应用数字孪生技术提升流域管理智慧化水平

刘海瑞，奚 歌，金 珊

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

我国实行流域和区域管理相结合的水利管理体制，从水文水资源管理的科学角度，流域管理对于水利管理至关重要。因此，实现水利治理体系和治理能力现代化必须建设数字流域，打造智慧流域，提升流域管理智慧化和精细化水平。李国英部长指出，充分利用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术，建立覆盖全域的水资源管理与调配系统，推进水资源管理数字化、智能化、精细化。数字孪生(Digital Twin)是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，是实现数字流域、智慧流域的有效技术路线。当前，各大流域均开展过多轮信息化建设，为进一步提升流域管理智慧化和精细化奠定了较好基础。同时，现有流域信息化建设距离基本实现社会主义现代化的要求还有差距，需要应用新技术不断提升流域管理智慧化和精细化水平。

1 总体架构分析

水旱灾害防御和水资源管理与调配是水利行业的重要职责，李国英部长在不同场合多次强调通过信息技术提升水旱灾害防御能力和水资源管理与调配能力，并明确提出了提升“四预”(预报、预警、预演、预案)能力的要求。按照“实时感知、数字映射、智慧模拟、智能应用”的智慧水利特征，应该构建以“2(水旱灾害防御、水资源管理与调配)+N”智能应用为重点，以网络安全体系和标准规范管理制度为保障的智慧流域总体架构(总体架构如图1所示)，覆盖流域管理各项业务，实现流域管理“四预”，支撑流域管理工作的精准化决策。

图1 智慧流域总体架构图

2 提升感知能力，夯实数字映射基础

数字孪生的基础是数据，智慧流域建设的基础也是数据。当前，感知不足仍然是智慧流域的短板，由于感知不足导致流域的数字化映射不够，难以满足智慧流域的需要。李国英部长指出，要强化科技引领，推进建立流域洪水“空天地”一体化监测系统。为了解决感知不足的问题，必须从以下几个方面加强监测体系建设，提升信息采集能力，夯实数字映射的数据基础。

2.1 完善流域江河湖泊和水工程监控体系

一是完善江河湖泊感知体系建设。水文水资源信息是实现流域数字映射的基础信息，涉及水量、水位、流量、水质、泥沙、降雨量等信息。应优化行政区界断面、取退水口、地下水、生态用水(含地下水)等监测站网布局，实现全要素的实时在线监测，提升信息捕捉和感知能力；要通过高分辨率航天、航空遥感技术和地面水文监测技术的有机结合，推进建立流域洪水“空天地”一体化监测系统，提高流域洪水监测体系的覆盖度、密度和精度；要优化山洪灾害监测站网布局，将雷达纳入雨量常规监测范畴；要确保该监测的断面均纳入监测范围，需要视频监测的部位部署视频监测设施；要提高采集信息源数据的准确度，摸清水资源取、供、输、用、排等各环节的底数。

二是完善水利工程设施感知体系建设。水利工程信息是流域数字映射的重要内容，涉及水库(含水电站)、泵站、水闸、堤防、灌区、蓄滞洪区等各类水利工程。针对流域内的水利工程，利用视频、监测设施、BIM 等技术，实现水工程建设全过程数据采集和管理；完善流域内水利工程建筑物、机电设备运行工况在线监测。对于新建、改扩建和除险加固工程，要从前期工作和设计阶段加强自动化监控设施和智慧管理系统设计，确保自动化监控经费，为实现数据采集打下较好基础。

2.2 加强新技术应用提升监测技术水平

一是加强3S智能感知技术手段应用。使用卫星、雷达等遥感监测手段实现大尺度的动态监测预警；运用智能视频监控，通过图像智能分析，实现自动识别、智能监视与自动预警；根据监测感知需要使用无人机、无人船、机器人等监测手段；根据网络传输需要推进5G、物联网等新技术应用。

二是创新监测设施设计。针对“一杆通”等新型监测设施，要加大试点推广力度，推动监测设施改革创新。

2.3 提升涉水相关行业信息的挖掘利用

要进一步健全气象、地灾、人口分布、生产力布局等信息的共享机制，实现行业外数据与水利信息的有效整合利用，为打造智慧流域建立完善的数据基础。

3 通过建立全要素精准映射，支撑智慧流域建设

实现数字空间与物理空间的一一映射，是数字流域可视化展现、智能计算分析、仿真模拟和智能决策的基础。

3.1 打造水利工程的数字孪生体

对流域重要的水库、堤防、蓄滞洪区、水闸、泵站等水利工程运用BIM+GIS、数字孪生技术建立数字映像，并接入实时监测设备，能够对重点工程对象实现实时监控。通过打造水利工程数字孪生体，实现重要数据的精准映射，实现三维场景的仿真模拟，辅助以无人机倾斜摄影等技术能够进一步提升数字孪生体更加逼真。

3.2 建立可能影像区域的数字地形

下垫面信息对于产汇流影响较大，防洪影响重点区域的信息对于防洪影响分析至关重要。因此，必须实现下垫面地形信息的数字化，必须将防洪影响区域的信息数字化才能为智慧流域打下坚实的基础。要基于3S等技术，获得高精度的水上水下一体化的数字地形数据，影像分辨率由米级向亚米级提升，高程DEM数据应向高精度地形数据转变；防洪重点区域可采用实景三维模型方式进行数据采集，为洪水预演提供可视化数据支撑。

3.3 加强“流域一张图”应用

“一张图”能够实现空间数据和属性数据的一体化展示、二维数据和三维数据一体化展示与应用，是智慧流域的重要平台和应用入口。要基于“流域一张图”实现数字流域的虚拟空间与物理空间真实对应，实现空间分析、大数据分析、仿真结果等可视化，将地形地貌以及包括人员分布、生产力分布在内的经济社会状况注入数字地形图并实时更新。

3.4 以虚拟仿真、增强现实(AR)等技术手段实现动态模拟

通过对流域进行数据可视化、打造三维可视化展示系统，在数据接入以及3D高仿真场景之上，对流域的水文数据、水利工程的运行状态、重点区域等进行实施监控，实现数字流场的虚拟环境和物理环境的真实对应，达到三维可视化拟真展示的效果，为管理者提供直观、高效、精准、便捷、完善的精细化运营管理解决方案。要开展流域大场景三维环境的快速构建、基于虚实场景实时精确融合的增强呈现技术和面向防洪减灾指挥决策、流域综合调度的增强现实原型系统等技术研究，为流域综合管理提供技术支撑。

4 不断完善仿真模拟，提升智慧化水平

智慧流域和数字孪生的核心是多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。李国英部长指出，要建设数字流域，为防洪调度智慧提供科学的决策支撑。建立覆盖流域的物理水利及其影响区域的数字化映射，就是要实现仿真模拟提升智慧化，最终为决策支撑服务。

一是集成并提升模型系统。研究完善现有流域降雨产流、流域汇流、洪水演进、河口演变、地下水运动、水质扩散、土壤侵蚀、水文预测预报等模型系统，提高防洪推演模型计算精度和运行效率。依托数据中心，预测未来流域水位、水量、水质状况、水资源开发利用情况，提出流域水资源调配方案，通过多方案比选和评估，供防洪减灾调度和水资源管理会商决策。通过不同调度方案的模拟，为流域防洪减灾处理、水资源调控、保护预警和水污染事件应急处置提供决策支持。

二是推进人工智能技术应用。通过集成人工智能、大数据分析技术将存储管理好大数据并从大体量、高复杂的数据中提取价值，借助大数据处理工具在很短的时间内就能完成海量数据的处理，缩短数据分析的时间，提高数据分析的准确度，为深入研究水规律提供技术保障。

5 建设覆盖流域管理职能的业务应用系统，提升决策支撑能力

应用数字孪生技术打造数字映射和仿真模拟，最终目的是提升决策支撑能力。为了更好履行水利十大业务职能，要全面分析流域管理需求，基于流域的数字映射以及模拟仿真的基础上，构建水旱灾害防御、水资源管理与调配以及其他水利业务系统，通过构建“能用、好用、管用”的业务系统，为决策提供信息化支撑保障。

5.1 提升水旱灾害防御系统的智慧化水平

李国英部长指出，水旱灾害防御工作要强化预报、预警、预演、预案“四预”措施，加强实时雨水情信息的监测和分析研判，完善水旱灾害预警发布机制，开展水工程调度模拟预演。李国英部长强调，要细化完善江河洪水调度方案和超标准洪水防御预案。因此，要在现有水旱灾害防御系统的基础上，深化数据交换共享，加强基础数据的治理分析及应用，实时监视涉水相关信息，重点实现水旱灾害的“四预”，支撑水旱灾害防御关口前移、联合调度和科学决策。

洪水预报方面，要提高预报准确度、延长预见期，落实长期预报、中短期预报、3个3天的滚动预报机制实施，实现预报调度一体化推进。洪水预警方面，要判别超标准洪水出现的可能性、出现的时间和地点，要依托“三大运营商”将预警信息及时向相关责任人以及社会公众靶向发布，实现预警信息全覆盖。洪水预演方面，要实现多要素的洪水预测预报并实时动态修正，对洪水模拟过程实现自动演算、自动校正、人机交互校正，并对水库、河道、蓄滞洪区蓄泄情况进行模拟仿真，为排水区排涝标准的控制和工程调度提供科学决策支持。洪水预案方面，要细化完善江河洪水调度方案，编制流域、区域水工程联合调度方案，提高方案的指导性和可操作性。

5.2 提升水资源管理系统的智慧化水平

李国英部长指出，要动态掌握并及时更新流域水资源总量、实际用水量等信息，通过智慧化模拟进行水资源管理与调配预演，并对用水限额、生态流量等红线指标进行预报、预警。

资源预报方面，要建立水资源量、污染物通量预报模型，实现重要江河断面水量、水质预测预报，为水资源保障提供基础支撑。监测预警方面，要实时监控重点取用水户的用水情况，实施区域和流域水资源承载能力评估，建立区域用水总量监测预警体系。监控预警方面，要结合生态水量红线指标开展重点断面生态流量预警，要构建地下水量三维动态模型，从地下水水量、水位等多维度开展地下水预警支撑重点区域地下水超采治理。调配预演方面，要建设水资源监管研判在线分析模型算法，对淮河流域水资源供需变化情势进行动态分析，在此基础上，模拟水资源配置并优化调整调度方案，为水资源调配提供决策支撑信息。配置预案方面，要通过智慧化模拟进行水资源管理与调配预演，并对用水限额、生态流量等红线指标进行预报、预警，提前规避风险、制定预案。

5.3 其他“N”个业务系统

按照流域管理相关职责和水利高质量发展的新要求，应充分应用新信息技术手段，建设包括河长制、农村水利、水土保持、河湖管理、水利工程建设、水利工程运行管理、水利监督和水政执法、水利移民与扶贫、水利政务服务等N个业务系统，实现用数据治理、用数据决策、用数据说话。

5.4 不断完善模型耦合和模块化链接

流域管理涉及防洪、防凌、供水、发电、航运等多项任务，要想发挥流域管理最大效益，必须统筹考虑流域管理各项目标任务。一是通过数据中心建设数据标准规范，通过模块化链接实现各业务系统数据的共建共享。二是要实现各业务模型的耦合，通过多目标的联合调度实现水资源利用效益最大化，实现防洪、防凌、供水、发电、航运等多目标统筹调度，实现洪水资源节约集约安全利用。

6 结语

智慧流域建设是一个系统工程，数字孪生技术为智慧水利建设提供了成熟技术路线。建设智慧流域应重视顶层设计，优先选取重点项目、试点工程分步实施；要以深入业务、应用至上为核心诉求，不断优化感知网络和互联网络，完善数据共享、支撑平台的设计，提升各项业务应用水平。进入新发展阶段，智慧流域要充分运用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术，不断推进水资源管理的数字化、智能化、精细化，以水利治理体系和治理能力现代化驱动流域水利高质量发展。