数字孪生贾鲁河在工程施工期防洪度汛中的应用

刘子涵，李延峰，吕鹏举，赵倩倩

（河南省水文水资源中心，河南 郑州 450003）

0 引言

2021 年 7 月，受台风“烟花”和副热带高压气流影响，以郑州、新乡、鹤壁等河南中北部区域为中心的地区遭遇罕见强降雨，洪水造成了重大生命财产损失，暴露出河道防御体系的瓶颈和洪涝风险管理不足等问题[1-2]。数字孪生是以虚拟模型映射物理实体的方式，对难以实现或成本较高的实体和现象进行模拟和预测，为水利行业管理提供了便捷的技术手段。2021 年 12 月，水利部开启了系统推进数字孪生流域建设的篇章，于 2022 年印发了数字孪生流域建设相关管理办法、技术大纲、导则、技术要求等文件[3-4]。数字孪生流域应用已初具成果，在数字黄河建设的基础上，黄河防汛工作实现了动态感知、预报调度、方案预演、方案对比、预警发布等功能[5]。

洪水淹没分析常用的模型有基于物理原理或数学分析的水文学模型和针对水体流动规律求解基本方程的水动力模型，多模型的联合可用于流域水问题模拟，消除使用单一模型的缺陷[6]。田学民等[7]对马斯京根法进行扩展，在渭河流域下游实现多级多支、干河道洪水演进。运用 MIKE 系列软件进行流域洪水预报的实时校正、桥梁壅水特性分析，河道河势及水域流场形态变化影响分析[8-11]。苑希民等[12]结合模糊和层次 2 种分析法，从致灾因子、孕灾环境和承灾体等方面分析并划分了京津冀洪灾风险等级。李彦萍等[13]从平均降雨量、汇流累积量、坡度等7个方面绘制了道路洪涝灾害风险分区图，服务于洪涝灾害预警和救援。

为保障水利工程安全度汛，可结合水库洪水调节险情分析制定不同量级防洪预案[14]，在张家港市通江口门太字圩港闸站改建施工中，基于 MIKE 11构建水文数字模型，对比不同度汛方案对城市防洪排涝的影响[15]。目前洪水预演多数集中于工程运行期，对施工营地、拦河建筑物和保通道路等施工期特有的风险分析缺乏针对性，施工期信息管理系统多集中在项目进度投资、质量管理、资料管理、视频监控等方面，尚未与数字孪生技术充分融合。因此，本研究采用数字孪生技术对洪水预演情景进行风险分析、预警和预案制定，以保障贾鲁河在综合治理工程施工期安全度汛。

1 工程概况

贾鲁河综合治理工程是河南省 2021 年“7·20”洪水灾后重建的标志性工程，工程全长为 148.6 km，起于郑州市中牟县陇海铁路，止于贾鲁河入沙颍河口，于 2022 年2 月全面开工建设。2022 年汛期前，贾鲁河综合治理工程施工度汛形势严峻，存在主河槽尚未护砌，左右岸堤防部分跨河桥梁处存在缺口，闸门仍不具备控泄和防洪水倒灌能力，沿线部分桥梁填方引道阻水严重，部分施工营地地势低洼，上下游围堰、临时堆土尚未完全清理，导流明渠过流能力有限等问题。通过构建数字孪生贾鲁河平台，智慧化模拟防洪预报调度，既为工程本身安全度汛提供决策支持，又能结合工程现状在流域防洪中发挥作用。

2 技术框架

数字孪生贾鲁河依托河南省水利一张图进行建设，建设内容主要包括数据底板、模型平台、知识平台等，总体架构如图1 所示。其中，数据底板是通过对流域范围内重点区域进行航测，获取数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）和三维实景数据，结合重点建筑单体建筑信息模型（BIM）构建，与前端监测感知数据融合形成流域数据底板。模型平台建设是在贾鲁河流域数据底板的基础上，构建水利专业模型和智能模型，实现在数字空间对流域防洪预报调度的智慧化模拟。知识平台建设包含预报方案库、调度方案库、预警规则库、业务规则库、专家经验库及水利知识引擎等，实现各类预案、规则及经验的管理和应用。在防洪应用方面，数字孪生贾鲁河平台从洪水模拟、风险预警、应对措施等方面支撑在建工程安全度汛。

图1 数字孪生贾鲁河防洪度汛应用总体架构图

根据河南省气象局发布的信息，预测 2022 年河南省淮北地区较往年平均降雨量偏多 20%～40%。针对流域水文条件，设定了 3 种预演情景，分别为流域降雨量级超 100 a 一遇、约 50 a 一遇、约 20 a 一遇情景，如表1 所示。根据模拟结果提取洪水要素及各类风险因子关键指标进行量化分析，实现风险类型、影响范围的划定，并据此制定在建工程防洪度汛措施和应急预案。

表1 3 种预演情景设置

3 防洪度汛应用

3.1 数据底板

工程设计和现状资料、流域水文资料、郑州“7·20”暴雨洪水资料、地理空间数据和共享的河南省气象预警信息共同构成数字孪生贾鲁河的算据。通过无人机倾斜摄影、机载激光雷达扫描、无人船水下地形测量等方式采集地理空间数据，结合工程设计资料，获得贾鲁河施工现状的高精度地形数据，并进行多源数据融合，构建高保真数字化场景，数据底板建设如图2 所示。共完成流域范围内约 520 km2的无人机倾斜摄影、机载激光雷达扫描，获取了贾鲁河、双洎河、索须河等主要河流水库的地形数据，航测成果包含 DOM，DEM 和三维实景模型；测量了 47 处主要河流重点断面，获取了河道断面数据；收集和整理了流域范围内河道、闸站、水利工程、行政区划、用地、市政等相关矢量数据，建设了贾鲁河流域一张图；构建了重点水工建筑 BIM 模型，包括贾鲁河拦河闸、河道及堤防、排水涵闸、公路桥、铁路桥、翻板闸、橡胶坝等建筑物，以及郑州市全市区低精度建筑模型；搭建了上游常庄尖岗水库、中游后曹闸段、下游摆渡口闸段等典型场景。

图2 数据底板建设

3.2 水利模型

基于数据底板提供的数据，采用实测降雨洪水资料时空分析、产汇流模型计算、一/二维水动力等水利专业模型分析方法，对 3 种洪水预演情景下常庄水库溃坝、贾鲁河河道洪水、瓦灰郭防洪保留区、堤里小清河丈八沟汇合口和贾鲁河两侧堤外内涝情况进行模拟。以 DEM 和 DOM 为基础，通过排水通道分析，将整个贾鲁河流域划分为 88 个子流域，并针对不同子流域类型（山区、平原区、城区）分别构建单独的产汇流模型。

3.2.1 一维水动力模型

上游河道采用一维水动力模型，控制方程为圣维南方程组：

式中：Q为流量；A为断面面积；x为河道沿程坐标；t为时间；q为旁侧入流流量；α为修正系数；g为重力加速度；Z为水位；C为谢才系数；R为水力半径。

3.2.2 二维水动力模型

下游淹没范围计算采用二维水动力模型，控制方程为

式中：h为水深；Qx和Qy分别为x和y方向的单宽流量：Vx和Vy分别为x和y方向的流速，Qx=Vxh；Qy=Vyh；J0x和J0y分别为x和y方向底坡，和Jfy分别为x和y方向摩阻坡降，为糙率；q为连续方程中的源汇项。

为实现模拟结果的连续性，二维水动力模型的上边界采用一维水动力模型水位及流量计算结果，二维水动力模型的计算结果传递给一维水动力模型参与下一时段运算。洪水预演情景如图3～5 所示。

图3 后曹闸洪水预演情景

图4 常庄水库洪水预演情景

图5 丈八沟汇合口洪水预演情景

3.3 风险分类

根据水库溃决及洪水在河道内淹没演进、闸站调度洪水模拟、河道流态模拟、河道冲刷淤积模拟，以及洪水进入防洪保留区的洪水演进，积水对外坡脚的浸泡风险等模拟结果，结合各类风险因子的关键指标，分析工程现状存在的漫堤、淹没、冲刷、洪水倒灌、桥梁阻水、堤外积水共 6 类风险，风险分析方法如表2 所示，形成不同预演情景和风险类型下的具体风险点位置。

表2 施工期工程风险类型及风险分析方法

4 结果与分析

4.1 洪水预演结果

贾鲁河中牟水文站位于贾鲁河综合治理工程起点上游 2.47 km 处，实测数据丰富，因此选用中牟水文站断面以下进行洪水预演和风险分析。模拟流域降雨量级超 100 a 一遇、约 50 a 一遇、约 20 a 一遇等3 种预演场景结果显示，随着流域降雨量级增大，施工期风险类型和数量也相应增加，不同预演场景的风险数量及分布如表3所示，施工期风险图如图6 所示。

图6 施工期风险图

表3 施工期风险汇总表

预演结果如下：

1） 对于预演情景 1，发生流域降雨量级超 100 a一遇时，中牟水文站以下 3 d 降雨量为 304 mm，工程将面临 6 类风险，共约有 134 处风险点，工程总体风险较高，应对风险部位采取防范措施，避免人员伤亡和减少洪涝灾害损失。

2） 对于预演情景 2，发生流域降雨量级约50 a一遇时，中牟水文站以下3 d 降雨量为 210 mm，工程将面临 5 类风险，共约有 79 处风险点，工程安全存在风险，此情景在汛期发生的概率较大，应根据影响程度对风险部位提前采取防范措施。

3） 对于预演情景 3，发生流域降雨量级约 20 a一遇时，中牟水文站以下 3 d 降雨量为 150 mm，工程将面临 4 类风险，共约有 38 处风险点，在汛期发生的概率非常大，应对风险部位加强防范。

4.2 风险分析

通过分析中牟水文站以下预演结果，堤外积水风险数量最多，约占 3 种预演场景风险总数的 50.00%～58.96%。漫堤风险仅当流域降雨量级超 100 a 一遇时发生，施工营地和堤防预留缺口即使在预演场景 3下也易淹没，桥梁阻水风险在 3 种场景下数量没有变化。各类风险分析如下：

1） 漫堤风险。图7 为贾鲁河“7·20”洪水模拟水位结果。分析图7 可知：摆渡口闸上，洪峰水位为62.80 m，堤防高程为 63.05 m，仅余 0.25 m 安全超高，存在漫堤风险；李河口闸、彭店闸现状尚不具备控泄能力，闸下泄洪峰流量为 1 450 m3/s，远超设计流量500～970 m3/s 的治理标准，双洎河彭店闸下游左右岸堤防出现洪水漫溢，最大淹没水深达 0.85 m。

图7 贾鲁河“7·20”洪水模拟水位结果

2） 淹没风险。后曹闸施工营地高程为 70.56 m，本次模拟最高洪水位为 71.49 m，高于营地 0.93 m，存在淹没风险；因贾鲁河沿线保留多座桥梁，施工期间在桥梁处堤防设置缺口，以保障道路通行，桥面低于坝顶高程，洪水在缺口处漫溢存在倒灌淹没风险，其中贾鲁河西华县教育大道处缺口洪水位比桥面、路面高 0.34 m。

3） 冲刷风险。在建筑物方面，后曹闸中墩处最大流速为 2.36 m/s，右侧边墩处最大流速为 1.98 m/s，左侧边墩处最大流速为 1.31 m/s，存在冲刷风险。后曹闸导流明渠上下游附近流速较大，达到 1.55 m/s，存在冲刷风险；在堤防方面，贾鲁河西华县附近弯道及河道桥梁处存在冲刷风险。

4） 洪水倒灌风险。当支流与贾鲁河发生同频洪水时，虽然不会发生贾鲁河洪水倒灌，但受贾鲁河水位顶托影响，堤里小清河、丈八沟和康沟河等汇合口位置存在漫溢风险。

5） 桥梁阻水风险。贾鲁河沿线保留多座桥梁，桥梁阻水导致河道洪水位壅高，有效过水面减小，行洪能力减弱。预演结果中，于家桥（桩号 126 + 235）处上下游水位差为 0.12 m，S102 尉州大桥（桩号104 + 200）上下游水位差为 0.10 m，李店—胡辛庄桥（桩号 130 + 225）处上下游水位差为 0.08 m。水位的壅高使桥梁周边堤防漫决风险增加，桥梁壅水漫过桥顶后，易出现桥墩塌陷，对桥身结构稳定有影响。

6） 堤外积水风险。在现状排涝闸未建设的情况下，预演场景 1 中贾鲁河干流左右岸堤防外坡脚存在79 处积水点，坡脚长时间浸泡会影响堤防稳定。

通过模拟遭遇不同降雨量级时的洪水演进情况和风险分析，根据预演结果编制了《贾鲁河综合治理工程 2022 年超标准洪水应急预案》。同时，数字孪生贾鲁河建设集成“四预”功能的巡查平台，实现汛期沿贾鲁河巡查时，系统根据上报水位数据和定位信息，自动演算洪峰到达下游时间，并向相关防汛值班人员发送预警信息。

5 结语

针对水利工程施工期科学分析防汛度汛风险和制定预案的需求，基于数字孪生技术，建立以 DEM，DOM，BIM 及三维实景模型等地理信息数据为核心的数据底板，结合水利专业模型构建洪水预演模型，以流域降雨量级超 100 a 一遇、约 50 a 一遇、约 20 a一遇等 3 类预演情景进行模拟，依据模拟结果量化分析各类风险，制定在建工程防洪度汛措施，编制应急预案。

应急预案经河南省水利厅批准，作为 2022 年汛期贾鲁河防洪度汛的指导性文件，以及防汛人员、物资和设备部署，防汛演练，督导检查的依据，通过与地方政府建立联保机制，贾鲁河综合治理工程在 2022 年汛期中有 3 次洪水过程被控制在河道内。数字孪生贾鲁河通过共建共享，实现数据资源的融合、共享、集约，避免重复建设，节约开支。多源异构数据经采集、融合、集成、审核发布后，形成贾鲁河流域 2022年DOM，DEM，DLG，BIM 和三维实景模型等 7 项资源目录。河南省水利一张图调用贾鲁河流域基础底图、数据底板和模型模拟结果等数据，对工程运行管理起到了支撑作用。随着数字孪生流域建设先行先试工作的深入，对数字孪生技术预期、实践、经验等有了进一步认知，在实际建设过程中应借助试点项目积累经验，在流域防洪精细化管理中发挥积极作用。

随着施工进度不断推进，施工期水利工程的地理空间属性、水域流场和防洪能力处于动态变化中。为修正模型，建立节点与现状间的偏差，提高施工期水利工程防洪预演的现势性。在后续的研究中，可考虑在数字孪生流域建设中融合施工进度仿真动态纠偏方法[16]，制定施工进度控制计划，模拟预测当前施工条件下进度发展趋势，追踪实际施工与控制节点间的差距，若存在滞后，则更新数据底板和模型计算方法，以满足施工期水利工程防洪度汛决策支撑需求。