数字孪生乐安河助力提升小流域防洪决策支撑能力

江西省乐安河流域防汛工作具有小流域防洪的典型特征，针对小流域防洪存在的“四预”体系不完备、决策支持能力不能满足业务需要等问题，开展数字孪生乐安河流域的建设试点。将 WebGIS 引擎和游戏引擎相融合， 结合使用新型水文监测感知体系、BIM + GIS + IoT、多源数据融合等先进技术，搭建视觉真实、数据准确的三维数字孪生场景，构建未来降雨、水文预报、水工程调度、一维/二维演算等多模型耦合的流域防洪智能模拟仿真平台，实现乐安河上游暴雨集中区（婺源）洪水预报全过程的精准化模拟和预报调度一体化，为决策部门提供受灾影响范围这一关键性决策依据研究成果，对构建中小流域（县域）防洪“四预”体系，助力提升小流域（县域）防洪决策支撑能力具有示范性作用。     

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。     

数字孪生飞云江流域水利知识平台建设研究

为提高飞云江流域智慧管控风险能力,根据数字孪生流域知识平台建设要求,以知识图谱为技术框架,引入机器深度学习技术,融入流域预报调度业务规则、历史典型场景洪水模式和专家预报经验等知识,通过图模型可视化处理,将知识以图数据模式进行存储,建立流域业务规则库、历史场景库、专家经验库和知识图谱库。利用图计算引擎管理和驱动知识,对流域特点、水利对象关联关系、业务规则等水利知识,进行挖掘提炼、归类组合、智慧管理和集成应用,构建基于水利知识图谱的数字孪生流域知识平台。数字孪生飞云江流域水利知识平台具有智能匹配、智慧推荐、全景推演等特点,可支撑流域防洪“四预”业务,提升流域风险与调度决策全流程数字化、智慧化、精准化水平,为其他水利知识平台建设提供经验借鉴。     

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。     

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。     

数字孪生贾鲁河在工程施工期防洪度汛中的应用

为满足贾鲁河综合治理工程施工期防洪度汛精细化管理的需求,确保工程安全的同时能够充分发挥流域防洪效益,数字孪生技术被应用于在建水利工程施工度汛精准风险分析、预警和防汛预案制定中。数字孪生贾鲁河以自建采集L3级和共享L1和L2级数据为“算据”底板,以模型平台和知识平台为“算法”支撑,以信息化基础设施为“算力”依托,搭建具有预报、预警、预演、预案等“四预”功能的流域防洪应用。在贾鲁河流域基础资料收集及数字化场景搭建和模型构建基础上,以流域降雨量级超100年一遇、约50年一遇、约20年一遇设置了三类预演情景模拟洪水,统计施工期工程存在的漫堤风险、淹没风险、冲刷风险、洪水倒灌风险、桥梁阻水风险、堤外积水风险等六类风险并制定防洪度汛措施。数字孪生贾鲁河确保了工程2022年安全度汛,总结了河道治理工程施工期洪水风险类型和定量评估方法,形成了在建工程复杂环境条件下的地形勘测、洪水模拟、风险预警、应对措施制定的完整解决方案。     

数字孪生水下三维实景数据底板获取技术研究

为了获取高精度的水下三维模型细节纹理结构,满足数字孪生建设对水下三维实景数据底板获取的需求,实现对水下构筑物的实时可视化动态监测,基于GNSS技术、USBL技术研究构建了水陆一体化定位技术,融合水陆一体化定位技术、有缆ROV和水下摄影测量设备等研发了水下摄影测量系统,实现了数字孪生水下三维实景数据底板的获取,并采用多波束测深系统、水下三维全景成像声纳系统等对水下摄影测量系统获取的三维实景模型数据成果精度进行了验证,结果表明：水下摄影测量系统获取的三维实景模型精度满足规范要求,可用于数字孪生流域、工程等水下基础数据底板的建设,也可为水下高精度三维场景重构再现和水利工程水下构筑物实时动态监测提供技术支撑。     

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。     

《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》解析

2022 年 3 月,水利部印发《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》,明确了数字孪生流域的具体建设内容,细化了技术要求。介绍数字孪生流域建设背景,以及定义、建设范围及目标、建设原则等建设内涵,阐明智慧水利总体框架和数字孪生流域建设框架,进一步厘清相互关系。详细说明数据底板、模型平台、知识平台等组成的数字孪生平台,以及水利感知网、水利信息网、水利云等组成的信息化基础设施两大组成部分的主要建设任务,对涉及的具体功能要求和技术要点进行详细解析,就数字孪生流域建什么、达到什么标准及需要重点把握的技术环节等问题进行解读,并对数据孪生流域建设过程中涉及的数据安全特别是地理空间数据安全应用等重要问题和集成共享相关要求进行说明。     

北大港水库数字孪生建设方案与要点探讨

为提升北大港水库工程管理现代化与智慧化水平，结合北大港水库“数字河库”建设现状和水库扩容工程规划，提出北大港水库数字孪生建设方案，搭建数字孪生工程建设总体框架与主要内容，丰富 L2 和 L3 级数据底板， 构建模型库和知识库，实现建设期和运维期的智能应用建设。对安全监测数据底板、工程安全模型等数字孪生建设难点，以及实现“四大安全”与全过程、全要素管理等进行探讨。实现北大港水库流域防洪调度、水资源管理与调配，以及其他各项业务管理的数字化、网络化、智能化水平提升，有效推进水库运营管理数字化转型和智能化升级。     

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。     

重庆市智慧洪水灾害防御研究

结合重庆市洪水特点,提出重庆市智慧洪水灾害防御的总体框架和建设内容,并结合已经完工的重庆市防汛管理信息化建设项目(一期),梳理总结在智慧洪水灾害防御方面所取得的成果,提出一套集实时洪水预报、水库防洪调度、河道洪水演进、水库回水模拟、水库溃坝模拟、洪水淹没及洪灾损失计算、防汛形势分析、应急预案智能研判、水库大坝安全评估、三维动态仿真等于一体的流域洪水过程全链条分析功能体系,并以重庆市主城区为核心的6个流域43条河流、49个重要区域的洪水进行实验验证,验证结果表明,效果良好,可为重庆市防汛决策管理打造智能的信息支撑体系,具有较大的推广应用价值。     

基于多算力融合的数字孪生黄河黄河云设计研究

为解决数字孪生黄河建设过程中出现的算力基础设施能力不足,数据存储、处理、服务效率不高,资源服务模式不够灵活等问题,立足数字孪生黄河建设对算力基础设施的实际需求,结合水利部出台的相关技术规范,提出多算力融合黄河云重构搭建方案。开展对多元算力、多模态存储模式等关键技术的综合分析,提出多算力融合黄河云的总体框架、部署架构、资源池及资源管理设计。多算力融合黄河云针对模型计算、数据底板、智能应用、大数据处理与分析等不同场景,建设虚拟化、高性能、裸金属等算力资源,根据数据类型、特点,以及数据量匹配集中和分布式存储资源,提出适应黄河水利委员会组织架构的云管理模式,可为数字孪生黄河建设提供高效算力底座。     

重庆智慧洪水灾害防御研究

本文结合重庆市的洪水特点,即过境洪水和山洪相互叠加、受三峡水库回水顶托影响、极易引发次生地质灾害,提出了重庆市智慧洪水灾害防御的总体框架和建设内容,并结合已经完工的重庆防汛管理信息化建设项目（一期）,梳理总结了在智慧洪水灾害防御方面所取得的成果,提出了一套集实时洪水预报、水库防洪调度、河道洪水演进、水库回水模拟、水库溃坝模拟、洪水淹没及洪灾损失计算、防汛形势分析、应急预案智能研判、水库大坝安全评估、三维动态仿真等于一体的流域洪水过程全链条分析功能体系,并以重庆主城区为核心的6个流域43条河流、49个重要区域的洪水进行了实验验证,证明方法可行,效果很好,为重庆市防汛决策管理打造了智能的业务支撑体系,具有较大的推广应用价值。