数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台研发及应用

靖 争 ，秦 赫 ，林 莉 ，黄玄敏 ，张 伊

（1. 长江科学院流域水环境研究所，湖北 武汉 430010；2. 南水北调中线水源有限责任公司，湖北 十堰 442700）

0 引言

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 年远景目标纲要明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情预报和智能调度能力”[1]。水利部提出将智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六大实施路径之一，以及新阶段水利高质量发展最显著的标志之一[2]。《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》等重要文件都明确将数字孪生流域建设作为构建智慧水利体系、实现“四预”的核心和关键[3-4]。国内外学者与研究机构对数字孪生流域进行了一系列的探索与尝试，利用数据底板建设数字孪生流域等也形成了初步应用。在防洪领域已应用数字孪生技术进行防洪推演仿真，例如，在淮河流域防洪“四预”试点应用中，应用数字孪生技术展现数字流场的概念和视觉效果，直观反映王家坝洪水态势及蒙洼蓄洪区分洪过程。数字孪生长江、长江流域全覆盖水监控系统、数字孪生黄河等建设相继开展，通过智能感知、三维建模仿真实现流域调度的实时仿真和虚实互动。目前，数字孪生技术在水生态环境保护等领域的应用尚不多见。

南水北调中线工程是优化我国南北水资源配置的重大战略性基础设施工程，丹江口水库作为南水北调中线工程水源地，承担着向京津及华北地区城市供水，同时兼顾提供农业和生态用水的任务。丹江口水库水质安全是保障南水北调中线工程发挥供水效益的前提。国家高度重视水源区生态环境保护，强调要把水源区的生态环境保护工作作为重中之重，划出硬杠杠，坚定不移做好各项工作，守好这一库碧水，使得丹江口水源区战略地位更加凸显。当前南水北调中线工程处于由“保供水”向“强生态、促发展”转变的关键阶段，对水源区水质保障和风险防控提出了更高要求，但目前水质保障信息化支撑能力仍存在薄弱环节。为服务丹江口水源地水质安全保护管理，支撑水质超前预测预警，提高突发污染事件的应对能力，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为主线，大力推进数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台建设十分重要[5]。

根据水利部推进数字孪生流域建设的总体部署，数字孪生丹江口工程被列入水利部重点推进的 11 项数字孪生水利工程。数字孪生丹江口工程建设成为水利部长江水利委员会和南水北调中线水源有限公司（以下简称水源公司）“十四五”时期信息化工作的重中之重。本研究立足南水北调中线工程水源地水质现状和实际管理需求，提出数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台建设的总体目标，介绍平台建设的关键技术及实例应用，总结建设特色与不足，并提出下一步的提升思路。作为国内首个以水利工程水质安全为业务需求的数字孪生水利工程，开展数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台建设可为流域和其他水源地水库水质安全数字孪生建设提供经验，发挥试点项目的引领示范作用。

1 工程概况及水质安全信息化建设

1.1 南水北调中线水源工程概况

南水北调中线一期工程自 2014 年底正式通水以来，工程运行安全平稳，水质持续达标，供用水量连年上升。截至 2023 年 12 月，已累计调水逾 606 亿 m3，直接受益人口超过 1.08 亿人，在我国经济社会发展和生态环境保护中发挥着重要的支撑作用。丹江口水库正常蓄水位为 170 m，水域面积为 1 050 km2，库容为 290.5 亿 m3。丹江口库区由丹库库区（丹江入库河口至丹江口大坝段）和汉库库区（汉江入库河口至丹江口大坝段）组成，陶岔渠首枢纽工程位于丹库，既是丹江口水库的副坝，也是南水北调中线输水总干渠的引水渠首。丹江口水库水质安全是南水北调中线工程顺利运行的重要保障，目前，丹江口水库水质总体良好，常年保持在Ⅱ类及以上，但总氮持续偏高，总磷在个别年份汛期浓度升高，超过Ⅱ类水标准。降雨导致的面源污染和城市生活污水是氮磷的主要来源[6]。2021 年丹江口水库水位首次蓄至 170 m，167 m 水位以上运行 123 d，高水位运行期消落区淹没面积增大（167 m 水位以上消落区首次长时间浸泡），浸泡的消落区土壤向水库水体释放的污染物增多，可能存在水质恶化风险。此外，由于丹江口库区（以下简称库区）上游有各类金属尾矿库，一旦连降大雨发生翻坝，尾矿水对下游库区水质将造成严重威胁。

1.2 水质安全信息化建设现状与不足

近年来，水源公司加强了水质监测站网体系建设，完善了信息化基础设施，积累了数据资源，依托丹江口水质监测站网管理系统和丹江口水库综合管理平台，开发了多个水质相关业务应用，虽然取得一定成效，但对照水利部数字孪生工程整体要求，在数据感知获取、智能化业务应用等方面还存在差距[7]。主要体现在：

1） 信息资源算据不足。丹江口库区水质监测站网于 2017 年建成，对陶岔渠首每日开展定点监测，对库区及入库河流的 32 个人工断面开展每月常规24 项监测，对 16 个库中断面每月补充 5 项监测，透明度及叶绿素 a 监测等，以及 7 个自动站的每日自动监测。已有监测站网仍存在以下不足：a. 感知覆盖范围不全，监测指标和频次有限，水质巡检数字化程度低；b. 主要入库河流缺乏水文水质同步自动监测，难以准确核算水库的入库污染负荷；c. 对于流场、温度场、水质浓度场等关键性指标，缺乏常态化垂向分层监测，难以全面准确掌握大水深水库的水温水质垂向分层特点。

2） 信息利用算法不强。专业模型是数字孪生的关键内核，现有的丹江口信息化系统以传统统计经验模型为主，高精度水质机理模型及业务化应用程度不高，精细化程度不够，时效性不强，在历史数据比较分析、趋势研判、污染物传播演进推演等方面均存在较大缺陷。云计算、大数据等新技术在库区的应用不够，对特殊复杂性水质突发事件的应对能力不足，如遇各类突发水污染事件与季节性水质问题，无法及时预测、预警、预演和提前制定应急处置预案。

3） 智慧化应用深度不够。目前，丹江口水库综合管理平台等信息化系统仅具备水质监测数据录入和基础情势分析功能，水质管理智能化还处于起步阶段，未能实现对上游大洪水入库污染演进扩散及突发水污染等关键水质事件的仿真模拟分析、预报预警、科学决策等功能，无法有效支撑丹江口水质保护治理实际工作，且现有系统不同业务之间的协同和信息联动支持有待加强，与构建具有“四预”功能的高保真数字孪生系统尚存在明显差距。

2 建设目标及技术

2.1 建设目标

按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，以丹江口水库水质实时掌控、趋势研判和预警、突发污染应对的管理需求为导向，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以完善优化数据底板、模型平台及信息化基础设施能力为基础，以研发的高精度水动力水质机理模型为核心，打造具有水质在线推演、预警分析、态势预演、预案管理的水质安全“四预”平台，提升水质安全管理决策的科学化和智能化应用水平，精准服务水源供水水质保障的精细化管理，为南水北调中线工程高质量发展提供强有力的技术支撑。

2.2 技术架构

数字孪生丹江口工程水质安全技术架构如图1所示，具体内容包括：1） 信息化基础设施。主要开展库区主要断面流速、水温分布观测，补充无水文站的入库支流流量监测，同时对高性能计算集群进行扩展，完善分区网络建设，为数字孪生丹江口工程提供高效稳定的运行环境。2） 数据底板。包括数据接入更新、水质安全数据资源中心建设，主要实现多源数据融合，为模型和业务提供算据支撑。3） 模型库。主要建设水环境评价、水库三维水动力水质、河流一维水动力水质等模型，水环境评价模型通过计算水质等级、综合营养指数等进行水质状况评价，水库三维和河流一维等水动力水质模型分别用于水库和入库支流水质的精准模拟，支撑水质安全“四预”功能实现。4） 知识库。主要建设水质预警规则库、预演历史场景库和知识库，支撑预警分析、安全态势预演研判和预案决策。5） 业务应用。包括水质监测分析、在线推演、预警分析、态势预演、预案管理，最终实现水质“四预”功能，提升水质安全智能分析决策能力。

图1 数字孪生丹江口工程水质安全技术架构

2.3 关键技术

实现数字孪生的关键是数字化，建模技术是数字孪生的关键技术，核心是通过三维建模推演和物理仿真，实现物理世界的可视化、可分析和可预测。水质安全“四预”平台关键技术包括：

1） 高精度三维水动力水质机理模型。通过水利、环境和计算机等跨学科交叉融合，采用长江科学院研发的 CK-J3DWQM 三维水动力水质模型 V1.0，实现库区（水域面积为 1 050 km2）水流三维运动及氮磷污染物在水平和垂向方向上的演进扩散过程模拟，模型利用开源计算流体力学（CFD）类库进行以下二次开发：

a. 进一步改进了混合 Sigma/z 网格技术，在设置初始水深时确定计算域内各水平单元的垂向分层数并在模拟过程中保持不变，且考虑垂向各层厚度随水深动态变化情况，不仅大大简化了各类边界条件的处理流程，还解决了传统 Sigma 垂向坐标变换导致陡峭深水区产生明显压力梯度误差的问题，提高了水动力模拟精度。

b. 开发了水温机理模块并与水动力水质模型耦合。考虑太阳辐射、出入水流、垂向扩散及密度对流等因素，引入状态（密度）方程，根据质量、热量平衡原理计算各层水温，较精细地复演冬季支流低温水潜入库区底部的异重流过程。

c. 考虑关键水质指标磷在水体中的降解、沉降、底泥释放、吸附解吸等关键动力学过程，重构总磷模型本构方程，将磷的吸附沉降表达式、底泥磷释放强度公式添加到方程源汇项，并对水质模型程序动力学模块进行二次开发，可提高磷等关键指标的模拟精度。

d. 针对突发污染情景，开发了污染团演进扩散轨迹示踪技术，在每个计算时间步长内，通过对水质模型计算的全域浓度值进行分析判断，识别污染团前锋位置及距离陶岔等关键点的距离、到达时间等，无需采用复杂拉格朗日示踪机理模型进行求解，为污染团演进动态追踪提供一种简单实用的方法，同时结合 GIS 地图定位技术与模型进行交互，实现任意突发污染源位置情景下的迁移扩散计算，满足实际业务需求。

2） 水质在线快速推演分析技术。研发库区全域浓度场的在线动态推演技术，开发了基于 Service 服务模式独立低耦合、高可配的模型驱动接口，对机理模型进行标准化、模块化升级，实现系统发送计算指令传参—调用模型计算—计算结果三维可视化仿真的全流程贯通，能够自动调用实时监测数据进行水库三维水质浓度场在线演算，并提供变化规律、空间差异、垂向跨类等分析的数据深度挖掘功能。针对超大规模水动力水质演算时效性差、传统并行算法难以有效解决的难题，基于共享内存并行系统的多线程程序设计方案（OpenMP），自主研发基于热点分析与 CPU的多线程并行算法，实现数值模型的并行化计算；同时，针对突发水污染预演业务，结合数字孪生系统的在线推演功能和历史场景复演知识库提供的不同情景流场计算结果，开发水动力预计算模式和双时间步长技术，将水动力和水质计算进行动态解耦，避免重复耗时的水动力计算，允许水动力和水质计算分别采用不同时间步长，在保证结果收敛的前提下动态调整水质模型计算时间步长，大大提高模型的计算效率。经测试，某时间步长为 5 d 的突发污染情景的计算时间为1～2 min（8 万个计算单元），有效支撑了实际突发污染的快速模拟与决策。

3） 高性能数字孪生仿真引擎技术。自主研发了高性能数字孪生仿真引擎，为包括水质在内的多种水利业务提供数据集成、发布、分析、可视全链条支撑框架，以实现三维实体-应用场景-业务数据多个维度的可视化模拟呈现。高性能数字孪生仿真引擎以基础监测、业务管理等多源异构数据为数据资源，融合形成数字孪生场景；通过分布式存储技术解决海量三维数据的存储管理问题，并以服务形式高效发布与调用；实时接入包括空间分析和仿真服务在内的模型平台，为数字孪生应用提供算法支撑；最后通过云渲染技术实现高保真数字孪生场景的多端呈现与展示。

4） 调蓄型深水水库复杂流场、水质浓度场全域三维仿真技术。以长江空间信息技术工程公司自主研发的数字孪生仿真引擎为依托，利用 GPU 并行加速技术突破复杂标量场、矢量场的三维渲染限制，提出基于生命周期粒子群的流场三维可视化方法，开发标量场（浓度场）在地理场景中的时序动态可视化算法，满足数字孪生场景下的流场、浓度场高保真渲染要求，逼真展现丹库与汉库复杂的水动力交换、水库总磷垂向分层等过程。

3 水质安全“四预”平台应用

3.1 平台功能

依托数字孪生丹江口工程水质安全数据底板、模型库、知识库及二/三维数字化场景展示技术，开发水质在线推演、预警分析、场景预演、预案管理等业务应用，形成基于高精度算据融合、高性能算力支持、高精准算法支撑的数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台，业务流程如图2 所示。

图2 数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台业务流程

具体内容如下：

1） 水质在线推演。采用水质在线动态推演及水质浓度场三维仿真技术，通过动态获取入库河流实时流量、水质、坝前水位、出库流量等监测数据，自动调用模型库中的三维水动力水质模型，开展库区水质在线快速计算，依托计算结果，结合国家相关标准规范及水质安全管理需求，实现水质浓度分布、类别、跨类等分析及水质预测预判等功能。水质浓度场三维仿真如图3 所示。

图3 数字孪生丹江口工程水质（总磷）浓度场三维仿真

2） 预警分析。针对水质实时监测及在线推演结果等数据，基于知识库中预警等级及阈值，进行水质监测告警及预测预警作业，实现水质现状分析、超标预警，自动筛选不达标的水质断面、超标指标，高亮显示水质超标区域，实现库区水质安全预警分析信息展示。同时，根据预警结果自动生成预警内容，包括水质安全险情的类别、影响范围、预警等级等，并根据确定的权限和程序进行预警信息发布。

3） 态势预演。态势预演包括历史复演、自定义情景预演、突发水污染预演，可使决策人员掌握典型情景下（如 2021 年总磷升高、老灌河锑事件、2022 年特枯来水等）的水库水质状况：a. 历史复演。根据选定的历史时段，自动调取数据库中的监测数据，模拟复现河库历史情景下水动力变化与水质指标迁移演变过程，实现典型历史事件演变客观规律的分析展示。b. 自定义情景预演。通过自由设置情景，选择不同的边界条件输入模型，实现多情景下各监测站点常规污染物在水库、河流中迁移演变过程的预演；同时，通过接入供水、防洪等安全的水文预报数据，实现大洪水情景下的水质模拟。c. 突发水污染预演。通过调用三维模型的突发污染演算模式，开展突发水污染事件的应急快速模拟，实现污染团输移扩散过程的仿真预演，掌握突发污染的影响范围、时间和程度。

4） 预案管理。包括应急加密监测和处置评估功能。针对水库污染风险和突发污染事件，基于预置监测点，结合水质预案知识库中的加密频次规则，根据态势预演成果自动生成加密监测方案，通过调用模型与应急监测数据迭代计算，实现应急加密监测方案动态优化，通过与水质巡检手机 App 联动，实现应急监测实施计划制定、执行、跟踪、反馈全流程闭环管理。应急处置评估功能针对突发污染事件，模拟评估事件过程中各种措施方案（筑橡胶坝等污染拦截、投放絮凝剂等污染降解措施，以及应急调度方案）实施后的效果，水质巡检业务流程如图4 所示。将估算的突发污染影响范围、时间、程度，以及统计得出的信息结果在三维场景中进行对比，供决策人员作进一步分析。

图4 水质巡检业务流程

3.2 实例应用

水质安全“四预”平台作为数字孪生丹江口工程的重要建设内容，初步实现了丹江口水库水质精准化模拟、在线实时推演、三维可视化仿真及风险决策管理等功能。采用 2021—2022 年监测数据对三维水动力水质模型进行验证测试，部分验证结果如图5 所示。总磷等关键指标模拟与实测的过程曲线吻合较好，垂向断面模拟与实测水质趋势一致，误差统计在20% 以内，能够较准确地反映库区的水质变化过程和分布。

图5 2021 年库区典型站点总磷指标验证结果

2021 年汉江流域出现了多年未遇的强降雨天气，库区水位持续升高。2022 年长江中下游及川渝等地 7—11 月持续高温少雨，遭遇夏秋连旱，汉江流域汛期持续高温少雨，发生严重枯水，丹江口库区水位持续下降，出现了严重的区域性和阶段性干旱。为研究由涝转旱条件下丹江口库区总磷演变过程，本研究以涝旱转换条件下 2022 年库区总磷推演为例，基于水质安全态势预演功能，利用验证后的模型和水质安全“四预”平台，通过设置特定情景，实现干旱条件下支流及库区水体中污染物迁移变化过程推演。

通过模拟计算可知，丹江口水库总磷浓度相比丰水年、平水年有所降低，库区污染超标区域主要集中在老灌河、神定河及汉江、丹江上游干流河段，汉江的入库流量远大于丹江等其他入库支流，携带大量的上游污染物入库，汉库总磷浓度相比丹库略高，总磷浓度超标区域较小，模拟结果如图6 所示。可以看出，7—10 月丹江口水库全库总磷平均浓度为0.013～0.018 mg/L，库区总磷达到Ⅱ类水标准的水域面积比例为 80.0%～90.7%，达到Ⅲ类水标准的水域面积比例为 99.4%～99.6%，其中汉库相比丹库总磷浓度高出 30.8%～90.4%。干旱条件下，流域降水、上游来水较少，入库污染负荷相应减小，库区水质相对较好。基于水质安全“四预”平台，推演分析丹江口水库涝旱年份库区总磷迁移演化过程和分布规律，在 2022 年特枯年份水质风险及影响因素分析、二十大期间加密监测方案制定，保障首都供水安全等实际管理工作中发挥了重要支撑作用。

图6 2022 年 7—10 月丹江口库区总磷浓度分布模拟结果

4 特色与创新

数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台开展“天-空-地-水”多维立体感知，打造高保真数字孪生底座，研发了水质安全专业模型，初步实现了水质安全“四预”功能，为水质安全管理的精准化模拟和智慧决策分析提供了强有力的技术支撑。特色与创新内容如下：

1） 开展库内“流场-温度场-水质浓度场”全三维分布同步观测，构建高保真数字孪生底座，为水质管理决策提供算据，主要内容包括：a. 在丹江口库区水质监测站网基础上，首次开展库区三维流场、垂向水温和总磷的原位观测，实现水质安全单项静态监测到全面联动感知的理念转变和手段拓展。通过搭载高精度 ADCP，配套使用 RTK（差分定位技术）、罗经及 GNSS 定位系统，实现深水区三维流场、水温的精确测量，为高精度水动力水质模型构建与验证提供数据支撑，并针对模型对河道—水库急缓流交替、丹库与汉库水动力交换、坝前深水区垂向流的模拟能力进行全面评估测验，能有效解决现有技术中水动力模型采用单一水位验证导致验证准确率低的问题。b. 融合水文、气象、水质、工程调度等的历史和实时数据，运用 BIM + GIS 技术，打造水质安全数据资源中心，实现多源异构数据的统一存储、管理，同时对近坝区、陶岔、主要城镇进行三维实体场景建模，为关键区的水质影响分析和预演提供可视化支持。

2） 耦合水文预报和水动力水质机理模型实现水质安全精准模拟。研发高精度水动力水质机理模型、水质在线快速推演分析及浓度场三维仿真技术，通过接入实时监测数据或数字汉江防洪模块的洪水预报成果，自动开展水质在线演算，立体展示入库污染三维演进过程，可帮助水库运管部门随时了解上游实时来水情况下水库全域的水质状况和变化趋势，实现库区总氮、总磷等关键水质指标浓度场三维动态模拟及滚动预测预警；系统提供突发污染情景设置（包括突发水污染事故的地点、量、物质等属性的实时交互输入），通过调用模型，实现库区和入库支流任意位置、不同污染类型（2 类 20 余种）和排放方式的突发污染场景快速构建及模拟，并评估处置方案实施效果，同时将陶岔水质风险发送至数字孪生汉江流域供水模块，支撑流域水资源调度和供水计划调整。

3） 提出基于三维模拟推演+水质安全“四预”+手机 App 的多业务协同与闭环优化模式，提高服务效能：a. 提出业务协同的新工作模式。基于水质三维模拟仿真，实现了水质监测分析和水质安全“四预”功能的全链条贯通及与水质巡检 App 的业务联动，同时，通过调用预案管理中应急处置模拟结果和实际应急监测数据，并进行迭代计算，实现预案（加密监测方案）与实景情景的同步反馈、滚动优化。b. 提升水质管理自动化、智能化水平。依托丹江口水库监测站网，水质安全“四预”平台接入库区和主要入库河流的水质监测数据开展智能分析，自动调用机理模型进行水库全域水质在线动态推演和自动报警，自动生成加密监测方案，按照定制化模板，自动生成各类报表，大幅度提高工作效率，实现降本增效。

4） 实现了虚实交互映射、数字孪生工程与数字孪生流域的互馈。在数字化场景中，支持对水质自动监测站整体工作情况的远程监控，实时获取仪器设备关键参数，根据运行状态通过指令控制进行相应远程调试（如仪器远程自校正、自动加投药），实现物理和数字流域“指令控制—状态反馈”的双向映射[8]。同时实现数字孪生丹江口工程与数字孪生汉江流域数据底板、模型与业务的相互融合和无缝集成，数字孪生汉江流域为数字孪生丹江口工程提供流域背景场，数字孪生丹江口工程为数字孪生汉江流域提供工程L3 级数据底板，同时提供水质预警、突发性水污染预演成果，支撑数字孪生汉江流域水资源调度和供水计划调整。

5 结语

水质安全“四预”平台是数字孪生丹江口工程的核心业务板块之一，为丹江口库区水资源、水生态环境保护与管理提供重要支撑。平台初步实现了水质智慧化管理，创新和发展了高效高精度水动力水质机理模型、水质在线动态推演技术、高性能数字孪生仿真引擎技术、水质浓度场三维仿真技术，首次实现了国内大型水库水质三维浓度场自动在线推演与仿真展示，成功预测推演了 2022 年持续干旱条件下库区水质分布及变化趋势。研发的水质模型等关键技术具有较好的可复制推广性，为后续其他类似水利工程水质安全数字孪生建设提供良好的借鉴。

针对数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台现有孪生技术及业务功能，在未来平台研发及完善过程中，将 CK-J3DWQM 三维水动力水质模型 V1.0升级为 V2.0，模型将考虑水质营养物质与藻类、底栖动物、微生物的相互作用过程，所有模块实现全面自主研发，同时引入水质智能模型，通过耦合机理模型与智能模型，进一步提升库区水质的预报准确率。针对不同预演场景，进一步扩展模型范围及模拟指标，丰富模型库。在业务协同方面，进一步融合水质、防洪、供水多源数据，研发基于多业务统筹的综合性平台。