以防洪为核心的三明市沙溪数字孪生流域建设

收稿日期：

2023-02-23

作者简介：

吴义阳，男，高级工程师，主要从事防汛抗旱等方面的工作。E-mail：511539363@qq.com

引用格式：

吴义阳.以防洪为核心的三明市沙溪数字孪生流域建设

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：101-108.

摘要：

为提高三明市防洪的实时监管效能、应急处置能力与安全保障水平，以沙溪流域为例，构建了以防洪为核心的数字孪生流域。从防洪“预报、预警、预演、预案”4个方面，通过完善监测感知网建设，针对三明市沙溪流域防汛感知网的薄弱环节，适当增加水文、气象等监测设备，提升气象预测预报预警精准程度；加强数据资源建设，整合现有平台及数据资源，推动各部门间数据同步、互通共享与系统同屏共享，实现“一屏知汛”；开展重点区域建设，将沙溪流域作为重点建设区域，建设覆盖沙溪流域的立体监测体系，并重点实现沙溪流域防洪调度一体化，实现信息快速流通，支撑防汛应急指挥调度。实践证明：在数字孪生技术的支持下，通过调度预演来分析决策，三明市主城区防汛预警提前了6 h，最大限度地减少灾害影响和社会经济损失，取得了良好的运用效果。

关键词：

数字孪生流域； 防洪调度； 数据底板； 沙溪流域； 三明市

中图法分类号：TV87

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.018

文章编号：1006-0081（2024）01-0101-08

0  引  言

数字孪生技术为解决防灾减灾工作中的一系列问题提供了全新的思路和方法。研究数字孪生流域建设在防汛减灾中的应用，对提高防灾减灾工作的效率和效果具有重要意义。目前，数字孪生技术在城市规划、交通运输和能源管理等方面已有较多研究。但是在防洪工作中，数字孪生流域建设的具体应用和效果研究尚不够清晰［1-2］。水利部门践行新发展理念和高质量发展［3］，智慧水利是其中一大途径和显著标志。2021年《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”［4］。智慧水利的建设需要依靠“物理水利及其影响区域的数字化映射”和“数字孪生流域”实现“四预”（预报、预警、预演、预案）功能。本研究以三明市沙溪流域为例，在三明市防汛应急综合指挥平台的基础上，构建了以防洪为核心的沙溪数字孪生流域。

1  研究区域概况

三明市位于福建省中西北部，市域总面积2.29万km2，人口约264万，下辖一市、两区、八县。其地域复杂，山势崎岖，河流密布，气候温暖湿润、雨量充沛，容易发生水旱灾害，特别是洪涝灾害，给三明市防汛排涝工作带来了挑战。

沙溪、金溪和尤溪为三明市主要河流水系［5］，大多坡降大，水量充足，上中游河床切割较深，水流急，含沙量较少。沙溪、金溪和尤溪流域雨量充沛，多年平均年降水量分别为1 650～1 800 mm、1 700～1 850 mm和1 550～1 700 mm。其中，沙溪流域的洪涝灾害主要由4～6月的春夏之交冷暖气团交绥造成的暴雨和7～9月的东南沿海台风带来的台风雨所致［6］。沙溪流域建有安砂水库，控制流域5 784 km2，总库容为7.4亿m3，为上下游城镇的防洪安全提供了保障。不同流域的水库工程在防汛抗旱指挥部的统一调度下运行，能够发挥出联合防洪的作用［7］。

三明市防汛抗旱指挥部已经积累了一批防汛相关信息化系统，但由于缺少统一的应急指挥平台，无法实现全面高效的防汛决策支持和应急响应，特别是在实现“四预”能力方面面临较大挑战［8-9］。

三明市沙溪数字孪生流域建设存在问题如下：

（1） 数据底板不完善，各部门业务专网独立，数据未得到很好的挖掘［10］。

（2） 缺乏统一的模型平台，导致防汛业务流程耗时较长，无法实现一站式作业，无法满足防汛预警工作的时效性。

（3） 四预功能缺乏链条，洪水的预警范围不足，预警不够及时，亟需建设一套防汛业务协同应用。

（4） 缺少统一的调度指挥，导致三明市对紧急事件的整体调控和调度指挥能力偏弱，迫切需要以信息化手段提升数据共享能力，建立快速沟通渠道，优化资源调配优势，提高防汛应急事件处置能力。

2  总体设计

2.1  总体框架

建立以防洪为核心的三明市沙溪数字孪生流域，需加强“全域感知-智慧中枢-业务决策-协同指挥”的防洪应急指挥数字化、智慧化运营管理体系建设，实现基础设施与智能决策支撑手段全面升级，形成防汛“事前-事中-事后”全链条、标准化、精细化工作模式，以支撑政府开展城市防汛科学决策和应急管理，提高实时监管效能、应急处置能力、安全保障水平，減少洪水内涝造成的损失，有效防范和遏制重特大事故发生，保障人民群众的生命与财产安全。根据《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》，结合数字孪生流域建设框架要求以及三明市防汛信息化现状，三明市沙溪数字孪生流域总体架构见图1。

2.2  建设内容及主要特点

沙溪数字孪生流域建设内容及主要特点如下：

（1） 补充传统水利监测站网如水文站、水位计以及新型水利监测网如AI摄像头等感知设备，实现对三明市内的防汛工作的全面支撑。建立了三明市内防洪相关基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据以及其他跨行业共享数据在内的数据底板，形成防汛应急数据库，实现各业务单位防汛数据资源整合，形成高效、精准、全面的预警信息，能够有效地为防灾减灾与防汛应急工作提供数据支撑。

（2） 建立以模型引擎、知识引擎组成的模型平台和知识平台，形成三明市防汛应急指挥大脑中枢，上衔智慧业务系统，下接感知体系，为智慧防汛应急业务“承上启下、智能协同、长效运行”提供核心驱动。建立防汛算法引擎、知识引擎、管理引擎，形成城市防汛模型与知识资源，提供适应不同防汛应急决策场景的智能构建手段，为防汛过程中预测预报、工程调度、模拟仿真、辅助决策等环节提供专业、科学、智慧分析服务，支持未来系统业务不断迭代优化。

（3） 实现防洪业务应用。满足工作人员、决策人员的多端协同，将防汛业务专业计算分析工作与政府领导会商分析决策工作高效分工、有效协同。面向三明市水利局、水文局、气象局、城管局等单位的技术人员，针对三明防汛河道内洪水调度防御、城市内涝洪水调度、防汛应急调度等场景，提供覆盖“降雨-产流-汇流-演进、总量-洪峰-过程-调度、流域-干流-支流-断面”的模拟计算、分析评估模块工具，快速开展预报方案、预警成果、调度方案、建议预案等相关内容的分析计算和方案发布，以供防汛会商决策。

（4） 实现以应急决策为目标的综合决策指挥应用。面向三明市政府、水利局、应急局、城管局、自然资源局、水文中心等防汛会商领导层的决策指挥工作，提供三维决策场景分析与协作功能，集态势数据展示、现场决策、执行指挥、效益评估功能为一体，实现“技术-料物-队伍-组织”综合管理，支撑保障防汛应急的科学决策、高效管理、精准执行。

3  关键技术

3.1  数据底板标准化

三明市防汛相关业务均由不同业务部门建设或者由部、省建设地市使用，图2  防汛对象标准化技术

这种模式使得三明市防汛需要的防汛数据出现数据孤岛，在进行数据汇集与业务协同开发的过程中，各业务数据采用的接口结构多样、数据格式不同，无法满足高效查询和协同作业的要求。

为满足业务协同需要，防汛计算对象分为水库、测站、堤防、管网等实体对象，以及河段、河道断面、产流单元、预报区间等虚拟对象两大类。根据计算对象标准定义节点编码、节点名称、节点类型等通用属性以及各类型特有的特征值、特征曲线、约束条件、模型参数等与模型输入对应的数据字段属性，并与数据底板的数据完成对象的数字化映射。该方式避免了数据类型不同、数据库不同、数据格式不同带来的适配工作量问题，也保障了防汛业务流程在不同的管理单位之间形成串联。防汛对象标准化技术见图2。

3.2  业务协同编排

需充分组合业务流程，实现三明市防汛应急决策的计算和分析。通过建立业务协同模型编排技术，实现面向不同场景、业务模型灵活配置和调用，满足防汛决策场景灵活多变的业务协同和流程串接，实现模型动态接入、组装和配置，形成虚拟流域与物理流域同步仿真运行，解决各专业之的业务“烟囱”［11］。

三明市防汛应急决策中的水文预报、防洪调度、风险评估、淹没分析等多个业务协同一体，完整计算需要按一定顺序调用多个模型。为了实现多模型、多任务的智能化协同，提出“配置-解析”的组合编排技术。为每个对象配置模型计算任务，并明确各模型的上下、干串并衔接关系、各对象模型数据的衔接来源；根据配置信息将各对象模型转换为组合计算顺序，完成跨业务的复杂模型组装。

在编排对象、模型和水力联系后，还需要一套能将多业务、多对象的模型转换为计算流的流程引擎技术。流程引擎需要根据对象衔接关系和业务衔接关系，明确对象的计算顺序、模型的计算顺序、模型数据的衔接来源等内容，形成完整业务协同，实现业务计算，如图3所示。

3.3  视频AI识别

当前的传统水文感知设备虽然可以较为精准地监测到包括水位、流量、流速等信息，但是也存在局限性［12］。传统水文站建设成本高，建设投入大，受限于成本，导致站点密度不足，无法完全覆盖所有重点断面。对于重要河段的堤防、排水口等工程的侵占、破坏、堵塞等情况，主要通过人工巡查的方式发现问题，然后再处理［13-15］。该方式存在较大的时效性问题，受限于人员成本和精力，很难做到实时精细化监控以及全天候监控。通过引入新型带AI识别能力的摄像头，对具有物理水尺的河道，可采用视频AI识别来代替需要人工观测的水尺，实时采集物理水尺的图像；对于没有物理水尺的河道，也可以通过视频AI技术，对不同水位的图像进行标定，实现水位的监测，见图4。通过对水面图像的识别，也能实时分析计算水面流速。视频AI监测识别能弥补常规水文监测手段的不足，提高预警质量、充分发挥覆盖广、实时性强的优势，及时掌握水位、流速等变化情况，在预警洪涝事故、避免人员和经济损失等方面有着重要意义。

4  基于防洪“四预”的业务实践

整合水利、应急、气象、水文、自然资源、城管等部门的水位、流量、雨量、地灾、排水管网、视频等监测（监控）数据，结合已建的省山洪灾害预警系统、市河长制管理系统、防汛视频监控系统、市时空大数据云平台等，构建防洪“四预”应用。按照《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》的指导思想，建设“信息共享、洪涝预报、风险预警、工程联调、预案演练、应急决策”等业务协同功能板块，使梯级水库调度更精细、人员转移更精准、预警预报更精确。

4.1  信息共享

基于三明市防汛应急一张图，针对防汛综合决策全流程涉及到的防汛视频监控、实时监测信息、预报预警信息、调度与灾情动态预演信息、预案管理与决策信息、防汛應急指挥信息、防汛调度灾后评估信息，借助数字孪生一张图等进行直观可视化表达，同时根据预设的告预警阈值指标，采用屏幕闪烁、声音警报、手机短信等多方式对实况监测与预报信息进行在线动态告预警，为及时启动调度预案决策、采取调度操作措施、评价调度执行效果等提供信息支撑服务。

通过系统建设实现了三明市内的防汛信息规范管理，建立了三明市沙溪数字孪生流域底板，打通市级防汛数据孤岛，实现各业务单位防汛数据资源整合，形成高效、精准、全面的预警信息，为三明市防汛指挥部联合调度提供决策数据支撑，提高了防汛管理和调度运用水平，实现跨层级、跨区域、跨部门的防汛应急信息资源互联互通、信息共享、统一管理和业务协同，做到决策数据“一点更新、全网同步、即时共享”，为市水利局、自然资源局、应急局、城管局、气象局、水文中心等部门提供数据共享服务，提升横向决策数据共享能力，数据集成模式见图5。

4.2  洪涝预报

基于三明市水文预报方案，建立预报调度一体化预报体系，实现“降水-产流-汇流-演进”全过程展示交互，获取预报流域洪水，为研判防洪形势提供本底。结合预报对象、预报参数等要求，针对三明市流域范围内不同预见期内降雨、水位、流量等水情信息进行预报，支持多套预报方案选择功能、实时滚动预报、预报方案会商、预报方案精度评价、对外发布等功能，如图6所示。

4.3  风险预警

针对三明市影响范围内主要防洪控制站，建立相应的洪水预警判别指标体系，提供防洪实况的可视化与告警，包括水位监视与告警、流量监视与告警、工情监视与告警以及视频监控等。在此基础上，结合流域预报信息，对三明市影响范围内的防洪风险进行预警，根据各站点预报水情及工情状态，计算重要河段、分区的防洪风险等级，并进行实时动态可视化展示。

针对以安砂水库为核心的水库群，基于流域防洪工程体系实时运用情况，计算分析包括水库防洪库容、削峰能力、水位变化幅度，以及在应对本次洪水后，剩余防洪库容应对未来洪水的能力。针对永安、梅列等调度对象，根据预报数据对控制站水位、堤防超警超保情况总体形势进行分析。分析关键堤段水位变化规律和风险变化情况，评估城区淹没范围，对城区的淹没情况进行模拟。建立河段与区县的防洪态势关系知识图谱，根据洪水预报结果，分析不同河段洪水预警对区县的影响范围。根据水库流域面积，分析不同等级洪水对水库下游的影响范围，建立相关性，并在预报洪水的基础上，根据洪水规模，对下游影响区域进行提前预警。

通过一张图，决策者可以及时了解当前的防洪形势及未来的防汛趋势。以2022年6月沙溪流域洪水为例，通过综合查询，可以了解到洪水来临之前的降雨信息，同时集成气象预报数据，查看气象云图和台风路径，了解未来降雨趋势。2022年6月14日04∶00，监测到安砂水库入库流量达到峰值5 696 m3/s，超过20 a一遇洪水标准。一方面，安砂水库要控制水位不超过265 m防洪高水位，另一方面，下游区间来水过大，但没有具备调蓄能力的工程，如果安砂水库继续加大下泄，三明市城区将直接面对安砂水库出库以及区间来水的叠加，突破河道现有过流能力。最终，安砂水库按3 300 m3/s左右的流量进行下泄，水库在6月14日14∶00达到最高水位265.27 m，突破防洪高水位，同时下游梅列站6月14日08∶30达到最高水位131.2 m，沙县水文站6月

14日07∶30达到最大流量6 400 m3/s。三明市城区部分地区淹没，但水位并没有超过堤防，城区淹没存在管网倒灌的现象。为更全面了解该场洪水的运行过程，通过系统工程调度功能，将安砂水库出库过程采用实际运行过程设置，按照库容曲线及泄流能力曲线进行模拟计算水位变化，同时下游采用马斯京根演进模型以及各站水位流量关系曲线计算各站实际流量和水位过程。可以算出，梅列水文站于6月14日09∶00达到最高水位131.45 m，基本符合实际发生情况，说明该系统可以为三明市城区的防汛模拟提供支撑。

4.4  工程联合调度

通过集成预报成果与流域防洪调度等边界条件，设置不同防洪情景目标，构建了以重点水库为核心，干流梯级电站、支流梯级电站以及三大流域内城区重点河段堤防组成的水工程联合调度防汛预演体系。三明市防汛应急综合指挥平台完全面向实时调度，提供灵活且丰富的预演功能，包括工程调度参数配置、工程调度目标配置，对河道、堤防、水库等调度节点进行水库调洪模拟，并基于可视化模型，实现对洪水演进过程的仿真推演。基于调度节点目标调控，进行调度方案反演，并按照调度指标排序，优化推送水库调度方案，调用调度规则知识库及调度模型，完成任意调度方案一键式自动计算模拟。

进一步通过系统模拟调度功能计算安砂水库不拦蓄情况下城区的风险。本次安砂水库的入库流量峰值介于20 a一遇到30 a一遇，安砂水库不拦蓄过程下的城区淹没如图7所示。如果没有安砂水库的拦蓄，通过气象降雨、水文预报、水库调度、淹没分析等业务协同，可以计算得出梅列水文站将在2022年6月14日08∶00达到最高水位134.21 m，最大流量8 350 m3/s，接近百年一遇，水位超过沿岸堤防，从三维场景中可以看到列东、列西、城关、龙岗等大面积淹没，城市将处于瘫痪状态。这也说明安砂水库在本次洪水过程中为城区的安全发挥了作用。

同时，三明市防汛应急综合指挥平台也提供了以目标为导向的优化调度功能，可以分析安砂水库的调度是否还有进一步优化的可能性。此时，按照三明市城区流量不超过5 000 m3/s作为约束条件，反向计算安砂的实时调度过程，可以得出，在已知3 d预见期的预报洪水基础上，安砂水库提前进行拦蓄，在达到防洪高水位后为保庫区安全才加大下泄，此时虽然三明市城区流量依然会超过5 000 m3/s，但是最高水位出现时间将向后推迟到2022年6月14日20∶00，并且迅速回落。总体调度成果与实际调度效果接近，说明安砂水库在本次洪水过程中的调度方式是合理的。从以上成果可以分析出，本次洪水调度本身从能力上可提升的幅度不大，而防汛过程中的关键因素是预警，当前预报是由人工进行，如果提高预警效率，提高预报频率，可使决策者了解到更全面的信息。平台通过自动滚动预报，可以做到分钟级预报，提高了预警的时效能力。

4.5  预案演练

对于预演的调度方案，提供基于决策关注指标偏好的对比功能，以及基于详细调度调控过程的对比功能，形成初步对比信息推送至决策指挥模块。同时根据会商决策指挥过程中的需求，重新拟定业务方案的策略，对预演方案进行反馈优化调整。三明市防汛应急综合指挥平台还可以对设计洪水进行模拟分析，创建多套调度预案，对未来可能出现的洪水进行调度研判。例如，当预报沙溪将发生20 a一遇洪水（6 530 m3/s）时，为确保沙溪干流洪水不会淹至三明市城区，安砂水库总出库流量需控制在1 550 m3/s以下，防洪库容1.66亿m3，库水位需预降到259 m以下运行。根据平台测算，为预留下游区间流量裕度，安砂水库按照1 500 m3/s进行预泄，可在预见期内达到目标起调水位。当预报沙溪将发生超过30 a一遇洪水（7 060 m3/s）时，无法控制沙溪干流的三明市城区-安砂水库的区间洪水，安砂水库洪水调节能力有限。为确保安砂水库大坝安全，库水位尽量降到253 m以下运行，以减轻三明市城区的淹没程度，根据系统测算，为预留下游区间流量余度，安砂水库即使按照敞泄方式进行预泄，也无法在预见期内达到目标起调水位。通过平台对沙溪干流进行“预报、预警、预演、预案”的防洪调度一体化，最大限度提升水库调蓄洪水能力，通过安砂水库科学调度后，三明市主城区防汛预警提前了6 h。利用平台的预演分析功能，可以结合预报成果，对各种不同频率洪水进行实时调度模拟演练，多方案对比，优选最合适的调度方式，为批复的调度方案进行补充。

4.6  应急决策

通过建立防汛应急一张图和应急指挥模块，打造以各种信息化手段、应急资源、“四预”决策服务、防汛应急数据为支撑，以点击式调度、可视化指挥为手段，以一级指挥、多级响应为目标的扁平化、集成化、实战化的防汛应急指挥业务，推动三明市防汛应急决策工作向精确化、智能化、全面化、扁平化方向积极发展，为三明市防汛应急救援工作的保駕护航，三明市应急救援指挥流程如图8所示。

5  结  语

以防洪为核心的三明市沙溪数字孪生流域建设基本上实现了对历史的复演、对实时的预演、对未来的预案，为实际防汛过程提高了预警效率，为工程实时调度提供了优化建议，最大限度减少灾害影响，减少社会经济损失，保障人民生命、财产安全。但由于现阶段建设条件有限，目前的数字孪生流域建设框架还有待进一步完善。

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（编辑：江  文）

Construction of Shaxi digital twin watershed in Sanming City with core of flood control

WU Yiyang

（Sanming City Embankment Service Center，Sanming 365000，China）

Abstract：

To strengthen and practice the real-time supervision efficiency，emergency response capacity，and safety assurance level，this article focused on Shaxi River Basin in Sanming City，Fujian Province and constructed four strategies for flood control，including prediction，early warning，rehearsal，and contingency plan.By improving the construction of the monitoring perception network and addressing the weak links of the Shaxi River Basin flood control perception network in Sanming City，hydrological，meteorological，and other monitoring equipment were appropriately added to improve the accuracy of meteorological forecasting and early warning.The construction of data resources was strengthened to integrate existing platforms and data resources，promoting inter-departmental data synchronisation，interoperability and sharing，and realising "one-screen flood measurement".The construction of key areas was carried out with Shaxi River Basin as the key construction area.A three-dimensional monitoring system covering the whole basin to achieve the integration of flood control scheduling，rapid information flow and support flood control emergency command.Practices showed that with the support of digital twin technology，the construction of Sanming City Flood Control Emergency Comprehensive Command Platform successfully improved the level of flood control management and scheduling application.Through scheduling rehearsals to analyze and make decisions，the flood warning in the main urban area of Sanming City was advanced by 6 hours，minimizing the influence of disasters and socio-economic losses，and achieving a good application results.

Key words：

digital twin watershed； flood control operation； data backplane； Shaxi River Basin； Sanming City