数学模型是实现数字孪生水利体系精准映射、虚实交互、实现“四预”功能的关键，“十四五”期间，太湖流域管理局水文局（信息中心）锚定数字孪生流域建设要求，聚焦太湖流域防洪、供水和水生态环境安全，以全面提升预报预警关键技术为目标，以构建数据物理双驱动的智能模型群为抓手，持续优化太湖流域水文水动力水质模型，研发基于机器学习算法的蓝藻预测模型、洪水淹涝风险快速评估模型，完善粒子模型和来水组成功能，形成了集水量、水质、淹涝、蓝藻等多模型耦合的太湖流域模型群，为流域精准预报、风险防控与调度决策提供了系统性技术支撑。

在洪水风险预警领域，通过构建耦合山丘区河道水动力学与上游大型水库实时调度的全流域水动力模型，攻克了山区与平原区间因水力坡度特性迥异导致的联解不稳定性的技术难题；实现了江—河—湖—海—闸—泵—库耦合的全链条一体化模拟（图1），完成了从平原河网到全域复合水系的架构转换，通过开展重点河段水文河道地形测量并将河道断面成果及时更新至模型、开展模型参数率定，显著提升了山丘区产汇流及河网水位预报的效率和精度；模型经2021年台风“烟花”等典型洪水事件参数率定与验证后，在2022年、2023年、2024年汛期洪水作业预报中发挥了积极有效的作用，太湖水位预报合格率均在90%以上。自主研发了基于水文学法的洪水淹涝风险快速评估模型，有效解决了水力学法模拟时效性不足与纯水文学法精度有限的矛盾；该模型在多次洪水事件中得到验证和应用，尤其在2021年台风“烟花”期间准确预测杭嘉湖区与阳澄淀泖区淹涝范围，为防汛调度决策支撑赢得提前量，减少了洪水造成的人员伤亡和财产损失。

在水生态环境预报预警领域，创新采用支持向量机、长短时记忆神经网络、极端梯度提升树等机器学习模型及FVCOM-FABM-GEM机理模型，构建了太湖藻华暴发面积短期预测模型（图2）。基于高精度水下地形、高频水文水动力及气象实时监测网络,融合水质数据并考虑蓝藻浮力调节过程,构建了太湖三维水动力-水质-水生态耦合机理模型；同步建立蓝藻水华多源遥感影像自动化处理系统,实现小时尺度高频蓝藻水华解译,为太湖蓝藻水华防控提供了有力支撑。该预测体系在提高蓝藻水华发生位置、面积、强度预报精度的同时,计算效率较原有模型提升3至5倍，为太湖蓝藻水华防控提供了有力的技术支持。完善了粒子模型和来水组成功能，在保障G20杭州峰会、中国国际进口博览会等重要活动期间发挥了显著的支撑作用；在助力2022年上海市抗咸潮、保供水工作中，通过预演比选60多个补水方案计算出应急补水最佳线路，4天后成功打通望虞河-阳澄湖-陈行水库周边河网补水通道，保证了陈行水库供补平衡，保障了宝山、嘉定、普陀、静安等区近300万人饮用水安全。