近期，水利部印发了水利业务“四预”功能基本技术要求，加快构建“2+N”业务体系的“四预”功能智能业务应用，助力我国智慧化水利建设。据此，整个中国智慧水利的建设逻辑基本阐明，先建设数字孪生流域/水利工程，再构建“四预”业务应用体系，最终建成我国的全面智慧水利。

水利业务“四预”功能技术架构图（水利部）

1.“四预”的内容

四预过程包括预报-预警-预演-预演，预报则对降水、水位、流量、径流量、地下水位、墒情、泥沙、冰清、水质、淹没影响等水安全要素进行预测预报；预警则对江河洪水、山洪灾害、城市内涝、工程灾害、干旱灾害、供水危机、水生态环境危害等水利灾害风险进行预警；预演则对流域防洪调度、水资源管理调配、水工程调度运用、突发水污染事件处置、水生态过程调节等水利调度应用方案进行预演；预案则对预演生成的众多方案进行影响评估并进行优化，结合救援与人员物资保障体系，确定最优预案。在这四个过程中，基于自然水科学的数值模型（简称水科学模型）扮演着至关重要的作用。

2.水科学模型在预报中扮演的角色？

水情预报是一个行政行为，但背后需要科学技术的精准支撑，而水科学模型就扮演着此角色，它能定量的给出不同预报对象的水安全要素值，并且给出具体的经纬度坐标范围，辅助水情预报员开展作业预报。目前国内开展的预报对象包括水文站、水库、闸坝、河道断面、蓄滞洪区、湖泊、海岸、城市乡镇等，预报要素包括降水、水位、水质、流量、径流量、淹没范围、泥沙、富营养化、水华等指标，结合气象预报和监测数据，可开展不同时间周期的预报。

例如，将降雨数据、产汇流模型、一维水动力模型耦合使用，通过对降雨-产流-坡面汇流-河道汇流的全过程计算，可以获得流域或区域内任意河道断面的水情数据（水位、流量、洪峰、洪峰量、径流量等），如果在河道中叠加泥沙输运模型和水质模型，可以进行含沙量、氮磷、需氧量等物理量的预测预报。预报的周期主要由降雨数据的提前获得时间决定，目前降雨数据获得的手段包括降雨数值预报模型（提前的周期相对较长，美国气象局最长可达16天，越临近越准确）、降雨雷达/卫星探测（属于短临预报，提前6-12小时）、地面监测站点（属于实时监测降雨数据）。产流模型需根据流域或区域的气候、植被、土壤、土地利用等因素，考虑选择合适的产流机制，比如针对湿润或干旱地区，产流机制是不一样的，具体对应蓄满产流还是超渗产流，需要因地制宜，选择合适的公式与参数；产流结构也需要重点考虑，比如是否考虑壤中流和地下水流动。坡面汇流模型有单位线法、线性水库法、滞后演算法、二维地表浅水方程法，针对山区小流域洪水模拟优先选择二维地表浅水方程。一维河道水动力模型则采用一维圣维南偏微方程进行计算。

3.水科学模型在预警中扮演的角色？

水科学模型在预警环节作用较轻，预警最重要是对不同灾害对象，确定要素，再对这些要素定量分析，确定预警阈值，根据阈值的划分，结合管理方法和行业标准，制定预警等级和信号。在此环节，水科学模型可以对要素的阈值进行科学评估，比如对河道断面水位阈值设定进行评估时，需要考虑水位上涨的速率、水位对应的淹没范围、淹没时间、淹没损失等，进去综合评估，验证阈值确定的是否合理。

4.水科学模型在预演中扮演的角色？

水科学模型在预演环节扮演着多维时空统一数据驱动者的角色，为三维可视化模型提供丰富的数据驱动。多维数据是指，水科学模型可以提供水位、流量、流速、流向、泥沙、氮磷、需氧量、大肠杆菌、重金属、藻类等多个维度的物理量；时空统一是指所有物理量在统一时空坐标系。在预演的过程中，水科学模型输出单个或多个物理量结果进行时空演变，另外结合水工程的调度规则，可以生成多种方案的演变结果库，供水利管理人员进行分析。此外，水科学还可以耦合经济效益评估模型，以及灾情损失评估模型，将每个预演方案带来的经济效益和灾情损失进行预演分析。比如在一场洪水演进中，使用二维水动力模型来计算淹没区域的时间、范围、水深，结合这些计算结果与数值网格对应的人口、房屋、农田、交通、工矿等社会经济信息，通过经济损失评估模型，实时得出受灾人口、受灾房屋、受灾经济等数据。

5.水科学模型在预案中扮演的角色？

预案环节主要是在预演方案库中优化方案或者挑选最优的水工程调度方案，以及编制防守抢护、人员防灾避险等措施方案。在方案优化分析中，需要综合考虑到水工程受损、受灾人口、房屋受灾、工厂受灾、农田受灾、经济效应等方面，在分析这些利害关系时，以及后期制定受灾人员物质转移路线、安置地点、救援人员物质装备配比，都会用到水科学模型的时空分布水情数据做支撑，比如淹没的时空过程数据（时间、坐标及对应的水位值）。

                                                                                                                                            （转载自知乎隔壁张叔叔）