数字孪生松辽流域防洪“四预”应用建设探究

金思凡，廖晓玉，2，高 远

（1.松辽水利委员会水文局（信息中心），130021，长春；2.水利部松辽水利委员会，130021，长春）

松辽流域地处“东北振兴”国家重大战略区域，是我国重要的工业基地和商品粮基地， 属于人口密集区、经济发展区、洪水风险区“三区”叠加区域。 进入新发展阶段，流域人民对水旱无虞的美好生活有了更高期待，东北振兴、粮食安全和高质量发展对防范化解洪水和干旱风险提出更高要求。 大力推进数字孪生流域防洪“四预”应用建设，是提高松辽流域水安全保障能力、提升流域治理管理能力的重要支撑。

一、流域信息化建设概况

1.现状

水利部松辽水利委员会（以下简称松辽委）防汛信息化建设经过数十年的发展，建成了由基础设施和业务应用系统组成的综合体系，有力支撑了流域防洪业务工作。 基础设施方面， 整合了流域范围内实时雨水情、重要工程视频、卫星云图以及气象雷达等监测信息， 已建成与水利部、流域4 省（自治区）和2 个直管水库、3个水文水资源分中心的通信网络，同时完成了对防汛会商室的升级改造。防汛业务应用方面，完成了对现有防汛业务数据的资源整合，建成了松辽水利“一张图”，构建了水文、水动力学等专业水利模型，形成了包括松花江、辽河流域超标准洪水防御预案及洪水调度方案，松花江水量应急调度预案等在内的方案预案体系，陆续建成了松辽委防汛抗旱指挥系统、松花江洪水管理系统、山洪灾害监测预警信息管理系统、松辽流域洪水风险图管理系统及松辽委水情查询系统等业务应用系统。

2.存在的问题

虽然流域在防汛信息化建设方面取得了一定成绩，但对照国家信息化总体要求及数字孪生流域整体要求，仍存在差距，在服务支撑流域水安全保障与现代化管理等方面还存在不足。

①业务系统功能无法满足当前水旱灾害防御工作需要。 现有系统各业务模块存在重复开发情况，且自动化程度低、业务功能不够完善；各系统独立运行，缺乏统一管理，统筹各业务功能模块较为困难，难以实现综合分析。

②数据资源分散、质量不高。 现有数据分散在防汛抗旱指挥系统二期综合数据库、松花江洪水管理系统和松辽流域洪水风险图管理系统等业务应用系统数据库中，不便于统一管理；大多数据未进行标准化和规范化处理，质量不高。

③支撑平台尚未完全发挥作用。现有系统大多采用“垂直”开发模式，系统之间各自独立，本应由支撑平台实现的部分功能分散在不同的业务应用系统，如地图服务、用户管理、数据分析等，导致支撑平台作用发挥不充分。

④预报、调度两大核心业务信息化系统耦合度低，未实现预报调度一体化。此外，预报系统仍为C/S 架构，不适用于国产化环境，预报模型计算效率不高，无法支撑实时动态仿真预演。

二、数字孪生松辽平台建设

数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和流域治理管理活动全过程的数字化映射和智能化模拟，实现与物理流域的同步仿真运行、 虚实交互、迭代优化。 数字孪生松辽平台是松辽流域智慧水利建设的核心，是各项业务应用的基础支撑，包括数据底板、 模型平台以及知识平台三部分，总体框架如图1 所示。

图1 数字孪生松辽防洪应用总体框架

1.数据底板

数据底板的主要建设内容包括数字化场景搭建、数据资源整合以及松辽流域水利“一张图”平台升级完善三部分。

①数字化场景搭建。共享全国L1级数据底板和流域4 省（自治区）建设的数据底板，整合覆盖松辽流域的中等精度数字地形数据（DEM）和高分辨率卫星遥感影像、数字正射影像（DOM）、高分立体测绘卫星数据。 建设嫩江、第二松花江、松花江干流、东辽河、西辽河、辽河干流、浑太河和洮儿河等重要支流，胖头泡、月亮泡蓄滞洪区等重点区域L2 级数据底板。集成尼尔基、察尔森、丰满、白山等重点水利工程和重点区域的L3 级数据底板。 整合水文水资源、水灾害、水利工程、水生态等数据，共享气象、自然资源、经济社会、生态环境等流域相关数据，构建松辽流域数字化场景。

②数据资源整合。 在资源整合总体框架下推进全委数据梳理、 汇集、建库、治理、更新等工作。 基于现有数据资源， 深入开展数据资源的调查、梳理和规划，完善松辽流域数据资源目录。 构建数据资源汇集体系，按照数据资源目录，建立各类水利数据标准，明确数据质量控制、维护和更新方法，根据各级水利业务和综合决策需要， 对各类结构化与非结构化数据、实时与历史数据进行汇集，构建松辽委中心多层级数据库。 对汇集后的多源数据进行统一、 规范管理，依据水利数据对象标准，梳理数据对象间的逻辑关系， 提升数据的规范性、可用性，避免数据冗余、重复和不一致。 建立健全“一数一源、一数一责”的数据动态更新机制。 遵循相关共享标准与规范， 建立流域数据共享机制，实现水利基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据等在松辽委各部门之间的共享，实现数据在松辽委与水利部、流域省级水行政主管部门间的上报、下发与同步。

③松辽流域水利“一张图”平台升级完善。 建立松辽水利“一张图”与水利业务应用之间的数据联动更新机制，建设数据同步更新、数据融合等功能，实现对水利“一张图”中基础地理、水利基础空间、水利业务空间和卫星遥感影像等数据的及时、持续和有效更新。 在此基础上构建数字孪生平台，实现流域数据底板三维仿真全景展示以及水利工程BIM 模型的深度演示， 为防汛业务提供权威、现势、安全的“一张图”服务。 整合梳理流域各类数据，补充更新松辽流域水库、堤防、蓄滞洪区等水利工程基础数据，结合防汛业务需求，建设业务专题模块，支撑流域治理管理工作。

2.模型平台

按照“标准统一、接口规范、快速组装、敏捷复用”思路，在复用共享水利部模型库和模拟仿真引擎的基础上，结合流域特色，定制建设松辽模型平台。 主要任务包括建设水利模型库、智能模型库和可视化模型库等。

①建设水利模型库。 结合流域特色建设松辽委通用水利模型库和专用水利模型库，通用水利模型主要包括适用于松辽流域的水文模型、水动力模型、多模式降雨预报模型、水工程模型等；专用水利模型主要包括宽浅河道洪水演进、 水工程联合调度、水利工程安全运行评估及调度智能决策等模型。

②建设智能模型库。 通过训练学习算法，建立一套能够利用计算机智能分析和理解音频、图像及视频的模型库，为应用层提供能够在大规模场景下替代人类进行监听监视音视频内容，并提取感兴趣信息进行结构化分析的能力。 其中包括洪灾监测、灾后评估等遥感识别模型以及水尺水位、工程运行状态等视频识别模型。

③建设可视化模型库。 可视化模型为模拟仿真提供实时渲染和可视化呈现，主要基于业务过程和决策支持中的仿真模拟需求，利用成熟的商业建模工具，建设自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备、“四预”过程5 大类可视化模型。

3.知识平台

采用统分结合的方式沉淀水利知识和松辽流域治水经验，定制建设松辽知识平台。 在复用共享水利部知识库和水利知识引擎的基础上，定制符合流域特色的调度预案规则库、历史场景模式库、专家经验库等水利知识库，为数字孪生流域应用提供统一的服务支撑。 具体建设内容包括：

①建设调度预案规则库。 在收集已有调度方案的基础上，根据松辽流域特点、水利工程情况、影响区域范围等， 新建或修编所需洪水预报方案、径流预报方案等，并实现调度预案的信息自动化、文本化和知识化处理， 结合预案关键信息检索与索引，构建预报方案调度库，包括河道水文站预报方案、 水库水文站预报方案、蓄滞洪区洪水预报方案、河系预报方案和中长期预报方案等。 通过将业务文档内容结构化处理，形成一系列可组合应用的结构化规则集，全面梳理各类水工程的相关调度方式，提出其逻辑化、 数字化表达和存储方式，形成服务于防洪调度和应急水量调度的规则库。

②建设历史场景模式库。 针对松辽流域典型历史洪水和特定调度过程进行复盘， 基于场景目标确定主题， 采用通用方式记录气象水文信息、调度决策信息、水工程运行过程、控制对象状态以及涉及的各项调度效果，挖掘提取由历史过程相似性形成的历史事件典型时空属性及专题的特征指标组合，通过推演分析不同场景下的演变场景，为相似事件的精准决策提供依据。

③建设专家经验库。 基于专家经验决策的历史过程，针对暴雨、干旱、区域淹没等特定工况， 通过文字、公式、 图形图像等形式固化专家经验，提出合理有效的防洪风险应对措施，形成专家经验主导下便于读取、可供参考的认知知识，实现经验的有效复用和持续积累。 专家经验库建设主要包括重点流域历史场景预报调度经验挖掘、过程再现、经验验证、经验修正等。

三、防洪“四预”应用建设

业务应用是数字孪生流域建设的出发点和落脚点，防洪“四预”应用是业务应用建设的重点内容。 松辽流域防洪“四预”的实现是在松辽委国家防汛抗旱指挥系统二期工程、松辽流域国家水资源监控能力建设（二期）等现有资源的基础上，以数字孪生松辽平台为支撑，以水旱灾害防御为业务核心，建设具备预报、预警、预演、预案功能的综合业务平台，其业务流程如图2 所示。

图2 松辽流域防洪“四预”应用总体业务流程

1.预报——流域洪水预测

预报是利用数字孪生流域提供的丰富数据和各类模型， 做好短期、中期、 长期的定性分析和定量计算，包括预报方案配置、降水预报、洪水预报以及预报成果评估等模块。

①预报方案配置。 根据防洪调度需要， 以数字孪生松辽平台为基础，将预报方案配置流程标准化、 模块化。 同时，预置松辽委已有的预报方案，如尼尔基水库预报方案、察尔森水库预报方案等。

②流域降水预报。降水预报包括短临、短期、中期及长期降水预报。短临、 短期和中期降水预报利用云图、雷达图、降水模式预报等信息，对嫩江干流、松花江吉林省段干流、辽河干流等重点防洪区域进行1～10 d降水预报，实现数值预报产品显示、降水预报产品制作以及模式降水预报检验。 长期降水预报采用回归分析等统计学方法以旬、月等尺度进行预报。

③流域洪水预报。 结合重点防洪区域的降水预报成果， 开展尼尔基、察尔森、白山、丰满等重点水库和59处站点的实时洪水预报，为流域防洪预警、 干流洪水预演等提供数据支撑。 同时，基于预报成果评估结果，动态修正预报成果。

④预报成果评估。 结合专家经验，对重点水库和控制性断面等关键调度节点正式发布的预报成果进行精度评价，统计误差概率，为会商决策提供依据。

2.预警——防汛形势分析

预警是综合雨水情监测、工情监测、视频监控以及预报成果等多源信息，判断是否发生洪水，并发布警示信息，包括监测告警以及预报预警。

①监测告警。 根据松辽流域当前的雨水情监测、雨情预报、工情信息和视频监控信息，通过阈值分析或经验分析， 自动判断是否发布防洪预警，在数字孪生松辽平台中动态展示告警信息。

②预报预警。 若依靠技术人员的经验来判定流域防洪形势，可能会存在主观性问题， 而水文模型存在耗时长、所需资料多的短板，因此根据嫩江干流、 松花江吉林省段干流等重点防洪区域的预报降雨自动快速判别松花江流域防洪整体形势，对增加调度空间尤为重要。 应基于区域的成灾特性及已有数据资源确定阈值，结合降雨预报成果与雨水情监测信息分析流域防洪形势，确定防灾重点。

3.预演——调洪方案制定

预演是针对预警风险，综合考虑调度应用规则和边界条件，设定不同情景目标，进行模拟推演，为科学调度提供决策支持，包括调度方案生成、调度成果仿真以及调度方案管理。

①调度方案生成。 根据预警信息，输入预报结果，以数字孪生松辽平台为基础， 动态建立尼尔基水库、察尔森水库、丰满水库、白山水库、嫩江干流、第二松花江、月亮泡蓄滞洪区、胖头泡蓄滞洪区、大赉、扶余、齐齐哈尔、哈尔滨等重要调度节点的拓扑关系，构建由水库、河道、蓄滞洪区、 调度节点组成的动态调洪模型，实现洪水调度方案的快速生成，同时通过人机交互进一步修改水库、蓄滞洪区等防洪工程的运用参数，完成调度方案试算，生成一个或多个洪水调度方案。

②洪水调度成果仿真。 以数字孪生松辽平台为基础，尼尔基水库、察尔森水库等防洪调度节点为边界，构建尼尔基水库—哈尔滨市河段、胖头泡及月亮泡蓄滞洪区等流域重点防洪区域的一维、二维水动力学耦合模型，实现对调度成果的一维、二维、三维可视化表达以及动态洪水风险分析。

③防洪调度方案管理。 将松花江、 辽河流域超标准洪水防御预案，松花江、 辽河流域洪水调度方案，松花江水量应急调度预案等方案预案进行数字化处理，完成历史调洪方案及相关文本、图形图像等信息的上传与管理。

4.预案——调度方案优选

预案依据预演反馈结果，考虑工程状态、 经济社会发展需要等因素，评估后形成最优方案或计划，并根据工作进展及时调整，包括调度方案综合评估和调度方案优选。

①调度方案综合评估。 考虑尼尔基水库、察尔森水库、丰满水库、白山水库及月亮泡与胖头泡蓄滞洪区的状态，结合齐齐哈尔、哈尔滨等重点城市的动态洪水风险分析结果，以数据挖掘和关联分析技术为支撑，对防洪、水量、水质、水生态等调度效益叠加评判，多方面综合评估调度方案。

②调度方案优选。 以数字孪生松辽平台为基础，利用水利专业服务分析、大数据平台自主学习能力提出方案优选及推荐解决方案。

四、结 论

数字孪生松辽流域是松辽流域智慧水利建设的核心， 探索建设防洪“四预”应用是推动数字孪生松辽流域建设的重要实践， 能够显著提高流域抵御洪涝灾害水平， 同时也为水资源管理与调配等其他业务领域的智能化建设提供借鉴。 目前，松辽流域在基础建设、人才队伍、资金保障等方面仍存在短板弱项，迫切需要增强意识，抓住发展契机，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总体要求，以防洪“四预” 应用为切入点， 举全委之力推进数字孪生松辽流域建设， 提升流域水利数字化、网络化、智能化水平，为松辽流域水利高质量发展提供支撑保障。 ■