Improvements in the number and resolution of Earth- and satellite-based sensors coupled with finer-resolution models have resulted in an explosion in the volume of Earth science data. This data-rich environment is changing the practice of Earth science, extending it beyond discovery and applied science to new realms. This Review highlights recent big data applications in three subdisciplines—hydrology, oceanography, and atmospheric science. We illustrate how big data relate to contemporary challenges in science: replicability and reproducibility and the transition from raw data to information products. Big data provide unprecedented opportunities to enhance our understanding of Earth’s complex patterns and interactions. The emergence of digital twins enables us to learn from the past, understand the current state, and improve the accuracy of future predictions.
针对当前内涝计算模型边界条件多、参数校正复杂、运算过程时间长等问题,提出一种基于水量平衡的城市内涝计算方法.以气象预报数据为输入,采用时段水量平衡法,以排水分区的总降水量、区域主干管网的排水能力为边界,建立积水预报模型,搭建城市内涝预警系统,并对系统在深圳市 2021 年 10 次较大降雨中的应用情况进行分析,结果表明:采用水量平衡计算方法进行内涝模拟的准确率达 85%左右,能较好地预测城市内涝情况,为城市大尺度的内涝预警预报提供新的建设思路.
针对区县涉水项目审批中水文复核计算传统方式短板制约日渐突出的问题,以杭州市临安区涉水项目审批平台为试点,设计并开发区县级涉水项目审批数字助手.针对地区特点进行计算方法提炼和参数取值,系统化集成区域内碎片化存在的水文复核计算内容,构建设计暴雨、设计洪水、水库调洪演算、设计水位、建筑物超高、涉河桥梁分析共 6 个水文复核计算模型工具,以规范化的流程辅助审批人员快速进行复核计算.各模块采用微服务架构进行组合集成,通过人性化界面进行复核操作引导,设置关键参数的取值调整、结果展示、报告生成等功能,实现审批复核的全程留痕,助力解决复核计算效率不佳、设计成果准确性难评判的问题,为涉水工程防洪安全审批提供专业化、智能化的应用支撑.
为提升北大港水库工程管理现代化与智慧化水平,结合北大港水库"数字河库"建设现状和水库扩容工程规划,提出北大港水库数字孪生建设方案,搭建数字孪生工程建设总体框架与主要内容,丰富 L2 和 L3 级数据底板,构建模型库和知识库,实现建设期和运维期的智能应用建设.对安全监测数据底板、工程安全模型等数字孪生建设难点,以及实现"四大安全"与全过程、全要素管理等进行探讨.实现北大港水库流域防洪调度、水资源管理与调配,以及其他各项业务管理的数字化、网络化、智能化水平提升,有效推进水库运营管理数字化转型和智能化升级.
为建设符合盐环定扬黄工程实际的水利安全生产"四预"体系信息化系统,基于水利部智慧水利体系的建设要求,立足盐环定扬黄工程更新改造建设,基本完成设备运行自动化监测、供水业务信息化管理、关键设施可视化监视、制度预案等工程安全生产信息化建设的基础.结合工程信息化建设,分析盐环定扬黄工程实现安全生产的"四预"需求,明确以构建梯级泵站数字孪生为核心,探索基于工程智能业务应用、网络安全和梯级泵站智能调度融合建设的扬水过程的安全生产"四预"管控目标,探索"人防、物防、技防"到"数防"的数字化转变,为盐环定扬黄工程建设安全"四预"信息化体系提供方向和建设思路.
基于当前数字孪生流域发展背景及宁波市水资源利用特点,为满足宁波市水资源在不同时空下合理分配的需求,以甬江流域水资源管理与调配"四预"流程为切入点,深度融合数字孪生、BIM 建模等现代化信息技术,在建立来水预报分析、需水预测、水资源优化调配、水资源实时分析评价及水资源预警等各类模型的基础上,构建具有"预报分析—监测预警—调配预演—调度预案—动态评价"功能的水资源管理与调配业务应用系统,以达到及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案、多维动态评价的目标,最终实现水资源的智能优化调配与管理.
针对 CASC2D 模型精细化水文模拟时面临的计算耗时长、效率低等问题,在保持产汇流算法和流域拓扑结构的基础上,采用 CPU+GPU 的异构并行算法对 CASC2D 模型程序进行重新设计和优化,模型程序中的降雨、产流、坡面汇流和河道汇流过程均优化为并行计算,以提高 CASC2D 模型的计算效率.将优化后的 CASC2D 模型应用于前毛庄流域的洪水流量过程模拟,计算结果与原 CASC2D 模型保持一致.在栅格分辨率为 30 m,计算步长为 3 s 时,与原 CPU 串行计算方法相比,并行加速比达到 34 倍以上,并且栅格单元数据精度越高,加速比提升越明显.异构并行算法可在不降低模拟精度的条件下显著提升 CASC2D 模型的计算效率,满足实时水文预报的应用需求.
为深入开展水利工程安全隐患排查治理,实现拍照巡查、在线提交、线下整改、线上审批及隐患排查治理的线上闭环管理,迫切需要建立水利工程建设领域的安全检查数字平台.安全检查数字平台集隐患排查和安全教育于一体,采用 B/S + App 结构模式开发,分为网页 PC 端和移动 App 端.结合当前水利工程建设行业安全管理双重预防机制建设现状及常见的安全隐患,建立安全隐患数据库,实现隐患与标准规范的一一对应;基于安全隐患数据库建立完善的隐患排查系统,实现隐患排查治理的线上闭环管理;搜集整理安全教育资料,建立安全教育数据库,开发教育培训平台,实现覆盖全员的安全教育培训.安全检查数字平台能够在现场排查隐患时及时找出对应的规范标准,并对历史隐患进行大数据分析,为安全风险防控提供决策依据.
为提高洪水预报水位精度,结合水文和水动力模型,对钱塘江 2022 年"6·21"洪水计算过程进行复盘,分析洪水成因.收集降雨量、水位、流量等水文监测数据及水利工程调度信息,建立兰江流域半分布式水文和分段水动力模型,完成模型率定和验证.基于模型分析洪水成因,分析降雨时空变化、梯级水利枢纽调度、区间水库拦蓄对洪水过程的影响.结果表明:洪水主要由自北向南移动的强降雨形成,在水利枢纽调度影响下,洪水水位过程线由尖瘦型演变为头肩型,其中干流水利枢纽调度影响低水水位上涨和消落,上游水库调蓄可有效削减洪峰并推后峰现时间.通过洪水成因分析,在机理模型中加入水利工程调度影响,计算的洪水水位过程与实际更加吻合.
为了解国内堤防生态服务功能评价研究热点及进展,通过检索中国知网、维普期刊服务平台、万方数据知识服务平台等数据库收录的相关文献,使用文献管理软件 Endnote X9对文献进行剔重处理,借助 VOSviewer 1.6.18 可视化功能进行文献计量分析,绘制关键词聚类、时序图谱,并结合国内堤防建设情况与发文量数据基于 Excel 软件进行灰色关联度分析.结果表明:1)堤防生态服务功能评价的主要方法为层次分析法;2)堤防生态服务功能评价的内容可划分为防洪安全、生态环境、生态景观及堤防管理;3)堤防生态服务功能评价领域的研究仍待完善.本研究从评价方法、内容方面对国内堤防生态服务功能评价领域进行客观分析,可为该领域未来发展趋势提供思路.
江西省乐安河流域防汛工作具有小流域防洪的典型特征,针对小流域防洪存在的"四预"体系不完备、决策支持能力不能满足业务需要等问题,开展数字孪生乐安河流域的建设试点.将 WebGIS 引擎和游戏引擎相融合,结合使用新型水文监测感知体系、BIM + GIS + IoT、多源数据融合等先进技术,搭建视觉真实、数据准确的三维数字孪生场景,构建未来降雨、水文预报、水工程调度、一维/二维演算等多模型耦合的流域防洪智能模拟仿真平台,实现乐安河上游暴雨集中区(婺源)洪水预报全过程的精准化模拟和预报调度一体化,为决策部门提供受灾影响范围这一关键性决策依据研究成果,对构建中小流域(县域)防洪"四预"体系,助力提升小流域(县域)防洪决策支撑能力具有示范性作用.
为整体提升在建水利工程智慧化管理能力,通过数字孪生平台建设,赋能建设期工程施工管理、运行期业务应用.在已建信息化系统的基础上,结合数字孪生水利工程建设要求和目标,构建引江济淮工程数字孪生平台总体架构.围绕数据底板、模型平台、知识平台 3 个方面,搭建真实、全面、准确的水利及水运多领域数据底板,为工程数字化映射、智能化应用提供准确的数据资源;搭建感知、预测、调度、控制、评价功能的模型平台,覆盖中长期、短期、实时多尺度调度需求,以及常规、应急多目标调度场景;搭建以方案库和专家经验库为主的知识平台,将静态、动态知识共同融入"四预"全流程;按照工程建设、运行调度、工程维护等管理业务需求,建设水资源调度、航运调度、工程安全监控等业务系统,为更加合理、有序地推进数字孪生水利工程后续建设提供思路.
为应对水利工程建设领域监管的新形势、新任务和新要求,解决当前大体量水利工程建设管理过程中日趋突出的"盯不牢""看不穿""督不了"难题,立足水利工程建设全生命周期,以问题为导向,针对监管过程中风险易发、高发的环节和事项,基于风险预警和闭环管控的总体思路,协同融合行业内外建管数据资源,建立水利工程建设大数据监督平台——"透明工程".通过平台内置的预警规则和管控模型,动态研判存在的风险,实时发布预警,创新实现水利行业监管和公权力监督的耦合贯通.目前平台已投入实际应用,可在一定程度上有效提升水利工程建设管理水平和监管效能,推进水利工程建设的大数据监督,为水利工程建设监督管理提供良好的借鉴意义.
嘉兴市位于太湖流域下游杭嘉湖平原,针对区域内水情多变、洪涝多发、水资源供需矛盾突出等问题,为加强洪涝灾害风险防控,强化水资源监管,优化水资源利用,开展数字孪生平原水网综合应用研究,通过模型分析、功能调用、服务调用、数据融合共享等方式,对雨水情监测、水利工程管理、防汛形势研判、联合调度等模块进行集成,实现对全域水灾害、水环境的预报预警和预演预案功能.系统运行结果有效提高区域内水灾害监控和态势分析能力,加强洪水风险的统筹管控,增强市、区、县水利工程的协同调度能力.实现由经验防御到智慧防御的转变,最大化地发挥水利工程的排涝调度效益,提升区域整体的防洪排涝和水环境改善能力.研究具有平原区河网数字化改革建设的典型性、代表性,可为全国水利数字化改革提供可复制、参考的经验.
为推进水利跨部门、层级、系统的数据共享和业务协同,强化应用统筹管理,实现省、市、县三级水利业务应用系统的整合集成,研究构建浙江省水管理平台(浙里"九龙联动治水").平台按照浙江省水利数字化改革总体框架建设开发,以"三融五跨"为建设路径,开展核心业务梳理,构建水利数据仓,搭建数据和业务双中台,建设水利综合门户(含管理驾驶舱),打造平台市县节点,实现水利核心业务系统的多跨协同和三级贯通,基本建成水利行业统一工作平台.浙江省水管理平台研发过程中的思路、方法、技术及具体实践经验,可为水利或相关行业建设统一工作平台提供借鉴,提供水利数字化转型或改革经验.
为解决传统设计模式下手工设计效率低、二维图纸不直观、协同设计难开展及存在信息孤岛的问题,针对生态河湖工程设计阶段涉及的河道堤防、水工建筑物、生态景观及多专业协同,通过 BIM 技术建立更加真实的三维地形模型,进行参数化、联动式河道堤防设计,再建立水工、景观等建筑物 BIM 模型,利用多专业协同技术,对模型进行整合,构建 BIM 技术全流程设计体系.该体系贯穿整个设计阶段,对工程项目进行数字化、可视化表达,构建可实现各参与方协同工作、数据共享的同一数据模型,设计更快速高效,整个工程项目更加直观,可提高项目设计全流程精细化管理水平,显著提升工程生产效率、质量和社会经济效益.
传统山洪预警发布手段存在叫不醒、无回应、效率低等问题,"叫应-反馈"机制落实不到位,不能完全实现闭环管理.为解决此类问题,安徽省基于已建省级山洪灾害监测预警平台,以大别山腹地山洪频发、易发的凤凰河小流域为试点,进一步完善小流域山洪灾害"四预"能力建设,将智能语音技术应用在小流域"四预"的临灾预警发布场景中.开发基于语音识别、语音合成、自然语言处理等人工智能技术的山洪预警智能叫应系统,具有多场景话术训练、自动群呼预警信息、实时转写叫应内容、预警发布可视化动态监控、叫应结果统计分析等实用功能.系统实现小流域山洪灾害预警发布全过程留痕,切实落实临灾预警叫应机制,解决水利用户在山洪灾害预警信息发布方面的难题,确保预警信息及时叫应到基层责任人.
随着水利工程在数字化、智慧化方面的需求日益增强,安全监测智能平台功能日渐增多,迭代优化也逐渐加快,为提高安全监测平台开发、维护、迭代更新的效率,分布式微服务架构已逐步应用于安全监测智能平台中.针对分布式微服务应用架构实现中的服务划分不清晰,数据管理混乱,服务间通信困难,通过领域驱动设计拆分业务,以编排的方式组织协同服务,构建微服务基础架构下的大坝安全监测智能平台.各服务之间互相协调、配合,并通过Docker工具,实现在混合环境(开发、测试及实际部署环境)中部署,最终实现系统的高可拓展性和快捷部署性等,并成功应用于阳江大河水库、广州黄龙带水库,取得良好效果.
低代码平台开发理念在软件开发领域日趋流行,在面向业务的软件开发方面更为常见.通过梳理水利工程建设管理系统的业务和功能,分析低代码平台开发水利工程建设管理系统应具备的特点,并选取JEPaaS低代码平台进行研发.对水利工程建设管理系统的研发实践表明:低代码平台能有效降低开发门槛,实现快速高效的业务搭建,增加系统设计和实施人员参与系统开发的可行性,降低开发成本,为水利工程建设管理系统开发的技术选择提供思路.
为使国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪很好地应用于黄河泥沙颗粒分析,以SL42-2010《河流泥沙颗粒分析规程》为依据,对基础参数进行适用性优化,开展重复性、平行性、准确性等误差检验及成果精度分析,对国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪与英国的马尔文激光粒度分析仪进行比测分析,提出2种颗粒分析方法级配成果互换的思路和方法,建立"过滤"前、后的2种相关关系.试验结果表明:国产YRCC.NKG-2800型激光粒度仪各项试验指标均符合《河流泥沙分析规程》中规定的允许误差,仪器性能稳定可靠,可应用于黄河上游测区悬移质泥沙颗粒级配分析.
