蔡一堅，楊敏芝，孔 旭，張爵宏，范振東，陳 瀟，王 棟，楊德全

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.臺州市水利局，浙江 臺州 318000；3.臺州市水利水電勘測設計院有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引 言

數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心與關鍵，通過數(shù)字孿生流域的建設，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行模擬仿真與前瞻預演，實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，支撐“四預”功能實現(xiàn)和“2+N”項智能應用運行，提升水利決策與管理的科學化、精準化、高效化能力和水平，為新階段水利高質量發(fā)展提供有力支撐和強力驅動[1-5]。

當前仍處于數(shù)字孿生流域建設的探索階段。在理論層面，我國學者提出了數(shù)字孿生流域科學框架，明確了概念定義、內(nèi)涵特征、基本模型、核心能力、關鍵技術和發(fā)展方向，用于指導數(shù)字孿生流域未來發(fā)展和建設[6-7]；在關鍵技術層面，目前研究成果集中在流域防洪方面，探索數(shù)據(jù)底板、算法模型、算力、平臺服務等建設技術[8-12]。如何進一步細化與完善數(shù)字孿生流域建設的具體實施方式與技術手段仍需進行大量研究探討，結合不同流域的業(yè)務應用特色要求，推動數(shù)字孿生流域良性發(fā)展[13-14]。

對標水利部數(shù)字孿生流域建設技術大綱要求，當前臺州市水利業(yè)務離實現(xiàn)“四預”仍有較大差距。其中，流域防洪方面，椒江流域汛期常遭遇風、暴、洪、潮三碰頭、四碰頭的場景，防洪減災工作多是通過電話、微信、傳真等方式開展，洪水預報預警工作多聚焦于重要站點水位、水庫水位流量預警，以及二維洪水風險預警等，對于城市內(nèi)澇風險研判而言，二維風險圖的表現(xiàn)形式精度較低，且不夠直觀，往往難以輔助決策者做出更具針對性的決策[15-17]；此外，在防洪減災工作中，部門之間數(shù)據(jù)信息無法及時共享，一定程度上影響了防汛減災的工作效率[18-21]。通過2022 年椒江流域洪水預報調度一體化平臺建設，流域范圍內(nèi)的洪水預報調度水平有較大提升，但該平臺更多在于提升整個流域洪水預報調度算法的精度和預見期，而針對模擬結果數(shù)據(jù)與BIM、GIS、傾斜攝影等數(shù)據(jù)的融合，計算結果在高精度數(shù)字孿生底座上的實時、動態(tài)、高效的可視化渲染方面未有涉及[22]。

水資源管理與調配方面，長潭水庫作為臺州市最大的供水水源地，其水量預報工作多聚焦于短期，在中長期預報方面的成果不足，對下游城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等供水仍采用傳統(tǒng)手段來進行推算，缺乏對各供水對象的實時監(jiān)測與預報，難以支撐水庫水量的精細化動態(tài)管控；在遭遇旱情時，現(xiàn)有預警、預案響應大多依據(jù)水雨情實測數(shù)據(jù)來發(fā)布和實施，在時間上有一定的滯后，在一定程度上降低了預案響應的時效性，增加了抗旱保供的工作難度。

水利工程運行管理方面，臺州市工程運管單位日常使用的標準化管理平臺、省水利工程運管平臺功能較為單一，仍局限于數(shù)據(jù)的采集、查看、展示以及簡單的業(yè)務操作上；針對部分重點水利工程完善了工程安全監(jiān)測體系，運用仿真模擬手段打造了安全研判分析場景，初步實現(xiàn)工程安全預報、預警、閉環(huán)處置等功能，但在智能化分析應用模型、智能預報預警、分析決策等方面仍較為空缺，無法有效支撐管理人員在工程安全研判和工程調度方面實現(xiàn)“四預”目標。

因此，迫切需要建設數(shù)字孿生椒江“四預”平臺，實現(xiàn)流域洪潮防御、水資源管理與調配、水利工程運行管理“2+1”項業(yè)務一體化綜合研判管控。通過本次數(shù)字孿生流域與數(shù)字孿生水利工程的聯(lián)合實踐，可為沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，汛期受臺風影響洪潮澇災害頻發(fā)、非汛期水資源供需矛盾突出的區(qū)域，提供可復制可推廣的“椒江”經(jīng)驗。

1 研究區(qū)域概況

椒江流域地處浙江中部沿海，流域面積6 603 km2，為浙江省第三大流域，是獨流入海的受洪潮澇多重影響的典型流域，北接新昌縣、磐安縣境，西鄰縉云縣境，南接金清港流域，東瀕東海。主要包括臺州市的仙居縣、天臺縣、臨海市、椒江區(qū)、黃巖區(qū)，源頭區(qū)涉及紹興市新昌縣、金華市磐安縣、麗水市縉云縣、溫州市永嘉縣等。汛期，登陸浙江的臺風有40%以上在臺州市登陸，洪潮澇災害頻發(fā)，尤其是大田平原，常在潮汛期遭遇“天仙配、大田匯”洪水影響，引發(fā)城市嚴重內(nèi)澇；在非汛期，旱澇急轉，水資源供需矛盾突出[22]。

椒江流域水利工程眾多，共有水庫347 座、海塘137 條、堤防245 座、水閘572 座、泵站7 座，統(tǒng)一調度難度很大。大中型水庫共有16 座，其中，朱溪水庫工程是國家172 項重大節(jié)水供水項目之一、浙江省“五水共治”十大樞紐工程之一、臺州市北水南調一期工程，是目前臺州市在建的最大水利樞紐。朱溪水庫投運后向長潭水庫供水，長潭水庫下游接永寧江，永寧江匯入椒江干流，永寧江與椒江交匯處設永寧江大閘，作為省“百項千億”防洪排澇工程、椒江流域2 座大型水閘之一，是永寧江水系主要排澇出口，發(fā)揮了防洪排澇、御咸蓄淡等重要作用。

2 總體架構和功能設計

2.1 總體框架

充分融合衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等技術，以“天空地水一體化”感知體系為基礎，以算據(jù)、算法、算力為支撐，實現(xiàn)“數(shù)字孿生場景化應用、預報調度一體化模擬、四預過程智能化決策”[23]，建設數(shù)字孿生椒江流域和“2+1”項智能業(yè)務應用，形成數(shù)字孿生椒江“四預”平臺的總體框架，見圖1。

圖1 數(shù)字孿生椒江總體架構圖

系統(tǒng)主體架構采用B/S 架構進行設計，滿足國產(chǎn)化適配需求?？傮w架構包括業(yè)務應用、數(shù)字孿生平臺、信息化基礎設施、網(wǎng)絡安全體系和保障體系等內(nèi)容。

1）業(yè)務應用?；谂_州市當?shù)貙嶋H情況和水利部《數(shù)字孿生流域建設技術大綱》要求，打造流域洪潮防御、水資源管理與調配、水利工程運行管理3 大智能業(yè)務應用。

2）數(shù)字孿生平臺。數(shù)據(jù)底板方面，綜合利用傾斜攝影、實景建模、數(shù)值仿真、BIM+GIS 等多種技術手段，構建集水下地形模型、實景三維模型、三維地形模型、數(shù)值計算模型等多源異構模型為一體的椒江流域空間地理信息模型。利用空間位置配準、數(shù)據(jù)格式轉換、模型融合等多種技術手段，解決多源異構模型的匯聚與整合。圍繞不同維度、不同場景、不同業(yè)務模塊建設需求，構建具有不同場景尺度的流域數(shù)字孿生基底，滿足流域多樣化的信息管理需求。

模型平臺方面，基于臺州市已建的，具有自主知識產(chǎn)權、跨平臺、云計算功能的預報調度一體化系統(tǒng)[22]，針對椒江水系格局和洪潮澇特點，耦合了水文模型、水動力模型、風暴潮模型和防洪優(yōu)化調度模型，形成預報調度一體化模型，并新建AI智能識別模型、典型工程安全分析預警模型和模擬仿真可視化模型。

知識平臺方面，建設預報調度方案庫、歷史場景庫、業(yè)務規(guī)則庫、專家經(jīng)驗庫、水利知識引擎等，為椒江水利業(yè)務智能應用的知識積累、經(jīng)驗提煉和分析研判等基礎能力支撐[23-26]。

3）信息化基礎設施。水利感知網(wǎng)方面，整合共享水利、氣象、海洋和交通等部門水雨情監(jiān)測和視頻監(jiān)控信息，構建監(jiān)測類型豐富、監(jiān)測手段多樣、信息傳輸穩(wěn)定、控制安全可靠的智能化感知網(wǎng)。

水利云方面，平臺系統(tǒng)部署在臺州市政務云，通過臺州市一體化智能化公共數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)交互通道來實現(xiàn)與臺州市其他部門的數(shù)據(jù)共享，與浙江省其他部門的數(shù)據(jù)共享通過浙江省一體化智能化公共數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)回流到臺州市一體化智能化公共數(shù)據(jù)平臺后再進行數(shù)據(jù)交互通道來實現(xiàn)。

水利信息網(wǎng)方面，臺州水利辦公區(qū)域已全面采用政務外網(wǎng)（VPN2），實現(xiàn)跨部門網(wǎng)絡暢通，已完成水利專網(wǎng)改造，接入VPN3 網(wǎng)絡，實現(xiàn)省、市、縣三級水利部門網(wǎng)絡貫通。

4）網(wǎng)絡安全體系。參照信息安全等保三級對系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全體系進行建設。

5）保障體系。制定豐富的組織保障、制度保障、資源保障、技術保障和安全保障體系，保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行。

6）信創(chuàng)適配。對信創(chuàng)終端進行適配，以適應信創(chuàng)終端和非信創(chuàng)終端訪問的需求。

7）系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)融合。對數(shù)字孿生永寧江閘應用系統(tǒng)、數(shù)字孿生朱溪水庫應用系統(tǒng)進行集成與數(shù)據(jù)融合，打造一體化的數(shù)字孿生椒江“四預”平臺。

2.2 業(yè)務功能

數(shù)字孿生椒江“四預”平臺從流域洪潮防御、水資源管理與調配以及水利工程運行管理3 大業(yè)務出發(fā)，其中，流域洪潮防御業(yè)務圍繞實現(xiàn)“四預”功能，分為實時態(tài)勢、預報預警、場景預演和方案預案4 個模塊。

2.2.1 實時態(tài)勢

實時態(tài)勢是對椒江流域實時雨情、河道水情、水庫水情、潮汐水情、實時視頻、氣象預報、工程情況進行全要素監(jiān)測、一張圖展示，當發(fā)生超限工況時，進行高亮告警。采用圖表、過程線、等值線、動畫等不同表現(xiàn)形式，對于不同量級、時段、流域、區(qū)域的水雨情進行分類統(tǒng)計，方便用戶對當前防汛態(tài)勢進行總體把握。實時態(tài)勢頁面見圖2。

圖2 實時態(tài)勢頁面圖

2.2.2 預報預警

預報預警是對椒江流域預報的不同時段的雨情、河道水情、水庫水情、潮汐水情、洪水預警信息進行一張圖展示。當預報存在超限工況時，創(chuàng)新性地采用“點、線、面”的形式進行高亮告警，提醒用戶關注并及時采取措施。其中，“點”意為關鍵預報斷面，通過設置水位、流量閾值，實現(xiàn)及時告警；“線”意為設置河道水面線上限，本質上是通過逐時刻斷面水位與對應位置的堤頂高程對比，實現(xiàn)漫堤風險自動判別與告警；“面”意為通過高精度數(shù)據(jù)底板的二三維洪澇風險五色圖，實現(xiàn)傳統(tǒng)閾值預警向新型風險預警的轉變。

2.2.3 場景預演

場景預演包含預報預演、歷史復演2 個子模塊，分為全流域大尺度、干流中尺度和臨海古城微尺度3 個場景進行展示。

該模塊對氣象預估降雨預報洪水、典型歷史洪水、不同情境設計洪水等多場景下的水工程進行模擬調度仿真，針對重點區(qū)域和保護對象進行BIM+傾斜攝影的精細化數(shù)字孿生建模。

基于椒江流域預報調度一體化模型組件，將椒江流域概化為273 個子流域、112 條一維河道、2 112 個計算斷面、84 900 個二維計算網(wǎng)格、17 個控制單元，靈活組合純水文模型預報、水文水動力耦合預報以及一二維洪水演進方案，模擬流域干支流重要斷面的水位變化過程。通過水位疊加三維底板，按照紅橙黃綠藍五色圖規(guī)則，制作防汛形勢風險圖，從而實現(xiàn)洪水淹沒情況的三維高保真可視化模擬，直觀展現(xiàn)不同組合工況下的整個洪水過程，模擬河道和重點閘壩的水位、流量以及沿岸淹沒范圍的演進動態(tài)。計算效率上，運用矩陣標識法提升水動力模型中節(jié)點方程求解效率，實現(xiàn)1 min 出模型計算結果；運用GPU 加速技術實現(xiàn)2 min 出二維計算結果，渲染時間控制在10 s 以內(nèi)，為水利工程防洪調度提供高效、精準支撐。

進一步對比分析不同調度方案的洪水淹沒情況差異和演進過程差異，推出古城淹沒風險統(tǒng)計清單，從“預見未來”和“重現(xiàn)歷史”2 個維度，實現(xiàn)流域洪潮防御智能輔助決策。圖3 為預演方案對比雙屏聯(lián)動圖，圖4 為古城淹沒風險預演圖。

圖3 預演方案對比雙屏聯(lián)動圖

圖4 古城淹沒風險預演圖

2.2.4 方案預案

根據(jù)選定的預報方案成果，展示該方案的水情信息統(tǒng)計和對應預警等級，并根據(jù)預報方案的淹沒范圍統(tǒng)計受災對象及搶險支持信息。通過大語言模型和語義識別技術，對臺州市已有的防汛預案、水庫控運計劃等非結構化知識進行結構化處理，通過知識引擎，自動推送該預報方案下的應對措施建議。圖5 為應急預案查詢頁面圖。

2.2.5 水資源管理與調配

包含水態(tài)勢、水管理、水調度、水節(jié)約、水生態(tài)5 大模塊，為臺州市水資源管理、抗旱調度、生態(tài)流量監(jiān)管等工作提供技術支撐。

臺州市堅持空間均衡，構建以大中型水庫和椒江綜合樞紐為骨干水源的水資源保障網(wǎng)。目前，臺州市有11 座大中型水庫作為重要供水水源地。通過構建水源地保供預測模型，分析計算各大中型水源地保供天數(shù)，可根據(jù)模型計算結果，精準定位到保供形勢嚴峻的水源地，為后續(xù)采取相應水量調控措施提供支撐。圖6 為水資源管理與調配頁面圖。

圖6 水資源管理與調配頁面圖

2.2.6 水利工程運行管理

流域洪潮防御和水資源管理與調配最終落腳于水利工程的運行調度上，平臺在集成數(shù)字孿生永寧江閘與數(shù)字孿生朱溪水庫系統(tǒng)的基礎上，將工程數(shù)字化管理和流域一張圖匯總切換展示，分別疊加動態(tài)數(shù)據(jù)，包括實時水雨情、安全監(jiān)測、視頻、閘門、設備基礎信息等，實現(xiàn)工程安全風險研判和管控。圖7 為水利工程運行管理頁面圖。

圖7 水利工程運行管理頁面圖

3 建設成效

數(shù)字孿生椒江“四預”平臺，旨在利用數(shù)字孿生等先進技術手段，實現(xiàn)流域洪潮防御、水資源管理與調配、水利工程運行管理3 項業(yè)務的一體化研判與高效協(xié)同，具體成效如下：

1）平臺選取臨海城區(qū)段，應用三維城市內(nèi)澇可視化風險分析，以“利奇馬”臺風降雨為典型暴雨，再現(xiàn)臨海城區(qū)的受災情況，按照受淹的先后順序和最高淹沒水深，推出重點保護對象風險清單，列出重點保護對象最高淹沒水深、淹沒時間和淹沒歷時，并自動推薦重點保護對象附近的安置點、撤離時序和撤離路線，為將來防御類似“利奇馬”強臺風提供相關經(jīng)驗。

2）利用知識圖譜技術，進行相似洪水識別，為后續(xù)相似洪水防御提供輔助支撐，提升洪潮防御精度；運用BIM+知識圖譜的應急多跨協(xié)同技術，針對防洪應急處置涉及多區(qū)域、多部門交叉管理的問題，構建防洪應急預案知識圖譜，實現(xiàn)與應急局、各縣市區(qū)的橫向聯(lián)動、縱向貫通和多跨協(xié)同，實現(xiàn)信息共建共享和洪水風險閉環(huán)管控。

3）基于BIM+GIS 的工程安全運行“四預”技術在朱溪水庫應用后，通過BIM 可視化模型、大壩安全監(jiān)測預警、大壩安全運行大數(shù)據(jù)分析模型實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、自動清洗、自動分析預警、自動透視定位，實現(xiàn)大壩安全實時、在線監(jiān)控，能夠有效降低對專業(yè)人員的依賴，保障施工質量的同時大大減少了人力成本。

4 結 語

本研究以椒江流域為研究區(qū)域，先行于“預”、立足于“防”，搭建全流程可感知、可預見、可視化的數(shù)字孿生椒江“四預”平臺，是數(shù)字孿生流域的一次成功實踐。充分運用BIM+GIS、知識圖譜、云計算、人工智能等新一代信息技術，構建防災減災、水資源管理與調配、工程安全運行的智能“四預”體系，實現(xiàn)跨部門、跨行業(yè)、市縣協(xié)同聯(lián)動和共建共享共防，完成防御工作的流程再造和制度重塑，實現(xiàn)形勢全局判斷、預案快速響應、物資高效調配、對策精準實施，有效降低洪澇災害造成的損失，最終實現(xiàn)數(shù)改為民、為民數(shù)改的目標。

相比傳統(tǒng)的水利信息化平臺，數(shù)字孿生椒江“四預”平臺利用多源異構數(shù)據(jù)治理技術賦能流域數(shù)據(jù)歸集、清洗、分析、計算，夯實算據(jù)基礎；基于流域洪水模擬通用模型結構進行水利專業(yè)模型組件式研發(fā)，提出基于知識圖譜的數(shù)字孿生流域知識體系架構，優(yōu)化算法模型；按照“集約高效、共享開放、按需服務”原則，提升算力水平，從“三算”維度助力3 大水利業(yè)務融合貫通。下一步工作中，應進一步總結、提煉和推廣已有成果，為全國沿海地區(qū)防汛抗旱提供可復制、可推廣的椒江模型、方法和技術。