数字孪生甬江流域水资源“四预”应用研究

李卫政 ，谈娟娟 ，张语涵 ，王海华 ，桑银江 ，林鹏飞

（1. 宁波市水资源信息管理中心，浙江 宁波 315000；2. 宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 宁波 315000；3. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

水资源是经济社会发展的基础性保障，我国人多水少、水资源时空分布不均、水资源短缺、水污染严重、水生态恶化的基本水情，制约着经济社会的可持续发展。结合水资源业务与现代信息化技术手段，建设具有“预报、预警、预演、预案”功能的水资源“四预”应用，对全面贯彻新发展理念，提高水资源保护和节约集约利用水平，推进水资源管理数字化、智能化、精细化、标准化与现代化，提高水利行业的科学管理水平有着促进意义。

2022 年 2 月 21 日，水利部印发《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，计划用2 年左右时间，在大江大河重点河段、主要支流开展数字孪生流域建设先行先试[1]。此前，水利部已印发了《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》和《数字孪生流域共建共享管理办法（试行）》等，确定了数字孪生流域建设目标、范围、任务，并明确数字孪生流域是智慧水利的核心与关键。

宁波市可划分为甬江与独流入海 2 个流域，其中甬江流域有甬江、奉化江、姚江 3 条主要河流，所建的大中小型水库是中心城区的主要供水水源。为满足经济社会发展条件下日益增长的水资源供给保障要求，现状条件下，宁波市基本形成“点（水源群）—线（引水干线）—点（水厂群）—网（供水网）”和“多水源联合调度、多管道联网供水、多水源互为备用”的水资源供给保障格局，供水线路主要分为东、西2 条，东线供水水源以白溪、横山、横溪等水库为主，西线供水水源主要以亭下、皎口、周公宅、溪下等水库为主，境外为钦寸水库[2]。这样的联网供水情况需要信息化建设来支撑复杂的调度计算工作，当前宁波市水利信息化建设虽然取得了一定成效，但与水利部打造数字孪生流域的更高要求相比，仍然存在水资源专业模型精细化程度不够、水资源管理与调配体系不完善的问题。在此之际，数字孪生甬江建设入选数字孪生流域建设试点，而水资源管理作为数字孪生甬江2 项主要任务之一，具有重大的研究意义。

1 研究目标及业务需求

1.1 研究目标

为满足宁波市水资源在不同时空下合理分配的需求，落实以水定城、以水定地、以水定人、以水定产的“四水四定”原则，实现水资源利用最大化，深度融合数字孪生、BIM 建模等现代化信息技术，以“四预”流程为导向，调用来水预报分析、需水预测分析、水资源优化调配等各类水利专业模型，构建具有“预报分析—监测预警—调配预演—调度预案—动态评价”的水资源管理与调配系统[3]，打造甬江流域水资源调度数字化治理新模式。

1.2 业务需求

针对研究目标，数字孪生甬江流域水资源管理与调配系统业务需求如下：

1） 强化全市水资源合理利用，提升水资源调配能力的需要。宁波是“水乡”，但水资源相对短缺，人均水资源量仅为全省人均水资源量的 59%，全国人均水资源量的 55%。由于水资源量年内、年际分配不均，地区分布不平衡，加之部分水体受到污染，遇干旱年份，部分地区会出现严重的供需矛盾。围绕区域水资源在不同时空下的合理分配需求，构建水资源动态调配应用体系，可为推进水资源集约安全利用提供智慧化决策支撑，提升区域水资源优化利用及合理配置能力。

2） 实现区域水资源动态评价，支撑水资源动态管理的需要。现有的水资源管理信息多以月填报、年统计为主，为促进现状管理模式向动态化、精细化转变，从水资源动态评价角度出发，模拟流域水循环过程，可得到重要断面、行政区和流域多时间尺度的水资源动态评价成果，辅助实现历史、当前、未来水资源情况的快速分析计算，为合理制定水资源开发、利用、节约和保护等相关决策提供基础支撑。

2 水资源调配模型构建

基于水资源的预报、预警、预演、预案，研究设计来水预报分析、需水预测、水资源优化调配、水资源实时分析评价、水资源预警等模型，对水资源模型结构进行扩充升级，最终实现甬江流域水资源的智能优化调配与管理。

2.1 来水预报分析模型

2.1.1 指定频率来水计算模型

设计指定频率的来水计算模型，用于未来时段的水库来水计算。来水计算模型基于降雨量、入库径流量的水文统计特性，通过皮尔逊 Ⅲ 型频率曲线分析甬江流域内各水库的历史长系列降雨量、入库径流量与出现频率之间的定量关系。通过拟合分布特征参数绘出降雨量、入库径流量频率曲线，结合输入的频率值进行未来降雨量、入库径流量的计算。

2.1.2 来水预测模型

遵循自然规律，在总结分析典型历史事件和掌握现状的基础上，联动气象中长期降雨预报，基于来水预测模型对未来宁波大市的来水分布、过程及来水量进行预测预报，实现水资源来水短期预报、中期预测、长期展望。来水预报分析模型框架结构如图1 所示。

图1 来水预报分析模型框架结构图

2.2 需水预测模型

考虑到水资源调度的实时特性，将每个受水单元的需水量分成相对稳定的生活、工业生产、生态用水，以及农业用水 2 个部分，分别采用定额法、回归分析法、机器学习等算法构建不同类型的需水预测模型。需水预测模型结构如图2 所示。

图2 需水预测模型结构框图

2.3 水资源优化调配模型

建立全市多水源和多用户配置关系，按照工程约束限制和调控规则，针对区域需水和水源条件，按照水源均衡配置和水平衡的原则，提供年度区域水量分配、水源配置及缺水结果等内容[4]。设定不同来水条件下的水量分配形成方案库，支撑分区用水计划和供水风险预判。

按水库—水厂—受水区 3 个层级进行概化，可模拟水库供水量、分水量，水厂供水量，受水区供水量、缺水量等信息，模型计算中共包括 49 座水库、56 座水厂。供水系统概化如图3 所示。

图3 供水系统概化图

中心城区平原河网概化为海曙片、奉化片、鄞州片水网，结合供水和排水渠道概化实现生态用水、工业用水、农业灌溉、泄洪等任务的模拟。平原河网供排水关系概化如图4 所示。

图4 平原河网供排水关系概化

分析气象预报条件下的水库入库流量、河道径流量，按照现有调度规则和水源地水质预测可供水量状况，分析供需结果、蓄水状态、河道生态流量状况，提供预警信息。根据水资源现状、来水预报、取用水需求，优化形成基于多目标统筹的长、短期嵌套的动态配置调度方案，并可配合数字化大屏实现“一屏掌控”。

2.4 水资源实时分析评价模型

综合考虑水资源自然循环和开发利用等因素，水资源实时分析评价模型全面给出水资源综合评价结果，涵盖降水、蒸发、下渗、地表产流、汇流、地下径流、地表水与地下水转换等水循环全过程相关要素，以及取水、用水、耗水、排水等水资源开发利用活动的影响。根据水资源管理需要，以日、旬、月、季、年等时间尺度，以及水资源分区套行政分区等空间尺度构建水资源评价指标体系，可输出降水、地表径流、蒸散发、地下水补给/排泄、地下水潜水蒸发、土壤水分变化、水库水位变化（蓄变量）、出入境水量等动态评价成果。

2.5 水资源预警模型

根据实时监测数据，水资源预警模型核算区域实际用水量、断面下泄水量和流量等信息，对超许可取水、取用水总量及进度等要素进行预警，结合预警要素的阈值范围，运用定量和定性分析相结合的方法，输出预警要素的预警等级或具体数值。

3 水资源管理与调配业务应用

基于水资源调配模型，开发水资源管理“四预”业务应用，水资源管理与调配系统功能结构如图5 所示。“四预”业务应用以及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案、多维动态评价为预期目标[5-6]。

图5 水资源管理与调配系统功能结构图

具体分析如下：

1） 及时准确预报。水资源精细化预报为水文模型的计算提供了更加精准的输入条件，利用多种预报模式，为快速、科学预报调度决策提供了技术支撑。跨区域集成多部门数据，同时融合多源和多尺度数据信息，利用数字孪生技术将这些数据融合为可供利用的形式，进一步进行分析、决策、优化与可视化呈现，实现及时准确预报。

2） 全面精准预警。集成流域雨水情，水源地和水厂及管网的流量、水质、水压、视频等实时监测监控信息，扩展甬江流域水资源监测风险影响和薄弱环节判别等，提高水资源调配预警时效性、精细度，扩大覆盖面。建立宁波市水源地、取水口、水厂、水库等影响对象之间的联系，实现水资源调度预警一体化。实现水量水质精细监控，为水资源“三条红线”管理、调配决策提供基础数据支撑。

3） 同步仿真预演。根据水资源调配边界条件，进行不同情景下供水仿真预演计算，结合数字孪生平台，在三维场景中直观呈现当前预演情景结果。同时，可聚焦任一水源地或水厂，放大浏览水源地-水厂数字拓扑网络，直观展示需研判的水源地-水厂拓扑关系，并快速实现水资源调配动态会商。可充分发挥宁波市水利水务一体化管理体制优势，实现水资源全链路的数字孪生，提升供水从“源头到龙头”的精细管理水平。

4） 精细数字预案。通过重点构建水资源管理与调配数字化预案场景，开发不同来水、调度措施及目标下的调度预演及多预案自动比选功能。能够有针对性地进行预判决策，大幅度提升水资源管理与调配业务的科学化水平。

5） 多维动态评价。构建流域水循环模型可视化场景，定制不同尺度（年、月、日）的水资源动态评价成果展示功能，可辅助实现历史、当前和未来等水资源情况的快速分析计算，支撑各类水资源监管报告的快速编制。

3.1 水资源预报分析

水资源预报分析基于模型平台的水利专业模型，遵循自然规律，总结分析典型历史事件并掌握现状，充分利用宁波市智慧水利已建模型成果（包括指定频率来水计算、水资源供需分析等模型）及新建的来水预报、需水预测模型分析成果，实现在线化、流程化的水资源预报分析服务。基于流域数字孪生场景，实现来水预报及需水预测成果的展示，实现流域内未来一定时期内水资源情况的预报分析。水资源预报分析业务应用介绍如下：

1） 多频率来水预报。接入流域重要雨量监测点的历史长系列降雨数据，自动调用后台的来水预测模型服务，开展水库入库径流及重要河道断面的降雨预报，展示不同来水频率（50%，75%，90%，95%）下的来水预报结果，主要包括来水分布、过程和总量等。可基于旬、月、年尺度自动分析来水统计特征值。

2） 需水自动预测。基于构建的需水预测模型，对计算片区的生活、生产、农业、河道外生态用水和河道内生态流量目标进行计算，并将需水预测结果进行统计及展示。系统平台能够实现对预测结果的对比分析，并提供人工修正功能，最终形成用于优化调配的需水预测结果。

建立信息发布平台，采用大数据、互联网等技术，将近3-5年内可转移转化的科研成果、专利等信息经过整合后汇集至信息平台。将信息平台推广至企业，企业可以查看最新的科研成果，也可发布近期需求。利用大数据等技术将双方信息进行匹配，匹配度高的需要重点关注、重点规划，进行转化。定期开展调研交流、成果展示活动，或聘请一些企业家顾问，打破壁垒，充分了解市场的需求，使高校和企业的信息充分交流互通。

3） 供需关系配置。考虑水库供水条件的变化、水厂合并等未来的变化因素，开发水资源供需关系配置功能，对区域所有的水资源调配工程、分水节点等要素进行灵活配置，包括这些工程是否参与建模和计算、分水比例等，以灵活调整水资源供需关系网络。

3.2 水资源综合预警

基于数字孪生流域场景，展示水资源综合预警信息，水资源综合预警包括水源地水量、水质监测预警，以及取用水监测、引调水监控、供需缺口等预警，可提供实时数据查询、超限预警等服务，为水资源“三条红线”管理、调配决策提供基础数据支撑[7]。

水资源综合预警业务应用介绍如下：

1） 水源地监测预警。包括河流和湖库等信息的监测，主要进行水位、流量、水质、蓄水量的监测，对超阈值的数据进行预警，并结合数字孪生场景与地图，进行数据查询与展示。

2） 取用水监测预警。基于《甬江流域水量分配方案》，提供各区域（宁波市区、余姚市、慈溪市）超许可取水、取用水总量（生活和工业用水）的监控预警，取水口的空间分布及实时取水量信息的查询展示，取水单位、许可信息查询等功能，对超许可取水、取用水进度偏快等情况进行实时监测预警，实现流域、区域取用水的精细化管理和超前预警。

3） 引调水监控。实时展示“两纵四横”配水通道引调水量信息。“两纵”为自南向北联通钦寸、亭下等 4 座水库引水至杭州湾的宁波市水库群联网联调西线通道，自南向北联通白溪、横山等 7 座水库引水至北仑的宁波市水库群联网联调东线通道。“四横”为清溪水库至象山三门湾配水通道、白溪水库至象山引水通道、宁波市东西线联通及市区沿海通道、绍兴汤浦水库至慈溪引水通道。

4） 调配缺口预警。基于全口径水资源调配成果，对各计算片区各行业的需水缺口进行预警，采用红、橙、黄、绿四色预警形式进行分级展示。系统展示各计算片区生活、工业生产、生态、农业的缺水量及缺水率，将缺水率的大小按照四色预警形式展示预警状态。

3.3 水资源调配预演

集成耦合水资源基础信息、管理调配运行相关信息及边界条件，实时分析不同情景下水资源调度面临的风险形势，为水资源调度预演提供科学分析及在线模拟平台，实现对水资源调度方案的模拟仿真预演。基于流域数字孪生场景，可呈现区域水资源供需网络、水资源年和月调配方案信息等，支撑区域水资源调配预演信息的多维展示[8-9]。

1） 调配情势分析。主要根据水资源预报分析及综合预警结果，对各计算片区内的预报来水量、需水量、供需缺口、预警信息等进行综合展示。结合地图，对未来一段时间内的水资源调度综合信息进行关联展示。

2） 调配模拟仿真。主要调用水资源优化调配模型，结合不同的调配情景进行调配模拟仿真计算，生成不同预演场景下的调配方案，主要包括水资源调配参数设置、年调配计划模拟计算和月调配方案滚动更新方面的内容。

3） 调配预演会商。调度预演过程中，除需要模型、算法等强力支撑外，还必须强调人的参与和干预。该模块可以对生成的调度方案进行预演会商和深度分析，在系统操作上，通过改变约束、初始和边界条件等一系列交互因子，调整调度模型参数，构造不同调度预演情景，供多轮会商分析后综合研判。

4） 调配综合评价。构建水资源调配方案评价指标，包括供水保证率、缺水深度、水库弃水量、生态流量保障程度、水厂负荷程度和供水均衡度等，对水资源调配预演形成的各个方案进行方案评价指标计算。对各个方案进行多指标综合评价，结合水利工程运行状态和调度最优目标实现情况，选出最优的方案作为推荐方案。

3.4 水资源调度预案

依据水资源调配预演确定的最优方案，制定工程调度机制及相关非工程措施并组织实施。基于方案生成调度和控制指令，下发至工程管理单位，并对工程执行情况进行反馈及指令实时跟踪，有效提高调度预案的科学性和可操作性。基于数字孪生场景，对水资源调度预案及指令进行三维可视化展示。

水资源调度预案业务应用介绍如下：

1） 工程调度运用。针对水资源调度工程措施，结合实际调度及管理需求定制工程调度指令模板，明确规定各类水利工程的具体调度方式，提供工程调度指令在线生成功能。

2） 非工程措施制定。针对水资源调度非工程措施，用户可结合实际调度及管理需求，根据调配预演成果制定非工程措施指导文件，主要包括水量调度工作总结、用水监督检查报告等，可提供非工程措施指导文件的在线编辑、查询管理等功能。

3.5 水资源动态评价

基于水资源实时分析评价模型实现区域水资源分析评价的实时化、可视化，全链条感知水循环过程，动态评价流域、区域的出入水量，可全面剖析区域水量平衡状态，满足水资源考核评价需求，大幅度提升水资源评价、统计和核算工作质量与时效性[10]。

水资源动态评价业务应用介绍如下：

1） 评价成果展示。根据水资源管理需要，选择不同的时间及空间尺度进行成果展示，包括降水、河川径流、蒸散发、地下水补给/排泄、水库水位变化（蓄变量）、出入境水量等动态评价成果。

2） 水资源监管报告。利用水资源动态评价结果实现水资源监管月报、季报、年报的自动生成，在线定制水资源监管报告的模板，系统自动调用评价结果，一键生成水资源监管报告，提升水资源动态监管能力。

4 结语

结合水资源在不同时空下的分配需求，通过水利模型与业务的深度融合，设计数字孪生甬江流域水资源“四预”闭环管理。基于水资源调配模型构建具有“四预”功能的水资源管理与调配应用系统，实现水资源实时评价、来水预报、需水预测、水资源供需分析、智能化动态调整服务等一系列的在线化和流程化水资源预报分析及优化调配服务。

数字孪生甬江流域水资源“四预”应用具有一定的实用意义：精细化的水资源模型和完善的水资源管理与调配应用体系极大提升了水资源管理能力和效率，是适应新时期水资源管理与调配工作需要和满足智慧水利要求的应用，是发展数字化治理新模式、强化科技创新引领、提高水资源利用效率和效益、推动智慧水利高质量发展的重要探索。下一步，应将数字孪生甬江流域水资源“四预”应用投入实践，不断优化模型结构与参数，强化场景应用和数字赋能，为流域水资源管理业务应用扩展提供可复制经验。