数字孪生流域是数字孪生地球的重要组成部分，厘清数字孪生流域理论定义和内涵是研究和建设数字孪生流域的前提和基础，对流域智慧化治理管理具有重要意义。本文基于数字孪生理论技术，开展了以下研究：①给出了数字孪生流域的定义，认为数字孪生流域是以服务流域全生命周期管理的全量数据和领域知识驱动物理流域和虚拟流域交互映射、共智进化、虚实合一的新基建新模式，并辨析了与传统建模仿真的区别。②数字孪生流域内涵是通过“由实入虚”、“以虚映实”和“由虚控实”，实现物理流域对象全生命周期管控，它的特征包括高度保真、演化自治、实时同步、闭环互动、共生进化。③数字孪生流域基本模型由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据、孪生流域知识组成，其核心能力包括物理流域感知操控、全要素数字化表达、可视化动态呈现、数据融合供给、知识融合供给、模拟仿真推演、自主学习优化。④提出数字孪生流域要解决的关键科学问题和关键技术体系，并从感知网、数据网、知识网、模型网、服务网展望了数字孪生流域发展方向，阐述了数字孪生流域的赋能领域。本文旨在通过数字孪生流域理论新型研究范式，为数字孪生流域技术应用落地提供理论指导，对未来智慧流域研究和数字技术在流域治理管理应用提供有益的启发与借鉴。