范子武 | 江河為證 與水同行

水是生存之本，文明之源。千百年來，人類社會傍水而居，生生不息。然而，我國水資源短缺、時空分布不均、水旱災(zāi)害多發(fā)，是世界上江河治理難度最大、治水任務(wù)最為繁重的國家之一?？梢哉f，中華民族的發(fā)展史就是一部前赴后繼的治水史。黨的十八大以來，站在國家安全和戰(zhàn)略全局的高度，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的十六字治水方針和關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強國的重要思想，為推進新時代治水提供了根本遵循。

▲范子武

“2023年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃。規(guī)劃指出，要構(gòu)建以數(shù)字孿生流域為核心的智慧水利體系，賦能數(shù)字中國創(chuàng)新發(fā)展?！蹦暇┧茖W(xué)研究院水工水力學(xué)研究所副所長范子武告訴記者，隨著數(shù)字中國成為國家戰(zhàn)略，水利發(fā)展也面臨深刻變革——治水，更需“智水”。

作為我國較早從事智慧水利相關(guān)研究的科研工作者之一，范子武帶領(lǐng)數(shù)字孿生水利研究團隊，依托南京水利科學(xué)研究院（以下簡稱“南科院”）齊全的水利學(xué)科領(lǐng)先理論技術(shù)，充分發(fā)揮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)優(yōu)勢、模型優(yōu)勢和人才優(yōu)勢，建立了水文、水資源、大壩安全管理、生態(tài)環(huán)境等一系列智能模型，探索“四預(yù)”智能業(yè)務(wù)實際應(yīng)用，并利用高分遙感、無人機等新一代監(jiān)測手段，形成空、天、地、潛一體化感知體系，在江蘇省水工程預(yù)報調(diào)度一體化、三峽工程、大藤峽工程、長三角水網(wǎng)工程等國家、區(qū)域重大水利工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展、國家水安全保障發(fā)揮了重要的作用，提供了有力的支撐。

數(shù)字孿生賦能智慧水利

大江大河的保護與治理，關(guān)乎中華民族的偉大復(fù)興。國家“十四五”規(guī)劃綱要提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元，提升水情測報和智能調(diào)度能力”。水利部高度重視智慧水利建設(shè)，周密部署，明確了推進智慧水利的時間表、路線圖、任務(wù)書和責(zé)任單。水利部部長李國英也曾明確指出，智慧水利建設(shè)要按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑。

可以說，“數(shù)字孿生”已成為智慧水利建設(shè)的核心。在范子武看來，數(shù)字孿生與水利的深化融合，亦是助力水利現(xiàn)代化的關(guān)鍵舉措。

范子武告訴記者，孿生技術(shù)古已有之，比如軍事沙盤。沙盤上呈現(xiàn)出敵我雙方的力量態(tài)勢、交戰(zhàn)地點的山川河流，軍事家根據(jù)沙盤來布局行軍打仗路線，通過在沙盤上排兵布陣來推演勝負(fù)關(guān)系?！皵?shù)字孿生水利，就好像是虛擬與現(xiàn)實組成的一對雙胞胎，是在虛擬環(huán)境中構(gòu)建現(xiàn)實場景的數(shù)字版‘克隆體’，通過將物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為虛擬模型，實現(xiàn)對設(shè)備、環(huán)境等多維度信息的采集、監(jiān)控和分析?！痹诰唧w工作中，“推進數(shù)字孿生水利建設(shè)是由水利工作的空間特點決定的，有些水利科研工作是大尺度、大范圍的工作，不可能在物理流域中試驗不同方案，只能在數(shù)字空間進行反復(fù)預(yù)演，經(jīng)過綜合評估分析后選擇最優(yōu)方案，運用到實際工作中，這是順應(yīng)技術(shù)發(fā)展的必然選擇”。

“早在‘十五’期間，南科院就已經(jīng)開展了與智慧水利相關(guān)的研究工作。”范子武介紹說，在2004年編制的學(xué)科建設(shè)與學(xué)術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，南科院將水利信息技術(shù)作為重點發(fā)展方向納入了學(xué)科建設(shè)總體布局。作為我國水利科學(xué)研究的發(fā)源地，在長期科研的過程中，南科院也積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生水利建設(shè)提供了算據(jù)。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括全國水利普查數(shù)據(jù)、水庫大壩數(shù)據(jù)、水閘數(shù)據(jù)、在役水利工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、通航建筑物數(shù)據(jù)、灘涂和海堤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及小水電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分布在全國各地的專業(yè)模型等，此外，南科院還建成了綜合交通大數(shù)據(jù)中心及一批水利交通行業(yè)野外觀測站以豐富基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

“如果把數(shù)字孿生水利比作一個人，利用這些數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地構(gòu)建數(shù)據(jù)底板，增加數(shù)字孿生水利的‘閱歷’?！狈蹲游湔f，目前，團隊研發(fā)了水旱災(zāi)害防御，水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水工程調(diào)度等領(lǐng)域?qū)I(yè)模型和多業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用系統(tǒng)，為實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)精細(xì)化管理、提高預(yù)測預(yù)報精度和科學(xué)決策打下了堅實的基礎(chǔ)。

“不僅如此，數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用場景更是非常廣泛?！彼f，通過相關(guān)技術(shù)，可以更加精準(zhǔn)地掌握水資源的使用情況和變化趨勢，優(yōu)化水資源配置和調(diào)度，提高水資源利用效率和水質(zhì)安全水平；可以預(yù)測洪水災(zāi)害；可以預(yù)測水質(zhì)變化，及時采取措施防止水污染；可以實現(xiàn)水利資源的科學(xué)管理和規(guī)劃，提高決策的準(zhǔn)確性和效率；還可以降低人力成本和管理難度。

多年來，由范子武帶領(lǐng)的數(shù)字孿生團隊，在系統(tǒng)支撐、平臺搭建、業(yè)務(wù)應(yīng)用、系統(tǒng)建設(shè)等方面取得了豐碩的科研成果，這些成果在江蘇水工程預(yù)報調(diào)度一體化、三峽工程、大藤峽工程、長三角水網(wǎng)工程等國家、區(qū)域重大水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，為保障國家水安全發(fā)揮了重要的支撐作用。

在系統(tǒng)平臺方面，團隊通過搭建南科院互聯(lián)互通云平臺、智慧水利數(shù)據(jù)引擎平臺、數(shù)字孿生可視化引擎平臺和水利專業(yè)模型平臺，實現(xiàn)了動態(tài)交互、實施融合及仿真度很高的數(shù)字孿生工程和數(shù)字孿生流域；在業(yè)務(wù)系統(tǒng)方面，團隊以流域防洪，水資源管理與調(diào)配為核心，推動水利“2+N”業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)體系建設(shè)，開發(fā)了流域洪水預(yù)報、預(yù)報調(diào)度一體化、動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理、水資源配置與管理、水環(huán)境聯(lián)控聯(lián)調(diào)、大壩安全智慧管理、數(shù)字灌區(qū)及工程安全監(jiān)測與預(yù)警等一系列系統(tǒng)平臺，目前已形成具有南科院優(yōu)勢專業(yè)特色的數(shù)字孿生水利建設(shè)技術(shù)方案。

為城市水環(huán)境建設(shè)“保駕護航”

2016年9月，錢江潮起。世界的目光聚焦“G20杭州時間”，27位外方領(lǐng)導(dǎo)人在此暢敘未來。杭州之美走向世界——美在山水相依、湖城合璧。當(dāng)大家對杭州的水環(huán)境建設(shè)拍手叫好時，范子武和團隊成員心中無限滿足——他們的努力，為G20峰會的召開創(chuàng)造了良好的區(qū)域水環(huán)境，也為后來杭州蕭山城區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)持續(xù)改善奠定了堅實的基礎(chǔ)。由他參與的“長三角地區(qū)城市河網(wǎng)水環(huán)境提升技術(shù)與應(yīng)用”項目也因此被授予2019年度國家科技進步獎二等獎。這無疑是對水利科技工作者最大的褒獎。對范子武來說，他很享受這個過程，“用科技的手段，和大家一起去解決一些實際問題，大家開心了，我們也開心”。

▲2023年2月范子武在中國水利學(xué)術(shù)大會智慧水利數(shù)字孿生分論壇作報告

生活在城市的每個人，身在其中，每時每刻都被深深地影響著?！俺鞘械陌l(fā)展史，就是一部城市與水相伴而生的歷史，改變了水環(huán)境、重塑了水生態(tài)?！笨梢哉f，范子武參與并見證了這場發(fā)展與共生的變革。

2015年，隨著國家“一帶一路”建設(shè)工作的逐步鋪開，地處“一帶一路”與長江經(jīng)濟帶的重要交匯區(qū)的長三角地區(qū)城市化進程加快，人水爭地問題日益突出，城市河道被擠占、淤積嚴(yán)重、連通性越來越差、入河污染負(fù)荷高，城市河網(wǎng)水環(huán)境面臨巨大壓力。在國家水專項、國家自然科學(xué)基金、省部級科技項目的支持下，由南科院牽頭，河海大學(xué)、上?？睖y設(shè)計研究院有限公司、浙江大學(xué)等7家單位共同投入“長三角地區(qū)城市河網(wǎng)水環(huán)境提升技術(shù)與應(yīng)用”的研究中。參與單位多、各項技術(shù)雜，千頭萬緒，這對區(qū)域流域整體技術(shù)的統(tǒng)籌和應(yīng)用提出了很大挑戰(zhàn)。有著多年流域水體治理經(jīng)驗的范子武勇?lián)厝危?fù)責(zé)了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，并提出總體思路，指導(dǎo)實施了各項技術(shù)的應(yīng)用。他帶領(lǐng)團隊研發(fā)了多源互補水源保障、河網(wǎng)水位精準(zhǔn)控制、河網(wǎng)水量配置等多項城市河網(wǎng)暢流活水關(guān)鍵技術(shù);發(fā)明了多功能活動溢流堰和微氣泡曝氣推流等水動力調(diào)控與水質(zhì)強化凈化裝置與設(shè)備；首創(chuàng)了城市河網(wǎng)多尺度智能分級概念，構(gòu)建了實時監(jiān)測-精準(zhǔn)模擬-智能互饋的城市河網(wǎng)水環(huán)境提升聯(lián)控聯(lián)調(diào)平臺。

從理論到技術(shù)再到平臺，一系列創(chuàng)新成果不僅突破了城市河網(wǎng)水質(zhì)提升和長效維持的技術(shù)瓶頸，破解了城市河網(wǎng)水環(huán)境精準(zhǔn)智能提升的國際難題，而且先后應(yīng)用于蘇州古城區(qū)、杭州G20峰會核心區(qū)、中國國際進口博覽會區(qū)域、上海中心城區(qū)、上海世博園區(qū)等區(qū)域。南京、寧波、常州、揚州、鎮(zhèn)江、常熟、深圳等20多個城市的水環(huán)境治理，支撐了江蘇、浙江、上海等省市的生態(tài)文明城市建設(shè)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境效益，5年累計產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益22億元，生態(tài)環(huán)境等間接經(jīng)濟效益數(shù)百億元。

蘇州市人民政府對此給予高度肯定，在工程應(yīng)用效果評價中提到，南科院研發(fā)的水源保障-引水線路-配水工程-活水調(diào)度-水質(zhì)提升-生態(tài)修復(fù)一體化成套暢流活水技術(shù)，結(jié)合蘇州實際，因地制宜，激活了全城水系，實現(xiàn)了全城活水、持續(xù)活水、自流活水，讓水質(zhì)達標(biāo)的同時，基本恢復(fù)了蘇州古城“小橋流水”的水鄉(xiāng)風(fēng)貌，帶動了蘇州古城及周邊的旅游業(yè)，水域上游游客數(shù)量連年大幅增長，對“水清、水好、水美，河凈、岸潔、景秀”宜居城市建設(shè)作出了重大貢獻。

如果說這是“十三五”期間范子武在城市水環(huán)境治理領(lǐng)域畫上的濃墨重彩的一筆，那太湖的治理就是未完待續(xù)的精彩篇章。

早在2008年，范子武就開始參與到太湖藍藻問題的治理中。他不會忘記2007年太湖藍藻暴發(fā)造成的那場無錫供水危機。在水危機處置完后，這一事件給范子武留下深深的思考：城市水環(huán)境治理的出路和未來，究竟在哪里？

“我估計，未來的河湖治理要花很大的精力，未來的幾十年都要克服很多難題。”為了給太湖水動力、水生態(tài)、水環(huán)境研究提供更科學(xué)的指導(dǎo)和決策支撐，國家投入資金打造了無錫河湖治理研究基地，“基地太湖試驗廳采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)建造，廳內(nèi)搭建的太湖風(fēng)生流全湖區(qū)物理模型，精準(zhǔn)模擬著太湖里的‘風(fēng)吹草動’”。作為世界首個大型淺水湖泊風(fēng)生流物理模型，其模擬范圍更是覆蓋太湖全湖區(qū)、23條主要出入湖河流及51個島嶼，這個模型的建成填補了國內(nèi)外大型淺水湖泊風(fēng)生流研究領(lǐng)域的空白，開創(chuàng)了采用大尺度風(fēng)生流物理模型解決淺水湖泊水問題的先河。

依托無錫河湖治理研究基地，南科院聯(lián)合太湖流域管理局和無錫市人民政府，共建了水利部太湖流域水治理重點實驗室，范子武也被委任為實驗室主任，負(fù)責(zé)實驗室運行機制、人才隊伍、平臺建設(shè)、科研攻關(guān)的整體工作?！皬哪壳皝砜?，實驗室專注于太湖流域洪澇災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配、水生態(tài)環(huán)境治理與保護、數(shù)字流域及智慧水網(wǎng)等方面研究，在基礎(chǔ)理論、技術(shù)應(yīng)用、示范應(yīng)用、科普宣傳等方面成效顯著，力求為太湖流域水治理能力提升提供重要保障?！痹诓稍L中，他也提到，“這里也成為太湖邊的一顆明珠，歡迎大家有時間去走走看看?！?/p>

原始創(chuàng)新破解“卡脖子”難題

光陰荏苒，彈指一揮30年。1993年，當(dāng)大學(xué)畢業(yè)的范子武來到南科院，從事洪水災(zāi)害分析研究工作，他不曾想到，這一待就是30年。再回首，30年不忘初心，30年不辱使命，30年青春無悔。

我國最早的水利科學(xué)研究機構(gòu)——南科院，如今已成為國內(nèi)綜合性水利科研的“金字招牌”；當(dāng)時那個風(fēng)華正茂的青年也已鬢角銀絲，如今的他也成為水利科學(xué)領(lǐng)域的帶頭人。“從當(dāng)初大學(xué)畢業(yè)進入南科院，到后來在這里讀研讀博、從事水利科研事業(yè)，如今已過去30年?？梢哉f，是南科院成就了我。”范子武對南科院的感恩之情，溢于言表。

時光回溯至80多年前，1935年，南科院的前身——中央水工試驗所誕生。作為我國第一所水利科研機構(gòu)，它被譽為中國水利科學(xué)的發(fā)源地和水利科學(xué)人才培養(yǎng)的搖籃。中華人民共和國成立以后，南科院不斷發(fā)展壯大并數(shù)次更名，承擔(dān)水利、交通、能源事業(yè)中具有前瞻性、基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的科學(xué)研究任務(wù)，并于2009年正式更名為“水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院”。

百煉成鋼，重器成材。80多年來，幾代水利人秉持“勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)、求實、創(chuàng)新”的科研精神，圍繞國家需求和國際科技前沿，承擔(dān)了大量水利、交通、能源領(lǐng)域重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了一大批標(biāo)志性的科研成果，在我國水利科學(xué)發(fā)展史上留下濃墨重彩，為國家經(jīng)濟社會發(fā)展作出了重大貢獻。

采訪中，范子武常常把單位與團隊掛在嘴邊，“從最初的20多人到現(xiàn)在的100多人，我非常慶幸有一群志同道合的伙伴，在智慧水利建設(shè)的征程中，共進退、同榮辱”。他說，成績的取得，得益于南科院的良好科研氛圍與團隊的通力協(xié)作。然而，在領(lǐng)導(dǎo)和同事眼中，他“十年磨一劍”的耐心和“板凳甘坐十年冷”的堅持，才是團隊取得進步的動力。

傳業(yè)授道，獎掖后學(xué)。多年來，除了科研工作者和團隊領(lǐng)導(dǎo)的身份，范子武還是一位老師?！拔視职咽秩ソ虒W(xué)生，就像老師當(dāng)初教我一樣?！比缃?，南科院“傳幫帶”的優(yōu)良傳統(tǒng)在他身上得到了完美的延續(xù)。在他看來，教學(xué)與科研是一個相輔相成、相互促進的過程，“這門學(xué)科很重視對創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。我們研究的數(shù)據(jù)模型是一種工具，必須能夠運用到實際環(huán)境中，去解決實際問題”。他常常叮囑學(xué)生，要關(guān)注行業(yè)痛點、前沿動態(tài)，不要把思維局限在課本上、把智慧固化在代碼中，要重視每一次課程實驗、社會實踐，要把專業(yè)技術(shù)應(yīng)用到實踐中。作為團隊帶頭人，范子武也會為年輕人量身設(shè)計職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，充分給予青年人才發(fā)揮主觀能動性的時間與空間，鼓勵青年員工勤思考、勇嘗試、善提升、挑重?fù)?dān)。

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索?！?0多年來，范子武在水利科學(xué)領(lǐng)域默默深耕，從0到1不斷創(chuàng)新，建立了適合我國國情的基于風(fēng)險的大壩安全評價體系，提出了從“現(xiàn)行評價方法體系”向“風(fēng)險評價方法體系”過渡銜接技術(shù)；系統(tǒng)提出了各類大壩潰決模式和潰決路徑識別技術(shù)，創(chuàng)建了單因素和復(fù)合因素作用下的潰決概率風(fēng)險分析計算模型；提出了水庫調(diào)洪過程中的各種不確定性因素對大壩風(fēng)險影響的分析方法；建立了基于風(fēng)險的大壩使用壽命評估模型，提出了擬定大壩運行風(fēng)險預(yù)警準(zhǔn)則和指標(biāo)的方法。這些成果在國家防汛抗旱總指揮部及13個省70多個工程的防洪規(guī)劃和防洪調(diào)度方案編制、應(yīng)急預(yù)案制定中得到應(yīng)用，為提高我國水工程安全管理水平提供了理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，在確保防洪安全的同時，推動了我國水庫大壩安全評估與風(fēng)險管理的進步。

范子武主持的國家重點研發(fā)計劃課題平原河網(wǎng)水動力多尺度分級智能模型研發(fā)依據(jù)數(shù)據(jù)庫管理、GIS分級顯示、離散化建模技術(shù)，構(gòu)建河道槽蓄量自動提取、河道連通拓?fù)潢P(guān)系自動矯正功能的模型網(wǎng)絡(luò)，形成適用不同區(qū)域及應(yīng)用業(yè)務(wù)的平原河網(wǎng)流域-區(qū)域-城鎮(zhèn)多尺度、水文-水動力多屬性異構(gòu)模型庫；支持了不同功能應(yīng)用目的和適應(yīng)任意復(fù)雜下墊面地形的平原河網(wǎng)模型自適應(yīng)生成，集成開發(fā)平原河網(wǎng)水動力智能模擬系統(tǒng)；實現(xiàn)了流域、區(qū)域、城鎮(zhèn)等多尺度分級水動力全過程快速、精準(zhǔn)、自適應(yīng)模擬。他的科研成果在長三角、珠三角等地區(qū)的日常防汛、水環(huán)境提升等方面得到成功應(yīng)用，支撐了當(dāng)前水利行業(yè)補短板的關(guān)鍵“卡脖子”模擬技術(shù)難題，大大提升了我國水利現(xiàn)代化管理水平和科學(xué)決策能力。

“江河探索，永無止境?！狈蹲游湔f，當(dāng)前正值第二個“一百年”奮斗目標(biāo)的重要歷史階段，也是智慧水利建設(shè)厚積薄發(fā)的關(guān)鍵時期?！皬墓胖两?，水利都是治國安邦的大事。興水利、除水害，是需要幾代人共同努力的事業(yè)。智慧水利，未來已來?？鐚W(xué)科行業(yè)深度交叉融合將是智慧水利發(fā)展的必然趨勢，希望更多技術(shù)人員，特別是青年學(xué)者能夠加入智慧水利建設(shè)隊伍中來，構(gòu)建更美好的未來。現(xiàn)在投入智慧水利和數(shù)字孿生，未來一定會超出預(yù)期?！?/p>

專家簡介

范子武，南京水利科學(xué)研究院水工水力學(xué)研究所副所長、大數(shù)據(jù)與智慧水利研究中心主任、水利部太湖流域水治理重點實驗室主任，正高級工程師，“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”第二層次人才，獲國務(wù)院政府特殊津貼。他長期從事洪澇風(fēng)險分析、城市水力學(xué)、河湖治理、水利信息化等方面研究，主持了國家科技支撐計劃、“十三五”國家重點研發(fā)計劃、國家“863”計劃、水利部現(xiàn)代水利科技創(chuàng)新項目、“十四五”國家重點研發(fā)計劃等國家級科技計劃項目9項、省部級科技計劃項目11項。曾獲得國家科技進步獎二等獎2項，大禹水利科學(xué)技術(shù)獎特等獎3項，省部級科技進步獎一等獎4項、二等獎1項、三等獎4項；授權(quán)發(fā)明專利18項、軟件著作權(quán)43項，出版專著7部，發(fā)表論文100余篇（SCI收錄12篇，EI收錄23篇）。