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1.1 智慧釋義

《說文解字》中記載：智者，從日從知，日知也，每日必有所知，則所知者厚。慧者，從彗從心，心有塵則借彗以除之，心則保其清明?！掇o書》云：智慧是一種通過人腦思維的活動。如人類對外界的資料所產生的記憶、計算、判斷、決策、規(guī)劃、學習、探索、推理等的各種處理能力。智慧讓人可以深刻地理解人、事、物、社會、宇宙、現狀、過去、將來，擁有思考、分析、探求真理的能力。

因此，總體上來說，智慧是對事物能迅速、靈活、正確地理解和解決問題的能力，是一種辨析判斷、發(fā)明創(chuàng)造的能力。

1.2 智慧理念的應用

1998年美國前副總統阿爾·戈爾提出數字地球構想，數字地球是一個無縫的覆蓋全球的地球信息模型，它把分散在地球各地的從各種不同渠道獲取到的信息按地球的地理坐標組織起來，既能體現出地球上各種信息（自然的、人文的、社會的）的內在有機聯系，又便于按地理坐標進行檢索和利用[2]。

2008年11月，IBM公司在美國紐約發(fā)布的《智慧地球：下一代領導人議程》主題報告中提出，即把新一代信息技術充分運用在各行各業(yè)之中?！爸腔鄢鞘小痹从谥腔鄣厍虻睦砟?，是運用物聯網、云計算、大數據等新一代信息通信技術，促進城市規(guī)劃、建設、管理和服務智慧化，以提升資源運用的效率，優(yōu)化城市管理和服務，改善市民生活質量。2008年奧巴馬上任美國總統后，對“智慧地球”做出積極回應；中國多省市也與IBM簽署“智慧城市”共建協議。2012年“智慧城市”被列為中國面向2030年的30個重大工程科技專項之一。2014年國家發(fā)展改革委員會等八部委聯合印發(fā)的《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》中明確指出，建設智慧城市，對提升城市可持續(xù)發(fā)展能力具有重要意義。2015年國家發(fā)展改革委等25個相關部門成立了新型智慧城市建設部級協調工作組，共同加快推進新型智慧城市建設。2016年《國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》提出要加強現代信息基礎設施建設，推進大數據和物聯網發(fā)展，建設智慧城市。2016年《國家信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出要推進新型智慧城市建設行動。

1.3 智慧水利

智慧水利是智慧地球的思想與技術在水利行業(yè)的應用。IBM公司將美國國家智慧水網（NATIONAL SMART WATER GRID?）作為“智能地球”重要組成，并提出了三個關鍵詞：自動化、交互性、智能化。即利用物聯網技術，自動、實時地感知水資源、水環(huán)境、物理大氣水文過程及各種水利工程的多要素、多屬性、多格式的數據；通過信息通信網絡傳送到在線的數據庫、數據倉庫和云存儲中；再利用云計算、數據挖掘、深度學習等智能計算技術進行數據處理、建模和推演，做出科學優(yōu)化的判斷和決策，并反饋給人類和設備，采取相應的措施和行動有效解決水利科技和水利行業(yè)的各種問題，提高水資源的利用率、水利工程的效益，有效保護水資源及水環(huán)境，實現防災減災和人水和諧。智慧水網的技術核心將涉及水文學、水動力學、氣象學、信息學、水資源管理和行為科學等多個學科方向，是新一代水利信息化的集成發(fā)展方向。

因此，智慧水利是運用物聯網、云計算、大數據等新一代信息通信技術，促進水利規(guī)劃、工程建設、運行管理和社會服務的智慧化，提升水資源的利用效率和水旱災害的防御能力，改善水環(huán)境和水生態(tài)，保障國家水安全和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

綜合來看，智慧水利的內涵主要有三個方面：（1）新信息通信技術的應用。即信息傳感及物聯網、移動互聯網、云計算、大數據、人工智能等技術的應用。（2）多部門多源信息的監(jiān)測與融合。包括氣象、水文、農業(yè)、海洋、市政等多部門，天上、空中、地面、地下等全要素監(jiān)測信息的融合應用。（3）系統集成及應用，即集信息監(jiān)測分析、情景預測預報、科學調度決策與控制運用等功能于一體。其中，信息是智慧水利的基礎；知識是智慧水利的核心；能力提升是智慧水利的目的。

水利部歷來高度重視水利信息化建設，提出了以水利信息化帶動水利現代化的總體要求。2017年5月水利部正式印發(fā)《關于推進水利大數據發(fā)展的指導意見》，該指導意見是水利部深入貫徹黨中央提出的國家大數據戰(zhàn)略、國務院《促進大數據發(fā)展行動綱要》等系列決策部署的重要舉措，旨在水利行業(yè)推進數據資源共享開放，促進水利大數據發(fā)展與創(chuàng)新應用。2019年水利部《加快推進智慧水利指導意見》指出全方位推進智慧水利建設是加快推進新時代水利現代化的重要舉措。把智慧水利建設作為推進水利現代化的著力點和突破口，加快推進智慧水利建設，大幅提升水利現代化水平。

經過近20年的水利信息化建設，水利綜合信息采集體系初步形成，網絡通信保障能力明顯提高，新一代水利衛(wèi)星通信網的衛(wèi)星小站得到擴充，初步建成了水利部基礎設施云，并搭建了“異地三中心”的水利數據災備總體布局。有關流域機構信息部門對云計算、大數據應用進行了初步探索，實現了圍繞突發(fā)事件對水情、工情和位置等信息的自動定位和展現。有關研究院所利用物聯網等技術開展了水文水資源、防汛抗旱、氣候變化影響、水利信息化、水環(huán)境保護與治理等方面的科研工作。地方水利部門加強水文、水環(huán)境、水災害等方面的自動智慧化監(jiān)測，研究開發(fā)和實踐應用水文預報預警、調度決策、日常業(yè)務管理等系統，顯著提升了業(yè)務工作能力和水平。

但是，智慧水利的建設與智慧社會的需求仍存在較大差距。一是全面感知不夠，目前，各類水利設施的監(jiān)測遠未做到全面感知。例如，水庫安全監(jiān)測方面，多數中型水庫和幾乎所有小型水庫都沒有實時安全監(jiān)測設施，大部分小型水庫甚至沒有水情監(jiān)測報汛設備，且感知技術手段也存在較大差距，自動化程度不高。二是信息全面互聯差距大，網絡覆蓋面小，縣級水利部門尚未實現全面連接水利業(yè)務網；而且網絡通道窄，受限于信息基礎設施，基層水利數據無法及時傳輸；上下左右聯通不暢，集中體現在工程控制系統隔離在各個工程管理單位，不同工程的業(yè)務系統信息共享和業(yè)務協同困難。三是共享不足，在水利行業(yè)內部，各專業(yè)部門之間的信息共享不足；在行業(yè)外部，與環(huán)保、交通、國土等部門的相關數據還不能做到數據實時共享。四是智能應用不夠，對于新一代信息技術的應用，水利行業(yè)總體上還處于初級階段。大數據、人工智能、虛擬現實等技術尚未得到廣泛應用、智慧功能尚未得到充分顯現。

3.1信息：智慧水利的基礎

古語云“巧婦難為無米之炊”。信息是智慧水利建設的基石。系統地、整體地、多類型地獲取信息，以及信息獲取之后的存儲、匯集、評價、校正和融合對智慧水利目標的實現至關重要[3]。

3.1.1 信息多元性

智慧水利涉及領域廣泛，應用目標多元，其所需信息也復雜和多樣，涉及水利對象的信息有河流水系、湖泊、水利工程等；水利信息時間跨度涵蓋過去、現在以及未來氣候模式等；信息來源有地基水利要素站網監(jiān)測，以及空基天基遙測數據；包含業(yè)務屬性的信息有建設、運行、維護和服務信息；信息存儲格式也多種多樣，如圖像、數字、音頻和視頻等。

3.1.2 感知完整性

為全面、系統、準確地收集水利信息，一是需要擴大感知及監(jiān)測范圍，即充實水文、水質、地下水位、水環(huán)境監(jiān)測站網，加快水文現代化建設步伐，以擴大江河湖泊水系的監(jiān)測范圍；補齊和提升大中小型水庫、長江與黃河等流域下游險工險段堤防、重點水閘、下游有村莊或重要設施的骨干淤地壩等水利工程安全及運行監(jiān)測設施，擴大水利工程設施的監(jiān)測范圍；全面提升水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水災害、工程運行等水利核心業(yè)務管理活動中的重要事件、行為和現象的動態(tài)感知能力，以提升水利管理活動的動態(tài)感知能力。二是提升立體感知的智能水平，通過衛(wèi)星、雷達、無人機、遙控船等新型遙感監(jiān)測手段，以及高清視頻監(jiān)控的應用，大力提升水文測報自動化和智能化水平，實現對江河湖泊、水利工程、管理活動的動態(tài)感知。

3.1.3 信息匯集

智慧水利通過綜合數據匯聚與支撐平臺（實時立體監(jiān)測、遙感信息分析、歷史數據分析、視頻等）進行多源、多種類數據信息的匯集、整合。在水利部、流域和省區(qū)分別建立三級感知數據匯集平臺，統一接收遙感影像，根據不同的應用需求進行圖像處理、信息提取、圖像解譯和數據分析，建立遙感接收處理服務平臺。建立三級級聯、多級應用的水利視頻集控體系，并與現有水利視頻會議系統整合，實現全國水利視頻聯網。

3.1.4 信息融合

建立多源和多尺度信息體系。即不同傳感器、不同時空尺度的信息進行融合。數據融合最早被應用于軍事領域?，F在數據融合的應用領域更加廣泛，如多源影像復合、機器人和智能儀器系統、圖像分析與理解、目標檢測與跟蹤、自動識別等等。例如，在遙感領域，數據融合屬于一種屬性融合，它是將同一地區(qū)的多源遙感影像數據加以智能化合成，產生比單一信息源更精確、更完全、更可靠的估計和判斷。相對于單源遙感影像數據，多源遙感影像數據所提供的信息具有冗余性、互補性、合作性和信息分層的結構性等特點。其實質就是在統一地理坐標系中將對同一目標檢測的多幅遙感圖像數據采用一定的算法，生成一幅新的、更能有效表示該目標的圖像信息。例如：5m分辨率的全色影像融合10m分辨率的彩色影像，可得到5m分辨率的彩色影像。

信息融合在水文預報與水利計算領域的最典型應用就是，對地面雨量站、降雨雷達站和衛(wèi)星遙感多源觀測信息，進行數據同化，綜合利用卡爾曼濾波校準、最優(yōu)插值、變分校準和統計權重集成等方法進行分析融合，海量信息的綜合應用以期提高預報精度。

3.2知識：智慧水利的核心

智慧水利中的多元信息中不僅包含數據，同時也隱含著豐富的規(guī)律和知識，而數據中的規(guī)律與知識并不是觀測直接得出的，而是需要通過深度的挖掘與分析。由于水利信息龐大而復雜的特性，難以有效集成與管理、難以自動化處理與分析，尤其是涉及空間相關的數據挖掘難度很大。深刻理解與分析大數據中蘊含的規(guī)律和知識，需要全面認識、理解客觀事物并運用知識、經驗等解決實際問題。智慧水利的知識是包括水文物理規(guī)律、降水徑流等轉化關系、水文氣象要素預測預報，以及流域水文、水動力學、水環(huán)境等模型等。知識的產生，除了傳統的數理統計等方法外，大數據挖掘和人工智能等信息方法手段，是獲取智慧水利知識的重要方法和手段。

3.2.1 大數據

大數據（Big Data）是指無法用現有的軟件工具提取、存儲、搜索、共享、分析和處理的海量的、復雜的數據集合。大數據具有數據體量巨大，數據類型繁多（包括結構化和非結構化的），價值密度低（海量信息中有價值的信息可能很少）和更新速度快的特征[4]。

水利活動產生和所需的數據規(guī)模巨大（歷史水文氣象要素的相關系列）、類型多樣（水位、流量、土地利用數據、植被土壤類型數據、水利工程調度數據等）、增長迅速（實時監(jiān)測更新），其獲取、存儲、管理、分析等方面都大大超出了傳統數據庫軟件工具的能力范圍[5]。水利數據完全符合大數據所具有的4個特性，可謂是大數據概念范疇當中的一個極具代表性的應用。例如水文預報模型或預報方案，即通過歷史產匯流規(guī)律的知識提取得到的降雨徑流關系圖（P+Pa與R的相關曲線）就是大數據在的水文預報中的典型應用。當前水利大數據平臺建設主要包括硬件架構、HDFS分布式文件存儲、Hadoop架構、Spark內存計算框架、NoSQL非結構化數據庫、MPP分布式數據庫、數據挖掘等若干關鍵技術。

3.2.2人工智能

美國斯坦福大學人工智能研究中心尼爾遜教授對人工智能的定義是：人工智能是“怎樣表示知識以及怎樣獲得知識并使用知識的科學。”人工智能科學就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作。人工智能需要數據來建立其智能，沒有大數據就沒有人工智能。大數據是一種傳統的計算方法（統計分析），它只是尋找結果，不會根據結果采取行動。相比之下，人工智能是一種計算形式，它允許機器執(zhí)行認知功能，并根據執(zhí)行的反應不斷改變它們的行為，以適應執(zhí)行結果的變化。

近些幾年，圍繞基于機器學習和深度學習等技術在水文領域的應用得到了長足進步。研究表明：深度學習等智能算法在水文遙感數據處理及信息提取、缺資料小流域水文預報模型區(qū)域參數化、山洪災害影響因子識別與風險分析等方面都取得了一些優(yōu)秀的成果[5]。結果表明人工智能在降雨預報、小流域下墊面遙感數據分類、洪水計算模型參數、洪水預報預警和洪水災害風險評估等研究和探索性應用方面具有很好的應用前景[6]。

3.3能力提升：智慧水利的目標

智慧水利的目的是業(yè)務水平和管理能力的提升，包括對水文屬性多方面的感知能力，對水文現象、水資源關系范式合理性的辨析能力，對現實中的氣象水文現象的模擬能力，對未來氣候模式、經濟社會模式下的預測能力以及綜合智慧水利各方面信息應對實際問題的決策支持能力等[7]。當前關于智慧水利亟需能力提升方向主要包括：流域水模擬和預測預報、水工程安全分析和科學調度、水行政智能管理應用和水信息智能服務應用等。

3.3.1 流域水模擬和預測預報

在流域洪水預報方面，需要研制具有物理基礎的水文模擬模型，拓展模型的模擬要素和范圍，在精細化模擬的基礎上增強模擬能力；研究數值天氣預報產品在水文預測預報中的應用，延長水文預報的預見期；研究基于不確定性分析評價的系統實時校正方法，以期提高預報精度。在水資源的管理應用方面，圍繞最嚴格水資源管理制度落實、節(jié)水型社會建設、城鄉(xiāng)供水安全保障等，構建流域尺度、行政區(qū)尺度的水資源模型，開發(fā)城鄉(xiāng)供水、節(jié)水、調水等智能應用，實現水資源動態(tài)監(jiān)管分析與精細化配置調度能力提升、城鄉(xiāng)供水安全監(jiān)管和應急處置能力提升等。在水環(huán)境水生態(tài)保護的智慧應用方面，圍繞河湖長制、水域岸線管理、河道采砂監(jiān)管、水土保持監(jiān)測和監(jiān)督治理等，構建江河湖泊、水土流失等水環(huán)境水生態(tài)的智能應用，實現河湖治理精準監(jiān)管能力的提升，水環(huán)境水生態(tài)保護的能力提升。

3.3.2 水工程安全分析和科學調度

圍繞工程規(guī)劃、建設管理、市場監(jiān)管和工程運維等，構建水工程智能應用，模擬水利工程建設管理和水利工程安全運行，實現水利工程安全運行保障能力提升、水利工程生命周期管理能力提升等。

3.3.3 水行政智能管理應用

依托智慧水利平臺，實施監(jiān)管信息預處理、行業(yè)監(jiān)督稽查、安全生產監(jiān)管、工程質量監(jiān)督、項目稽察和監(jiān)督決策支持等，構建水行政智能應用，實現資產智能監(jiān)管，移民智能監(jiān)管，項目智能規(guī)劃和智慧機關建設等。

3.3.4 水信息智能服務應用

加快政府供給向公眾需求的轉變，以社會公眾服務為導向。實現公眾感水知水能力提升，社會的節(jié)水護水人文素養(yǎng)提升，政府管水治水服務水平提升。

4.1 加強信息源及信息系統基礎設施建設

構建立體監(jiān)測體系，以地面站網為基礎，以水循環(huán)為線索，以新裝備、新產品、新途徑為牽引，實現水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水管理等信息的立體高效監(jiān)測。例如，基于天基手段，實現對降水（GPM-IMERG）、土壤含水量（SMAP，stands for Soil Moisture Active and Passive）和地表水水面和水位（SWOT，Surface Water and Ocean Topography）等重要水文氣象要素進行實時觀測。

信息化是智慧水利發(fā)展的短板之一，而信息系統是智慧水利的重要支撐。當前和今后一段時期的工作重點是要完善網絡環(huán)境，提升網絡安全態(tài)勢感知和應急處置能力；加強信息系統基礎設施建設，保障水利大數據、信息匯集以及信息系統的運行，為智慧水利的發(fā)展保駕護航；要加快水利云平臺建設，提升水利在線網絡儲存能力和計算分析能力，支持海量數據管理并提供公共服務支撐功能，減少托管和維護工作成本。

4.2 加強知識體系建設

4.2.1 中國水模型研制

水文模型是用數學語言或物理模型對水文自然系統進行解釋或比擬，并在一定的條件下對水文變量的變化進行模擬和預測預報。水文模型是研究流域水文循環(huán)機理、水文預報以及水資源評價等領域的重要工具。水文模型的研究與發(fā)展主要經歷了經驗性模型（降水徑流關系）、黑箱模型或概念性水文模型到分布式且具有物理基礎的確定性水文模型等階段。而由變化環(huán)境所導致的“水文一致性”的喪失，動搖了傳統的水資源分析理論方法的科學基礎，新一代靈活應用于變化環(huán)境下的水文水資源預報模型的研制則為重中之重。

以新一代水文水資源模型為核心，集合氣象預報、水動力模型、水工程調度模型等于一體全國尺度的中國水模型，科學預測未來中國水資源情勢不僅是新時期水資源精細化管理的必然需求，也是生態(tài)文明社會建設的重要支撐。一方面開展國家層面水資源實時調度，需要精準預測中國短期水文情勢，為水資源的時間調蓄和空間調度提供基礎數據；另一方面根據“空間均衡”的水資源治理方針，實施未來的水資源規(guī)劃與配置，也對未來長期水資源變化情勢預測提出了更高的要求。因此，開展中國水模型的研發(fā)工作，在全國層面上科學預測未來不同時空尺度的水資源情勢，可為更好地落實新時期治水方針提供重要的技術支撐。

4.2.2 人工智能方法研究

人工智能算法對于智慧水利知識的生成以及智慧水利的應用具有重要的支撐作用。水利大數據的大樣本，利用不斷的學習和訓練過程，保證智慧水利模擬和預測的準確性。近年來，歐美等國家的學者將傳統水文學和人工智能相結合，誕生了一門新的學科—水信息學。隨著科技的進步，數據量的增長、智能算法的發(fā)展和水科學的進一步完善，深度學習等數據挖掘技術將會更多地應用于水科學領域。

4.3 加強智慧業(yè)務核心系統建設

為進一步全面落實和支持“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的水利工作主基調，當前和今后一段時期需要集中精力建設四個系統的智慧業(yè)務體系，即流域水模擬和預測預報系統，水工程安全分析和科學調度系統，水行政管理智能系統和水信息服務智能系統。

智慧水利是運用物聯網、云計算、大數據等新一代信息通信技術，促進水利規(guī)劃、工程建設、運行管理和社會服務的智慧化，提升水資源的利用效率和水旱災害的防御能力，改善水環(huán)境和水生態(tài)，保障國家水安全和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。智慧水利是水利信息化發(fā)展的新階段，也是水利現代化的具體體現。

信息是智慧水利的基礎，要高度重視信息的收集、監(jiān)測和分析；知識是智慧水利的核心，要應用新的信息技術，加強信息的挖掘、提取和知識的積累；能力提升是智慧水利的目的，著重提升流域的監(jiān)測能力、預測預報能力、調度決策能力和運行管理能力。智慧水利不能僅停留在概念和口號等表面，要進一步重視信息源建設、重視信息系統基礎設施建設、重視知識體系建設。智慧水利的發(fā)展不僅要依靠行業(yè)的科學規(guī)劃和指導，還要靠各有關專業(yè)的科學家不斷努力。共同促進水科學、計算機科學、地理科學、環(huán)境科學、數學和社會學等多學科的深度交叉融合，推動我國智慧水利的發(fā)展和進步。