数字孪生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现

黄志兴，冯大蔚，马 媛，戴逸聪，胡雪娇

（水利部太湖流域管理局水文局（信息中心），上海 200434）

0 引言

近年来，随着新兴技术的快速发展，数字孪生与流域科学研究和治理管理相结合推动了数字孪生流域的发展[1-3]，数字孪生流域成为智慧水利建设的基础和核心，为物理流域全要素和水利治理管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟提供了技术手段[4-5]，是实现智慧流域管理与治理的最佳技术路径[6-9]。太湖流域河网密布，地势低平，水流往复不定，独特的平原河网为流域经济社会发展提供了良好的水利条件，也决定了流域防洪、水资源、水环境等问题的复杂性。流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性，治水管水必须以流域为单元，实施统一规划、治理、调度、管理[10]。

太浦河横贯长三角一体化生态绿色示范区，上承太湖，下通黄浦江，中连汾湖，全长为 57.6 km。太浦河是太湖和两岸地区的骨干行洪排涝通道，受复杂河网流态及下游潮位顶托的影响，涉及江苏、浙江、上海两省一市不同利益诉求，防洪调度问题非常复杂；同时，太浦河是流域和示范区水资源配置的骨干河道，为浙江省平湖市和嘉善县及上海市西南五区超过800 万人供水。此外，太浦河还是长湖申线航道的组成部分，水运繁忙[11]。因而需要统筹考虑供水与排水、水质与水量、防洪与省市不同利益诉求等[12]，为此，太湖流域管理局（以下简称太湖局）选择太浦河开展数字孪生先行先试建设[13-16]，通过数字孪生太浦河先行先试，在太浦河实现防洪、供水业务“四预”场景化应用，更好地服务太浦河综合调度需要。

1 数字孪生太浦河业务需求及总体方案

1.1 业务需求

数字孪生太浦河先行先试，为科学统筹太湖洪水蓄泄、区域防洪排涝和太浦河供水保障提供支撑。具体业务需求如下：

1） 防洪“四预”场景需求。基于太浦河数据底板和太湖流域河网数学模型等，建设汛情形势总览及洪水预报、预警、预演、预案等模块，根据区域降雨、工程调度变化，滚动预报太浦河洪水水位、流量等信息，按照设定的阈值自动开展水位、风险预警；结合防洪薄弱环节调查和洪水风险图建设成果，对不同调度方案下的太浦河洪水演变过程及影响进行预演，并通过可视化平台进行展示；通过专家经验库等自动推荐优化调度方案，辅助防洪“四预”决策。

2） 供水“四预”场景需求。基于太浦河雨水情、工情、水质等预报和监测信息，结合太浦河数据底板及数字流场信息，综合展示太浦河干支流主要断面水量水质时空变化、水葫芦联防联控等情况；根据金泽水库太浦河取水口锑浓度、氨氮预报结果，系统动态展示相关水质指标变化情况；在发生水质异常事件时，针对污染源位置，可在太浦河 L2 + L3 级数据底板选中太浦河相关工程，通过调整工程调度规则改变水动力边界条件，或采用其他控制污染扩散的方法进行预演，可视化展示不同预案下污染物输移扩散演进情况。

1.2 总体方案

按照水利部数字孪生水利建设相关技术标准，遵循数字孪生太湖总体框架，构建数字孪生太浦河平台框架，提升太湖智慧中心智能水平，开发太浦河防洪、供水 2 个重点业务“四预”应用。数字孪生太浦河总体框架如图1 所示。

图1 数字孪生太浦河总体框架图

数字孪生太浦河总体框架分析如下：

1） 信息化基础设施。太浦河干支流上共有太湖局及两省一市建设的站点 17 处，充分利用现有无人机搭载测流、视频监控等设备，实现对太浦河特定位置和河段水面水流、漂浮物等信息的移动监测；利用已有无人遥控船搭载测流、水质快速监测、水下测量等设备，实现对太浦河特定位置和河段水体的水量水质、水下地形快速监测，为数字孪生太浦河建设提供实时感知数据支撑。

2） 数字孪生平台。依托太湖局已建的监测体系，在已有地形地貌、河湖岸线、水下地形、水利及涉水工程等测量成果基础上，构建太湖流域L1级数据底板，重点建设太浦河 L2 级数据底板和三维地理空间模型；完善太湖洪水预报和水量水质预测等水利模型、智能算法等，升级流域模型平台。构建水利知识库、引擎、应用，初步建成流域水利知识平台。

3） 业务应用。围绕太浦河防洪和供水保障两大业务，在太浦河数据底板、信息采集监控、信息共享及智慧中心搭建的基础上，以“四预”为全过程决策链，场景化打造具有太浦河特色的智能应用。

2 数字孪生平台建设

2.1 数据底板建设

采用优于 2 m 的高精度遥感影像和 30 m 分辨率的 DEM（数字高程模型）等数据，构建太湖流域 L1 级数据底板；利用 DEM 数据获取、正射影像制作、影像融合、三维场景重建方式[17]，获取分辨率优于8 cm 的倾斜摄影数据，真实反映建筑物及周边范围的地形地貌、地表覆盖情况，构建太浦河 L2 级数据底板，结合断面间距为 50～1 000 m，测点距离为 1～20 m 的河道断面测量数据，建设太浦河水下三维模型，并对太浦河水上水下三维模型进行融合衔接；采用无人机航拍，获取太浦闸、大舜枢纽、丁栅枢纽、南岸陶庄枢纽、北岸仓浦港闸、北窑港枢纽、元荡节制闸等优于 3 cm分辨率的水利工程倾斜摄影数据，进行工程单体及周边场景精细化建模。利用多源数据融合技术，实现 DEM，DOM（数字正射影像），DLG（数字线划地图），BIM等地理空间数据高效融合，形成精准映射、优化迭代的太浦河数字沙盘，支撑太浦河防洪、供水业务场景应用。

2.2 模型平台建设

持续完善太湖水量水质模型，利用图像 AI 智能识别技术，建设深度神经网络模型，开发蓝藻、水葫芦等图像识别算法模型。构建集水量、水质、淹涝、蓝藻等多个模型高度耦合的太湖流域模型群，实现多维度、多时空尺度的仿真模拟[18]。预报要素实现了从传统的水位、流量到超警超保和洪水淹涝等区域的风险预测预警。模型平台以微服务方式提供统一调用服务，采用通用化开发封装技术及模型的标准化接口，供各级单位调用，实现跨级共享。

平原区水动力模型共概化河道 1 793 条，总长为15 058.63 km，河道断面为 10 112 个，其中实测断面为 8 781 个，概化断面为 1 331 个，1 km2面积以上的湖泊为 117 个，水利工程概化范围主要包括流域沿江沿杭州湾外边界、环太湖、流域主要控制线、城市大包围及重点圩区闸泵工程，共概化闸泵工程（含船闸）863座。河道均按实际河流走向概化入模型，河网拓扑关系更符合实际情况。在此基础上，根据太浦河两岸地区防洪排涝工程及相关区域骨干工程现状，太浦河周边区域城镇化建设、圩区整治等调查情况，结合2013 年“菲特”、2021 年“烟花”等台风及典型历史洪水资料对模型参数进行率定，优化完善气象部门降雨预报网格与平原河网水动力模型中河网多边形的耦合。针对太浦河水源地锑浓度及 2-MIB（2-甲基异莰醇）异常，收集相关资料确定太浦河锑浓度异常的降雨量预警值并构建相关智能算法模型，为太浦河防洪及供水“四预”提供算法支撑。

2.3 知识平台建设

构建水利知识库、引擎、应用三位一体的数字孪生太浦河知识平台。基于事件驱动的调度知识图谱构建流程如图2 所示[19]，主要针对太浦河区域代表站和调度对象构建调度决策相关关系图谱，形成调度决策知识图谱库，包含调度决策概念分类、实体链接、对象关系建立、对象图存储和查询等功能。调度决策知识图谱建成后，能提供面向流域或对象的相关水质、水量、工程调度等信息的综合形势分析服务，提供相似调度方案的关系建立、图存储和图查询服务，为指挥调度与会商支持提供会商主题相关对象实时信息、历史信息、形势分析、相似调度方案和模拟方案等的综合检索和展示。

图2 基于事件驱动的调度知识图谱构建流程图

3 数字孪生太浦河“四预”业务应用系统建设

3.1 应用架构

依据现有信息、软硬件等资源，采用分布式、微服务、前后端分离等架构模式，进行太浦河数据底板构建与融合、业务应用开发与集成。系统总体框架如图3 所示。

图3 数字孪生太浦河系统应用架构图

面向防洪和供水保障两大业务应用，实现不同来源及结构的数据汇集、整理、存储和服务，通过数据调用、处理、管理等方法，形成对数字孪生太浦河智能应用建设的数据支撑。通过数据和业务中台，打通业务应用之间的关联，建成在线互联、数据共享、业务协同、决策支持的数字化平台。基于太浦河模型平台及可视化分析工具，构建太浦河预警、预报、预演及预案数字孪生业务场景，通过数据和业务中台充分调用已有建设成果，并实现新建业务功能在大屏端和 PC 端应用之间的模块化调用，抽取相关数据服务及功能，建立面向水灾害防御与供水安全保障的大屏展示专题服务。

3.2 关键技术

3.2.1 以事件为驱动的系统设计

基于数字孪生平台，融合水利模型和智能算法，以事件为驱动进行系统设计，通过实时更新监测及预报预警信息，触发系统事件，事件驱动[20]主要划分为防洪和供水保障 2 种调度事件。针对不同事件，“四预”系统会呈现对应的功能和界面，为防洪及供水保障调度提供重要决策支持。2 种调度事件的触发逻辑分析如下：

1） 防洪调度事件触发逻辑。系统自动监测代表站的实时水位信息，当太湖水位高于防洪控制水位时，触发洪水调度事件；当太湖水位超过设计洪水位时，提高洪水风险等级，实施超标准洪水应急方案。根据降雨网格预报数据、风暴潮等信息，通过太湖流域模型滚动计算，进一步分析太湖洪水下泄对太浦河堤防、两岸口门及重要圩区的影响，开展太浦河堤防、圩区风险预警，综合研判工程运行风险，触发洪水调度事件的生成。

2） 供水调度事件触发逻辑。系统基于太浦河及两岸重要区域及控制断面水质监测信息、太浦河倒流关闸、杭嘉湖地区强降雨、突发水污染事件等太浦河供水保障相关的预警指标，自动与供水预警指标体系设定阈值进行比对，当实时监测或预测预报等信息超过设定阈值，触发供水保障调度事件。

3.2.2 数据底板构建

太浦河地处长江三角洲核心区域，河道相对狭小，且受人类活动影响大，两岸码头、公路密集，部分堤防堤身薄弱，部分堤防、闸门因沉降达不到原设计高程，部分护岸损毁，安全隐患多。同时保护对象多，需要匹配堤防、圩区、船舶、水情、水质等数据，采用精细化建模与仿真技术[21]构建太浦河数据底板。在算据上，基于 UE 引擎、GIS、无人机航拍数据、数据治理和服务等技术融合方式构建数据底板，按照 2～5 cm 精度精修整条河段，构建 L2 级数据底板，依据太浦河航拍高精度数据提取太浦河两岸 DEM 数据，通过实时水位与堤顶高程的比对，提高了底板精度；在算法上，太浦河受复杂河网流态及下游潮位顶托影响，通过引入风暴潮模型及提高太湖洪水预报模型精度，进一步提高了太湖洪水下泄对太浦河堤防及两岸口门影响分析结果的精准度。

3.2.3 多源数据融合

《数字孪生流域建设技术大纲》明确了数据底板中基础、监测、业务管理、跨行业共享、地理空间 5 类数据时空基准和内容要求，不同来源的数据各有优劣，如何融合不同来源的数据是关键。数字孪生太浦河建设中应用了 BIM + GIS[22]、模型、基础、业务、文档等数据，并为经过数据校验和清理后的各类数据提供存储资源管理，通过地理空间数据处理与融合技术，实现 GIS 数据与数据底板的无缝融合，完成太浦河河段行政区、河湖水系、圩区、骨干工程等二维图层的深度融合；基于数字高程网格模型，实现洪水淹没计算模型的动态融合；基于太浦河 L2 级数据底板，采用动态加载技术，根据用户的视野自动计算地形分块单元格并进行加载与卸载。

3.2.4 流场动态可视化

利用水流传播算法，模拟太湖水质子在太浦河的运动过程，通过太湖流域水量水质模型预报的太浦河断面流速成果，模拟水质子在太浦河的移动过程，并计算水质子从太浦口到达下游水源地、重要水文站的时间，为供水保障和水环境调度提供决策支撑。同时利用二维粒子流场可视化技术[23]，实现太浦河水体的可视化展示，通过二维网格、河道走向，以及实时监测水位、流量等数据，通过数据等差算法和河道走向识别技术，确定太浦河各二维网格水体流速、流向，实现太浦河流场的仿真动画模拟。

3.2.5 知识图谱构建

针对太浦河调度决策时面向多目标和复杂对象的综合信息检索需求，系统提取太浦河水质水量监测站点、调度工程、管理单位等对象类信息，以及太湖水位、区域水位、调度水质控制指标、调度指令等调度指标信息，以“图”的形式建立太浦河历史水情、雨情、工情、水质等信息与水利工程调度指令的映射关系，在此基础上构建太浦河目标调度响应知识图谱调用引擎，形成“预警分析—相似分析—预报预演—调度总结”的系统自学习、自总结闭环控制模式。根据太浦河当前情势，实现调度方案预案智能推荐、工程调度响应关系自动索引与最优调度方案推荐。

3.3 系统功能

3.3.1 智能驾驶舱

太浦河数字孪生系统基于太浦河数据底板融合汇集太湖水利一张图[24]及共享信息等多个来源数据，结合太浦河 12 个水位站、沿线 80 座控制工程、44 个圩区、40 个排污企业、22 个水质监测站、7 个视频站等信息构建太浦河智能驾驶舱。可实时掌握当前视角下太浦河河道断面、水位、水质、流量、堤防高程等动态信息，并智能匹配周边水位、水质、工程、排污企业等对象。充分将孪生场景与水利对象实时监测和基础等信息进行融合关联，实现物理世界与孪生场景的相互映射、实时联动，提供沉浸式体验服务。

当发生水位接近堤防高程或水质恶化时，系统会进行风险告警提醒，触发系统事件，围绕不同类型事件，面向相关用户构建预报、预警、预演、预案全方位的业务“四预”场景化应用，开展风险研判与处置。

3.3.2 预警预报

系统围绕太浦河供水保障，共享接入杭嘉湖区累计降雨、太浦河干支流水量水质等实时监测和预报信息，同时结合太浦河重要饮用水水源地监测信息，提供锑浓度、氨氮、2-MIB 等水质指标的监视预警服务，动态统计太浦河干流、支流水质站点评价结果，评估区域内水环境形势，为供水调度提炼重要关注对象。

构建太浦河供水预警指标体系，基于太浦河模型平台及可视化分析工具，开展太浦闸流量、代表站水质锑浓度及 2-MIB 等的预警预报，分析未来预报时段太浦河水质变化情况，对于超过预警阈值的预报结果，系统可自动预警并提醒业务用户。预警体系构建及展示介绍如下：

1） 预警体系构建。对预报的干支流主要控制断面 2-MIB、锑浓度、氨氮等水质数据，以及太浦河倒流关闸、杭嘉湖地区强降雨、突发水污染事件等太浦河供水保障相关的预警指标，进行自动告警提醒，通过站点闪烁和颜色表示预警状态。

2） 预警展示。共享接入太浦河沿线金泽、嘉善2 个主要供水水源地水质监测信息及预警阈值等，当发生水质监测异常时，系统自动发布预警信息。利用太湖水量水质模型进行分析，动态展示太浦河上游污染物在太浦河水体中的迁移演变过程，预测太浦河重要饮用水水源地污染物浓度变化趋势。

3.3.3 预演预案

太浦河供水保障预演主要指不同调度情景下的水质预演。利用水质浓度场三维可视化模型，渲染孪生场景不同的调度方案下太浦河干支流重点控制断面、重要水源地水质的变化过程。根据预演分析结果，确定最佳处置预案，并输出预案结果，调度人员进行突发水污染事件的处置工作。系统反馈处置预案的工作效果，并将新的预案存储至预案库中。

4 结语

数字孪生太浦河建设以“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能动”为原则，以提升流域防洪和区域水安全保障等能力为主线，在算据上，将多源数据以技术融合方式构建数据底板，在算法上，构建基于多维度、多时空尺度水文水动力专业模型和智能识别算法的模型平台，模拟仿真太浦河受复杂河网流态及下游潮位顶托的影响，以“图”的形式建立太浦河历史水情、雨情、工情、水质等信息与水利工程调度指令的映射关系，构建基于“水-工-险-灾”的太浦河目标调度响应知识图谱。在此基础上，建立面向太浦河水灾害防御与供水保障的预警、预报、预演及预案数字孪生业务场景，实现洪水、水量、水质等变化情况的及时预测预警，提升应对突发性水事件的快速处置能力，进而降低水事件发生的概率，保障区域水安全，有效减少经济损失。