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。     

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。     

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。     

基于状态空间搜索法的商人过河问题解决方案

商人过河问题可以视为一个多步决策的过程,通过确定每一步的决策,最终达到安全渡河的目标。将经典的商人过河问题进行了泛化讨论,在此基础上着重分析了安全渡河问题的状态空间,建立了满足问题需求的渡河规则,研究了相应的控制策略,得出了求解路径的搜索规则和搜索策略,给出了基于状态空间搜索法的问题解决方案。     

天津市行洪河道管理信息系统

针对天津市河道防洪资料的不系统性,管理和利用的不科学性,设计并开发了天津市行洪河道管理信息系统.系统首次建立了天津市19条一级行洪河道的数字地图、网络空间数据库、属性数据库,并开发了以WEBGIS为平台的行洪河道信息查询系统,为天津市水利管理部门提供了行洪河道管理信息共享的网络化平台,从而对减灾和管理决策提供准确、及时的技术支持.     

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。     

太湖流域水利信息化建设

从保障太湖流域防洪和供水安全,改善流域水环境的需要出发,以水利信息化推进流域的水利现代化,切实提高流域综合管理与治理水平,全面总结了太湖流域水利信息化建设取得的成效,提出了今后一段时期流域水利信息化工作的思路和重点。     

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。     

沂沭泗水系防洪工程联合调度系统构建及验证

流域防洪工程系统实时联合调度,是行之有效的非工程防洪措施之一。基于沂沭泗水系防洪"河道泄洪—涵闸分流—湖泊蓄洪—滞洪区滞洪"的复杂大系统,采用大系统分解协调原理、马斯京根演算、水量平衡、二维水动力模型等方法,提出沂沭泗水系防洪工程联合调度系统的构建思路。基于所建模型,在现状工况条件下,对1974年暴雨洪水进行防洪工程联合模拟调度。经调度后,与1974年实测值比较,南四湖下级湖最高水位降幅为0.68 m;骆马湖最高水位降幅为0.37 m;中运河运河站洪峰流量削减90 m~3/s,削减率为2.4%。调度模型及演算结果基本合理,调度模型及采用的演算参数可以作为下一步优化调度的基础。     

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。     

基于流水线模式的河系径流预报并发计算研究

在河系径流预报计算中,一方面受单站水文过程计算复杂性影响,另一方面下游站点依赖上游关联节点,现有洪水预报系统在河系预报计算时多采用串联模式进行计算。这在河流系预报节点较多、模型方法略为复杂时,计算效率较低。为突破河系径流预报计算效率瓶颈,本研究引入流水线并行模式,对河系径流预报站点初始化、单元产汇流计算、河道洪水演算、校正分析等模块进行拆解,构建流水线式工作站,将径流预报站点按水力联系连续入站,实现河系节点集径流过程的平行并发计算。选取淮河正阳关以上流域50余断面进行了模拟试验,结果表明：研究构建的并发计算方法计算结果可靠,较串行结构效率提升超3倍,可满足洪水预报实时性要求、尤其适用于B/S模式对系统响应效率的需求。     

基于机理模型的兰江洪水复盘分析

为提高洪水预报水位精度，结合水文和水动力模型，对钱塘江 2022 年“6·21”洪水计算过程进行复盘，分析洪水成因。收集降雨量、水位、流量等水文监测数据及水利工程调度信息，建立兰江流域半分布式水文和分段水动力模型，完成模型率定和验证。基于模型分析洪水成因，分析降雨时空变化、梯级水利枢纽调度、区间水库拦蓄对洪水过程的影响。结果表明：洪水主要由自北向南移动的强降雨形成，在水利枢纽调度影响下，洪水水位过程线由尖瘦型演变为头肩型，其中干流水利枢纽调度影响低水水位上涨和消落，上游水库调蓄可有效削减洪峰并推后峰现时间。通过洪水成因分析，在机理模型中加入水利工程调度影响，计算的洪水水位过程与实际更加吻合。     

淮河洪水预报调度系统建设及在抗流域大洪水的应用

针对传统预报与调度系统分散独立建设,信息与模型共享耦合和互动反馈自动化水平不高,系统通用性、安全性、跨平台功能不足等方面的问题,利用跨平台系统开发框架Spring Boot技术,构建新一代淮河洪水预报调度系统。该系统以电子地图、实时雨水情数据库、专用历史洪水数据库、智能化洪水预报和调度模型为关键支撑,建立洪水预报和调度模型自动化的互联互馈和协同耦合机制,集成防洪形势自动分析、多模式河系洪水预报、多模式洪水联合调度等业务功能,实现预报调度一体化、调度决策智能化和过程可视化。该系统在2020年淮河流域性较大洪水中进行实际应用,结果表明:系统有效实现多场景、多工况情况下的洪水预报与工程调度的联合模拟分析,为防洪预报调度业务提供重要技术支撑。     

基于水动力数学模型的建设项目洪水风险分析

为评价建设项目面临的洪水风险,为工程优化设计提供依据,以邹平货运铁路物流站为例,采用 MIKE21 与 MIKE11 耦合方式,建立项目区周边河网模型,分析孝妇河在 100 年一遇设计洪水情况下右堤不同位置发生漫溢或溃堤时,项目区洪水演进过程,得到新建邹平货运铁路物流站各区域淹没水深、流速、淹没历时等特征数据。根据模拟结果,孝妇河在不同位置溃堤时洪水对物流站的影响差别较大,其中,位于物流站西南侧的毛张村南侧溃口溃决时,对项目区影响最大,该工况下物流站最大淹没水深可达 0.83 m,最大流速为 0.65 m/s,淹没历时约为 1.26 d。除毛张村南侧外,其他溃口溃决或漫溢对项目区淹没风险较小。根据模拟结果,本研究有针对性的提出减轻或消除洪水影响的措施,可为类似项目洪水风险分析提供一定的参考。     

落差指数法在大湟江口水文站流量在线监测的探讨

河流水能资源梯级开发对水文站水文监测造成了较大的影响,水位流量关系变得散乱,在洪水涨落过程或水利工程回水影响期,现用的综合水位流量关系法推算的实时流量可能出现较大偏差。为应对受水利工程回水等因素影响下的水文监测难题,探讨用落差指数法对受影响水文站水位流量关系进行单值化处理,用实测水位信息推算出实时流量,从而实现流量在线监测。以珠江流域西江干流大湟江口水文站为例,用该站 2017 年以来的实测资料,对落差指数法有关参数进行率定,以单值化关系推算流量。分析结果表明：所推算流量的精度满足规范要求,基本解决大湟江口水文站受影响后的流量实时在线监测和水文资料整编定线难题,可为开展西江干流浔江河段水情预警、生态流量监控、水文分析评价提供良好的实时流量信息支撑。