数字孪生水网（杭嘉湖平原）综合应用研究

欧阳宁雷 ，陈 杭 ，顾 凯 ，柳 涛 ，杜 娟 ，吴尹霞 ，许潇杰 ，王 凯 ，勾 鹏

（1. 南湖实验室大数据技术研究中心，浙江 嘉兴 314001；2. 嘉兴市水利局，浙江 嘉兴 314001；3. 上海协济科技有限公司，上海 200433；4.长三角（嘉兴）城乡建设设计集团有限公司，浙江 嘉兴 314050）

0 引言

由于近年来全球性的气候异常和东部地区城镇化快速发展，洪水、暴雨、强潮和下垫面剧烈变化的综合影响加剧了平原河网水文条件的复杂多变。水情是嘉兴市最重要的市情之一[1]，河湖水系承载了嘉兴市防洪、除涝、供水、航运、水生态、水文化、滨水产业等多重功能，是嘉兴长三角一体化高质量发展的重要支撑，独特的平原河网水系也决定了水灾害防御等问题的复杂性、艰巨性和长期性。水旱灾害频发、水资源短缺、水环境污染和水生态损害等，已成为困扰城市安全、环境治理和区域可持续发展的重要问题。传统的二维 GIS 只能笼统、粗略、宏观地进行数据分析，在场景表达上单一且抽象，无法满足水利精细化管理的要求[2]。水系统演化具有很强的不确定性，在科学本质上更具有综合性、协作性和跨学科性，需要使用新工具进行处理分析和洞察理解[3]。

数字孪生的核心是构建仿真模型以实现信息空间和物理空间的无缝集成与实时映射[4]，从而对物理空间对象进行全生命周期的管控，降低复杂系统预测不确定性，规避应急事件带来的风险。数字孪生水网是实景三维、GIS、大数据、物联网、云计算、智能传感等新兴技术的融合应用，实景三维 GIS 能够高逼真、高精度还原现实场景，为智慧水利治理提供可视化、直观化、立体化的环境与空间信息，因此用实景三维GIS 打造智慧水网，具备场景还原更真实、智慧化数字模拟更准确、辅助 AI 风险预警更智能等多种优势，以实时同步、虚实映射、高保真度等特性，为拓展水利科学研究提供了一种新的工具[5]。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”[6]。为使江河湖泊更好地造福人民，必须跟上数字时代的步伐，充分利用数字化、网络化、智能化，赋能水利[7]。为解决好水问题、发挥好水优势、保障好水安全，嘉兴市以数字孪生流域建设为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径启动了数字孪生水网（杭嘉湖平原）综合应用。

嘉兴市数字孪生水网以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路为指引，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总体要求，依托数字孪生技术，以算据、算法、算力为支撑[8]，突破原有经验调度、分散式调度模式，兼顾水灾害、水资源、水生态、水环境，实现物理水网和数字水网的动态实时信息交互深度融合，统筹跨区域、层级的水利工程一体化联合调度，突出孪生水网的实时性、真实性、可用性[9]，为平原水网地区信息化工作提供先行示范。

1 区域概况

嘉兴市位于浙江省东北部、杭嘉湖平原腹部地带，东南毗邻钱塘江、杭州湾，洪涝、台风等自然灾害频发。陆域总面积为 4 230 km2，占杭嘉湖平原总面积的56.9%，市境内河泊众多，河网密布，全市河道、湖泊水域面积合计为 311.53 km2，水面率为 7.96%。嘉兴市属于典型平原河网地区，地势低洼，大部分区域低于预定洪水水位标准[10]，腹部地区存在北排太浦河、东泄黄浦江、南排杭州湾交错区，河道流量小，流速低，河水流向、流量多变，流动往复，边界复杂，同时调蓄有限，疏围结合，功能诉求多，水网功能交织，行业间水事关系复杂。水利工作面临的困难包括以下 4 个方面：

1） 防御典型大洪水能力不足。平原河网水系常受太湖和杭嘉湖西部下泄洪水严重影响[11]，区域洪水外排受黄浦江、钱塘江潮位顶托[12]。水利工程众多，防洪依靠南排工程、城防工程和 300 多个重点圩区工程的协同调度，强降雨集中排涝时，流域防洪压力大[13]。

2） 水资源总量较少[14]。嘉兴市地处长三角核心区域，人口集聚，产业发达，对水资源的需求量随着经济的高速发展急剧增大，然而本地多年平均水资源量仅为 24.07 亿 m3，在全省大陆地市中最少。平水年全市人均水资源占有量为 445 m3，不及全省人均水资源占有量的 1/3、全国人均水资源占有量的 1/4。

3） 嘉兴市可调蓄能力不足。市域内 7 个水源地无调配能力，主要依赖过境水量和境外千岛湖引水。过境水量在汛期、非汛期差异大，来水水质不稳定，常劣于本地水质[15]。

4） 水环境治理压力较大。嘉兴市平原水网的浅水特点导致水体流动性差，水系功能性矛盾突出，水环境压力与日俱增，难以探寻水生态与行洪航运、取水排水、滨水游憩等需求间的平衡点。

2 建设内容

数字孪生水网（杭嘉湖平原）综合应用引入“泛在操作系统”概念，为应用层提供统一的数据服务，合理高效地分配信息，构建开放、共享的开发环境，丰富“小前台、大中台”的应用生态，提升平台整体的服务质量，实现各种业务工作流程的界面化配置和管理。同时依托嘉兴市水管理平台和市政务云平台，提供实时、高效、精准的计算分析服务，支撑预测预报、智能分析、调度模拟、方案优选等功能。

重点围绕嘉兴市的骨干河道、堤防、圩区、南排杭州湾等处的水利工程，实现市县跨层级和部门的数据共享、互联互通、业务协同，重点打造拥有综合感知、预测预警、分析研判、指挥决策等多项重要功能的数字孪生水网体系，打造升级版看水一张图、调水一盘棋、管水一平台。嘉兴市数字孪生水网整体架构如图1所示。

图1 嘉兴市数字孪生水网整体架构

2.1 数据底板

底板建设过程中需要大量地理空间数据支撑模型平台进行数据分析。嘉兴市作为全国首批新型基础测绘[16]试点城市，相关测绘地理信息数据资源丰富，类型多样，已建成全范围覆盖、实时动态更新、丰富全面的基础测绘地理信息体系。地理信息经赋予的唯一实体空间身份编码实现实体化，并关联相关业务部门政务专题数据 9 000 万余条，物联网感知数据1.2 亿条，构建了智慧嘉兴时空大数据体系[17]，打造了满足数字政府应用需要的统一地理底板，形成了地理信息资源全市统一分发、更新和支撑，以及部门协同应用的公共服务新模式。

L1 级数字孪生底板使用覆盖嘉兴市全域的分辨率为 0.8 m 的遥感影像，基于遥感影像自动解译技术，快速识别地物信息，实现 2 次/a 对全域地物的精准分类和信息解译。L2 级数字孪生底板覆盖嘉兴市中心城区、海盐塘干流及两岸圩区等防洪排涝受益区 708.8 km2，包括亚米级多视角影像、DEM（分辨率优于 2.5 m）、骨干水网堤顶高程、圩区堤顶高程、海盐塘水下地形等数据。L2 级数字孪生底板对区域内所有地理实体做了行政区块划分，点击任意一条河流干道均可查看实体空间身份码及对应实体（水系、交通、建筑物、泵站、闸口等）的基本信息。L3 级数字孪生底板面向南排杭州湾核心水利工程——南台头枢纽进行 BIM 建模。数字孪生底座依托浙江省一体化数字资源系统（Integrated Resources System，简称 IRS系统），通过实体空间身份码将城市建筑、社会经济、气象降雨、河道水位、雨情、工情、视频等业务数据与地理实体信息进行融合，结合遥感影像与三维倾斜数据，将水网水流流向、流速、水位高度、圩区排水情况、淹涝范围等嘉兴水域相关数据在驾驶舱上进行三维实景展示，管理维度由二维空间跃升至三维空间，最终形成场景化、多元化、可视化、数字化的孪生水网场景。

此外，收集整理土地利用数据，概化河道共 725 条，其中县级以上河道 137 条（包含市级河道 26 条），概化河道总长度达 4 880 km，平均断面密度达 1.5个/ km；概化面积大于 1 km2的圩外湖泊共 53 个，总湖泊面积约为 118.4 km2；概化圩区共 782 个，面积为 2 194.9 km2；概化闸泵工程共 74 座。并对区域范围内的河湖取水口位置及规模进行概化，接入嘉兴、平湖、王江泾等20 个实时雨量站点，洞庭西山、米市渡等边界水位站点，澉浦、乍浦、盐官 3 个外潮位边界站点，23 个区域内部代表水位站点，以及太浦闸站的实时流量。

2.2 数据收集

结合实际业务需求，遵循需求牵引、应用至上的原则，按照业务使用优先级，通过融合集成平台分批汇集数据，主要包括水利对象基础、实时监测（含历史数据）、水利业务、地理空间、卫星遥感、多媒体及手工等数据类型。行业内部主要对实时雨水情、水资源等数据资源进行全面整合，实现“一数一源”；外部主要整合自然资源、生态环境、气象、住房和城乡建设等部门以接口或离线方式共享的数据。收集的数据清单如表 1 所示。

2.3 模型平台

模型平台是基于数学模型和物理仿真技术的虚拟平台，用于模拟、优化和管理平原水网系统。随着信息技术的不断发展和智能化水管理需求的增加，数字孪生水网模型平台成为实现水网系统精确模拟、智能优化和决策支持的重要工具。构建以下模型平台：

表1 数字孪生水网（杭嘉湖平原）数据清单

1） 专业模型。嘉兴市数字孪生智慧水网的模型平台建设，根据嘉兴地区河网特性优化水文水动力模型，同时建设、完善嘉兴市水量水质模型，模型平台的算法构成如图2 所示。

图2 模型平台算法构成

水文水动力模型主要通过新增高精度下垫面数据、圩区工程概化、优化下垫面分类及建立分布式产流模块计算等方法，提升模型预报精度和准确度[18]。开展试点范围圩区资料（涉及堤防、工程布局、调度等）收集分析工作，对已有的圩区调度规则、工程布局、河道规模等资料进行整编和概化处理，根据区、县圩区控运计划，完成圩区调度原则梳理，进一步收集整理区域骨干河道断面数据，开展试点范围河道细化建模。

水量水质模型的建设则重点针对应用区域水量模型（水利工程、圩区调度模拟模块）和水质模型（污染负荷、水质模块）进行完善，构建城防工程范围、44 个圩区内外的一维河网水动力模型和二维地表风险分析模型，综合考虑河道洪水、漫堤破圩及设计暴雨过程，引入并行计算，模拟不同洪水场景下的洪水演进过程（包括不同时刻的河道断面水深、流速、流量），以及暴雨内涝过程（流速、淹没水深和范围）。

2） 可视化模型。通过对嘉兴市水利物理世界实体进行可视化建模，为嘉兴市智慧水网的应用提供场景化、可视化支持。本研究可视化模型主要包括自然背景类、流场动态类、设备运行类等，并进行相应的封装入库，根据不同场景需求，补充孪生场景库，实现嘉兴孪生水网可视化，呈现预报、预警、预演、预案过程场景。

2.4 知识平台

知识平台以水灾害防御为切入口，完善知识库，搭建水利知识图谱[19]。知识库主要包括分析控运计划形成的业务规则库，针对防汛防台，实地调研防洪相关应急预案、水利工程调度规程、汛期调度运行计划等防汛业务数据，结合专家经验，形成历史场景和专家经验库。水利知识图谱利用南台头枢纽、海盐县周边 7 个重点圩区、欤城监测站管理活动等实体和概念及关系，对数据资源进行抽取、对齐、融合等处理，并进行结构化分类和关联，完成水利知识的快速检索和定位，最大程度地利用组织数据，为行业实现知识积累和共享、创新高效发展提供助力。

3 预报调度一体化应用

3.1 应用流程

构建试点区域（以嘉兴市中心城区城防大包围、海盐塘干流及两岸圩区、南台头枢纽等防洪排涝受益区为重点，陆域面积约为 708.8 km2，水域面积约为 58 km2）市、县一体化调度应用，提高区域内水灾害监控和态势分析能力，实现对试点区域的综合监视。根据业务需求实现试点区域范围内预报、预警、预演、预案等场景的数字孪生综合应用。加强对流域洪水风险的统筹管控，以及市、区、县水利工程的统筹调度，优化区域一体化防洪除涝格局。水灾害防御预报调度一体化流程如图3所示。

图3 水灾害防御预报调度一体化流程

3.2 一体化应用

预报方面，共享气象部门逐小时 5×5 km2网格化降雨预报成果，与水情、工情相结合，通过模型滚动分析，预测嘉兴市西部、北部来水，以及东排、南排等边界水量交换情况，实现海盐塘干流沿线水位的精准化预报，延长预报期。预警方面，分析并生成城防大包围和圩区的水位超警戒、淹没区域，根据重点保护对象预估经济损失，结合积水和易涝风险区，利用多元化信息发布机制，实现点对点风险预警发布。预演方面，模拟超标准洪水情况下嘉兴站、城防工程、海盐塘、周边圩区、南排工程，在多种组合运用下的骨干河道洪峰到达时间、水位变化及淹没风险区域，对多种调度方案的效果进行对比分析。预案方面，依据调度方案、知识平台、模型计算对比分析成果，给出合理调度措施，指导市、县工程统筹调度运行。

应用层面，通过市、区、县一体化联合调度应用，考虑试点区域流域防洪和城市排涝同治、城市水灾害防御与水环境调度统筹，破解水灾害防御风险识别不精准、预报预警不及时、指挥调度不智能等问题，解决非汛期水脏、水浑等问题。模型支撑层面，通过构建逐级细化的水量水质模型，实现杭嘉湖—嘉兴—试点区域的跨区域、部门、层级预报调度模拟。具体应用如下：

1） 防洪预报调度模拟。通过设置预报降雨、潮位等边界条件，选择规则、恒定流量、恒定水位等 3 种调度方式模拟嘉兴市防洪情势，动态实现主要代表站水位、主要水利工程调度及流量等洪水模拟过程展示；同时结合实时校正功能模块，能显著提升水位模拟精度。

2） 水资源预报预警。实现重要河湖实时进出水量与水资源供需平衡分析预警。通过调用水量预警模型，将取水户取水监测信息、实况降雨蒸发、实况工程调度、水情监测信息等作为模型的基础数据和边界条件，同时结合降雨预报数据，通过预警模型计算得出未来时段嘉兴市域进、出水量，以及代表站点的水位过程线。当重要河湖的进出水量超过调度计划，主要代表站水位低于代表站旱限水位时，发布预警。

3） 水环境预报预警。实现水质评价、水功能区达标等预警，对嘉兴城区骨干河道水质进行实时模拟及预测预报。水量水质模型基于物理、化学和数值计算原理，结合污染物性质、水体特征和气象条件等数据，通过数值计算模拟污染物的传输和扩散路径。并根据模型模拟结果和实时监测数据，对突发污染物迁移扩散情况进行评估，及时发布预警。

3.3 决策支持

在杭嘉湖区域建模的基础上，完成嘉兴市各类水利对象要素的逐级细化，实现任意工程调度规则的可配置、可模拟，支撑工程一体化联合调度。应用覆盖范围不仅包含嘉兴市五县两区，还覆盖了杭嘉湖东部平原下垫面、河湖水系及水利工程，同时耦合降雨产汇流、河网水动力、来水组成、圩区模拟预报及水利工程调度等模型，实现千河、百湖、百闸规模级别的江河湖库联算。在稳定的云环境中，模型模拟算力水平可将预报时效延长至未来 3 d，平均运算效率达 4.7 s/场次。同时，根据国家《水文情报预报规范》[20]，采用 2021 年历史降雨数据进行预报的水位成果确定性系数大于 0.9，预报精度达到甲级标准，可用于发布正式预报结果。

在防洪调度方面，面向嘉兴市全域、南排工程、城防工程、圩区等对象，实现市、区、县工程多目标一体化联合调度模式，统筹区域及市管、区县工程，实现预排，有序、协同和精准调度。通过南排工程、城防工程、圩区闸泵口门的联合调度，确保城防工程内部不受淹；面向海盐塘及周边圩区工程，重点关注各圩区圩内、圩外水位差，通过调度模拟分析，实现圩区有序、科学排水，保证骨干河道及圩堤安全；面向南台头枢纽，重点关注钱塘江潮位及上游来水量，通过大数据分析预测，推荐南台头枢纽的闸门开启数量、泵站开启流量及时机，提高排涝效益，保障嘉兴河网水位维持在安全范围之内。

在水环境调度方面，依托嘉兴市中心城区城防品质提升和南台头干河整治等工程，开展中心城区活水、南台头枢纽与圩区联合调度方案研究，确立嘉兴市城区水环境综合治理目标，确定合理的治理分区、引排格局，促进城区河道水体有序流动，确定选定城区调水引流线路、工程调度方案，自动判断嘉兴市活水调度方案启用时间，模拟活水调度效果，分析评估水量分配、流动性、水质变化效果，联动水利、水务部门从引调水量精准分配的角度，开展群闸优化调度，形成调度方案比选、历史调度方案比较，支撑嘉兴市活水调度，实现河网有序流动。

依托嘉兴时空大数据平台构建数字孪生底板，数据底座依托高性能政务云服务，保障实景三维地图的高效调用。在试点区域范围内整合、共享地理基础信，以及雨、水、工情信息，通过提供可配置的工具和服务接口，数字孪生底板能够满足不同用户的需求，支持实景还原、统一部署、统一标准、统一服务和闭环更新等功能，并与模型计算成果进行无缝耦合。实现模型平台与太湖流域模型的衔接，共享边界条件和计算结果，平台拥有自主知识产权，具备可视化建模、云计算、二次开发等功能，具有兼容性、可扩展性，并可与相关部门的城市管网内涝、水环境等模型进行实时交互共享。搭建水利知识平台，以涉水知识平台引领多跨协同，打破管理壁垒，构建多级联动机制，实现数据的跨层级贯通，以促进不同领域和利益相关者之间的协同合作和知识共享，整合各种涉水领域的专业知识和经验，有助于提高整个涉水领域的工作效率和质量，促进更好的跨领域协同，同时有助于促进涉水领域人员之间的互动和信息交流，建立更广泛的合作网络。

3.4 应用成效

在防台期间，数字孪生水网（杭嘉湖平原）综合应用系统（以下简称系统）访问量总计 8 700 余次，为筑牢防御台风安全屏障提供保障。2022 年 9 月 14 日“梅花”台风期间，通过综合监视模块，对全域33个雨量站点、市本级 9 个水位站点，以及市、县两级工程运行进行监视，全面掌握汛期态势，并通过预报预警模块，成功预测嘉兴市超警超保的各个站点水位，精准预测平湖水位超警，并通过系统提前通知相关负责人，提前做好抢险准备。模拟独山枢纽开闸放水降低平湖水位的过程，确定最优调度方案，辅助调度决策，每 6 h 滚动预报水位，支持对于可能出现水位超警的站点及发生风险的圩区与堤防的预测，并模拟南排、城防、区县圩区等工程通过预排和抢排降低全市高水位的过程。依据 2023 年 5 月洪水反演成果，开展水旱灾害防御汛前检查，精准识别防洪薄弱点，高效开展安全隐患排查，累计查出隐患 39 处，完成整改 19 处，落实度汛措施9 处，加强整改 11 处，有效辅助指导在主汛期前落实度汛措施，并完成整改，确保早发现、早抢险、少损失。系统结合 2023 年 5 号台风“杜苏芮”报告单和降雨预报数据，设置不同降雨条件与分布，提前 24 h 预测代表站水位变化，在预测全市降雨 50 mm 的情况下，九站预报成果（水位中位值）分别为：嘉兴 1.42 m，王江泾 1.44 m，嘉善 1.41 m，乌镇 1.54 m，桐乡 1.57 m，欤城1.31 m，硖石 1.44 m，平湖 1.29 m，崇德 1.60 m，与 7 月29 日实测洪峰水位：嘉兴 1.45 m，王江泾 1.43 m，嘉善 1.40 m，乌镇 1.56 m，桐乡 1.61 m，欤城 1.37 m，硖石1.51 m，平湖 1.29 m，崇德 1.71 m 相比，预测精度高于预期。系统通过模拟分析并可视化呈现未来水情变化趋势，实时掌握总体水情发展态势和工程运行状态，充分发挥数字化平台和系统化工作机制作用，辅助调度决策，达到水灾害防御工作数字化场景、智慧化模拟、精准化决策的建设目标。

4 结语

嘉兴数字孪生水网（杭嘉湖平原）从夯实算据、算力、算法基础，打造智慧平台等多方面入手，通过业务、数据、技术等融合，大力推进数字孪生水网（杭嘉湖平原）建设，实现水信息可见、水数据可算、水事件可调、水监管可查的总体目标。通过构建试点区域三级底板的数字化场景，形成场景化、多元化、可视化、智慧化的高精度孪生水网底板，开展工程一体化调度模拟，实现了城防工程、海盐塘及圩区、南台头枢纽，以及市、县一体化调度等场景的预演功能，实现多目标统筹调度，全面提高预报、预警、预演、预案能力，为水灾害防御跨区域、层级、部门协同调度提供精准化决策支持。

整个数字孪生水网的建设具有平原水网区域的典型性和代表性，推广前景广阔。模型平台按照大系统设计，分系统建设，有效模拟平原水网地区的工程复杂调度。此外，数据底板的共建共享模式亦可推广，一体化预报调度技术和模式为太湖流域防洪做出先行示范，相关应用可持续不断细化，大到各个市、区、县，小到圩区单元，经验成果可推广复制至平原水网地区。

水系统是复杂的动态系统，建立精确的数字模型，并验证与实际系统的一致性，是当前的挑战之一。在实际建设和运维中，仍有一些不足亟待完善：1） 模型平台的持续精细化和精准化，亟待进一步更新。应细化河道断面、水利工程排涝能力、下垫面情况，不断提高算据、算法、算力，补齐目前人工经验预报站点少、没有预见期、精度难以保证的短板，并加强与流域模型的耦合，在提高模型模拟精度的同时，综合流域尺度等多方面因素，扩大模拟范围。2） 与水利相关的海量多源异构数据的共享与治理问题。数据包括水文、气象、水质、视频监测等类型，须确保数据的准确性、完整性和及时性，以及河湖水系、水利工程、水利管理活动等对象的属性和关联关系的描述，亟待加强对水利态势的感知，应结合对知识应用场景的深度训练，并将知识嵌入业务流程中，实现数据的语义搜索及知识的智能精准推送。3） 数字孪生技术应用与决策的挑战。数字孪生技术可以提供大量的数据和模拟结果，但如何将这些数据和结果转化为实际工程的决策，未来需不断探索更加科学的工程协同调度模式，协助完善工程控制运行规则，增大杭嘉湖嘉兴地区洪水调蓄空间，最大限度发挥工程效益，提升区域防洪排涝韧性。

Research on comprehensive application of digital twin water network（Hangjiahu Plain）