数字孪生乐安河流域预报调度体系构建

张阳 王君

摘要：智慧水利建设是新时期推动水利高质量发展的六条路径之一，而构建数字孪生流域是智慧水利建设的核心。江西省乐安河流域水网密布，水利信息化建设还不完善，婺源县是乐安河的发源地，旅游资源丰富，防汛形式复杂。如何高效管理利用旅游资源，提高水利部门之间业务的协作性，共同解决好防汛排涝问题是当前江西省婺源县水利信息化建设过程中亟待解决的关键问题。本文整体梳理了江西省婺源县流域概况、水利信息化需求，基于自主研发的模型云平台提出了乐安河数字孪生预报调度系统的具体方法，以期为加快婺源县水利信息化建设、建立数字孪生预报调度系统提供参考。

关键词：乐安河；婺源县；模型云；数字孪生；预报调度

智慧水利是水利发展到高质量阶段的重要标志，通常是指运用物联网、云计算、人工智能等技术，为实现乐安河流域水资源利用的健康生态化提供支撑。数字孪生是智慧水利的核心，加快数字孪生建设是党中央和水利部大力推进智慧水利的重要举措，是支撑现代化水利治理体系的动力和重要基础。防灾减灾涉及到多尺度、多层面、多专业的信息，防灾减灾需要数字流域的支撑，通过当前先进的数字孪生技术可实现智慧水利中的“四预”功能，其中，预报是基础，预演是关键，预警是前哨，预案是目的，预警的要点在于向公众及时传达预警信息，预报的要点在于提升预报的精度并延长预见期，预案的要点在于制定的方案具备可操作性和执行性，预演的关键在于多样化的演示。

目前我国的水利行业主要通过相关数据模拟展示水利场景，但该技术难以模拟水体的动态演化过程，与实际的需求还存在一定差距。

近年来，随着乐安河流域内水利工程的修建与不断完善，河道所在的下垫面特征发生了一定程度的变化，进行洪水预报的难度加大，变动环境下的适应性水库调度是当前研究领域的热点问题之一。江西省乐安河流域防洪形势复杂，为充分利用洪水资源、解决好防汛排涝问题，利用数字孪生信息化技术构建预报调度系统很有必要。

一、总体设计

乐安河流域内的水利工程数量多，水利基础数据量庞大，数字孪生预报调度体系的构建需要集成和处理各类水利数据，建立水文模型时相关工作人员需要将各类基础数据处理好之后再汇集到模型中进行计算，建模工作量很大，因此，应构建基于模型云平台进行乐安河流域数字孪生预报调度体系。

模型云平台是基于GIS和云计算技术的可视化建模工具，融合了DEM数字高程地形处理、异构网格剖分、拓扑结构提取、二三维一体化等技术，可实现水文、水力、水质的一站式建模，平台建立了异构数学模型引擎的兼容标准和机制，实现了数学模型引擎的云端部署和计算，内部同时提供模拟计算、方案托管等SaaS服务。

模型云平台自主研发紧耦合的水文、水力、水质模型引擎，构建了一套拥有自主知识产权、核心技术安全可控的模型体系。水文模型集成经改进的半分布式新安江模型、贵仁分布式水文模型、降雨径流模型等产汇流模型以及河道演进模型。贵仁分布式水文模型需融合业内主流算法，兼容蓄满产流和超渗产流，实现结构灵活、参数精简、定制方便等优势功能。模型云以虚拟化云技术为基础，以云存储作为模型计算数据交换的中间件，以微服务构建的RESTful统一计算服务接口作为模型云终端，构建统一的数学模型运行管理平台。通过建立标准和机制，无需修改实现水文、水质等不同类型，实现平台以SaaS服务的形式提供模拟计算、方案托管等功能，使模型引擎计算摆脱了电脑终端的束缚，突破此前模型构建与业务应用相互隔离难以协同的状态，使工程师构建的模型可以更便捷地与业务系统集成，赋能业务系统。通过在云端提供的模型服务和计算资源，使用户能以较低的成本按需使用数学模型和高性能的计算资源，从而提高业务响应能力。

数字孪生预报调度系统依托水利部智慧水利总体框架与数字孪生流域先行先试的工作要求，按照江西省智慧水利建设规范，基于模型云平台、可视化技术、数学模拟仿真引擎实现了乐安河流域（婺源）洪水预报调度全过程的精准化模拟，已达到决策智慧化的目标。

二、应用实例

（一）流域概况

乐安河发源于婺源县五龙山脉。婺源县位于赣东北，地处皖、浙、赣三省交界，属上饶市管辖。地理位置为东径117[°]21ˊ～118[°]12ˊ，北纬29[°]01ˊ～29[°]34ˊ。东临浙江开化，西毗瓷都景德镇，北枕皖休宁，与黄山连脉，南接亚州著名铜基地德兴，西南与乐平相连，东西长83km，南北宽54km，全县国土总面积2967km2。地形属江南典型的丘陵山区。

在当前的乐安河（婺源）流域防汛工作中，较为关注重点水文断面（如三都站）的洪水预报和预警情况，对预演和预案关注度较低，距离“预报精准化、预警超前化、预演数字化、预案科学化”的流域防洪智能水利业务还存在一定差距。中小型水库预警服务对地方政府防汛决策具有至关重要的支撑作用，婺源县尚未对影响区域行洪过程的上游段莘水库、清华水库、下游星江电站水库等中型水库建立完备的预警业务服务。此外，安乐河流域预报调度一体化尚未实现，上游乡镇防汛措施普遍不足，支撑精准化决策的计算资源有待完善。

（二）预报调度一体化构建

乐安河流域预报调度一体化功能可根据实水情，对未来一段时间内的清华水库等水库上游来水洪水过程做出预测预报，然后基于预报成果，结合模型计算，进行调洪演算，最终选择最优方案。

乐安河流域数字孪生预报调度体系的建立依托模型云对水文模型引擎、一二维水动力引擎、水工调度引擎的耦合，以及强大的前后处理能力，可搭建出流域洪水预报模型，经自动率定及手动率定后作为预报基准，模型云由于其架构与在线平台具备天然的相容性，可实现实时监测数据、预报数据的衔接，由于模型引擎完全自主可控，具备很强的灵活性。平台的调用下，实现各类场景及调度措施的模拟，并支持进一步对模拟结果进行统计分析及可视化展示。在具体应用时，相关专业人员需要分析流域在当前各水利设施运转条件下及预报的气象条件下，降雨径流如何产生、如何汇聚，水库库容会如何变化、河道水位如何涨落、洪峰何时来临、洪峰流量会有多少，河道是否可能漫溢、是否可能溃坝，是否会对人民生命财产安全造成危害等一系列问题，在上述条件下判断是否需要执行应急调度，制定多种调度方案，并及时对比分析每种调度方案可进行哪些改善。

（三）数字孪生乐安河预报调度业务应用

按照江西省智慧水利的建设技术规范和水利部数字孪生流域先行先试要求，采用微服务、二三维一体化等关键技术，基于模型云智能模型平台建设本业务应用系统。数字孪生乐安河预报调度系统充分利用乐安河上游（婺源）水文智慧监测与业务服务系统已建成果，融合洪水预报调度的各类信息资源，构建统一的数字孪生预报调度业务应用平台。

1.预报调度模型体系构建

基于乐安河预报调度体系中的水利模型，系统还集成了前端采集水文信息的相关仪器，仪器利用当前先进的图像识别技术，通过视觉方法自动获取水位、流量等数据，并将获取的数据自动集成到模型云平台上作为模型的输入条件，乐安河流域的水文站、水利工程管理的机构具备视频监控系统，视频识别系统与基于模型云的水利模型共同构成了完备的智能模型体系。

2.水文预报

水文预报的参数设定是乐安河数字孪生预报调度系统进行水文预报的基础，系统根据梳理的乐安河指定区域的历史洪水场次，根据实际需要进行人工或自动参数率定，在对历史的洪水场次数据进行参数率定的过程中，以洪峰流量、峰现时间、洪水总量等作为参数率定的标准。若在实际操作过程中人工参数率定的工作量过大，可利用系统中集成的优化算法对水文预报参数进行自动率定，率定后的参数将和流域内的区域进行对应匹配，以供实时预报。

在进行实时水文预报时，需要在系统中接入实时的降雨数据，降雨数据的质量关乎到水文预报的精度和洪水预报的预见期长度等，数字孪生乐安河预报调度系统中接入雨量站实测降雨数据、降雨数值预报数据、雷达实测数据。其中，雷达实测降雨数据主要为高时空分辨率的数据，利于三水源新安江水文模型、贵仁分布式水文模型进行面雨量的计算；系统接入的多元气象降雨数据主要包含短期、中期和长期的降雨预报成果，短期降雨预报通常为1～3d降雨预报成果，中期降雨预报为3～7d降雨预报成果，长期降雨预报主要为7～30d降雨预报成果，不同类型的降雨预报成果可以用统计图表或柱状图的形式呈现。

除了运用单一的水文模型进行作业预报之外，数字孪生乐安河预报调度系统也支持运用多种水文、一二维水动力模型进行洪水预报调度、洪水演进计算，这样不仅能够提升水文预报精度，还能够综合利用多种预报成果进行对比分析。例如，在具体的水文作业预报过程中可对清华水库上游山区产汇流预报，从大鄣山到清华水库区间构建集总式水文模型，以大鄣山的实测流量作为输入预报清华水库的入库流量过程；利用清华水库坝址以下至三都水文站、段莘水库坝址以下至汪口水文站、江湾站至汪口站、汪口站至三都站的集总式水文模型进行河系预报，预报汪口站、三都站的水位流量过程；利用清华水库坝址以下至三都水文站、段莘水库坝址以下至汪口水文站、江湾站至汪口站、汪口站至三都站的一维河道水动力模型，以及水文水动力耦合模型，预报区间重要断面水位流量过程；利用婺源县城区一二维耦合的水文水动力模型模拟河道各个断面的水位、流量，预报城市的积水区域、水深、历时等，进行洪水淹没分析等。

3.洪水调度

数字孪生乐安河流域的洪水调度主要包括实时洪水调度和历史洪水调度预演两方面。用户可通过历史洪水调度预演功能查询历史洪水过程、对应的推荐调度方案以及调度方案的效果等。实时调度用户可查看实时的调度预案并选择采用合适的洪水调度方案。具体的乐安河流域调度预案包括水库调度方案、当地水文部门的附加测报方案、避险转移救灾方案等。实时洪水调度方案的优选可依据水文相关部门专家的经验以及方案评分系统提供的评分等级进行，完整的洪水调度方案包括具体的调度方案数据、调度前后水工程附近的水情、灾情的估算分析数据等。通过智能化预案模型，业务应用可通过事件发生的地点、程度、时间等信息自动分析和关联相应的处置方案，并将电子预案以可视化的方式在系统中展示。智能化预案支持应急事件的快速响应，从而提升针对应急事件的应急处置能力。

例如，根据气象部门预警信息，城市管理局、自然资源局、紫阳镇、蚺城街道负责开展排查，一旦发现洪涝险情，立即向领导小组报告，并及时采取有效措施；指挥部收到发生险情的信息后，会及时派出救援队伍及物资设备，并通知公安局根据需要进行现场交通管制、人员疏散，设置警戒范围，同时联系供电部门确保电力安全、保障处置行动供电，并会根据工作需要请水利局派出专家指导，根据应急处置工作的需要设立现场指挥部；应急管理局派出或指定现场指挥官，统一组织、指挥现场应急工作，所有参与应急抢险救援的队伍和人员必须服从现场指挥部的指挥。

4.综合信息查询

乐安河流域预报调度系统的信息展示与服务基于实时采集、模型模拟结果，基于婺源（乐安河流域）数字孪生平台提供基础数据查询展示等服务，用户可选择查询站点和查询时间段，了解站点的实时水雨情或历史水雨情信息，系统将从数据服务器的实时水雨情数据库中读取相应的流量或水位过程，并把流量或水位过程以过程线图和数据列表的形式展现。

三、结语

数字孪生流域建设是智慧水利建设的重点任务，全新的数字孪生预报调度系统体系的建设是在充分利用婺源县原有项目的基础上对资源数据进行有效聚合，即通过现代信息技术如数字孪生技术、模型云平台等实现了对统一数据资源平台的统一门户访问，实现了上饶市、婺源县在数字孪生、可视化、大数据等产业的深度发展。

本文中提到的乐安河项目为试点工程建设，具有技术攻关和示范引领的作用，在项目实施较好的背景下，通过乐安河预报调度系统项目可将数字孪生工程的建设范围和涵盖业务不断扩展，形成覆盖整个乐安河流域（婺源）的防洪调度、水资源管理、河湖管理、水利工程管理等多尺度、多业务的应用体系，推动乐安河流域（婺源）“2+N”智能应用运行，加快江西省智慧水利体系形成。

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