数字孪生流域预演场景研究与运用——以嫩江干流为例

张 雯 ，廖晓玉 ，王开丽 ，于 雨

（1. 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2. 水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130000）

0 引言

2022 年水利部印发《数字孪生流域建设大纲》《数字孪生流域水利工程建设技术导则（试行）》《水利“四预”功能基本技术要求》《数字流域共建共享管理办法》等系列文件，进一步细化智慧水利建设任务、重点工程和具体措施，加快构建智慧水利体系。2022 年 2 月，水利部发布《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，明确了开展数字孪生流域先行先试的重点任务。系列重要文件要求，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，构建数字孪生流域为核心，加快构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧水利体系[1-3]。目前，我国各大流域、各省均已开展数字孪生建设并取得一定成就[4]，积累了一定经验，但存在数据鲜活度不高、系统功能不完善、业务应用不全面等问题[5-6]，且大部分应用仅将三维建模技术笼统地称为数字孪生，缺少对孪生模型与知识平台的深层次挖掘。数字孪生流域以孪生技术为基础，对物理流域形成虚拟映射，在实际流域防御、调度过程中，以虚拟场景模拟物理流域中难以真实演练的情景，保障流域安全。因此，通过数字孪生建设加强预演场景真实演练，助力精准化决策具有重要意义。针对上述建设重点，本研究梳理了嫩江干流数字孪生全景可视化平台建设总体架构，分析关键技术，总结平台功能，以预演为核心，形成以决策支持为目标的高度数字化、仿真、智慧化的孪生流域。基于防洪“四预”全景可视化平台的功能实现，探讨数字孪生流域预演场景应用。

1 平台建设方案

1.1 平台架构

整体贯彻“以数字化场景助力精准化决策”的理念，打造从信息化基础设施到数字孪生平台，再到业务应用的数字孪生流域建设。信息化基础设施包括水利感知、信息、云平台，数字孪生平台涉及数据底板构建、模型平台支撑及提供知识服务的知识平台，通过信息化基础设施和数字孪生平台，构建基于防洪“四预”的流域业务应用，助力可视化、精准化决策[7]。平台架构如图1 所示。

图1 平台架构图

1.2 信息化基础设施

基于流域感知监测现状，以流域整体规划为出发点，构建全面的监测指标体系，以水文监测、水资源量监管为感知重点，辅助遥感和无人机等天、空监测手段，打造数字孪生水利感知网。结合水利信息与云平台，构建数字孪生流域建设的基础设施层。

1.3 数字孪生平台

以一数一源、一源多用为目标，整合、移植为手段，共享、服务为宗旨，运用数据采集、数据库、数据交换等技术，设计和建设数字孪生流域数据底板。共享水利部 L1 级数据底板；处理重点河道高精度 DEM和 DOM 影像数据，形成流域 L2 级数据底板；完成重点河段、村屯、水利工程倾斜摄影，重点工程 BIM 模型，构建流域 L3 级数据底板，为数字孪生业务应用系统提供数据基础。

在共享水利部模型库的基础上，结合流域业务需求，依托数据底板及流域现有模型，构建数字孪生流域模型平台，支撑洪水预报、预警、预演、预案工作的开展。其中，水文预报模型包括新安江、大伙房等模型，水动力模型包括一/二维水动力模型，以及可视化模型、模拟仿真引擎，为构建可视化综合决策平台及预演仿真模拟提供基础。

构建数字孪生知识平台，集成历史场景，存储特定场景下的调度方案相关知识。根据流域河段特点、左右岸堤防设计参数、水利工程相关资料、影响区域范围等，结合气象预报、水文监测、工程安全监测等信息，基于历史典型洪水预报、调度过程，以调度预案进行知识抽取、融合等处理，形成特定场景下调度方案的知识图谱，支撑调度方案的智能决策。

1.4 业务应用

基于信息化基础设施和数字孪生平台建设，以流域防洪为核心，以历史与实时上报的雨水情数据、现状工程与河流数据为业务数据来源，打造防洪“四预”全景可视化平台，实现业务应用。整体包括以下 5 个主要功能模块：

1） 流域态势。旨在获取流域当前实时信息，综合展示流域雨情、河道及水库水情、工程运行状态、重点工程视频监控、生态流量、引调水工程监管信息，助力管理人员清晰判断流域当前态势。嫩江干流态势效果如图2 所示。

图2 嫩江干流态势效果图

2） 预报。在数字孪生场景中接入并叠加展示雨量和洪水预报成果。雨量预报可展示流域中短期降雨预报数据，实现实时降雨信息、降雨数值预报数据、雷达测雨信息、流域面雨量、流域面距平和雨量监测站实时监测信息的展示与分析等。在充分考虑降雨预报不确定性的基础上，快速准确地收集、存储、处理雨情和水情信息，并通过模型库进行洪水预报，基于不同模型生成不同预报方案，及时准确地预报洪水过程，展示所有监测站点的方案预报情况及水库的来水距平信息，提高洪水预报的时效性和精确度。

3） 预警。分析、制定完善的防汛预警阈值和指标体系，按照流量、警戒水位、保证水位等不同类型特征值对河道水情进行洪水预警；根据水库汛限、设计等水位特征值对水库水位进行洪水预警。在数字孪生场景方面，根据设置的预警参数与采集到的应急数据进行实时处理和比对，并自动触发报警，同时可视化呈现预警画面，采用不同的预警符号和颜色对预警位置进行闪烁预警，为分析决策和预警监测提供直观的场景环境。

4） 预演。在不同洪水预报成果的基础上，基于模型平台和知识平台，实现工程调度与调度方案的模拟预演。同时在数字孪生场景中对模拟预演进行映射，利用防洪专题三维可视化模型生动直观地展示预演场景的各种要素，以及不同预演方案的影响范围，模拟区域水位的沿程变化，并与地形数据进行叠加分析，输出干支流沿程淹没情况及洪水波传播过程，在此基础上，动态计算下游堤防及重点地区的防洪风险，供用户研判当前防洪形势。

5） 预案。抽取工程调度运行规则，建立合理的数字化指标管理体系，汇总展示各种应急状态下的工程调度运行措施，基于 GIS 地图展示工程调度运行、防御建议、人员转移和物资调配等预案信息。

2 流域应用

2.1 研究区概况

嫩江是黑龙江支流松花江的支流（或北源），发源于内蒙古自治区境内大兴安岭—伊勒呼里山的中段南侧。嫩江干流流经黑龙江省与内蒙古自治区、吉林省的交界，在三岔河与松花江南源汇合为松花江，全长为 1 370 km，流域面积为 29.7 万 km2。

2.2 需求分析

嫩江流域洪水多发，1998 年发生了 480 年一遇的特大洪水，2013 年发生了流域性洪水，2018 年以来连续 4 年发生洪水，洪水呈现多发重发态势。嫩江流域防洪矛盾比较突出，主要表现在：1） 流域洪水调蓄能力明显不足，干流仅有尼尔基 1 座控制性工程；2） 嫩江干流河道地形复杂，特别是围垦河滩地造成的围堤阻水问题突出，导致河道行洪能力底数不清，小流量高水位严重影响干流堤防安全；3） 嫩江流域防洪决策涉及黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区，直接关系到哈尔滨市的防洪安全。

针对嫩江干流迫切的防洪需求，以尼尔基水库至三岔河口段为模拟河段，开展孪生预演场景运用，通过虚拟孪生流域实现对物理流域的真实场景反映，整体提升防洪业务水平，提高预报精度，缩短预警时间，提升洪水模拟推演能力，优化洪水处置方案，为嫩江安全度汛提供孪生技术支撑。

2.3 关键技术应用

以数字孪生流域为核心，开展数字孪生嫩江干流防洪“四预”模拟应用，梳理数字孪生流域建设与模拟流程，对关键技术、孪生场景进行分析与运用。基于数据底板实现对嫩江干流的真实场景搭建，利用可视化引擎、云渲染等技术实现对场景的交互模拟，利用水文和宽浅河道演进等模型为洪水预报与演进成果提供精准模拟数据，利用流域态势和“四预”功能模块实现对当前流域形势、防御重点、转移预案的可视化应用呈现。通过数字孪生嫩江干流建设，采用虚拟孪生流域实现对物理流域的真实映射，对未发生、超标准的洪水防御进行精确模拟与快速决策，真正实现灾前模拟、高效撤离、精准防御。数字孪生嫩江干流流程如图3 所示。

图3 数字孪生嫩江干流流程图

数字孪生嫩江干流关键技术内容包括：

1） 模型平台。数字孪生嫩江干流模型库包括水利专业和可视化 2 个模型库，以及数字模拟仿真引擎。根据河道特点，模型平台的建设重点与关键为构建平原区宽浅河道水动力模型及洪水模拟方案，实现尼尔基水库至三岔河口干流区域洪水演进过程的精准模拟。

尼尔基水库至三岔河口河段（以下简称河段）区间流量预报以水文模型为主，河段洪水演进模拟以一/二维水动力模型为主。此外，嫩江流域河道地形复杂，特别是宽浅河段，最宽处可达 10 余 km，地势平坦，水流平缓，河网密度大，支流多，嫩江、第二松花江相互顶托作用明显。因此，在传统洪水模型的基础上，重点构建平原区宽浅河道洪水演进模型，无缝融合图像智能识别模型、深度学习算法及一/二维水动力模型，通过图像智能识别模型，解析遥感及无人机影像中水面、河道、围堤、桥梁等阻水建筑物的位置和范围变化，以及水面信息，自动更新一/二维水动力模型的建模信息，同时融合控制站监测信息与解译后的水面信息实时校正模拟成果，准确预报洪水演进过程，耦合基于深度学习算法的一/二维水动力学模型，解决传统水动力模型计算速度慢、消耗资源大等问题。

2） 知识平台。构建嫩江试点段的预报调度方案防汛及防洪专题知识库，具体包括调度方案库、专家经验库等。通过对历史典型洪水预报和水资源调度预案的信息自动化、文本化、知识化处理，存储特定场景下的调度方案相关知识，并结合AI算法，形成专家经验主导下的融合元认知，实现经验的有效复用和持续积累。

2.4 预演场景应用

以嫩江干流的主要控制性工程尼尔基水库防洪调度为核心，以 1998 年大洪水为模拟对象开展预演场景应用。尼尔基水库正常蓄水位为 216.00 m，汛限水位为 213.37 m，防洪高水位为 218.15 m。具体分析内容如下：

1） 洪水分析。尼尔基水库自 1998 年 7 月 24 日起水库开始超汛限水位运行，8 月 12 日 14 时库水位为 215.73 m，超汛限水位 2.36 m，6 h 入库流量为9 440 m3/s，出库流量为 5 540 m3/s。水库下游嫩江干流主要控制站水情如表1 所示。

表1 主要控制站水情

尼尔基水库可以运行至防洪高水位，但水位到216.00 m 以上的防洪库容运用涉及上游内蒙古莫旗、黑龙江讷河市及嫩江县土地淹没和人口转移问题，因此，在下游防洪安全允许的前提下，应尽可能避免造成上游库区淹没损失。

2） 洪水预报。经模拟分析，至 8 月 12 日 14 时，尼尔基水库最大入库洪峰流量为 9 440 m3/s，重现期超 50 年一遇，仍按出库流量 5 540 m3/s 下泄，考虑嫩江主要支流和区间预报来水过程，主要控制站水情预报如表2 所示。

表2 主要控制站水情预报

由预报结果可知，洪水已超 50 年一遇建设标准，依据《尼尔基水库防洪调度方案》规定，在发生 50 年一遇及以上洪水时，尼尔基水库应为下游拦洪、错峰，控制水库下游齐齐哈尔水文站流量不超过 8 850 m3/s。

分析水库上游库漠屯、科后、柳家屯等 3 个站点实际来水情况可知，尼尔基入库、库漠屯站、科后站的洪峰已经出现，但柳家屯站流量仍在增加，尼尔基入库流量达 5 000 m3/s 以上的洪水过程还将持续 3 d 左右，未来 30 d 的入库洪量还有 60.7亿 m3。因此，综合考虑多方面因素，在下游河道泄量允许的情况下，应先加大水库出流，控制水位不超过 216.00 m；后期滚动分析来水情况，再逐步减小出流，减轻下游防洪压力，在确保下游防洪安全的前提下，尽快将库水位降至汛限水位。

3） 洪水预演。根据宽浅河道水动力模型及洪水模拟预报结果，经河道洪水演进分析，平台生成 3 种预演方案，每种方案下水库下游主要控制站预演情况如表3 所示。尼尔基水库出库流量分别为 5 500，6 000和 6 500 m3/s，调洪最高水位分别为 216.28，216.11 和215.97 m。

表3 主要控制站预演情况

由洪水预演情况可知，3 种预演方案均能控制水库下游嫩江干流主要控制站洪峰流量低于相应的河道设计流量，基本可以保障水库下游干流河道行洪安全。

4） 洪水预案。对比 3 种预演方案，方案 1 和 2 中水库调洪最高水位均超正常蓄水位 216.00 m，会造成上游淹没损失，方案 3 可控制水库调洪最高水位不超216.00 m，不会造成上游淹没。方案1和2淹没损失如表4 所示。

表4 淹没损失统计表

经以上实时雨水情分析及预报、预演、预案模拟，推荐尼尔基水库按方案 3 进行调度，并建议组织做好堤防巡查防守、水库调度、安全度汛及险情处置等洪水防御工作。

3 结语

本研究从信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用等 3 个层面梳理了数字孪生嫩江流域平台架构，介绍了具备流域态势、预报、预警、预演、预案等功能模块的防洪“四预”全景可视化平台业务应用。以嫩江干流为例进行预演场景应用，通过平台“四预”模拟得到 3 种洪水预演方案，经分析后生成优选方案，保障河道行洪安全，避免淹没损失，为嫩江干流防洪可视化、高效化、精准化决策提供了科学支撑。但平台建成应用时间较短，本次仅选择流域防洪作为主要任务，主要以嫩江干流 1998 年大洪水为例进行了场景预演分析，而对水资源及其他业务探索较少，后续将进一步结合防汛数据不断优化模型，提高预演准确性和实用性，并持续深入开展其他业务的“四预”应用研究。