”與長江經濟帶的重要交匯區(qū)的長三角地區(qū)城市化進程加快，人水爭地問題日益突出，城市河道被擠占、淤積嚴重、連通性越來越差、入河污染負荷高，城市河網水環(huán)境面臨巨大壓力。在國家水專項、國家自然科學基金、省部級科技項目的支持下，由南科院牽頭，河海大學、上?？睖y設計研究院有限公司、浙江大學等7家單位共同投入“長三角地區(qū)城市河網水環(huán)境提升技術與應用”的研究中。參與單位多、各項技術雜，千頭萬緒，這對區(qū)域流域整體技術的統籌和應用提出了很大挑戰(zhàn)。有著多年流域水體治理經驗的范子武勇擔重任，負責了關鍵技術的研發(fā)，并提出總體思路，指導實施了各項技術的應用。他帶領團隊研發(fā)了多源互補水源保障、河網水位精準控制、河網水量配置等多項城市河網暢流活水關鍵技術;發(fā)明了多功能活動溢流堰和微氣泡曝氣推流等水動力調控與水質強化凈化裝置與設備；首創(chuàng)了城市河網多尺度智能分級概念，構建了實時監(jiān)測-精準模擬-智能互饋的城市河網水環(huán)境提升聯控聯調平臺。

從理論到技術再到平臺，一系列創(chuàng)新成果不僅突破了城市河網水質提升和長效維持的技術瓶頸，破解了城市河網水環(huán)境精準智能提升的國際難題，而且先后應用于蘇州古城區(qū)、杭州G20峰會核心區(qū)、中國國際進口博覽會區(qū)域、上海中心城區(qū)、上海世博園區(qū)等區(qū)域。南京、寧波、常州、揚州、鎮(zhèn)江、常熟、深圳等20多個城市的水環(huán)境治理，支撐了江蘇、浙江、上海等省市的生態(tài)文明城市建設，產生了顯著的經濟社會和生態(tài)環(huán)境效益，5年累計產生直接經濟效益22億元，生態(tài)環(huán)境等間接經濟效益數百億元。

蘇州市人民政府對此給予高度肯定，在工程應用效果評價中提到，南科院研發(fā)的水源保障-引水線路-配水工程-活水調度-水質提升-生態(tài)修復一體化成套暢流活水技術，結合蘇州實際，因地制宜，激活了全城水系，實現了全城活水、持續(xù)活水、自流活水，讓水質達標的同時，基本恢復了蘇州古城“小橋流水”的水鄉(xiāng)風貌，帶動了蘇州古城及周邊的旅游業(yè)，水域上游游客數量連年大幅增長，對“水清、水好、水美，河凈、岸潔、景秀”宜居城市建設作出了重大貢獻。

如果說這是“十三五”期間范子武在城市水環(huán)境治理領域畫上的濃墨重彩的一筆，那太湖的治理就是未完待續(xù)的精彩篇章。

早在2008年，范子武就開始參與到太湖藍藻問題的治理中。他不會忘記2007年太湖藍藻暴發(fā)造成的那場無錫供水危機。在水危機處置完后，這一事件給范子武留下深深的思考：城市水環(huán)境治理的出路和未來，究竟在哪里？

“我估計，未來的河湖治理要花很大的精力，未來的幾十年都要克服很多難題?！睘榱私o太湖水動力、水生態(tài)、水環(huán)境研究提供更科學的指導和決策支撐，國家投入資金打造了無錫河湖治理研究基地，“基地太湖試驗廳采用大跨度鋼結構建造，廳內搭建的太湖風生流全湖區(qū)物理模型，精準模擬著太湖里的‘風吹草動’”。作為世界首個大型淺水湖泊風生流物理模型，其模擬范圍更是覆蓋太湖全湖區(qū)、23條主要出入湖河流及51個島嶼，這個模型的建成填補了國內外大型淺水湖泊風生流研究領域的空白，開創(chuàng)了采用大尺度風生流物理模型解決淺水湖泊水問題的先河。

依托無錫河湖治理研究基地，南科院聯合太湖流域管理局和無錫市人民政府，共建了水利部太湖流域水治理重點實驗室，范子武也被委任為實驗室主任，負責實驗室運行機制、人才隊伍、平臺建設、科研攻關的整體工作?！皬哪壳皝砜?，實驗室專注于太湖流域洪澇災害防御、水資源管理與調配、水生態(tài)環(huán)境治理與保護、數字流域及智慧水網等方面研究，在基礎理論、技術應用、示范應用、科普宣傳等方面成效顯著，力求為太湖流域水治理能力提升提供重要保障?！痹诓稍L中，他也提到，“這里也成為太湖邊的一顆明珠，歡迎大家有時間去走走看看。”

2023年2月范子武在中國水利學術大會智慧水利數字孿生分論壇作報告

原始創(chuàng)新破解“卡脖子”難題

光陰荏苒，彈指一揮30年。1993年，當大學畢業(yè)的范子武來到南科院，從事洪水災害分析研究工作，他不曾想到，這一待就是30年。再回首，30年不忘初心，30年不辱使命，30年青春無悔。

我國最早的水利科學研究機構——南科院，如今已成為國內綜合性水利科研的“金字招牌”；當時那個風華正茂的青年也已鬢角銀絲，如今的他也成為水利科學領域的帶頭人?！皬漠敵醮髮W畢業(yè)進入南科院，到后來在這里讀研讀博、從事水利科研事業(yè)，如今已過去30年?？梢哉f，是南科院成就了我?！狈蹲游鋵δ峡圃旱母卸髦椋缬谘员怼?/p>

時光回溯至80多年前，1935年，南科院的前身——中央水工試驗所誕生。作為我國第一所水利科研機構，它被譽為中國水利科學的發(fā)源地和水利科學人才培養(yǎng)的搖籃。中華人民共和國成立以后，南科院不斷發(fā)展壯大并數次更名，承擔水利、交通、能源事業(yè)中具有前瞻性、基礎性和關鍵性的科學研究任務，并于2009年正式更名為“水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院”。

百煉成鋼，重器成材。80多年來，幾代水利人秉持“勤奮、嚴謹、求實、創(chuàng)新”的科研精神，圍繞國家需求和國際科技前沿，承擔了大量水利、交通、能源領域重大科學問題和關鍵技術研究，取得了一大批標志性的科研成果，在我國水利科學發(fā)展史上留下濃墨重彩，為國家經濟社會發(fā)展作出了重大貢獻。

采訪中，范子武常常把單位與團隊掛在嘴邊，“從最初的20多人到現在的100多人，我非常慶幸有一群志同道合的伙伴，在智慧水利建設的征程中，共進退、同榮辱”。他說，成績的取得，得益于南科院的良好科研氛圍與團隊的通力協作。然而，在領導和同事眼中，他“十年磨一劍”的耐心和“板凳甘坐十年冷”的堅持，才是團隊取得進步的動力。

傳業(yè)授道，獎掖后學。多年來，除了科研工作者和團隊領導的身份，范子武還是一位老師?！拔視职咽秩ソ虒W生，就像老師當初教我一樣?！比缃?，南科院“傳幫帶”的優(yōu)良傳統在他身上得到了完美的延續(xù)。在他看來，教學與科研是一個相輔相成、相互促進的過程，“這門學科很重視對創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。我們研究的數據模型是一種工具，必須能夠運用到實際環(huán)境中，去解決實際問題”。他常常叮囑學生，要關注行業(yè)痛點、前沿動態(tài)，不要把思維局限在課本上、把智慧固化在代碼中，要重視每一次課程實驗、社會實踐，要把專業(yè)技術應用到實踐中。作為團隊帶頭人，范子武也會為年輕人量身設計職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，充分給予青年人才發(fā)揮主觀能動性的時間與空間，鼓勵青年員工勤思考、勇嘗試、善提升、挑重擔。

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索?！?0多年來，范子武在水利科學領域默默深耕，從0到1不斷創(chuàng)新，建立了適合我國國情的基于風險的大壩安全評價體系，提出了從“現行評價方法體系”向“風險評價方法體系”過渡銜接技術；系統提出了各類大壩潰決模式和潰決路徑識別技術，創(chuàng)建了單因素和復合因素作用下的潰決概率風險分析計算模型；提出了水庫調洪過程中的各種不確定性因素對大壩風險影響的分析方法；建立了基于風險的大壩使用壽命評估模型，提出了擬定大壩運行風險預警準則和指標的方法。這些成果在國家防汛抗旱總指揮部及13個省70多個工程的防洪規(guī)劃和防洪調度方案編制、應急預案制定中得到應用，為提高我國水工程安全管理水平提供了理論基礎和實踐經驗，在確保防洪安全的同時，推動了我國水庫大壩安全評估與風險管理的進步。

范子武主持的國家重點研發(fā)計劃課題平原河網水動力多尺度分級智能模型研發(fā)依據數據庫管理、GIS分級顯示、離散化建模技術，構建河道槽蓄量自動提取、河道連通拓撲關系自動矯正功能的模型網絡，形成適用不同區(qū)域及應用業(yè)務的平原河網流域-區(qū)域-城鎮(zhèn)多尺度、水文-水動力多屬性異構模型庫；支持了不同功能應用目的和適應任意復雜下墊面地形的平原河網模型自適應生成，集成開發(fā)平原河網水動力智能模擬系統；實現了流域、區(qū)域、城鎮(zhèn)等多尺度分級水動力全過程快速、精準、自適應模擬。他的科研成果在長三角、珠三角等地區(qū)的日常防汛、水環(huán)境提升等方面得到成功應用，支撐了當前水利行業(yè)補短板的關鍵“卡脖子”模擬技術難題，大大提升了我國水利現代化管理水平和科學決策能力。

“江河探索，永無止境?！狈蹲游湔f，當前正值第二個“一百年”奮斗目標的重要歷史階段，也是智慧水利建設厚積薄發(fā)的關鍵時期。“從古至今，水利都是治國安邦的大事。興水利、除水害，是需要幾代人共同努力的事業(yè)。智慧水利，未來已來。跨學科行業(yè)深度交叉融合將是智慧水利發(fā)展的必然趨勢，希望更多技術人員，特別是青年學者能夠加入智慧水利建設隊伍中來，構建更美好的未來?，F在投入智慧水利和數字孿生，未來一定會超出預期?！?/p>