基于数字孪生水文建设的探讨

陈成勇,潘 旭,周成宽

(聊城市水文中心,山东 聊城 252000)

水利部党组将智慧水利作为“十四五”规划的重点任务和水利高质量发展的显著标志。把“推进智慧水利建设”作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一。提出构建数字孪生流域、助力全国智慧水利建设[1]。建设数字孪生水文的目的是为了提升国家水安全保障能力,顺应以流域为单元、强化流域治理管理、适应信息技术发展的需要,并为构建智慧水利运管体系提供理论和技术上的支撑。数字孪生水文是水文部门推进数字水利建设的重要探索,数字孪生技术可以实现对物理实体的实时监测和控制,可以提高物理实体的效率和质量,降低运营成本,同时可以为科学研究和决策提供有力的支持。该技术已经广泛应用于工业制造、航空航天、城市规划等领域。山东省水利厅高度重视数字水利建设的推进工作,今年省水文中心已将数字孪生水文建设列为重点改革内容。

1 基本概念

数字孪生技术是一种新兴的数字化技术,基于物理实体的数字化模型,实现对物理实体的仿真和优化。其基本原理是将物理实体的形态、结构、特性、行为等信息通过传感器和其他数据采集技术实时收集,然后利用计算机技术进行数据处理、建模和仿真,最终生成一份与物理实体相对应的数字化模型,即数字孪生。

数字孪生水文建设是指利用数字孪生技术和水文学理论相结合,将现实世界的水文系统和水利管理活动进行数字化映射和智能化模拟形成虚拟模型,并使用传感器和其他数据源收集实时数据来实现与物理流域的同步仿真、虚实交互、迭代优化,从而实现对水资源管理、水文预测、水环境保护、水文灾害预警和防治等领域进行全面的仿真分析和评估,优化水文系统的设计和运行,包括水文过程、水文响应、水质变化、水文灾害等多个方面。

2 理论基础

水文学是数字孪生水文建设的基础学科,其理论和方法为数字孪生水文建设提供了基础和支撑。水文学理论主要涉及水文循环过程、水文数据采集、水文模型建立、水文数据统计分析和水文评价和规划等方面,而数字孪生水文建设则将这些理论与数字孪生技术相结合,进一步提高了水文学的应用价值和效果。

数字孪生水文建设的另一个理论基础是大数据和人工智能技术。数字孪生水文建设需要大量的数据支持,包括水文数据、气象数据、地形数据等,而大数据技术可以对这些数据进行处理和分析。人工智能技术可以实现对水文数据的智能处理和分析,包括数据挖掘、预测和优化等方面,为数字孪生水文建设提供了强有力的技术支持。

数字孪生技术应用于水文领域,可以实现对水文系统的数字化建模和实时监测,进而实现对水文循环全过程的精细化控制和管理。

3 主要架构

数字孪生水文建设的构架图是一个多层次、多模块的系统,数字孪生水文主要架构,见图1。通过各种技术手段实现对水文系统的模拟、监测、优化和决策支持,为水资源管理和智慧水利建设提供科学依据和决策支持,其构架通常包括以下几个主要组成部分:

图1 数字孪生水文主要架构

数字孪生水文建设的核心是建立水文系统的虚拟模型,包括地表水、地下水、大气降水等方面。该模型可以基于现有的水文监测设施数据和地理信息数据,使用物理模型、统计模型和机器学习等方法来建立。

数字孪生水文建设需要实时收集和传输水文数据,包括水位、流量、降雨量、蒸发量、输沙量、水质数据等等,以更新水文系统模型。数据采集和传输系统可以使用传感器、遥感技术、水文站和自动监测站等设备来实现。

水文数据需要进行处理、分析和存储,以便后续使用。数据管理和处理系统包括数据存储、数据处理和数据分析等方面,可以使用数据库、云计算、人工智能和数据挖掘等技术来实现。

水文系统模型需要不断地运行和优化,以保证模型的准确性和稳定性。模型运行和优化系统可以使用模型仿真、实践比对、参数调整和预测分析等方法来实现。

数字孪生水文建设的最终目的是为水资源管理者和水文工程师提供决策支持。决策支持系统可以基于水文系统模型和分析结果,提供各种决策方案和预测结果,帮助用户进行决策和规划。

4 数字孪生水文建设的价值和重要性

数字孪生技术可以对水文学系统进行精确的建模和模拟,包括水文循环过程、水质分布、水生态系统等多个方面,为水资源管理和保护提供重要的支持和决策依据。例如,数字孪生技术可以对水文系统进行可视化模拟,帮助管理者更好地理解水资源的分布、变化和利用情况,从而优化水资源的配置和管理,提高水资源利用效率和水环境保护水平。

数字孪生技术可以通过对水文系统进行精确的模拟和预测,提高水灾害预防和应对的效率和准确性。例如,数字孪生技术可以对不同的水文情景进行模拟,预测可能发生的洪水、干旱、滑坡等灾害情况,帮助管理者及时采取措施进行预防和应对,减少灾害损失。

数字孪生技术的应用可以促进水文学科技的创新和发展,推动学科发展走向数字化、智能化、高效化的方向。例如,数字孪生技术可以对水文学领域的数据进行大规模的分析和挖掘,探索新的数据特征和规律,发现新的水文学问题和挑战,从而推进学科的创新和发展。

5 数字孪生技术在水文学领域的应用

通过实践案例分析数字孪生水文建设的应用与效果,为今后的水资源管理和水文灾害防治提供参考。

5.1 北京市自来水集团数字孪生水处理厂

通过数字孪生技术对自来水处理厂的运营进行优化和提升,对自来水处理厂的模型进行数字化建模,实现对水质、水量、水压、水温等多个参数的实时监测和控制,实现自来水生产的智能化和高效化。该项目的实施,使得自来水处理厂的能耗、化学品使用和运营成本均有了大幅降低,同时提升了水质和供水服务的质量和可靠性。

5.2 数字孪生沂沭泗水系(江苏部分)水文预报模型共享服务

扩展定制流域水文水动力模型,升级完善洪水预报模块,补充旱情综合监测预测等功能,实现流域“四预”,集成“降水-产流-汇流-演进”全过程模型,实现气象水文、水文水力学耦合预报及预报调度一体化。通过自主研发模型引擎,构建一套拥有完全自主知识产权、核心技术安全可控、具备沂沭泗流域特色的水文预报模型体系,并提供便捷的模型协调研发和应用服务[3]。

5.3 流域有示范作用数字孪生小清河智能防洪应用项目

综合应用物联网、大数据、水利模型、遥感、GIS、BIM、模拟仿真等技术,探索构建具有“四预”功能的流域防洪智慧体系,建设数据中台、知识图谱,全面汇聚数据底板,基本构建了小清河流域“一张图”和数字流域可视化平台,实现与部、省、市平台的数据共享,为强化小清河流域治理管理工作提供了有力支撑,在险情诊断、防洪形势研判、防汛决策与行动支持中发挥了重要作用。

5.4 数字孪生欧阳海灌区水利工程项目

通过数字孪生欧阳海水利工程数据底板的打造,构建欧阳海灌区数字孪生体,通过多源数据融合、数字化映射、模型耦合等技术,以解决灌区管理痛点和难点为导向,在数字孪生体的基础上实现水资源配置与管理和防洪调度,着力提升灌区管理工作效率和服务能力,降低水旱灾害损失、保障粮食安全,形成灌区建设可复制可推广标准,适用于大中型灌区数字孪生建设领域防洪场景下的水库及渠道闸门调控、抗旱场景下的水资源优化调配以及强降雨情景下的工程安全管理。

未来,数字孪生水文建设在水资源管理和保护、水文学科技的创新和发展方面都有着广泛的应用和效果。这些实践案例也表明了数字孪生技术的巨大潜力和未来发展前景。

6 数字孪生水文建设的挑战与展望

6.1 面临的挑战

数据采集和质量问题:数字孪生水文建设的有效性和准确性,取决于所使用的数据质量和数据采集的覆盖范围。但实际应用中,由于数据采集的困难、采集方法的不一致以及数据质量的问题等因素,会影响到模型的准确性和可靠性。

1)模型建立和验证问题:数字孪生水文建设模型的建立和验证需要借助大量的水文数据和模型,但是由于水文系统的复杂性和不确定性,模型的建立和验证也面临着一定的困难。

2)技术应用和推广问题:数字孪生水文建设技术的应用需要依赖于专业的技术人才和高端的设备和软件,而实际应用过程中,人才和设备的短缺、技术推广的难度和成本等问题也是制约技术应用和推广的主要因素。

6.2 未来的展望

对未来,数字孪生水文建设技术仍然面临着一些挑战,但是在技术的不断创新和完善下,数字孪生水文建设的应用前景依然十分广阔。

进一步完善和优化数字孪生水文建设技术,提高技术的可靠性、准确性和精度,提升模型的实时性和动态性,增加技术的应用范围和可扩展性。加强数字孪生水文建设与其他相关技术的结合,如物联网、云计算、人工智能等,形成多技术、多角度的综合应用,提高技术的全面性和效益。深化数字孪生水文建设技术在水资源管理、水环境保护、水灾防治等方面的应用,为水资源的可持续利用和生态环境的保护提供更好的支撑和保障。

推进数字孪生水文建设技术在国内和国际的应用和推广,提高技术的认知度和普及度,促进技术的产业化和商业化,推动数字经济和智慧城市建设的发展。推动数据共享和开放,使得更多的水文数据可以被数字孪生水文建设所利用。这需要政府、企业和学术界的合作与支持。加强数字孪生水文建设模型的精度和可靠性,提高数字孪生技术的应用水平,使其能够更好地服务于水资源管理、环境保护和防灾减灾等方面。

发展数字孪生水文建设的自动化和智能化技术,以提高模型的计算效率和准确度。这可以通过深度学习、人工智能等新技术的应用来实现。加强数字孪生水文建设的实践与案例积累,不断完善数字孪生水文建设模型和技术的应用场景,以更好地解决实际问题。推动数字孪生水文建设的标准化和规范化,制定数字孪生水文建设的技术标准和规范,促进数字孪生水文建设的应用和推广。

综上所述,数字孪生水文建设具有重要的价值和意义,对于水资源管理和保护、水灾害预防和应对、水文学科技创新等方面都有着重要的作用,未来数字孪生技术的不断创新和应用将进一步推动水文学领域的发展和进步。山东省水文中心将坚持需求牵引、应用至上、数字赋能、能力提升的要求,从场景构建、水文映射、 “四预”目标等方面出发,搭建框架、建立标准,推动数字孪生技术在山东水文的实践中更好地发挥作用。