基于数字孪生的周公宅水库防洪“四预”系统构建与应用

以构建数字孪生流域、开展智慧化模拟、支撑精准化决策为实现路径,利用天空地一体化空间数据底板、多维智能感知数据、以及专业模型网格数据和计算结果数据等几类多源异构数据,进行数据汇聚和融合,采用WebGL孪生引擎进行可视化展示,构建数字孪生流域;聚焦流域防洪数字化场景,通过山区集总式水文模型和洪水演进模型对洪水过程进行预报和模拟,形成包括预报调度一体化、区域联防预警一体化、模拟仿真预演、决策建议方案等功能的四预孪生系统。本文以周公宅水库为具体研究对象,探索了具有水库工程的中小流域数字孪生建设的相关关键技术和应用场景构建,提供了建设思路和案例参考。     

韧性城市视角下的甬江流域数字孪生平台建设

针对甬江流域水灾害防御需求,结合韧性城市理论,以防洪减灾“预报、预警、预演、预案”四预体系为导向,利用数字孪生引擎的强大渲染能力,建设全要素的数字孪生流域时空底座,以水文水动力模型、空间计算技术等为重要基础支撑,围绕综合监测、洪涝预报、洪涝预演、综合调度、协同预案等业务需求构建孪生场景,实现了甬江流域数字孪生平台。实践应用表明,该平台成功抵御了甬江流域超标准洪水,并对未来防洪工程体系优化具有启示意义,对其他流域防洪减灾、城市内涝治理工作具有一定的借鉴意义。     

数字孪生汉江流域建设先行先试关键技术探讨

针对汉江流域水工程种类多样、体量庞大、预报调度任务复杂且艰巨、水资源管理与调配业务信息化程度不足的现状，选取汉江流域作为数字孪生建设先行先试工作试点，重点围绕防洪调度和水资源管理与调配业务需求，开展数字孪生平台及预报、预警、预演、预案“四预”功能建设。目前，数字孪生汉江流域已初步构建与流域实体孪生的数据底板，搭建统一且通用的模型平台和微服务化的知识平台，融合专业模型、知识图谱与业务应用，基于水工程联合调度规则库、水位目标控制的水库调度方式优化、行蓄洪空间防洪调度知识图谱等关键技术，形成防洪调度和水资源管理与调配智慧应用。建设过程中在可视化技术、孪生平台、知识图谱等方面凝练相关技术成果，可为其他数字孪生建设提供支撑参考。     

数字孪生潭江流域先行先试建设与实践

为提高潭江流域水利工程防洪调度能力,开展数字孪生潭江流域建设。数字孪生潭江面向流域防洪调度需求,围绕“四预”核心功能,以22座大中型水库、7座梯级闸陂为精细化调度目标,建设数据底板、模型平台、业务应用等,构建流域L1级数据底板,流域重点区域及工程L2级数据底板,开发六大类水利专业模型,构建具有“四预”功能的预报调度系统平台,实现流域多源监测感知与数据高效能管理,江河水库闸坝集中管理、联合调度、科学决策,最大程度保障流域内防洪（潮）的安全,完善预报监测薄弱环节,提升工程调度反馈时效性,同时为河湖规范化管理提供依据。项目成果在2022年“龙舟水”、台风暴雨防御期间投入实战,助力潭江流域水库、水闸群的联合调度,取得防洪不受淹、水资源不浪费的最佳效益。     

基于数字孪生流域的防汛“四预”平台设计

针对我国防洪减灾业务流程未打通、数字底板不完全、孪生场景难构建、决策支持不到位等现状问题,基于水利部数字孪生建设和流域防汛“四预”能力提升的总体要求,研究一站式防汛流程搭建、数字孪生场景实现、防汛结构化知识体系构建等关键技术,应用关键技术梳理平台数字化需求,设计并研发数字孪生流域防汛“四预”平台,实现流域自预报预警、形势研判、决策调度至抢险支持等全流程封闭的一站式防汛。“四预”平台先后在浙江钱塘江、雄安白洋淀、济宁泗河流域及郑州贾鲁河等上线应用,实践应用表明：“四预”平台有助于提高流域防汛的“四预”能力,对加强水库拦蓄、保障大坝安全、提高抢险效率、降低人员影响、减少经济损失等起重要作用,具有一定的实用价值。     

数字孪生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现

针对太浦河防洪及供水保障数字孪生系统建设要求,基于UE引擎、GIS、无人机航拍数据、监测信息及共享信息等多源异构数据构建平原感潮地区数据底板;通过太浦河模型平台和可视化引擎,形成以事件为驱动的太浦河防洪及供水预报、预警、预演、预案的“四预”孪生系统,并建立太浦河历史水情、雨情、工情、水质等信息与调度预案方案间的映射关系,关联提示方案预案并实现智能推荐应急处置。场景化构建太浦河防洪及供水“四预”全过程,服务太浦河综合调度需要,可为平原感潮地区数字孪生“四预”业务应用建设提供案例参考。     

面向多目标协同管理的城市小流域智慧管控平台探索

针对城市小流域业务协同困难、涉水要素众多、监测手段有限，导致水安全、水环境、水生态多目标协同困难的特点，利用物联网、大数据、数字孪生等前沿技术手段，构建覆盖数据采集、孪生流域、流域业务、流域标准体系、信息安全体系“三横两纵”的城市小流域智慧管控技术。以成都市某小流域为例，建立覆盖厂网河一体化综合管控平台，创新性提出基于“视频+AI”的水生态质量实时定量评估方法，实现流域全要素数字孪生管理、工控系统数据安全使用和流域“四预”调度分析，支撑流域不同降雨情景下多目标协同管理。     

数字孪生流域预演场景研究与运用——以嫩江干流为例

为加强数字孪生演练场景真实化,助力决策精准化,依托数字孪生流域建设思路,搭建数字孪生业务应用平台。分析孪生平台整体架构与关键技术,构建具备预报、预警、预演、预案功能的防洪“四预”全景可视化平台。以嫩江干流为例,分析数字孪生建设实际需求,以尼尔基水库防洪调度为预演场景,分析尼尔基水库上游与下游嫩江干流之间的淹没损失关系,得出最优调度防御安排及建议。结果表明：通过全景可视化平台进行场景演练,可呈现河道演进真实情况,保障河道行洪安全,避免淹没损失,为防洪安全决策提供科学支撑。     

数字孪生淮河防洪“四预”系统关键技术

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，利用无人机、激光雷达、卫星遥感等“空天地”一体化技术，研发基于多源多尺度信息的数据底板构建技术，构建高精度多要素数据底板；利用水文水动力数值模拟和并行计算技术，构建超大规模水文水动力学耦合模拟技术；基于高精度数据底板、高性能算力和高精准算法，建立数字孪生淮河防洪“四预”平台，并在 2020 年淮河流域性较大洪水复盘检视和 2021—2022 年淮河多场次暴雨洪水中进行了应用。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，淮河干流主要控制站最大流量预报相对误差基本在 10%以内，洪水预报预见期能达到 2~4 d，可实现全流域全要素的精细化模拟，为数字孪生流域、洪水预报及工程调度提供技术支撑。     

数字孪生椒江防洪“四预”应用研究

针对椒江流域山区河流、平原河网、感潮河段、洪泛区均存在的水系及易受台风影响的洪涝格局,根据数字孪生流域的要求,开发了符合数字孪生标准的水利专业模型服务组件,建设了预报调度一体化系统;对模型计算所需的多源数据开发了多源数据融合平台;根据防洪“四预”业务需求开发了知识平台对调度规则、历史洪水的知识推送功能;建立了椒江流域273个子流域112条河流、2112个计算断面、84900个二维计算网格、17个控制单元的流域预报调度一体化模型,系统经过多场次台风暴雨检验,运行效率较高;对全国沿海地区防洪“四预”应用建设具有借鉴意义。     

河南黄河水文信息综合平台的设计与实现

为实现黄河河南测区各类业务数据的整合与共享，提出一种以水文基础信息数据为依托，满足各类水文数据的查询、合理性审查、统计分析及防汛决策等业务的综合管理与应用的总体设计方案，并对其进行功能实现。使用微软 C# 开发语言、SQL Server 数据库及 Layui 前台框架等技术，以智慧水文站为单元，建立集成数据查询、审查、统计分析及防汛决策等业务构成的一体化数字集成平台。通过项目的实施，将分散的水文数据进行深度融合，实现河南测区自下而上的数据互联互通。河南黄河水文信息综合平台在黄河河南测区 2 a 的运行情况表明：该平台可为黄河河南测区的测验人员实时分析上下游水情变化、把握测验时机、指导测报工作提供有效快速的技术支撑。     

江西省小流域智慧防汛体系建设思路探讨

小流域防汛一直是防洪减灾工作中的重要内容,提出小流域防汛的新思路,利用无人机、洪水预报、洪水风险评估、三维可视化、信息及云计算等技术,开展小流域基础数据获取、水雨情信息采集传输、洪水预报、洪水风险分析、预警信息及应急响应等工作,探讨防汛云服务平台的搭建,构建小流域智慧防汛体系,以提升小流域洪水预报的精度,实现智慧防汛。     

黄河工情险情全天候监测感知预警系统的研究与应用

针对黄河河道工程出险后在短时间内有迅速扩大的危险，对重要险工、控导等水利工程进行信息化强监管，开发、敷设及时可靠的黄河工情险情全天候监测感知预警系统提升监测能力。黄河工情险情全天候监测感知预警系统是数字孪生黄河工程建设的重要内容之一，利用物联网、大数据、云存储等技术，借助于黄河河道工程内部埋设的传感器，对根石和坦石的出险情况进行实时监测与监视，并以此为基础，通过现有黄河网和公网，实现工程的网格化分级管理，做到为指挥中心防汛抢险决策提供准确、及时、科学的数据信息支持，推动治黄信息化发展与治黄业务的深度融合，有效实现险情的“抢早、抢小、抢住”。     

基于Micaps3.1的暴雨洪涝预报预警模块的研发

文中利用C#.NET构建了基于MICAPS3.1系统应用的暴雨洪涝预报预警系统整体框架,重点介绍了该系统开发的基本情况、系统架构和系统中使用的关键技术和算法。并选取汉江丹江口为试验流域,初步完成了流域基础地理（边界、水系）、气象、水文监测站点的收集以及显示;流域QPE、QPF、实况监测等气象要素实时产品信息的提取以及气象要素产品与水文模型接口的设计;最后提供了流域实况降水监测场、流域实况降水雷达估算场、流域预报雨量场、流域水文预报信息数据、图形等产品文件。该模块的研发能为流域防洪决策提供支持,并为河流防汛精细化预报服务试点工作的推广提供经验和模式。     

国产化辽宁省防汛抗旱指挥平台建设

为满足国家政务系统安全、可靠的要求,从服务器、操作系统、数据库等国产自主可控产品的类型,功能特点,性能与安全性等方面进行综合比较,并进行国产化适配,最终组成一套适合工作实际的国产化产品组合,搭建基于国产化自主可控产品的辽宁省防汛抗旱指挥平台。该平台遵循水利部数字孪生流域技术框架,结合辽宁省防汛抗旱业务需求,形成“四横两纵”技术框架,集成实时和基础信息展示查询、信息监测、水利一张图、防洪“四预”等功能模块,实现流域防洪业务智能化管理及场景数字化、模拟精准化、决策智慧化。研究成果可为今后建设国产化水利业务系统提供示范。     

数字孪生永宁江洪水预报模型构建及系统应用

以永宁江流域作为试点,构建数字孪生流域,建设具有“四预”功能的“2+N”业务应用体系,综合保障区域防洪安全。考虑到流域内地势起伏大、用地类型复杂、横跨多个行政区块等客观原因,为提高预报精度,基于Mike系列模型,建立永宁江洪水预报模型。采用2013年“菲特”、2015年“苏迪罗”和2019年“利奇马”等台风洪水作为计算场次,根据2013—2019年水文资料选取5场洪水进行率定,结果表明各站模拟与实测过程趋势线基本一致,其中峰值水位误差：下路站为1.31%,西江闸下站为2.23%,永宁江闸上站为-0.98%,南洋站为0.04%。4站的洪峰水位平均误差为0.58%,洪峰滞时平均误差为0.8 h,主要预报站点的确定性系数在0.7以上,计算时间在30 s以内。将预报模型、工程调度信息与数字孪生流域系统相耦合,总体展示永宁江流域的工情和防汛情况,实现永宁江流域防汛的智慧决策,为调度指挥提供有力的数值分析保障。