数字孪生淮河防洪“四预”系统关键技术

王凯，徐时进 ，刘昌军 ，胡友兵 ，任明磊 ，陈胜

（1.淮河水利委员会水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

淮河流域是长三角一体化、淮河生态经济带等国家重大战略高度重叠区域，地处南北气候过渡带，天气系统复杂多变，地势低平，蓄排水条件差，洪涝旱灾害频发，迫切需要运用信息化手段提升流域防洪管理数字化、精细化水平[1-2]。智慧水利是新阶段水利高质量发展的最显著标志，数字孪生流域是推进智慧水利建设的核心和关键[3-6]。

按照水利部关于数字孪生流域建设先行先试工作部署，淮河水利委员会从 2021 年起，先后开展了淮河流域防洪“四预”试点和数字孪生淮河建设先行先试工作，率先建成了高标准、多要素的流域数据底板，构建了精细化水利专业模型和智能化防洪“四预”系统，并在淮河流域进行了应用，为数字孪生流域、洪水预报及工程调度提供技术支撑。

1 现状与问题

淮河流域受特殊地形地貌、不对称水系及黄河夺淮影响，洪涝频繁。洪涝灾害已成为制约流域可持续发展的主要因素，经过 70 年的系统治理，洪涝灾害防御能力显著增强，具备抗御新中国成立以来流域性最大洪水的能力。但与突飞猛进的信息技术和经济社会对防洪日益增长的需求相比，淮河流域防洪在数字化、智能化等方面存在明显短板。数字化方面，透彻感知不够，感知覆盖范围和要素内容不全面，无人机、激光雷达、卫星遥感等“空天地”一体化技术应用不足，流域缺乏防洪数字化场景和数字流场建设。智能化方面，面向实时作业预报的分布式水文、二维水动力等模型的业务化应用程度和精度不高，时效性不足。

2 关键技术与方案

遵循先进与实用并重、创新与继承统一、理论与实践结合，以及问题导向原则，本研究聚焦淮河流域防洪减灾重大需求面临的预报、预警、预演、预案涉及的信息化和智慧调度关键科技难题，研发基于多源多尺度信息的数据底板构建技术，构建超大规模水文水动力并行分布式模拟技术，建立数字孪生淮河防洪“四预”平台，总体思路如图 1 所示。

2.1 基于多源多尺度信息的数据底板构建技术

2.1.1 高精度地形和河道断面快速测量技术

图1 总体思路图

针对数字孪生流域数据底板快速迭代更新、传统测量难以解决的难题，在淮河流域首次采用直升机加载激光雷达方式开展高密度数字高程信息采集工作，获得淮河干流王家坝到正阳关河段及蒙洼等5 处行蓄洪区面积共 742 km2，分辨率为 1 m 的高精度地形数据。水下地形无法通过航测方式获取时，采用测船搭载 ADCP 技术采集河道断面数据，获得淮河干流相关河段长为 130 km，间隔为 50 m 的河道断面数据。

2.1.2 高精度流域下垫面快速智能分析处理技术

集成应用无人机、三维激光雷达、卫星遥感等“空天地”一体化技术，研发基于激光雷达数据的植被、建筑物、河道断面等属性的快速智能分析提取及三维可视化成套技术，提出面向对象和深度学习理论的高分辨率遥感影像及激光雷达数据的中小流域下垫面属性的自动快速提取与分析关键技术，整体形成基于三维激光雷达和卫星遥感的流域高精度地形快速智能分析处理技术，并与 SVM（支持向量），CNN（卷积）和 FCN-8S（全卷积）等神经网络算法进行对比，结果表明，地物分类精度由 60% 提高到 80%。

2.1.3 基于多源多尺度数据的高标准、多要素数据底板构建技术

率先建成高标准、多要素的流域L1级数据底板，获取淮河流域 33万km2，分辨率为 5 m 的高精度 DEM 数据，分辨率为 2 m的DOM数据和分辨率为 10 m 的土地利用数据。初步建成淮河王家坝以上流域全河段、全地形、高精度的 L2 级数据底板，地形高程精度达到 0.1 m以下，生成的河道地形图比例尺精度高达 1 ：500，利用遥感反演技术生成分辨率为 2 m 的水上和水下地形融合数据产品，补测王家坝以上流域重点河段 2 m 分辨率的 DEM 数据。建成淮河干流重要工程 L3 级数据底板，完成淮河干流出山店水库、王家坝闸、临淮岗洪水控制工程等 3 个重要工程的 BIM 模型建设任务。新建王家坝以上流域防洪重点区域洪汝河、潢河等 7 条主要支流入河口水位观测设施，获取流域四省 3 000 余座小型水库雨水情监测信息，集成数据大小约为 300 GB 的山洪灾害、洪水风险图和水利普查数据，以及基础、地理空间、水文气象、防洪工程、社会经济、三维模型等多源多尺度数据，初步建成高标准、多要素的流域级数据底板[7]。

2.2 基于并行计算的超大规模水文水动力学分布式模拟技术

2.2.1 淮河流域分布式水文模型

提出不同地形地貌类型的暴雨响应机制，创立基于超渗与蓄满产流动态转换的淮河流域分布式水文模型[8]100-102，模型结构如图 2 所示。具体内容如下：

1）不同水文响应单元的暴雨响应机制。基于高精度地形、地貌、土壤植被等数据，划分水文响应单元；根据不同水文响应单元的产流机制，确定分区产流模型；建立基于超渗/蓄满的“平面—垂向—时段”混合产流模型，采用组合虚拟水库方法模拟饱和带与非饱和带土壤水量交换，利用 GARTO 非饱和土壤下渗模型模拟非线性下渗过程[8]103。

图2 淮河流域分布式水文模型结构

2）蓄满超渗时空组合产流模型。根据流域下垫面下渗过程特点和土壤含水量分布，辨识瞬时下渗率与下垫面下渗能力的关系，识别土壤含水量与持水能力的关系，模拟超渗/蓄满产流的产流量变化，在每个水文响应单元精细化模拟超渗/蓄满产流的时空动态转化过程[8]103。

3）淮河流域分布式水文模型。构建基于流域、河段、节点、水库、洼地、分水、水源等7类水文节点的拓扑结构图，耦合基于运动波的坡面和河道汇流计算模型，整体建成基于水文响应单元的淮河蓄满和超渗时空组合分布式水文模型，实现基于小流域水文响应单元的分布式暴雨洪水过程的精准模拟。将淮河正阳关以上流域划分为 5 157 个小流域单元并进行实时洪水预报，结果表明，计算节点数量由原来的 9 个细化至 5 157 个，计算单元大小由原来的 9 648 km2细化至 17 km2，模型平均效率系数为 0.8，洪峰流量相对误差低于 10%，实现了全流域全要素的精细化模拟。

2.2.2 基于分布式并行框架的超大规模水动力学模拟技术

构建淮河干流出山店水库至正阳关站约 354 km河段，5 个行蓄洪区及 7 条重要支流超大规模、高时效性、一二维耦合的水动力模型。为提高模型计算速度，采用目前主流的 GPU 异构并行加速方法对二维水动力模型进行重构。模型在 CPU 中读取数据，并对变量定义及初始化，将初始化后的数组变量复制至 GPU 显存进行存储后，再进行并行计算。按照矩阵方式将各项计算内容分配至每个 GPU 计算线程，采用并行方式对通量及源项等进行模拟计算，计算结束后将结果重新复制至显存 CPU 中，极大减少了大量数据在 GPU 之间的传输次数，有效减缓了大量数据交换产生的损耗，极大提升了计算效率[9]。淮河干流出山店至正阳关 354 km 河段 3 d 洪水过程预报仅需 1.5 min。GPU和CPU 并行加速计算技术如图 3 所示。

2.3 基于高精度算据、高性能算力和高精准算法的数字孪生淮河防洪“四预”平台

针对模型标准化、智能化水平不高，实时预报调度方案制作时效性不足等问题，构建基于高精度算据、高性能算力和高精准算法的数字孪生淮河防洪“四预”平台。具体内容如下：

1）研发复杂异构水利专业模型跨平台应用技术。结合国产化软硬件环境改造的要求，对不同平台、开发语言、设计思路的复杂异构专业模型，进行编程语言规范化改造、标准化接口封装、标准化数据预处理、标准化流程配置，构建适用于数字孪生淮河体系的标准模型库。

图3 GPU，CPU 并行加速计算技术

2）初步建成多元算力、一云多池、软硬协同的淮河水利云。基于 MPI+CUDA（多线程并行计算平台和编程模型）的异构并行高性能服务器和 288 核CPU，6TB 的分区分域可控云计算资源池，初步建成多元算力（GPU，CPU）、一云多池（物理机、虚拟化）、软硬协同的淮河水利云。

3）构建数字孪生淮河防洪“四预”平台。以高精度时空数据为底座，以高性能算力为支撑，以集总式-分布式耦合、一二维耦合、水文水动力耦合、预报调度耦合的一体化模型为核心，构建基于高精度算据、高性能算力和高精准算法的数字孪生淮河防洪“四预”平台，突破了防洪预演的数字映射、智能模拟等多项关键技术。

3 成果应用

数字孪生淮河防洪“四预”系统采用边开发、边应用、边完善的模式，目前已成为淮河防洪调度核心业务系统，经实践检验，淮河干流控制站最大流量预报相对误差基本在 10% 以内，洪水预报预见期基本能够达到2～4 d，系统在洪水复盘分析和多场关键洪水预报中发挥了重要作用。

3.1 2020 年淮河流域性较大洪水复盘检视

利用数字孪生淮河防洪“四预”系统对 2020 年淮河流域性较大洪水复盘检视，如图 4 所示。利用精细化水文模型，精细分析不同前期条件、极端不均降水分布、干支流互相顶托及小型水利工程（生产圩）影响，预报王家坝站最大流量为 6 691 m3/s，最高水位为 29.81 m，与还原数据相比，流量相对误差为 3%，水位绝对误差为 0.09 m。在数字孪生流域中对正阳关以上流域的水库、闸坝、行蓄洪区、分洪河道等水利工程调度进行精准复演，拟定多组方案进行模拟仿真，得到蒙洼、南润段、邱家湖、姜唐湖等多个行蓄洪区启用的优化调度方案。

3.2 淮河多场次洪水防御应用

2021 年台风“烟花”强降水期间，基于数字孪生淮河防洪“四预”系统滚动开展洪水预报，及时发布“洪泽湖最高水位 13.7～13.8 m”的精准预报，为洪泽湖精准调度提供了可靠依据，赢得了防御主动权，及时避免了入海水道启用，经济社会生态效益显著。防御淮河中上游2022年3 月历史同期最大洪水过程中，精准预报王家坝站最大流量为 2 000 m3/s（实测最大流量为 2 050 m3/s）、最高水位为 25.90 m（实测最高水位为 25.88 m），流量预报相对误差为 2%，水位预报绝对误差为 2 cm，预报结果较好，为流域科学有序调度防洪工程提供了重要支撑。

4 结语

数字孪生淮河防洪“四预”系统聚焦淮河流域防洪减灾重大需求面临的预报、预警、预演、预案关键科技难题，取得了以下 3 项创新关键技术：

1）研发基于多源多尺度信息的数据底板构建技术，基于三维激光雷达和卫星遥感的流域高精度地形快速智能分析，解决了数字孪生流域全要素地形快速采集和智能分析难题。

2）创建了基于并行计算的超大规模水文水动力学分布式模拟技术，实现了洪水快速精细化模拟，解决了“四预”中预报的关键难题。

3）建立了数字孪生淮河防洪“四预”平台，突破了防洪预演的数字映射、智能模拟等多项关键技术。

数字孪生淮河防洪“四预”系统已成为淮河防洪调度核心业务系统，在淮河流域进行了应用，为数字孪生流域、洪水预报及工程调度提供了技术支撑。通过系统建设，形成了可复制、推广的成套技术体系，为全国大范围推进数字孪生流域和防洪“四预”系统建设提供了可参考和借鉴的经验。下一步，将重点在智能化模型、多工程联合调度、多情景预演、多场景三维可视化展示等方面开展技术攻关，为流域经济社会高质量发展提供更智慧、更精准、更全面的信息和技术支撑。