数字孪生山洪灾害“四预”试点建设构想及展望——以新疆托里县为例

韩 培 王新涛 郭东光 陈 超 董林垚 张长伟 邹明洋

（1.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3.新疆维吾尔自治区防汛抗旱服务中心，乌鲁木齐 830000；4.新疆维吾尔自治区水利厅防御处，乌鲁木齐 830000；5.武汉智城云图地理信息技术有限公司，武汉 430070）

1 研究背景

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，在虚拟空间中完成映射，从而反映实体对象的全生命周期过程[1]。随着云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能AI等高新技术的逐步成熟，“智慧水利”[2]从理论研究走向实际应用，水利信息化转型发展迎来新的窗口期，数字孪生赋能水利行业，成为智慧水利建设的全新路径，也是驱动中国治水现代化的科技引擎。

2021 年3 月以来，水利部相继发布了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《“十四五”智慧水利建设规划》等系列指导文件。水利部部长李国英明确提出：“智慧水利建设，要先从水旱灾害防御开始”，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，构建数字孪生流域[3]，开展智慧化模拟，支撑精准化决策，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案（以下简称“四预”）功能的智慧水利体系。2021 年11 月，水利部副部长刘伟平在开展智慧水利调研时提出：“要抓住数字孪生流域这个关键技术，紧紧围绕防洪、水资源管理等重点区域，选取重点河段或条件较好的工程，先期开展数字孪生流域和数字孪生工程建设”。

新疆托里县数字孪生山洪灾害“四预”试点建设的现实需求。①已建的防洪工程标准偏低、行洪能力不足，如喀甫其克洪沟堤防和防洪渠等。②缺乏完善的山洪灾害监测感知体系。近年来托里县城山洪灾害频发，只有2 个水雨情监测站点，且捕捉数据不及时，难以支撑区域山洪预报的基础数据需求。③严重缺乏山洪灾害预警预报体系。托里县山区基本未开展山洪灾害预报预警工作，仅凭人工经验预判，预报精度较低。④山洪灾害防御措施落后，抗灾能力弱。山区大部分村落未通有线电话，用打锣击鼓方式通知群众防灾避灾，预警信息难以有效传达。加之，农村年轻劳动力流失，留守多为老弱妇幼，抗灾能力弱，预演工作难以开展。⑤数字孪生试点建设工作未开展。

目前，国内外学者对数字孪生流域的研究较多[3-6]，对数字孪生山洪灾害“四预”试点建设方面的研究极少。因此，本文紧密结合国家政策与地区山洪灾害防御现实需求，以托里县为例，提出数字孪生山洪灾害“四预”试点建设的总体系统框架、建设内容、技术路线、实施方法及成果展望，以期形成具有地区特色的数字孪生山洪灾害“四预”平台体系，提升区域山洪灾害防御能力，保障人民生命财产安全，同时为后期新疆“数字孪生流域”和“数字孪生工程”建设奠定一定的基础。

2 试点区概况

2.1 试点托里县概况

托里县位于新疆准噶尔盆地西北缘断山区。托里镇是托里县人民政府所在地，城镇面积8.0 km2，人口约4万人。托里镇平均海拔为1 050 m，属于托里-铁厂沟断陷谷地，呈西南-东北走向，地貌类型以平坦的冲积平原为主，地表多为砂砾覆盖，呈荒漠景观，植被以蒿属和旱生灌木类为主。托里镇山洪沟主要有霍克逊洪沟和喀甫其克洪沟，均属于库甫河支流，发源于加依尔山西北坡，由南往北偏西发育，为季节性洪沟，其来水主要是春季融雪及夏季暴雨山前低矮山区的坡面汇流。近几年托里镇遭遇不同程度山洪灾害，“2016.7.28”特大暴雨洪水共造成646 户、2 800 余人受灾，倒塌和损坏房屋293户、792间，被淹商铺169家，死亡牲畜498只，被淹农作物、草场共计51 780亩，直接经济损失达8 000余万元。

2.2 试点区范围

托里镇上游发育2条洪沟：喀甫其克洪沟支沟一和支沟二。两沟在托里迎宾馆桥处汇流入喀甫其克洪沟主沟，穿过托里镇中心，经由318省道桥后达到江布勒阔拉村，之后洪水冲击力大大减弱，不对周边居民房屋造成威胁，最终消散在托里镇北部戈壁荒漠。结合山洪灾害调查评价成果和现场调研，确定受喀甫其克洪沟山洪灾害影响范围为图1黄框区域，将其作为托里县试点区。

图1 托里县试点区示意图

试点区是以喀甫其克洪沟为中心，周边范围9.73 km2的山洪灾害影响区，涵盖托里镇中心、也木其村、多拉特村、铁斯巴汗村、城效村、江布勒阔拉村等。试点山洪沟全长约3.2 km，拟研究上游山前来水进入喀甫其克洪沟支沟一、支沟二，再汇入主沟，直到江布勒阔拉村洪水削弱以及沿河城镇淹没的全过程。绿色区域为集雨区，是试点区上游山前来水的汇集区。目前，试点区已建水位站1座，集雨区已建雨量站1座。

3 试点建设内容、技术路线和系统框架

3.1 试点建设内容和技术路线

试点建设内容：针对托里县试点区的山洪灾害防御现实需求，开展信息基础设施升级改造，提升山洪灾害监测感知体系；开展数据收集和测量，集成基础数据、监测数据、业务数据、地理信息数据和跨行业数据，建立试点区数据底板；搭建数字化场景，为试点区从物理世界到数字空间的镜像化描述提供数据支撑；根据实际情况，构建气象降雨-水文产汇流模型、洪水演进水动力学模型和山洪灾害风险评估模型，实现山洪灾害的智慧化模拟；以历史案例、专家经验、水利山洪灾害知识作为支撑，构建水利山洪信息知识库，支持多场景的交互式精准决策分析；在上述基础上，融合试点区山洪灾害预报、预警、预演、预案实际需求，开展山洪灾害“四预”平台建设和功能开发，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互和迭代优化，建成物理空间与数字空间互馈的智慧山洪灾害防御体系，技术路线如图2所示。

图2 托里县数字孪生山洪灾害“四预”试点建设技术路线图

3.2 系统框架

托里县数字孪生山洪灾害“四预”试点建设系统框架由信息基础设施、数字孪生平台、山洪灾害“四预”应用平台、运行保障体系和网络安全体系5部分组成（图3）。

图3 数字孪生山洪灾害“四预”试点建设系统框架图

3.2.1 信息基础设施

信息基础设施主要是指基础信息设施的升级和改造，包括水雨情监测升级完善，以及服务器、存储、网络安全等硬件设施购置，信息感知环境搭建。采集基础信息包括水雨情信息、视频图像信息、水利工程管理信息、空天地地理信息、社会经济信息等，通过网络传输到水利云平台进行数据存储和计算。

3.2.2 数字孪生平台

数字孪生平台主要包括数据底板、数字化场景、模型库、知识库4部分。

数据底板包括基础数据、监测数据、业务数据、地理空间数据和跨行业数据的存储、分析，按照国家、水利部相关标准和规范开展数据库整合，同时提供完整的数据资源对外访问接口，实现多维度、多尺度的数据服务能力。

数字化场景是利用GIS、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、可视化[7]等技术手段，构建平面地图场景（L1级）、三维地形场景（L2级）。托里县试点区内无重要水工程，因此，不需要构建三维地形+BIM 场景（L3 级），数字化场景构建为试点区从物理世界到数字空间的镜像化描述提供数据支撑。

模型库是根据试点区实际情况，构建气象降雨-水文产汇流模型、洪水演进水动力学模型和山洪灾害风险评估模型，实现山洪灾害的智慧化模拟、分析和计算。

知识库是以历史案例、专家经验、水利和山洪灾害知识引擎作为支撑，构建包含水利山洪灾害信息的知识库，支持多场景的交互式、精准化决策分析。

3.2.3 山洪灾害“四预”应用平台

在上述研究的基础上，结合试点区山洪灾害实际应用需求，开展山洪灾害预报、预警、预演、预案应用，研发试点区山洪灾害“四预”应用平台。

3.2.4 运行保障体系

托里县数字孪生山洪灾害“四预”试点建设平台是以产品模块嵌套的方式部署在新疆维吾尔自治区水旱灾害监测预警平台上使用，依托该平台的服务为其提供标准化、规范化的保障环境，自治区网络信息中心专门管理员对系统运行进行全面监控，及时处理问题，保障系统安全、稳定和高效。

3.2.5 网络安全体系

依托新疆维吾尔自治区水旱灾害监测预警平台的网络安全统一管理，包括主机、网络、应用和数据等安全管理，保障数据存储、传输、访问、共享及应用的安全高效。

4 试点区具体实施

4.1 信息基础设施升级改造

当前，托里县试点区已建水位站1座、雨量站1座，2个站点运行良好。根据建设需求、布设原则、实地情况和山洪特点，按照“突出重点，均匀分布”原则，在试点区共新建雨量站3座，在已建水位站处增加布设视频图像站1套，配备水尺，可远程观测山洪沟水位及周边环境变化，空间分布如图1所示。充分整合利用自治区水利厅已有基础设施资源，优化现有机房环境、提档升级计算存储设备、网络安全等硬件设施，建设完善的会商调度中心。

4.2 数字孪生平台建设

4.2.1 数据底板建设

数据底板包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等。数据坐标系统统一采用CGCS2000，高程基准采用1985国家高程基准，需收集数据详见表1。对所有数据进行整理、归类，存储到相应数据库管理，向外提供各数据库访问的接口。基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据共同构成了数字孪生平台的数据基础。

表1 试点区数据底板的数据清单表

4.2.2 数字化场景建设

（1）平面地图场景（对应L1级）。平面地图场景的数据包括：试点区基础地理、水利专题数据、水文气象数据、数字地形模型、高分辨率遥感影像、社会经济数据。可视化表现形式为：二维地图、二维影像图、渲染图、热点图、表格等。构建方式：通过Arcgis server 发布天地图服务、地形服务，增加平面地图展示类型，调用地图服务构建平面地图场景。

（2）三维地形场景（对应L2级）。三维地形场景的数据包括：试点区基础地理、水利专题数据、水文气象数据、数字地形模型、高分辨率遥感影像、社会经济数据、数字地形数据、无人机倾斜摄影与三维模型数据。可视化表现形式为：叠加影像的三维地形、无人机倾斜摄影三维实景模型等。构建方式：基于Cesium 三维地球引擎库和WebGL 技术，将地形数据、无人机倾斜数据通过切片服务发布，在Cesium 三维地球上调用地形切片服务和倾斜数据切片服务，构建三维地形场景。

4.2.3 模型库建设

针对试点区应用需求，模型库包括气象降雨-水文产汇流模型、洪水演进水动力学模型、山洪灾害风险评估模型。

（1）降雨产流水文模型。构建时空变源混合产流模型[8]模拟试点区降雨水文产汇流过程，该模型原理为通过划分水文响应单元，基于一维入渗理论的包气带土壤非线性下渗计算方法，计算湿润峰下移和各响应单元的入渗量，定义超渗和蓄满时段转换准则，建立平面、垂向、时段混合的产流模型。构建过程：①基于GIS技术和地形数据，划分地貌水文响应单元，并确定不同响应单元的产汇流模式；对不同产流机制的响应单元使用不同的产流计算方法，建立试点区平面混合产流模型[8]。②对混合产流机制的响应单元，建立垂向混合产流模型[8]，该模型采用组合概念水库的方法来模拟包气带和饱和带土壤水量交换。③采用GARTO 模型方法[8]对试点建设区包气带土壤非线性下渗进行计算。时空变源混合产流模型从平面混合、垂向混合和时段混合3个方面进行试点区时空变源混合产流模拟，为试点区山洪灾害预报、预警、预演提供模型支撑。研究表明[8]：时空变源混合产流模型在中小流域暴雨洪水模拟中明显优于其他水文模型，适合半干旱的无资料地区，这符合托里县试点区的实际情况。

（2）洪水演进水动力学模型。以喀甫其克洪沟流域为工作对象，构建一维河网水动力学模型来开展洪水演进模拟。该模型以圣维南方程组[9]作为控制方程，使用有限差分和有限体积法进行求解，以便获得更强的收敛性能。使用预测-校正分块解法，模拟河网水流运动，实现洪沟内沿程各断面的水位、流量、流速等要素的精确计算。另外，利用二维浅水方程[10]，以沿河城镇为重点，综合考虑堤防、城镇建筑、地形地貌等因素，构建城镇二维水动力学模型，实现对城镇淹没范围、水深、流速等要素的计算，支撑山洪灾害损失风险评估。在以上工作的基础上，通过相互提供边界的方式实现一、二维水动力模型间的衔接[11]，研发一、二维水动力嵌套模型，开展试点区洪水演进过程的多维耦合计算，实现对山洪沟洪水演进（一维）与沿河城镇淹没（二维）的同步模拟，为试点区山洪灾害预报、预警、预演提供模型支撑。

（3）山洪灾害风险评估模型。在洪水演进分析的基础上，①结合城镇洪泛区二维水动力模型模拟，输入不同时频洪水的最大淹深、最大流速、淹没历时等风险评估模型[12]危险性因子，计算当量水深，进行危险度识别与评估；②输入洪水淹没范围内的社会经济数据、基础设施、人口密度和土地利用现状进行承灾体脆弱性分析和评估，计算输出综合风险度值；③基于历史山洪灾害数据，对风险分析成果进行合理性分析，输出得到不同时频洪水下的脆弱性曲线，脆弱性曲线所覆盖的面积为区域洪水风险度，具体算法详见《洪水风险区划技术导则（试行）》，得到山洪灾害风险评估模型。据此预演试点区实时暴雨洪水的潜在山洪灾害损失，为“四预”中的预警、预演、预案决策提供依据（图4）。

图4 山洪灾害风险评估模型示意图

4.2.4 知识库建设

（1）水利信息知识库。知识图谱概念最早是在2012 年被提出，应用在语义搜索来提高检索结果质量。它是一种具有向图结构的知识库，图的节点表示实例或概念，图的边表示实例或概念之间的各种语义关系。知识图谱应用在水利领域，用水利对象数据构建的水利信息知识图谱，利用水利对象间的关联关系，在系统平台中扩展水利信息检索结果的广度，实现水利信息知识的智能检索与推荐。

基于面向水利对象数据的知识图谱构建方法[13]，建立试点区水利信息知识图谱。知识来源：托里县试点区内社会经济数据、河流网络和水利工程信息等。构建方式：①根据《水利对象分类与编码总则》，构建水利信息知识图谱概念层，如洪沟、支沟、水库、水位站等概念节点的定义、属性边、属性值和节点之间的关系。②结合试点区实际情况和知识图谱概念层定义，构建对应的知识图谱实例层，如喀甫其克洪沟、支沟等实例节点、属性边、属性值、各实例节点间的关系及实例节点与对应概念节点的关系，如：喀甫其克洪沟支沟和主沟有汇入关系。③结合水利领域知识，定义知识图谱的推理规则，通过推理规则实例化，获得隐藏在水利信息知识图谱中的知识。如水位站属于喀甫其克洪沟，桥梁横跨喀甫其克洪沟等。水利信息知识图谱构建可建立水利信息知识库，为山洪灾害“四预”应用提供智能快速检索和知识推荐。

（2）山洪灾害防御知识库。知识来源：试点区社会经济情况、山洪灾害调查评价成果、基本情况调查成果、历史山洪灾害数据、山洪灾害防御预案和山洪灾害应急预案等。构建方式：①对山洪灾害调查评价成果、历史山洪灾害案例、专家防治经验进行梳理和总结，录入山洪灾害防御知识库管理；②将编制的山洪灾害防御预案、应急预案进行整理、归类，以文档形式存入山洪灾害防御知识库；③结合试点区现实情况，对各种案例进行分析和挖掘，获取隐藏的知识为山洪灾害“四预”应用提供知识支撑。

4.3 山洪灾害“四预”应用平台建设

山洪灾害“四预”，其中预报是基础，对洪水水位、流量、洪量、淹没影响等要素的预测预报，为预警工作赢得先机；预警是前哨，通过确定预警阈值，与当前预报结果比对分析，发布预警信息和范围，为启动预演工作提供指引；预演是关键，对历史洪水演进过程、城集镇淹没过程进行复演，根据预演结果对模型库中参数进行优化和调整，同时对未来预测的洪水演进过程和淹没过程进行精准模拟和仿真，具备正向优化和逆向反馈的功能，科学制定和优化方案。预案是目的，依据预演确定的方案，结合水利工程现况、社会经济情况，确定参考预案。基于前面的数字孪生平台，研发试点区山洪灾害“四预”应用平台，建立“预报精准化，预警超前化，预演数字化，预案科学化”的智慧山洪灾害防御体系（图5）。

图5 试点区山洪灾害“四预”应用平台框架图

4.3.1 预报

预报内容：①输入实时监测的水文数据、气象数据和下垫面数据，使用模型库中模型计算，获取未来一定时段内降雨、水位、流量和淹没情况等数据，进行试点区水文预报；②在数字化场景中，实现水雨情监测与预报全要素信息的融合展示。

预报功能设计：①实时动态监测雨量、水位、流量等要素，通过图表形式展示，可查询历史数据；②基于动态监测数据，进行资料年份的统计、站点权重分配及面平均雨量计算；③通过水位过程趋势线获取多段洪峰样本数据；依据下垫面条件设置模型初始值，以次洪样本为例，对历史洪水模拟，率定模型参数；在预报过程中，结合实时监测数据对预报模型参数进行微调，最终达到理想的确定性系数和精度；④根据模型计算的确定性系数和实际雨量分布情况，计算预报成果，利用统计图表形式展示。

4.3.2 预警

预警内容：①建立试点区山洪灾害预警指标体系；②根据重要预报节点实时预报水情过程，结合模型库、知识库，分析喀甫其克洪沟洪水组成和未来洪水情势，判断水雨情预报情形下，沿河城镇房屋防控目标的风险等级；③根据山洪灾害预警指标和风险等级，多种形式发布预警信息，智能推荐居民避险转移路线，为预案管理和信息发布提供支持。

预警功能设计：①感知雨量、水位等数据持续超过正常波动范围时，将其与预警阈值比对，同步开展预警指标和范围分析；②确定发布预警信息，以界面红色闪烁警报、界面推送信息框、手机短信形式通知值守人和防汛责任人；③基于山洪灾害预警指标、风险等级和预报数据，在数字化场景下，进行预淹没情况的研判和分析，进行居民转移路线智能规划与显示。

4.3.3 预演

预演内容：①根据实时监测的水雨情数据，在三维数字化场景中，用模型库动态模拟洪水演进过程、沿岸城镇淹没过程；②采用山洪灾害风险评估模型，计算城镇淹没损失，评估山洪灾害风险，如淹没面积、淹没耕地、财产损失、影响人口、重要设施影响等，进行多方案对比与分析，制定应对方案。

预演功能设计：①根据历史灾害数据、知识库等，对历史洪水过程和城镇淹没过程复演，对复演结果进行分析，调整模型库参数和优化模型；②基于雨量、水位、流量和地形数据，设置不同情景参数，用模型库进行洪水预报；③基于预报结果，用模型库进行洪水演进计算；④在三维数字化场景中，进行洪水过程反演，模拟沿岸城镇淹没过程，采用不同颜色水深体现淹没程度；⑤采用模型库、知识库进行淹没城镇损失计算，评估山洪灾害风险等级；⑥通过修改不同的边界条件、堤防高度等参数，用模型库计算洪水演进成果；在三维数字化场景中模拟不同条件下洪水演进过程和沿岸城镇淹没过程，用模型库、知识库评估不同条件下损失，生成应对方案，为预案提供决策分析依据。

4.3.4 预案

预案内容：利用知识库、预演结果和应对方案，综合考虑现实工况和社会经济情况，对各方案进行比较，优选出抗御不同等级山洪灾害的预案。

预案功能设计：①根据洪水演进结果、城镇淹没范围和损失情况，编制相应的山洪灾害预案；结合现实工况和社会经济情况，规划居民转移路径和相应解决措施；②分析当前试点区山洪灾害情况，结合相应解决措施，进行各方案比较，推荐最优预案以供决策者参考。

5 结论与展望

试点建设的成果是托里县数字孪生山洪灾害“四预”应用平台，它涵盖了信息基础设施、数据底板、数字化场景、模型库、知识库和山洪灾害“四预”应用。通过试点建设的实施能有效地解决当前托里县监测站点稀缺、无资料等问题，同时能大大提升托里县山洪灾害监测预报预警的水平，不再依靠人工经验的低精度预测预报，做到山洪灾害预报精准化，预警超前化，预演数字化，预案科学化，能解决当前托里县山区预警信息难以传达、农村预演工作难以开展的现实性问题。能提升地区山洪灾害防御能力，保障人民生命财产安全，为后期新疆“数字孪生流域”和“数字孪生工程”建设奠定一定的前期基础，并提供参考价值。