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水科学数据的未来：赋能国家水安全
The future of water science data: empowering national water security
彭静
（中国水利水电科学研究院，100038，北京）
摘要：当前，在大数据和智能技术的驱动下，科学研究的范式和技术研发的路径正逐渐加快向数据驱动演化。针对目前水科学数据的整合与统一、数量与质量、存储与管理、分析与应用、政策与制度以及多学科合作等诸多方面存在的挑战，推动水科学数据与数据科学创新发展，加快构建水科学数据体系，必要且紧迫。国家水网是保障国家水安全的网络型基础设施和集成式载体，同时也是一个复杂巨系统，具有多重属性、多层设施、多维载体、多种功能、多级管理等特征。面向其安全发展、绿色发展、智慧发展和融合发展要求，水科学数据和水科学认知不可或缺，在新一代信息技术特别是人工智能快速发展、与行业发展深度融合的当下，两者必将相互加持、互馈增长。在实践中，水科学数据已在国家水网高质量建设发展中发挥出显著乘数效应，并快速大量积累。加快推进水科学数据体系构建，是挖掘和集聚数据要素新质生产力效能、赋能国家水安全、构筑发展新动能之时代必然，也是高水平开放合作、加快国际一流水科学数据创新发展、主动参与全球水治理之时代必需。讨论了水科学数据支撑和赋能国家水安全的时代背景，从水资源调配、水灾害防御、水工程建设运行、水生态保护等方面梳理了实践成就，提出构建水科学数据体系的发展定位及其在水资源优化配置、流域防洪减灾、水工程建设与安全运维、水生态系统保护治理方面的技术路径。
关键词：水科学数据；数智技术；国家水网；水安全；水科学数据体系；数据驱动
作者简介：彭静，党委书记、院长，正高级工程师。
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国家水安全保障已进入以大数据为基础的智能时代
大数据提供了人类认识复杂巨系统的新思维和新手段，已成为当今时代各行各业创新发展和决策支撑的主要驱动力。海量数据的挖掘、治理和分析，极大赋能产业转型升级，显著改变了生产生活方式和科研生态环境，进而加速改变全球经济社会竞争格局和治理模式。以数字化、网络化、智能化为核心技术的大数据和人工智能主导着新一轮科技革命和产业变革，推动人类社会发展步入数智新时代。
习近平总书记强调，互联网、大数据、云计算、人工智能、区块链等技术加速创新，日益融入经济社会发展各领域全过程，各国竞相制定数字经济发展战略、出台鼓励政策，数字经济发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深前所未有。要站在统筹中华民族伟大复兴战略全局和世界百年未有之大变局的高度，统筹国内国际两个大局、发展安全两件大事，充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深度融合，赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，不断做强做优做大我国数字经济。2022年12月发布的《中共中央、国务院关于构建数据基础制度更好发挥数据要素作用的意见》（以下简称《意见》）明确，充分实现数据要素价值、促进全体人民共享数字经济发展红利，为深化创新驱动、推动高质量发展、推进国家治理体系和治理能力现代化提供有力支撑。
新阶段水利高质量发展事关国家发展和安全大局，在中国式现代化中具有基础性、战略性、先导性作用，水治理方式的数字化变革将为国家水安全保障注入强大动力。党的二十大对加快建设数字中国作出一系列新部署，对提升流域设施数字化、网络化、智能化水平提出了明确要求。2023年2月发布的《数字中国建设整体布局规划》，明确要求构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系。水利部部长李国英强调，我国江河水系众多，保护治理是一个庞大复杂的系统工程，只有依托现代信息技术变革治理理念和治理手段，才能实现江河保护治理效能全面提升。实践中，近年我国数字孪生水利建设取得显著成效，在行业内外发挥了引领示范作用，为保障国家水安全提供了更为高效的决策支持。但是，对照数字化、智能化、产业化发展的新要求，智慧水利体系建设还有短板，如以流域为单元的全要素全过程智能感知不足、基于科学数据的智能分析基础不牢、智能算法的专业模型体系尚未形成等，距离实现对物理流域全要素和水治理管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化的目标还有一定距离。要进一步推动水科学数据和科学认知的集成创新，加快智能技术与水利业务的深度融合。
推动新阶段水利高质量发展，比以往任何时候都更需要水科技创新的支撑和引领。当前，在大数据和智能技术的驱动下，科学研究的范式和技术研发的路径正逐渐加快向数据驱动演化。数据驱动位列技术推动、需求拉动、市场撬动等创新方式之首，研发路径也由原型观测、控制实验、理论推演向数据驱动、场景模拟集聚。大数据和智能时代催生科研新范式，也将助推人类对地球水循环的科学认知，推进理论创新、技术创新和实践创新，进而革新现代治水模式，加速水产业转型升级。针对目前水科学数据的整合与统一、数量与质量、存储与管理、分析与应用、政策与制度以及多学科合作等诸多方面存在的挑战，推动水科学数据与数据科学创新发展，加快构建水科学数据体系，必要且紧迫。
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国家水网高质量发展亟须水科学数据和数据科学赋能
国家水网是水安全保障的网络型基础设施和集成式载体。习近平总书记强调，水网建设起来，会是中华民族在治水历程中又一个世纪画卷，会载入千秋史册。水利部党组要求，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，为强国建设、民族复兴提供有力的水安全保障。推进水网的高质量发展，离不开水科学数据及数据科学的发展。要充分发挥水科学数据和科学认知的互馈增长效能，赋能国家水网高质量发展。
1.国家水网是一个复杂巨系统
国家水网是以自然河湖为基础、引调排水工程为通道、调蓄工程为结点、智慧调控为手段，集水资源优化配置、流域防洪减灾、水生态系统保护等功能于一体的综合体系。这一由自然河湖水系和水利工程体系耦合而生的复杂巨系统，按照纲－目－结层次，将自然河湖、引调排水工程和调蓄工程有机集成，发挥资源供给、防洪抗旱、生态保障等多种功能，具有自然、社会、经济、生态、环境、文化等多重属性，利用自然动力和人工调控，协同实现对地表－地下、流域－区域、城市－乡村、常态－应急等涉水事务的全要素全过程综合管理。
国家水网表象是点－线－面交织的立体水网，科学实质是水循环和水动力作用下具有时空分异特征的“点－线－面”立体架构，涵盖水在“自然－社会”二元水循环及其伴生过程中所有的物质－能量－信息流动。对于这样一个动态立体网络，既要遵循自然规律而为，又需满足经济社会高质量发展所需，二者协同，其演化过程既包括从山顶到海洋的产汇流全过程，也包括大气—地表—土壤—地下的“四水”转化全过程，还涉及取—输—用—排—处理—回用的水资源人工过程，对上述所有过程的精准把控，既是水治理体系向数字化、网络化、智能化转型的需要，也是科研范式进入数智驱动新时代的结果。
2.国家水网高质量发展需要科学数据和科学认知的互馈衍生
国家水网高质量发展，在科学内涵上体现为对国家水网水文水动力和水生态环境过程的科学认知和精准调控。从安全发展视角，无论是提升水安全保障标准，还是加强水安全风险防控，都需要科学认知气候变化和人类活动强影响下的常态和极端水文水动力过程，在此基础上以防洪减灾、提升供水保障水平等为目标，运用工程和非工程措施提升水安全保障能力。从绿色发展视角，无论是强化水资源刚性约束，还是建设生态水网工程，都需要在科学认知流域、区域水资源水环境及其承载能力的基础上，辨析和评估不同尺度下人类活动与生态保护目标的响应关系，探寻面向“双碳”目标的新发展路径，进而采取适应性治理管理，推动实现人水和谐共生。从智慧发展视角，要在准确把握物理水网运行规律的基础上，构建形成映射物理水网全要素全过程的数字水网，支撑水网全要素预报、预警、预演、预案“四预”模拟分析与智慧化调控，提高水网工程现代化运行管理水平。从融合发展视角，要科学认知国家、省、市、县等多层水网架构及其互馈关系，高效衔接互动，实现水网工程的多功能发挥、多目标协同。
在技术路径选择方面，数据驱动已成为科学研究的新范式，但对于像国家水网这样的复杂巨系统，还需要科学认知的进步，因此，科学数据和科学认知的互馈衍生，是实现国家水网高质量发展的必由之路。不仅需要考虑多领域、多过程、多要素的水科学数据，构筑科学化、结构化、专业化的数据底座，还需要在观察现象、揭示规律、阐释机理、构建理论和创新方法等方面不断深化，并充分发挥数智技术的加持增效甚至突破作用。水科学数据要素多元、属性不同、特征迥异、获取方式多样，既涉及自然科学类数据，也涉及工程和社会经济类数据，涵盖对象要素、过程要素、工情要素、指标要素、管理要素、效应要素、属性特征和阶段特性等，呈现出多时间尺度、多空间维度、多层级特征，需聚焦国家水网融合发展，构建与之相匹配的科学数据体系。
在水资源优化配置方面，聚焦节水优先、空间均衡、代际公平、高质量供水保障要求，提取“自然－社会”二元水循环、从山顶到海洋全过程全元素动态变化数据，凝练水网系统、社会经济、生态系统相互作用原理与规律，揭示水科学认知并优化迭代至水资源管理与调配各业务环节，打通监测到决策的链路，实现人类用水行为及效率效应的全过程精细智能监测评估，准确预测预报并管理供水需水，提升水网工程在实现水资源集约高效利用方面的效能。
在流域防洪减灾方面，锚定“人员不伤亡、水库不垮坝、重要堤防不决口、重要基础设施不受冲击”目标，全面建设“云中雨—落地雨—洪水演进”监测预报防线，构建完备的数据底板、模型平台和知识平台，构建汇集平台，实现系统、科学、安全、精准调度，让数智技术深度赋能“预”字贯穿，实现提前发现问题、提前发布预警、提前演练方案、提前制定部署，实现延长预见期和提高预报精准度的有机统一，提升现代化“防—减—救”能力水平。
在水工程建设与安全运维方面，利用监测检测、巡视巡查、卫星遥感等手段，全方位获取工程本体、周边环境、人类活动等多源数据，实现智能感知；运用数据驱动、机理驱动等混合智能手段，获取工程工作性态、安全状态及演化规律，实现智能研判；通过施工、运行调度、维护等实现对工程进度、质量、运行和调度的控制，实现智能管控。依靠对水工程科学数据和科学认知的双重进步，精准发挥水工程效益，科学保障水工程安全。
在水生态系统保护治理方面，围绕复苏河湖生态、完善保护治理，提升获取各类景观格局、水体类型、生物要素、生境条件等数据的能力及其时空分辨率，增强对生态系统多样性和稳定性、生态服务功能的科学认知，实现监测评价—模拟预测—调控修复的动态耦合，支撑江河湖库生态保护治理。充分发挥大数据与数学模型相结合、与人工智能相结合的新动能，将机理模型的科学认知和智能模型的计算效率有机结合，研究复杂水生态系统的多种场景和情景，助力复杂生态系统管理决策。
3.水科学数据已在支撑国家水网高质量发展中发挥显著乘数效应
水利部将推进数字孪生水利作为推动新阶段水利高质量发展、加快发展水利新质生产力的实施路径和重要标志，提出按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程。要以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以算据、算法、算力建设为支撑，强化对物理流域、水网、工程的全时空、全过程、全要素的数字化映射、智能化模拟、前瞻性预演，实现与物理水利同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，构筑具有预报、预警、预演、预案功能的数字孪生水利体系。在具体实践中，水利科学院所积极探索水科学数据与科学认知互馈衍生，在支撑水资源高效调配、水灾害精准防治、水生态系统保护、水工程建设运维等方面积累了一批优秀案例及成果，彰显了水科学数据与科学认知融合发展的显著乘数效应。
在水资源高效精细调配方面，为探索水网工程建设运行管理的数字化、网络化、智能化路径，集成研发的“数字孪生南水北调中线1.0”，以提升中线工程“三个安全”（工程安全、供水安全、水质安全）、实现运营“降本增效”为目标导向，融合中线工程沿线布设的10万余支（套）各类监测感知设备，创新了数据和机理耦合驱动的调水工程水利专业模型，构建了多模态算据汇集、多业务专业模型协同、多芯算力融合的数字孪生平台，形成了长距离引调水工程典型建筑物的工程安全结构分析、跨流域多水源多目标联合调度、长距离明渠输水工程水质保护、冬季输水安全保障等典型场景，赋能安全监管、水量调度、水质保障和运行维护业务，在2023—2024调水年度的汛期防洪、日常与冰期输水、水质应急等各项业务工作中发挥实效。中线工程运行管理实现从“人工经验决策”向“模型数据决策”的突破。
在水旱灾害精准有效防御方面，以数字孪生流域为基，筑牢雨水情监测预报“三道防线”，探索“以数智水”，实现知过去、明态势、预未来。推动以人工决策为主、机器支持为辅的传统防御模式向以大数据为核心的智能推荐和人工优先并重的现代模式转变，逐步形成人工智能决策辅助人工干预的新模式。构建的大汶河流域、淮河、海河干流等防洪“四预”一体化业务平台，依托跨尺度、多维度海量时空算据，实现“四预”全流程知识化驱动，在应对“杜苏芮”台风暴雨、海河“23·7”流域性特大洪水等实践中，助力实现防御决策精准化、实时化、科学化。以数字化技术支撑扛牢水旱灾害防御天职，把“时时放心不下”的责任感转化为“事事心中有底”的科技力。
在水工程建设运行方面，锚定工程高质量建设和安全高效运行目标，研发数据透彻感知、性态动态分析、安全自主馈控技术，打造“数智利器”，实现工程性态可知、风险可判、措施可调、安全可控。引领大坝工程由阶段自动化感知向全过程实时智能感知、离线滞后性态分析向在线实时动态分析、缺陷隐患事后处置向风险预判和动态管控转变，实现了数据和知识的充分融合和作用发挥，推动了传统大坝建设向大坝智能化建设的发展。在白鹤滩、乌东德等大坝工程建设和蓄水运行过程中，基于大坝工程及上下游、左右岸基础数据，利用高坝结构性态数字孪生平台，实现工程施工进度、施工质量、蓄水过程、工程安全的全过程动态管控，保障了大坝优质高效建设和安全运行。
在水生态环境系统保护方面，研发无人船、仿生漂流球等水生态环境智能感知设备和智能识别模型，集成创新水生态环境全要素大数据构建技术。基于数据驱动模型，融合多源数据，研发了水质动态评价与预测技术，突破了全国、流域、省市等不同尺度水质趋势研判的技术瓶颈。融合多源遥感影像、无人机航拍等技术，开展了母亲河复苏行动成效分析，为母亲河复苏行动实施与监管提供了有力技术支撑。耦合机理模型、数据驱动模型、优化算法，研发了引江济淮工程水量水质多目标联合优化调度技术，提出了巢湖生态补水与污染防控多目标优化调度方案，为长距离引调水工程的智能调度提供了重要手段。
近年的数字孪生水利建设，彰显了水科学数据与水科学认知融合衍生的强大生命力。但目前还存在物理监测系统的数据采集范围、频次、精度尚不满足高保真模拟计算需求，水数值模拟计算软件国产化水平亟待提升等问题，数字孪生水利建设机遇和挑战并存。
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加快推进水科学数据体系建设是时代所需
《意见》指出，要以促进数据合规高效流通使用、赋能实体经济为主线，以数据产权、流通交易、收益分配、安全治理为重点，深入参与国际高标准数字规则制定，构建适应数据特征、符合数字经济发展规律、保障国家数据安全、彰显创新引领的数据基础制度，充分实现数据要素价值、促进全体人民共享数字经济发展红利。当前，国内外尚未形成综合集成的水科学数据体系，一定程度制约了水科技的创新发展。要加快构建水科学数据体系，激发水科学数据要素的乘数效应及潜能，赋能国家水安全，构筑国家竞争新优势。同时，通过水科学数据体系建设，突破当前水科学数据的数据孤岛、数据质量、共享技术、基础设施和安全保护难等方面难题，进一步深化数据管理体制机制改革。
加快推进水科学数据体系建设，是高水平开放合作、加快国际一流水科学创新发展、主动参与全球水治理的时代要求。在习近平生态文明思想和习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路指引下，中国水利事业取得的历史性成就和格局性变革令世界瞩目。李国英部长在第18届世界水资源大会上指出，中国水利部愿同国际社会一道，共同推动全球水治理改革与发展，共同推进人与自然和谐共生，共同谱写推动构建人类命运共同体的水治理新篇章。随着水行业“天空地水工”一体化全要素全天候动态监控体系建设稳步推进，以及具有“四预”功能的“2+N”水利智能业务应用体系的深化发展，水科学数据必将呈现指数级、爆炸式增长。加快推进水科学数据体系建设，将全面激发“存量”和“增量”水科学数据潜能，进一步提升我国引领世界水科学计划、主动参与全球水治理的水平。
加快推进水科学数据体系建设，是水科学技术创新发展的必然需求。相比于其他相关专业研究，水科学研究既要遵循自然规律，也要探寻社会规律、把握经济规律，研究对象复杂多元。在气候变化影响深刻变化，超历史纪录、超标准、超预期、超认知的涉水事件频繁多发的条件下，加快推进水科学数据体系建设，将极大助力人类获取对水安全的新科学认知、创新水科学技术与装备，培养锻炼未来水科学新质人才。
加快推进水科学数据体系建设，是普及水科学知识与技能的必然需求。实施“江河战略”、建设幸福河湖，需要全社会的共同参与。李国英部长在2023年联合国水大会上指出，地球村居民要共同履行可持续利用淡水资源的义务和责任，尊重自然界河流生存的基本权利，实现人与河流和谐共生。面向水安全发展的新态势，地球村居民需具有相应的水科学素养。加快推进水科学数据体系建设，将为地球村居民提供沉浸式的水科学知识服务，增强“爱水护水惜水”意识和技能。
面对国家之需、时代之需、行业之需，水科学研究人员应紧密合作，定位水科学数据汇集处理治理、技术服务共享、技术创新发展、国际合作交流、科普技能培训等能力建设，共建共享、创新发展水科学数据体系，赋能新时代国家水安全。
Abstract: Driven by big data and intelligent technologies, the paradigm of scientific research and the paths of technological development are rapidly evolving toward a data-driven approach. It is both necessary and urgent to promote the innovative development of water science data, accelerate the construction of a water science data system, and address challenges such as data integration and unification, quantity and quality, storage and management, analysis and application, policies and institutions, and interdisciplinary collaboration. The national water network, as a networked infrastructure and integrated carrier, ensures national water security. It is a complex giant system characterized by multiple attributes, multi-level structures, multi-dimensional carriers, diverse functions, and multi-level management. To meet the requirements of safe, green, intelligent, and integrated development, water science data and knowledge are indispensable. In the context of rapid advancements in next-generation information technologies, particularly artificial intelligence, and their deep integration with industry development, these elements will mutually enhance and reinforce each other. In practice, water science data has demonstrated a significant multiplier effect in the high-quality construction and development of the national water network and has accumulated rapidly and extensively. Accelerating the construction of a water science data system is an inevitable trend for harnessing and aggregating the new quality and productivity of data elements, empowering national water security, and driving new development momentum. It is also essential for high-level open cooperation, advancing the innovative development of internationally leading water science data, and actively participating in global water governance. This paper discusses the background in which water science data supports and empowers national water security, summarizes practical achievements in water allocation, disaster prevention, water engineering construction and operation, and ecological protection, and proposes the development positioning and technical pathways for constructing a water science data system. These include optimizing water resource allocation, flood control and disaster reduction in river basins, water engineering construction and safety operation, and water ecosystem protection and governance.
Keywords: water science data; digital intelligence technology; national water network; water security; water science data system; data-driven
本文引用格式：
彭静.水科学数据的未来：赋能国家水安全[J].中国水利，2024（23）：1-6.
封面摄影｜李先明
责编｜ 王慧
校对｜董林玥
审核｜轩玮
监制｜赵洪涛
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