智慧水文建设思考与长江实践
Thinking on smart hydrology construction and practice in the Yangtze River
程海云
（水利部长江水利委员会水文局，430010，武汉）
摘要：水文是国家水安全保障和经济社会高质量发展的重要支撑，加快构建数智融合的智慧水文体系，是落实国家重大战略的必然选择。在分析水文发展时代背景与研究意义的基础上，阐述了智慧水文基本内涵，包括以社会水文为发展理念和目标、以绿色水文为发展方式和方向、以智慧水文为发展动力和路径、以和谐水文为价值取向和精神追求四个方面的行业属性；以守正创新为核心的基本内涵；以“需求至上、应用至上、数字赋能、提升能力”为主线，以“数”的深度挖掘、“智”的全面应用为重点，以提升感知能力、认知能力、决策能力为内容的建设原则。提出了由数字水文、业务应用、支撑服务、网络安全体系、保障体系等组成的智慧水文总体框架，明确了从站网、感知、专业、服务、保障等五大体系推进的实施路径，并以长江水文多年的智慧水文建设实践为例，从强化监测网络、提升感知能力、赋能业务升级、打造服务引擎、夯实发展基础等方面，为数智水文建设、加快发展水文新质生产力提供了可靠的解决方案。
关键词：智慧水文；长江实践；新质生产力；数智化
作者简介：程海云，党组书记、局长，正高级工程师。
基金项目：国家重点研发计划课题（2021YFC3200301）；国家自然科学基金长江水科学研究联合基金（U2340213）。
党的二十届三中全会首次提出用数智技术改造提升传统产业，数智化成为发展新质生产力的重要引擎。水文事业是基础性、先导性、科技型公益事业。构建数智融合的智慧水文体系，既是水文事业适应时代发展的必然选择，也是水文行业现代化的发展方向。近年来，水利部长江水利委员会水文局（以下简称“长江委水文局”）按照上级部署，立足自身实际，主动思考谋划，在智慧水文建设方面开展了一系列探索与实践。
研究背景与意义
1.落实国家重大战略的必然要求
党的十八大以来，习近平总书记站在实现中华民族永续发展的战略高度亲自擘画治水事业，确立了国家“江河战略”。习近平总书记强调要努力建设安澜长江，科学把握长江水情变化，提升流域防灾减灾能力。国家“十四五”规划纲要明确提出，构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。《数字中国建设整体布局规划》提出构建以数字孪生流域为核心的智慧水利系统。李强总理在2024年政府工作报告中提出“人工智能+”，要把人工智能有效应用到国民经济的各行各业。水文是国家水安全保障和经济社会高质量发展的重要支撑。加快构建数智融合的智慧水文体系，是落实国家重大战略的必然选择。
2.支撑水利高质量发展的必然要求
智慧水利是新阶段水利高质量发展的显著标志。要以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生流域，实现预报、预警、预演、预案“四预”功能，赋能水利业务应用，为水利智慧化决策提供科学支撑。智慧水文是智慧水利建设的重要基础和主要任务。加快构建全面适配智慧水利的智慧水文体系是支撑水利高质量发展的必然要求。
3.推进水文现代化建设的必然要求
技术上与时代发展同步、服务能力上与时代需求相适应，是现代水文体系的基本特征。当前数智化已成为行业现代化的标志之一，然而水文智慧化建设尚处于起步发展阶段，用数智技术提升传统水文综合能力，推动水文业务全流程、管理全过程、服务全链条的数智化升级，是水文现代化建设的必然要求。
基本内涵
1.现代水文的行业属性
近年，长江委水文局持续推进社会水文、绿色水文、智慧水文、和谐水文“四个水文”建设的同时，也在不断拓展丰富对水文行业特性的认识。
社会水文是发展理念和目标，体现现代水文的行业属性。 水文事业是国民经济和社会发展的基础性公益事业。水文不仅要满足水利行业的需求，还要与经济社会发展的需求相适应。推进社会水文发展，强化社会水文的服务理念和功能定位，能够更好地响应多元复杂的社会需求，支撑经济社会高质量发展。
绿色水文是发展方式和方向，体现现代水文的时代属性。 绿色是新发展理念的重要组成，是高质量发展的关键环节。推进绿色水文发展，要践行绿色发展理念，构建高科技、低消耗、可持续的发展方式，支撑行业和经济社会绿色转型。
智慧水文是发展动力和路径，体现现代水文的科技属性。 数智化是新质生产力的代表形态。党的二十届三中全会强调，要加快新一代信息技术全方位全链条普及应用，支持用数智技术改造提升传统产业。推进智慧水文发展，要紧跟数智化发展趋势，强化要素资源的优化配置和融合应用，充分激发数据要素的乘数效应，不断提高水文全要素生产率，为流域保护与治理提供更高质量的技术保障。
和谐水文是价值取向和精神追求，体现现代水文的文化属性。 “上善若水”“天人合一”，自古就是我国传统文化的核心价值观，反映了人与人、人与自然和谐相处的思想。进入新时代，人与自然和谐共生成为中国式现代化的重要特征。推进和谐水文建设，要立足“人水和谐”核心理念，打造和谐发展环境，服务流域“四个统一”、支撑人-水-社会协同发展，助力河流伦理建构，为流域发展与安全提供更加优质的水文支撑。
2.智慧水文的基本内涵
智慧水文是适应数字时代发展的水文新形态。 通过大数据、人工智能、物联网、移动通信、云计算、区块链等新一代信息技术深度融合，对水文业务全流程、管理全过程、服务全链条进行数智化升级，推动水文行业高质量发展。
智慧水文建设是迭代升级的过程，需要继承发展、守正创新。 守正是智慧水文的基础，传统水文经过长期实践积累，形成了一套较完整的理论体系，这些是智慧水文建设必须遵循的准则。创新是智慧水文的灵魂，通过数智技术的深入应用，提升水文业务的智能化水平，提供精准化服务，满足多样化需求；通过对资源的优化配置，提高水文管理效率和决策水平。
智慧水文建设也是动态发展的过程，需要不断迭代优化，与时俱进。 总体上看，要强化顶层设计，明确目标要求，制定时间表和路线图，确保有序推进。具体而言，智慧水文在建设过程中要从条件成熟、需求迫切的“点”上寻求突破，沿先行试点、逐步推广的路径积累经验，以点带面持续推进。
3.智慧水文的建设重点
（1）围绕一条主线
按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”智慧水利建设总体原则，围绕数字化、网络化、智能化这一主线，对传统水文进行数智化升级。
通过对水文业务全流程、管理全过程、服务全链条的数字化转换，让水文“万物发声”；通过物联网、移动互联等技术对水文全域进行网络化链接，破除“信息孤岛”，推动水文“万物互联”；通过人工智能、大数据等新一代数字技术的广泛使用，优化水文“人机交互”新模式，推动水文决策的智能化升级。
（2）聚焦两个重点
智慧水文建设要加快“上云用数赋智”步伐，从“数”的深度挖掘和“智”的全面应用两个维度靶向发力。
①“数”的深度挖掘方面。 发挥数据要素放大叠加倍增效应，优化传统水文，开辟新的赛道。一方面深挖水文数据潜能，智能构建在线方案及AI模型，提升在线感知精度及“四预”能力等，深耕传统水文“旧红海”；另一方面强化数据资源意识，打造数据服务平台，推进水文存量数据资源化、资产化，推动数据流通和产品交易，实现水文价值链和服务链有效延伸，开辟智慧水文“新蓝海”。
②“智”的全面应用方面。 加快新一代信息技术全方位全链条普及应用，发挥其强大的数据处理、精准的模式识别、自动化的学习与优化、精准的预测与决策支持等能力，突破传统认知局限，挖掘新的水文规律，促进智能监测预报、智能决策支持、智能公共服务等核心技术的增量发展，不断提高水文全要素生产率。
（3）提升三种能力
①感知能力。 从单点监测升级到整体感知。在传统水文感知手段的基础上，充分运用现代传感技术，运用大数据、云计算、边缘计算、人工智能这些现代信息技术，打造“天空地”一体化、多维多源多尺度信息融合的监测感知体系，实现水文全要素、全量程、全天候自动感知。
②认知能力。 从机理模型升级到数据机理双驱动模型。针对长江流域梯级水库群阻隔效应、蓄泄影响等复杂变化环境，加强规律机理等基础研究，优化水文机理模型。充分运用数据模型优势，弥补机理模型精度和效率的不足。通过数据机理双驱动，提高对水文现象与规律的认知能力。
③决策能力。 从辅助决策到智慧决策。在多模态大模型的基础上，基于水文理论、专家经验、历史场景、业务规则等知识，构建水文智能体，构造突破人工决策限制的新型决策模式，实现人工与AI的协同工作和决策，提高水文管理和应对极端事件的能力，提升智慧水文建设的整体水平。
总体框架
1.逻辑架构
智慧水文是水文业务全流程、管理全过程、服务全链条的数智化升级，由物理水文、数字水文、业务应用、支撑服务、网络安全体系、保障体系等组成， 其逻辑架构如下图所示。物理水文是基础，数字水文是核心，业务应用是窗口，支撑服务是目标，网络安全体系及保障体系是后盾。
▲智慧水文逻辑架构
数字水文为业务应用提供算据、算法、算力支撑。数据底板提供“算据”支撑，建设内容主要包括基础数据、历史数据、监测数据、管理数据、共享数据和多维多时空尺度数据模型；模型平台提供“算法”支撑，包括水文专业模型、水文智能模型、水文混合模型，其中水文专业模型基于物理机制驱动，水文智能模型基于数理统计等数据驱动，水文混合模型综合了两者优点以获得更优的预测模拟效果；云平台提供“算力”支撑，负责提供数据计算和存储资源。
数据底板提供的算据资源经模型平台计算后汇集到知识平台。知识平台利用具有机器推理功能的水文知识引擎，基于水文理论、历史场景、业务规则、专家经验等知识图谱，对模型平台计算结果进行综合分析，进而为水文业务提供精准决策服务与优化建议。
业务应用通过提供软件产品、硬件产品、数字产品等方式，为水利中心工作、经济社会高质量发展及水文现代管理提供强有力支撑。软件产品包括智慧水文监测系统、智慧预报调度系统，以及其他水文业务和综合管理等在内的N项智慧应用；所有应用软件基于“大系统设计、分系统建设、模块化链接”原则运行在水文水资源监测预报预警一体化平台，构成水文数字孪生综合服务引擎。
2.实施路径
智慧水文建设围绕算据、算法、算力能力提升，应从站网、感知、专业、服务、保障等五大体系进行推进。
①构建功能完备的综合站网体系。 按照构建雨水情监测预报“三道防线”要求，本着“应设尽设”原则全面优化水文站网布局，本着“应测尽测”原则全面完善水文站网功能，本着“应在线尽在线”原则统筹“软在线”“硬在线”两条路径，全面提档升级装备水平；建设与流域水安全总体目标相适应的现代化流域水文站网。
②构建透彻感知的立体监测体系。 加快推进水文国产仪器研发应用，探索建设统一、开放、共享的水文感知技术新生态。构建多维感知、多源融合、“天空地”一体化的立体水文感知体系，不断提升水文感知精度与时效性。对于关键控制性水文站，加快建设数字孪生预报、预警、预演、预案“四预”平台，提升“底线防守”测报能力，强化“三道防线”兜底措施。
③构建智慧协同的专业支撑体系。 加强变化环境下水文规律研究，进一步强化水文、水质、河道、泥沙等专业模型研发，深化人工智能模型研发。加强算力建设，打造集分析计算、预警预测、决策支持、协同管理、展示演示于一体的水文业务应用集群，形成协同高效的服务支撑能力。
④构建泛在优质的信息服务体系。 持续推进水文“数实融合”，重点围绕水文数据做文章，深入挖掘数据要素潜力，研发种类齐备、品质精良、可标准化或定制化的水文数字产品、软硬件产品。依托公共数据交易平台或自设水文产品集市，提升水文服务的用户可达性，进一步拓展水文供给服务领域。
⑤构建科学规范的管理保障体系。 加强人才培养，培育既精通传统水文业务又熟悉新兴数字技术的新型劳动者。深化产学研融合创新机制，通过资源共享、联合研发、成果转化等方式，推动创新成果更好转化为新质生产力。培育数字文化，强化数字思维，凝聚发展共识，为智慧水文建设提供坚实保障。
应用实践
近年，长江委水文局不断深化“四个水文”内涵，全面推进“五大体系”建设，智慧水文建设取得积极进展。
1.强化监测网络
①优化站网布局。 根据“三道防线”建设等需要，重点在西南诸河、长江口等站网不足或空白区域，补充新建水文测站20余处，组建长江流域水质监测中心，推进长江口风暴潮监测预警中心建设，水文站网布局逐渐完善。
②加强基本建设。 “十三五”以来落实基建投资近10亿元，提档升级水文测站140余处，站容站貌明显改善，装备水平显著提高，测报能力逐步增强，一批“三有”水文站、数字孪生水文站相继建成。汉口、城陵矶站2023年入选水利部首批百年水文站。
2.提高感知能力
①开展“一站一策”测报能力提升。 因地制宜加大新仪器应用力度，水文感知能力持续增强。降水、蒸发、水温、水位自记率达100%；声学时差法、声学多普勒法、定点雷达、侧扫雷达等在线测流技术投产使用，流量在线监测率逾60%。
②深化产学研用自主创新。 牵头成立长江水文感知技术创新联盟、长江技术经济学会智慧水文专业委员会等，组建湖北省水文测报装备技术国际科技合作基地，全感通、GNSS面雨量仪、量子点光谱测沙仪、水文测验外业终端等多种新仪器成功面世，全力推进水文主测设备国产化。水文行业首家全自动无人水质实验室投入使用。国内首批大水深精密测深校验基准场顺利建成，陡深型河道精密测深成套技术投入使用，算据基础不断夯实。
3.赋能业务升级
①优化算法模型。 开展了卫星遥感测流、低枯水流量测验、智能推流及整编等测验算法研究，推进了崩岸预警、潮流预报、泥沙预报、水污染扩散等技术研究，创建了集新安江模型、API模型、一维水动力CJH™模型等在内的“CJH模型应用市场”，成立长江水文-华为盘古大模型工作站，长江水文九派OpenHI上线运行，为数字孪生流域提供了算法支撑。
②研发业务集群。 水文监测方面，建设长江智慧水文监测系统、水文资料在线整编系统、数字孪生水文站平台，强化测验、整编、展示全流程数字化升级，如下图所示。
▲ 长江智慧水文监测系统
水文预报方面，构建“预报调度一体化”新模式，长江流域控制性水利工程综合调度系统投入使用，流域“四预”平台初步建立，如下图所示。此外，长江水文泥沙信息分析管理系统、水文多要素综合管理平台、水质实验室信息管理系统等业务平台全面上线，水文业务生产效能明显提升。
▲长江流域综合调度系统
4.打造服务引擎
①建设长江水文大数据中心。 建成了集计算、存储、网络等资源环境于一体的集群体系，承载了水文网站、雨水情交换系统等数十个业务系统，在长江水文的信息化支撑方面发挥了重要作用。完成长江水文数据资源目录建设、数据服务发布和展示应用，提供数据智能计算、数据挖掘等服务。
②建设长江水文数字孪生平台。 建设了集监控管理、大数据分析、智能应用为一体的水文水资源监测预报预警平台，凝聚“测、报、算”专业合力，提供水文测报、预报预警、分析评价一站式服务，打造水文综合服务引擎。
③建设长江水文两大门户。 建设公众门户，依托长江水文网、长江水文官方微博、长江水文抖音号，传播水文声音，讲好水文故事。建设专业门户，上线水文产品集市，提供一站式服务窗口，实现产品检索、功能查询、API调用等功能，助力经济社会高质量发展，如图4所示。
5.夯实发展基础
①新质人才赋能发展。 一方面积极培养一流科技领军人才，长江水文多人被评为国务院特殊津贴专家、全国先进工作者、水利部水利青年科技英才、湖北省政府津贴专家。另一方面还培养了一大批高素质技术技能人才，数十人获评全国及湖北省五一劳动奖章、全国技术能手、全国水利技术能手及省级各类技术能手。
②科技创新驱动发展。 近5年长江水文先后主持和参与国家重点研发项目课题30余项，编写国标及行标30余部，入选水利部科技推广目录技术成果40余项，授权发明专利110余项，获省部级以上科技奖励30余项，长江三峡枢纽工程、流域水安全全息监测与全域预报预警关键技术、长江现代水文水资源监测预报预警体系分获国家科学技术进步奖特等奖、湖北省科技进步奖一等奖、长江科学技术奖特等奖。
Abstract: Hydrology plays a supporting role for national water security and high-quality economic and social development. Accelerating formation of a smart hydrological system that integrates data and intelligence is an inevitable choice to implement main strategies of China. based on history of hydrological development and significance of research and study, elaborations are made on basic connotation of smart hydrology, including four industry attributes of taking social hydrology as concept and goal, green hydrology as development mode and direction, smart hydrology as driving force and path, and harmonious hydrology as value orientation and spiritual pursuit, and basic connotation of adhering to integrity and innovation as the core. The construction principle places an emphasis on “demand first, application first, digital empowerment and capability enhancement”, with a focus on “data” accumulation and overall application of “intelligence”, to enhance perceptual, cognitive, and decision-making capabilities. A comprehensive framework for smart hydrology is proposed, consisting of digital hydrology, business application, supporting services, network security system and guarantee system. The implementation path for promoting five major systems of station network, perception, professionalism, service and guarantee is specified. Taking smart hydrology practice in recent years in the Yangtze River Basin as an example, solutions are given to strengthen monitoring networks, increase perception capabilities, empower business upgrades, build service engines, and consolidate development foundations, so as to establish digital and smart hydrology and accelerate development of new hydrological productivity.
Keywords: smart hydrology; Yangtze River practice; new quality productive forces; digitization
本文引用格式：
程海云.智慧水文建设思考与长江实践[J].中国水利，2024（18）：19-24.
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