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面向洪涝灾害预警的数字孪生流域耦合模型优化与应用1

面向洪涝灾害预警的数字孪生流域耦合模型优化与应用

摘要

本报告系统阐述了面向洪涝灾害预警的数字孪生流域耦合模型优化与应用研究方

案。随着全球气候变化加剧，极端天气事件频发，洪涝灾害已成为我国面临的主要自然

灾害之一。传统洪涝预警系统存在精度不足、响应滞后等问题，难以满足现代防灾减灾

需求。本研究通过构建多源数据融合的数字孪生流域平台，优化水文水动力耦合模型，

实现洪涝灾害的精准模拟与超前预警。报告详细分析了国内外研究现状，建立了完整的

理论框架与技术路线，设计了分阶段实施方案，并对预期成果、风险因素及保障措施进

行了全面评估。研究表明，该系统可将洪涝预警提前量提升至4872小时，预警准确率

达到85%以上，为我国流域防洪减灾提供科学支撑。本方案具有显著的创新性和实用

性，对提升国家防灾减灾能力具有重要战略意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

洪涝灾害是全球范围内发生频率最高、造成损失最严重的自然灾害之一。据应急管

理部统计，2022年我国洪涝灾害共造成直接经济损失1308亿元，受灾人口达1.1亿人

次。随着气候变化加剧，极端降雨事件呈现”频次增加、强度增大、历时延长”的特点，传

统基于经验统计的预警方法已难以应对新型洪涝风险。数字孪生技术作为物理世界与数

字世界的实时映射，为流域洪涝模拟提供了全新范式。通过构建高精度数字孪生流域，

可实现洪水演进过程的全要素、全周期、全尺度模拟，为防洪决策提供科学依据。本研

究旨在突破现有技术瓶颈，建立适用于我国复杂地形条件的洪涝预警数字孪生系统，对

保障人民生命财产安全、促进经济社会可持续发展具有重大现实意义。

1.2国内外研究现状

国际上，欧盟于2020年启动”DestinationEarth”计划，构建地球系统数字孪生体；

美国NOAA开发了NationalWaterModel，实现了全国范围的水流模拟。国内方面，水

利部2021年印发《数字孪生流域建设技术大纲》，推动数字孪生技术在水利领域的应

用。现有研究主要集中在单一模型优化或局部区域应用，如武汉大学团队开发的长江中

下游洪水模拟系统，清华大学构建的城市内涝模型等。然而，现有系统普遍存在数据融

合不足、模型耦合度低、计算效率不高等问题。研究表明，当前洪涝预警系统的平均误

差率为2530%，预警提前量多在24小时以内。本研究将在现有基础上，重点突破多源

异构数据融合、多模型协同优化、高性能并行计算等关键技术，实现预警精度与时效性

的显著提升。

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1.3研究范围与边界

本研究的空间范围聚焦于我国七大流域中的典型区域，包括长江中游、珠江三角

洲、淮河中下游等洪涝灾害高发区。时间尺度涵盖短期预警（13天）和中期预报（37

天）两个维度。研究内容以数字孪生流域平台构建为核心，包括数据采集与处理、模型

开发与优化、系统集成与应用等环节。研究对象主要针对由暴雨引发的流域性洪水和城

市内涝，不包括山洪、风暴潮等其他类型洪水。技术边界限定在现有计算资源条件下，

采用成熟的数值模拟方法和机器学习算法，不涉及量子计算等前沿技术探索。通过明确

研究边界，确保方案的可操作性和实用性。

1.4报告结构安排

本报告共分为14个章节，系统阐述研究方案。第1章为引言，介绍研究背景与意

义；第2章概述研究目标与内容；第3章分析政策与行业环境；第4章诊断现状问题；

第5章建立理论基础；第6章明确研究目标；第7章设计技术路线；第8章制定实施

方案；第9章进行经济效益分析；第10章评估风险因素；第11章构建保障机制；第

12章设定成果指标；第13章总结研究结论；第14章展望未来发展方向。各章节逻辑

递进，形成完整的研究体系。

研究概述

2.1研究目标

本研究的总体目标是构建高精度、高时效的数字孪生流域洪涝预警系统，实现洪水

过程的精准模拟与超前预报。具体目标包括：建立覆盖典型流域的多源数据采集网络，

数据时空分辨率达到1小时/1公里；开发水文水动力耦合模型，模拟精度提升至85%

以上；构建数字孪生平台，实现洪水演进的实时可视化；建立预警发布机制，将预警提

前量延长至4872小时。通过上述目