一、研究背景

中小河流作为我国江河防洪体系的重要组成部分，数量众多、分布广泛，流域面积200～3000平方公里的中小河流在我国占比极高，其中有防洪任务的河流达7000多条，约2/3的县城、2/5的人口、1/4的耕地分布在中小河流两岸，对保障国家粮食安全、人民群众生活品质和社会和谐稳定具有重要支撑作用。经过长期治理，中小河流已治理河段的防洪能力得到显著提升，但整体仍面临诸多突出问题，始终是江河防洪的薄弱环节。

在防洪调度方面，中小河流治理多存在规划碎片化问题，缺乏以流域或河流水系为单元的整体规划，导致上下游、左右岸、干支流协调不足，甚至出现洪水风险转移现象，加大流域防洪压力。同时，中小河流水文监测薄弱，虽基本实现有防洪任务河流的水文监测全覆盖，但监测站密度不足，洪水特性分析、洪涝水计算等缺乏可靠数据支撑，制约防洪调度的科学性。加之气候变化导致流域性大洪水时有发生，局地和区域性暴雨多发，进一步加剧了中小河流的防洪压力，传统防洪调度模式已难以适应新阶段水利高质量发展的需求。

在水闸除险加固方面，水闸作为中小河流防洪排涝、水资源调控的关键设施，多数建于上世纪中后期，受当时技术条件限制，设计标准偏低，且经长期运行，普遍面临混凝土碳化、钢筋锈蚀、基础渗漏等病害，安全性能大幅下降。当前水闸除险加固工作仍存在诸多短板，部分工程盲目套用成熟技术，缺乏针对不同区域水闸病害特点的个性化设计，新型高性能材料和智能监测设备推广受限，质量管控体系不完善，导致加固效果难以保障，无法充分发挥水闸在防洪体系中的核心作用。

更为突出的是，当前中小河流防洪调度与水闸除险加固工作存在严重脱节，形成“各自为战”的局面，缺乏有效的联合调度机制。防洪调度多侧重短期洪水应对，忽视水闸工程的长期安全状态；水闸除险加固则多关注单一工程的修复，未充分结合流域防洪调度需求，导致两者协同效应难以发挥，无法实现“防洪安全”与“工程长效安全”的双重目标。

数字孪生技术的兴起为破解上述难题提供了全新路径。该技术通过构建“物理实体-数字镜像-智能决策”的闭环体系，实现对物理系统的全生命周期动态模拟、实时监测和智能调控，在水利领域的应用已取得显著成效，可使洪水预报精度大幅提升，调度方案制定时间大幅缩短。水利部门明确提出推进水库、水闸等水利工程数字孪生建设，推动已建水利工程运行管理数字赋能和转型升级，为中小河流防洪与水闸除险加固联合调度提供了政策指引和技术支撑。在此背景下，构建基于数字孪生的中小河流防洪、水闸除险加固联合调度体系，实现两者的协同联动、智能调控，成为解决中小河流防洪薄弱问题、提升水闸工程安全水平的迫切需求，也是推动新阶段水利高质量发展的重要举措。

二、研究意义

（一）理论意义

本研究丰富了数字孪生技术在中小河流水利工程领域的应用理论，填补了中小河流防洪与水闸除险加固联合调度的理论空白。当前，数字孪生技术在水利领域的应用多集中于大江大河、大型水库，针对中小河流的研究较为匮乏，且现有研究多侧重单一防洪调度或单一水闸加固，缺乏对两者协同机制的系统性探讨。本研究将数字孪生技术与中小河流防洪、水闸除险加固深度融合，构建科学完善的联合调度理论框架，明确两者协同运行的内在机制，丰富水利工程智能调度与安全管理的理论体系。

同时，本研究完善了中小河流水利工程全生命周期管理理论，提出基于数字孪生的水闸除险加固与防洪调度协同优化方法，打破了传统“重建设、轻管理”“重单一、轻协同”的研究局限，为同类中小河流水利工程的协同管理提供了理论参考和范式借鉴，推动水利工程管理理论向智能化、协同化、精细化方向发展。此外，本研究还将进一步拓展数字孪生技术在中小型水利工程中的应用场景，为数字孪生水利体系的完善提供理论支撑，助力水利工程管理理论与信息技术的深度融合。

（二）实践意义

本研究能够有效提升中小河流防洪减灾能力，保障人民群众生命财产安全。通过构建数字孪生联合调度体系，实现对中小河流洪水的实时监测、精准预报和智能调度，结合水闸除险加固的动态管控，可大幅提升洪水应对的科学性和时效性，减少洪水淹没损失，破解中小河流“小水大灾”的困境。例如，通过数字孪生系统的动态推演的功能，可提前预判洪水演进过程，优化水闸调度策略，同时及时发现水闸安全隐患，指导除险加固工作有序开展，最大限度降低洪涝灾害风险。

其次，本研究能够提升水闸工程安全运行水平，延长水闸使用寿命。通过数字孪生技术对水闸运行状态进行实时监测、病害诊断和动态评估，可实现水闸除险加固的精准化、常态化，避免盲目加固和过度维修，降低工程运维成本。同时，结合防洪调度需求优化除险加固方案，可使水闸工程既满足短期防洪调度要求，又实现长期安全稳定运行，充分发挥水闸在防洪排涝、水资源调控中的核心作用，推动中小河流水利工程从“被动修复”向“主动防控”转变。

此外，本研究能够推动中小河流水利工程管理数字化、智能化转型，提升管理效率。传统中小河流水利工程管理多依赖人工经验，存在信息孤岛、响应滞后、决策低效等问题，通过数字孪生联合调度体系，可实现防洪调度、水闸监测、除险加固等信息的一体化整合，打破部门之间的信息壁垒，实现数据共享和协同决策，大幅减少人工干预，提升管理效率和决策科学性。同时，该体系的构建还能为地方水利部门提供智能化管理工具，助力落实水利工程运行管理责任，推动中小河流系统治理、综合治理，为乡村振兴和区域经济社会高质量发展提供水利安全保障。

三、研究内容

本研究围绕基于数字孪生的中小河流防洪、水闸除险加固联合调度体系构建展开，立足中小河流防洪与水闸除险加固的实际需求，结合数字孪生技术的应用特点，明确研究核心内容，分模块、有重点地推进研究工作，具体如下：

（一）中小河流防洪与水闸除险加固现状及协同问题分析

系统梳理中小河流防洪调度与水闸除险加固的现状，明确当前中小河流防洪体系的构成、调度模式及存在的不足，重点分析中小河流规划碎片化、水文监测薄弱、调度协同不足等问题。同时，调研中小河流域内水闸工程的分布、数量、运行年限、病害类型及除险加固现状，总结当前水闸除险加固在技术选型、方案设计、质量管控等方面存在的突出问题，如技术针对性不足、新型技术推广受限等。

深入分析防洪调度与水闸除险加固之间的协同关系，明确两者协同运行的核心需求和制约因素，重点剖析当前两者“各自为战”的现状及产生的负面影响，如防洪调度忽视水闸安全状态、除险加固脱离防洪需求等，为后续联合调度体系的构建奠定现实基础。通过文献研究、实地调研等方式，收集中小河流防洪与水闸除险加固的相关数据和案例，梳理现有研究成果和工程实践经验，明确研究的重点和难点。

（二）基于数字孪生的联合调度体系总体框架构建

结合数字孪生技术的核心原理和应用特点，结合中小河流防洪与水闸除险加固的协同需求，构建基于数字孪生的联合调度体系总体框架。明确框架的核心构成的部分，包括物理实体层、数字孪生层、数据支撑层、智能调度层和应用服务层，界定各层的功能定位和核心任务，实现各层之间的有机衔接和协同运行。

物理实体层聚焦中小河流流域内的防洪工程、水闸工程及相关配套设施，明确物理实体的监测范围和监测指标，构建全面的物理实体感知网络；数字孪生层构建中小河流流域和水闸工程的数字镜像，实现物理实体的精准建模、动态映射和全生命周期仿真；数据支撑层负责各类数据的采集、传输、存储和处理，整合水文、气象、水闸运行、除险加固等多源数据，构建统一的数据中台；智能调度层负责防洪调度与水闸除险加固的协同决策、智能优化和动态调控；应用服务层面向水利管理部门，提供监测预警、调度指挥、除险评估等个性化应用服务。

（三）数字孪生核心技术在联合调度体系中的应用研究

针对联合调度体系的功能需求，研究数字孪生核心技术在中小河流防洪、水闸除险加固联合调度中的具体应用，重点突破三大关键技术。一是数字孪生建模技术，结合中小河流流域的地形地貌、水文特征和水闸工程的结构特点，采用高精度建模技术，构建中小河流流域数字孪生模型和水闸工程数字孪生模型，实现物理实体的精准映射，集成土地利用变化等动态数据，确保模型与物理实体的实时同步。

二是多源数据融合与实时监测技术，构建“天空地水工”一体化监测感知网络，整合水文监测、气象预警、水闸运行监测、病害监测等多源数据，采用数据清洗、融合和分析技术，实现数据的实时传输、高效处理和精准分析，打破信息孤岛，为联合调度决策提供可靠的数据支撑；同时开发数据血缘追溯模块，确保调度决策可追溯。

三是智能协同调度与仿真推演技术，基于数字孪生模型，构建中小河流防洪调度与水闸除险加固协同优化模型，集成多目标优化算法，实现洪水预报、调度方案生成、水闸病害诊断、除险加固方案优化的智能化；通过仿真推演技术，模拟不同洪水场景和除险加固方案下的系统运行状态，为调度决策和除险加固工作提供科学依据，实现“正向预演”与“逆向推演”的有机结合。

（四）中小河流防洪与水闸除险加固联合调度机制构建

基于数字孪生技术，构建科学完善的中小河流防洪与水闸除险加固联合调度机制，明确协同调度的原则、流程和责任分工，实现两者的无缝衔接和协同联动。一是构建协同监测预警机制，整合水文、气象、水闸运行等监测数据，建立多维度、多层次的预警指标体系，实现洪水风险和水闸安全隐患的实时预警，确保预警信息及时精准直达防汛一线。

二是构建智能协同调度机制，明确防洪调度与水闸除险加固的协同流程，当发生洪水时，通过数字孪生模型仿真推演，优化水闸调度策略，同时结合水闸运行状态，判断是否需要开展应急除险加固；在水闸除险加固期间，结合流域防洪需求，优化调度方案，避免除险加固工作影响防洪安全，实现“防洪优先、兼顾加固”的协同目标。

三是构建动态评估与优化机制，定期对联合调度体系的运行效果、水闸除险加固质量和防洪调度成效进行动态评估，结合评估结果和流域实际情况，优化数字孪生模型参数、调度策略和除险加固方案，确保联合调度体系的适应性和科学性；同时建立反馈机制，及时收集运行过程中的问题，持续优化完善体系。

（五）联合调度体系的验证与优化

选取典型中小河流流域作为研究案例，收集该流域的水文气象数据、水闸工程资料、防洪调度记录和除险加固相关数据，基于本研究构建的联合调度体系，开展案例验证研究。搭建数字孪生联合调度原型系统，将相关数据导入系统，模拟不同洪水场景下的联合调度过程，验证体系的可行性、科学性和实用性。

针对验证过程中出现的问题，如模型精度不足、调度策略不合理、协同效率不高等，分析问题产生的原因，对联合调度体系的框架、技术应用和调度机制进行优化完善。重点优化数字孪生模型的精度，调整协同调度算法参数，完善联合调度流程，提升体系的智能性和协同性。通过案例验证和优化，形成可推广、可复制的基于数字孪生的中小河流防洪、水闸除险加固联合调度体系，为中小河流水利工程管理提供实践指导。