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数字孪生驱动的流域洪涝灾害链模拟与综合风险评估

摘要

本报告系统阐述了数字孪生技术在流域洪涝灾害链模拟与综合风险评估中的应用

方案。随着全球气候变化加剧和城市化进程加速，流域洪涝灾害呈现出频发、突发、链

式反应等新特征，传统风险评估方法已难以满足现代防灾减灾需求。本研究构建了基于

数字孪生的流域洪涝灾害链模拟框架，通过多源异构数据融合、物理机理建模与人工智

能算法相结合，实现了从致灾因子到灾害链演化的全过程动态模拟。报告详细分析了技

术路线、实施方案和预期成果，提出了包含数据层、模型层、应用层的三层架构体系，

并设计了从数据采集到风险评估的完整工作流程。研究以长江中游某典型流域为案例，

验证了数字孪生模型在洪水演进、溃坝风险、次生灾害链等方面的模拟能力，结果表明

该技术可将风险评估精度提升30%以上，预警时间提前24小时。本方案为流域洪涝灾

害风险管理提供了新的技术路径，对提升我国防灾减灾救灾能力具有重要实践意义。

引言与背景

研究背景与意义

流域洪涝灾害是我国面临的最主要自然灾害之一，据统计，近十年来我国因洪涝灾

害造成的年均直接经济损失超过2000亿元，占各类自然灾害总损失的40%以上。随着

全球气候变化和人类活动影响，极端降水事件频发，洪涝灾害呈现出发生频率增加、影

响范围扩大、损失程度加剧的趋势。传统的洪涝灾害管理多基于历史统计和经验判断，

难以应对复杂多变的灾害场景，亟需引入新技术提升风险防控能力。数字孪生技术通过

构建物理实体的虚拟映射，实现了对复杂系统的实时监测、动态模拟和智能决策，为流

域洪涝灾害链模拟与风险评估提供了全新解决方案。本研究旨在探索数字孪生技术在

洪涝灾害管理中的应用路径，构建科学高效的风险评估体系，对于提升我国流域防洪减

灾能力、保障人民生命财产安全具有重大战略意义。

国内外研究现状

国外数字孪生技术在灾害管理领域的研究起步较早，欧盟”Horizon2020”计划资助

了多个数字孪生城市项目，如荷兰的”DigitalDelta”项目实现了对阿姆斯特丹水系统的

全要素模拟；美国国家科学基金会(NSF)支持了”DigitalTwinforNaturalHazards”研

究，开发了针对地震、洪水等灾害的数字孪生平台。国内方面，中国工程院院士团队提

出了”智慧流域”概念框架，水利部在”十四五”规划中明确要求推进数字孪生流域建设。

学术界在洪水模拟、灾害链分析等方面取得了显著进展，但现有研究多聚焦单一灾害类

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型或局部环节，缺乏对洪涝灾害链全过程的系统模拟。本研究将整合多学科优势，突破

传统方法的局限性，构建基于数字孪生的流域洪涝灾害链模拟与综合风险评估体系，填

补国内相关领域的研究空白。

研究问题与挑战

流域洪涝灾害链模拟与综合风险评估面临多重挑战：一是多源异构数据融合难题，

气象、水文、地理、社会经济等数据格式标准不一，时空尺度差异大；二是复杂灾害链

机理建模困难，洪水演进、工程失事、次生灾害等环节的耦合关系复杂；三是实时动态

模拟计算量大，高精度模型对计算资源要求极高；四是风险评估指标体系不完善，现有

方法难以全面反映灾害链的复杂影响。针对这些问题，本研究将重点突破数据融合、模

型耦合、算法优化等关键技术，构建科学合理的评估框架，为流域洪涝灾害风险管理提

供系统性解决方案。

研究目标与内容

本研究的总体目标是构建数字孪生驱动的流域洪涝灾害链模拟与综合风险评估体

系，具体包括：1)建立多源异构数据融合与标准化处理方法；2)研发洪水演进、工程

失事、次生灾害等关键环节的数字孪生模型；3)构建灾害链动态模拟与风险评估算法；

4)开发可视化决策支持平台；5)开展典型流域应用验证。研究内容涵盖数据采集与处

理、模型构建与验证、算法设计与优化、系统开发与应用等多个方面，形成从理论方法

到实践应用的完整技术链条。

报告结构安排

本报告共分为十四章节，系统阐述数字孪生驱动的流域洪涝灾害链模拟与综合风

险评估方案。第一章为摘要，概述研究背景、方法和成果；第二章介绍研究背景与意义；

第三章分析研究现状与挑战；第四章阐述理论基础；第五章构建研究框架；第六章设计

技术路线；第七章详述研究方法；第八章制定实施方案；第九章分