摘要：中国的长江是欧亚大陆最长的河流，也是世界第三长的河流，从青藏高原流向东海，全长 6,000 多公里。其流域覆盖了中国近五分之一的陆地面积，是数亿人的家园。自 1950 年代以来，长江及其支流上已修建了 52,000 多个水库，用于缓解洪水、发电、稳定水源和保护

Nature首页报道：https://www.nature.com/articles/d41586-025-00720-0

中国的长江是欧亚大陆最长的河流，也是世界第三长的河流，从青藏高原流向东海，全长 6,000 多公里。其流域覆盖了中国近五分之一的陆地面积，是数亿人的家园。自 1950 年代以来，长江及其支流上已修建了 52,000 多个水库，用于缓解洪水、发电、稳定水源和保护生态。

管理这一庞大流域以支持可持续开发水源和保护生态系统这两个有时相互矛盾的目标面临诸多挑战。该地区的人口增长、发展和城市化不断增加对水的需求，同时也加剧了水污染和生物多样性压力。尽管长江流域的年平均降水量在过去二十年中变化相对较小，但降雨模式和景观利用的变化导致干旱和洪水的频率和严重程度增加。

例如，总部位于北京的水电公司中国长江电力发现，现在的平均干旱期比 2000 年长两周。2020 年，异常强降雨导致宜昌三峡大坝的流入量达到自 2003 年建成以来的最高值。对该水库的水流管理有助于缓解洪灾，但洪水仍然影响了 4500 万人，超过 140 人死亡或失踪，造成的损失估计达 1650 万美元1。

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一个更加智能、更加强大的长江流域水资源跟踪、建模和管理系统将有助于缓解这些问题，从而提高运营安全性并降低成本。为此，长江水利委员会 (CJW) 正在牵头实施智慧长江项目（见go.nature.com/4h51xzf），该项目由中国水利部主持。该项目于 2022 年提出，目前已获得 5.97 亿元人民币（8200 万美元）的政府专项投资，用于建立流域全覆盖的水监测系统，初步设计计划于 2035 年完成。许多水电公司也为该计划投入了数亿元人民币。

该项目的核心是长江流域的数字孪生。该数字孪生包括对整个地区的先进 3D 模拟，使用天气、水流、生态、沉积物特性、地形、能源需求等数据，提供预测洪水路线、水利工程、调度、航运、生态影响和其他结果的实时建模。

直观的界面提供了对资源管理决策和流域保护行动对可持续发展和生物多样性健康影响的可靠评估。它可用于预测、预警、应急系统演练和应急计划。这个数字孪生的第一个版本已经存在并投入使用（参见“长江流域”和go.nature.com/3wvchj1），涵盖两个补充流域（汉江和澧水）和四个水坝（三峡、丹江口、江垭和皂市）。未来几年，随着更多数据和建模的出现，这将得到大幅改进和扩展。

资料来源：世界银行

目前，长江流域有近2700个水位监测站和37000多个雨量站正在收集数据。2023年4月，长江主要支流、洞庭湖和鄱阳湖等重点地区的新建和现有水文站网开始建设，并加强了视频和遥感等监测手段。智慧长江项目建成后，还将包括数百个水质和地下水位监测站以及数万个取水点。

过去五年，许多相关工作已经完成——例如，中国长江电力现在使用智能决策支持系统进行水库调度模拟和洪水演习。长江模拟器是由中国武汉大学水文学家夏军的团队开发的，是一种用于监测、模拟和分析防洪、发电和生物多样性保护的工具2 , 3。

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尽管在过去十年中，数字孪生在从工业制造到交通运输等各个领域的应用日益广泛，但用于智能流域管理的数字孪生表现却相对较少。长江项目可能是迄今为止规模最大、最雄心勃勃的此类计划。这项巨大的努力在增强现有数据收集和管理以及改进模型和服务方面提出了重大挑战。

研究人员已经积累了大量数据和经验。但智慧长江项目的全部潜力仍远未实现。资金短缺是一个问题：参与该项目的众多部门、公司和研究机构需要获得自己的资金。需要收集和数字化更多数据；数据和模型格式需要标准化并在行业和学术界之间共享。

许多公司尚未参与该项目，原因可能是成本或技术限制，或者担心会影响利润。进一步的合作应该解决这些挑战，以便为管理者的决策提供足够的指导。

在此，我们建议采取四个步骤来确保该计划的成功。

数字孪生需要多种类型的数据，这些数据以不同的时间间隔和不同的格式获取。例如，全面而准确的降雨和径流模型可能需要气象卫星提供的大气温度、湿度和云分布数据，以及光学遥感卫星提供的地表植被覆盖和土地利用类型的数据。它还可能需要无人机摄像头提供的河流形态信息和激光雷达或激光雷达提供的地形海拔信息。数字孪生需要足够的数据来驱动高分辨率建模，但又不能太多，以免造成传输瓶颈。

由于缺乏通用的方法、标准和规范，整合来自多个监测网络的数据变得十分困难。数据通常分散在不同实体中，并以不同的格式存储。例如，气象和径流数据由中国水文局保存；水库运行数据由水电公司保存；水资源管理数据由 CJW 保存。在政府内部，使用多种数据格式：水利部门使用 HDF，环保部门使用 CSV，气象部门依赖 NetCDF，电力部门使用 COMTRADE。

数字孪生（例如枣市水坝的数字孪生）可以帮助进行实时水资源管理。图片来源：王晓鹏博士

并非所有所需信息都已数字化。例如，电力需求、电力市场数据、输电线限制和紧急情况信息等信息有时仍未使用计算机进行记录和分析。现有的水库调度规章、项目和计划通常以手写形式记录，而非数字化形式。

为处理所有这些数据的模型制定标准也很重要，以确保它们通用、可重复使用和可互操作。为智慧长江项目系统创建一个通用的设计和开发平台至关重要，使所有模型能够无缝运行。该项目正在创建统一的数据和模型标准。然而，许多领域仍然不够兼容。

全球范围内，很少有案例能够展示如何以稳健的方式和良好的标准开发数字孪生——一般来说，数字孪生的概念在工业制造领域比在河流管理领域更为先进。美国飞机制造商波音公司为促进其企业合作伙伴之间的合作而建立的虚拟共享工作空间就是一个例子。欧洲数字孪生海洋项目（参见go.nature.com/3cdab5p）建立了一个数据治理框架，为广泛内容的数据和模型制定标准，包括卫星观测数据、海洋模型输出、现场测量以及来自历史、工业和公民科学来源的数据。

目前，长江数字孪生平台由长江委员会和几家公司的内部网络托管，流域周围的科学家和其他人员无法完全访问。工业界和学术界之间的互动很少，因为获取信息和资源存在障碍，这通常归因于商业机密。一个问题在于数据所有权。区域水管理部门和公司通常不愿意共享商业敏感信息。同样，水电公司也很难从电网公司获得电力调度数据。

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我们建议建立一个由政府资助的公共数据库，以分享有关长江的知识。这个数据库可以由一个机构或一个由大学和企业组成的联盟管理。数据所有权和开放性的管理可以再次借鉴欧洲的数字孪生海洋平台。

提高开放程度，智慧长江项目的数据和模型可以用于商业应用的研究和开发。保存商业机密的资源共享域的访问权可以限制在特定组织和个人的范围内。

开发长江流域数字模型需要一支由不同部门、机构和专家组成的跨学科团队。该团队应包括气象学家、水文学家、地质学家、生态学家、经济学家、电气工程师、计算机科学家和机械专家。

成功合作的一个例子是长江水文监测联盟（见go.nature.com/41cmju6）。该联盟由中国水文监测中心于 2023 年成立，由 100 多家从事水文监测的企业和组织组成，旨在构建长江流域智能管理系统。相关企业、大学和研究机构之间应该在政府的指导下开展更多合作。

一个活跃的在线论坛对于不同行业和学科的科学家、学生和工程师交流知识和见解至关重要。目前，还没有这样一个地方为智慧长江项目的开发人员提供全方位的服务，包括知识共享、在线学习和职业发展。应该有。

在交通便利的地方设立实体设施也很有用，专家们可以聚集在一起开会交流想法。其中一个地点可能是位于宜昌的三峡水电基地，它位于长江中上游的交汇处。这个基地对于监测和研究长江的整体水情和生态至关重要。它得到了企业的资本投资，周围有地方大学，靠近 CJW 的管理机构。一些相关会议已经在那里举办过。

项目完成后，应建立系统，通过网络或手机客户端等形式向社会更广泛地发布一些信息，让公民提出意见和建议，参与管理决策，增强公民保护水资源的意识和责任感，鼓励他们可持续利用水资源。

我们相信，通过共同努力，一定能够更好地利用长江流域的水资源，在保护好长江流域生态环境的同时，确保长江流域经济高质量发展。

自然639 , 303-305 (2025)

机构编号: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00720-0

来源：人工智能学家