数字孪生响洪甸水库工程建设探索

程习华

（安徽省响洪甸水库管理处，安徽 六安 237000）

1 概述

数字孪生流域在智慧水利建设发展中承担重要使命，是推动新阶段水利高质量发展的关键实施路径之一[1-2]。数字孪生流域的应用范围涵盖流域内的水库、堤防、蓄滞洪区等关键工程，以及河道水文站点和沿岸防洪区域等要素[3]。根据《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试实施方案》的要求，数字孪生流域建设被强调为首要任务，并要求率先在关键水利工程上推进数字孪生工程建设[4]。

响洪甸水库是淮河流域的重要水利枢纽工程，通过近年来信息化建设，在监测感知、业务应用、网络通信及基础环境等方面已具备一定规模的信息化基础，被安徽省列为数字孪生水库工程建设试点。本文提出充分运用新一代信息技术，进行数字孪生响洪甸水库工程建设，实现与实体水库同步仿真、虚实交互、迭代优化。这为水库防洪、水资源调配等“四预”功能（预报、预警、预演、预案）的实现提供了支持，从而提升了水库工程科学化决策能力与高效化管理水平[5]。

2 工程概况

响洪甸水库是新中国治理淮河水患的关键骨干工程之一。该水库的建设始于1956 年4 月，1958 年7 月顺利竣工。在2009 年7 月—2012 年7 月期间，响洪甸水库开展除险加固工程建设，并在2018 年完成除险加固后首次安全鉴定，被评定为一类坝。响洪甸水库位于淮河流域淠河西源，控制着1431km2的流域面积，总库容高达26.1 亿m3，是具备综合利用、多年调节的大Ⅰ型水利枢纽工程，同时具备防洪、灌溉、供水、发电、航运、旅游和养殖等多种功能[6]。响洪甸水库自建成以来，成功应对多次淮河洪水，蓄洪错峰的次数超过100 次，累计拦蓄1500m3/s 规模以上的洪峰高达115 次。每年平均防洪减灾效益超过2.5 亿元，为保障人民的生命财产安全作出了重要的贡献。

3 信息化现状与需求分析

当前，响洪甸水库水利信息化建设尚存在以下短板和薄弱环节：（1）数据资源体系有所欠缺，孪生场景数据驱动能力有待提高；（2）信息化基础设施存在不足，智能化监测感知水平还有待提高；（3）模型体系未进行深度挖掘应用，知识体系尚未构建；（4）业务应用智能化水平不高，水库管理系统与信息技术融合不够深入。

基于以上现状，需以响洪甸水库工程安全为底线，以信息技术为动力，以业务需求为导向，在水库已建的相关业务系统的基础上，整合相关业务基础数据、监测数据，集成、优化现有洪水预报模型、一维和二维水动力模型，以及水库调度模型、大坝安全监测模型等，构建数字孪生响洪甸水库工程，提升水库的智慧化管理决策水平。

4 总体设计

数字孪生响洪甸水库工程主要由数字孪生平台建设、信息化基础设施建设、业务应用建设、网络安全体系以及保障体系建设等多个部分组成。总体架构如图1 所示，其中数字孪生平台是最核心的环节。

图1 数字孪生响洪甸水库工程总体架构图

5 数字孪生平台

5.1 数据底板

数据底板为数字孪生水利工程提供“算据”支撑，主要包含数据接入、存储和服务三项内容，其中数据接入是数据底板的建设入口，数据存储是数据底板的内核，数据服务是数据底板的出口，数据底板构建的数据内容涵盖了基础、监测、跨行业共享、地理空间和业务管理等多个数据类别。

5.2 模型平台

模型平台是实现数字孪生响洪甸水库的精准映射和虚实互动的核心组成部分，为响洪甸水库智慧水利应用提供了必要的“算法”支持。同时，按照“标准化、模块化、云服务”的原则制定覆盖平台开发、模型调用、数据共享和接口等多方面的技术标准。平台涵盖水利、智能识别、可视化和模拟仿真等专业化模型。响洪甸水库工程“四预”功能展示可视化模型设计如图2 所示。

图2 响洪甸水库工程可视化展示模型图

5.3 知识平台

构建水库工程知识平台，将水库各项业务涉及的基础依据全面结构化、知识化，实现管理依据快速调取、管理流程快速调度、管理执行要求快速调取、管理联动操作自动关联，同时实现预警指标与预警事件关联、监测异常与事件处置关联、业务限制条件及限制因素快速识别等[7]。利用知识图谱和机器学习等技术提取、管理以及综合应用水利对象之间的关联关系以及水利规律等信息，这一智能核心为数字孪生响洪甸水库的运行进行赋能，支撑正向智能推理和逆向溯因分析。

6 信息化基础设施

6.1 水利感知网

基于响洪甸水库现有监测感知体系，充分利用先进感知技术，完善水库雨水情监测、出入库流量监测、视频监测、闸门工情监测等内容，按需求加强卫星遥感、高清视频、雷达等新型监测手段应用，提升水库智能感知水平。

6.2 水利信息网

利用已建水利专网实现响洪甸水库水利业务访问和数据传输。开展水利专网与政务网贯通建设，通过所属地的数据资源局节点，开展政务网与水利专网的互联建设，实现水利云平台与政务云平台融合。

6.3 计算与存储资源

计算与存储资源建设是响洪甸水库数字孪生建设中的重要环节。数字孪生建设进行复杂的模型计算、图形处理等环节需要配置足够的计算资源；同时，建设产生大量的基础数据、监测数据、业务数据及空间数据，需配置相应的存储资源，满足数字孪生响洪甸水库未来10～20 年的计算与存储需求。

7 业务智能应用

面向响洪甸水库水旱灾害防御、工程运行管理、水资源与河湖管理等业务需求，建设基于响洪甸水库数字孪生体系的专业智慧应用服务，实现预报、预警、预演、预案“四预”全过程管理。

7.1 防洪调度管理

利用响洪甸水库数据底板，构建防洪数字化场景，融合水文、水动力学等水利专业模型，遥感识别、视频识别等水利智能模型和可视化模型，预报调度方案库、历史场景模式库、专家经验库等水利知识库，构建“四预”防洪预报调度系统，实现洪水预报、预警分析、调度方案预演、预案智能生成等功能，为流域洪水防御提供超前、快速、精准的决策支持。

7.2 水资源调配与管理

依托水库及周边重要水文站点实时监测数据以及流域的来水水文预报信息、供水预测（计划）信息、短临气象预报等技术手段和取用水监控、取水计划等数据的分析与应用，生成水库综合调度计划，实现库区水资源科学合理调配、智能预演模拟和预警，并生成决策建议方案，确保库区水资源综合管理和科学调度，提高效益。

7.3 工程运行管理

工程安全运行管理方面，构建响洪甸水库大坝安全预警研判、发布、处置及效果评价体系，实现水库大坝安全运行监测预警全过程管理。日常业务运行监管方面，以工程虚拟化场景应用为主体，打通融合数字运行管理、多源监测等组件，实现工程日常业务智慧化、精细化管理。

7.4 河湖管理

实施河湖岸线综合管理，建立河湖日常巡查、问题发现上报、整改反馈、跟踪复查、考核评价等全过程管理机制。实现河湖岸线防护、水事案件查处、水事纠纷、采砂等自动化管理，并可查询事件进展及处理结果，建立起有效的河湖安全管理运行机制，提升综合监管水平和处置效率。

8 结语

结合当前水利部推进智慧水利、数字孪生水利建设的形势，开展数字孪生响洪甸水库工程建设，构建水库高精度数据底板和数字化场景，应用水利专业模型、智能识别模型和可视化模型，以预报、预警、预演、预案功能提升水库管理和调度能力，实现响洪甸水库工程的智慧化、精细化管理，十分必要且具有重要意义。有利于推进响洪甸水库水利工程信息化从数字化、网络化向智能化转变，为水库防洪、水资源配置与调度等业务提供支撑，进而提升水利工程设施运行效能，推动水利业务的全面创新■