数字孪生椒江“四预”平台建设实践

蔡一坚，杨敏芝，孔 旭，张爵宏，范振东，陈 潇，王 栋，杨德全

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.台州市水利局，浙江 台州 318000；3.台州市水利水电勘测设计院有限公司，浙江 台州 318000）

0 引 言

数字孪生流域是智慧水利的核心与关键，通过数字孪生流域的建设，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行模拟仿真与前瞻预演，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，支撑“四预”功能实现和“2+N”项智能应用运行，提升水利决策与管理的科学化、精准化、高效化能力和水平，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动[1-5]。

当前仍处于数字孪生流域建设的探索阶段。在理论层面，我国学者提出了数字孪生流域科学框架，明确了概念定义、内涵特征、基本模型、核心能力、关键技术和发展方向，用于指导数字孪生流域未来发展和建设[6-7]；在关键技术层面，目前研究成果集中在流域防洪方面，探索数据底板、算法模型、算力、平台服务等建设技术[8-12]。如何进一步细化与完善数字孪生流域建设的具体实施方式与技术手段仍需进行大量研究探讨，结合不同流域的业务应用特色要求，推动数字孪生流域良性发展[13-14]。

对标水利部数字孪生流域建设技术大纲要求，当前台州市水利业务离实现“四预”仍有较大差距。其中，流域防洪方面，椒江流域汛期常遭遇风、暴、洪、潮三碰头、四碰头的场景，防洪减灾工作多是通过电话、微信、传真等方式开展，洪水预报预警工作多聚焦于重要站点水位、水库水位流量预警，以及二维洪水风险预警等，对于城市内涝风险研判而言，二维风险图的表现形式精度较低，且不够直观，往往难以辅助决策者做出更具针对性的决策[15-17]；此外，在防洪减灾工作中，部门之间数据信息无法及时共享，一定程度上影响了防汛减灾的工作效率[18-21]。通过2022 年椒江流域洪水预报调度一体化平台建设，流域范围内的洪水预报调度水平有较大提升，但该平台更多在于提升整个流域洪水预报调度算法的精度和预见期，而针对模拟结果数据与BIM、GIS、倾斜摄影等数据的融合，计算结果在高精度数字孪生底座上的实时、动态、高效的可视化渲染方面未有涉及[22]。

水资源管理与调配方面，长潭水库作为台州市最大的供水水源地，其水量预报工作多聚焦于短期，在中长期预报方面的成果不足，对下游城镇、农业、生态等供水仍采用传统手段来进行推算，缺乏对各供水对象的实时监测与预报，难以支撑水库水量的精细化动态管控；在遭遇旱情时，现有预警、预案响应大多依据水雨情实测数据来发布和实施，在时间上有一定的滞后，在一定程度上降低了预案响应的时效性，增加了抗旱保供的工作难度。

水利工程运行管理方面，台州市工程运管单位日常使用的标准化管理平台、省水利工程运管平台功能较为单一，仍局限于数据的采集、查看、展示以及简单的业务操作上；针对部分重点水利工程完善了工程安全监测体系，运用仿真模拟手段打造了安全研判分析场景，初步实现工程安全预报、预警、闭环处置等功能，但在智能化分析应用模型、智能预报预警、分析决策等方面仍较为空缺，无法有效支撑管理人员在工程安全研判和工程调度方面实现“四预”目标。

因此，迫切需要建设数字孪生椒江“四预”平台，实现流域洪潮防御、水资源管理与调配、水利工程运行管理“2+1”项业务一体化综合研判管控。通过本次数字孪生流域与数字孪生水利工程的联合实践，可为沿海经济发达地区，汛期受台风影响洪潮涝灾害频发、非汛期水资源供需矛盾突出的区域，提供可复制可推广的“椒江”经验。

1 研究区域概况

椒江流域地处浙江中部沿海，流域面积6 603 km2，为浙江省第三大流域，是独流入海的受洪潮涝多重影响的典型流域，北接新昌县、磐安县境，西邻缙云县境，南接金清港流域，东濒东海。主要包括台州市的仙居县、天台县、临海市、椒江区、黄岩区，源头区涉及绍兴市新昌县、金华市磐安县、丽水市缙云县、温州市永嘉县等。汛期，登陆浙江的台风有40%以上在台州市登陆，洪潮涝灾害频发，尤其是大田平原，常在潮汛期遭遇“天仙配、大田汇”洪水影响，引发城市严重内涝；在非汛期，旱涝急转，水资源供需矛盾突出[22]。

椒江流域水利工程众多，共有水库347 座、海塘137 条、堤防245 座、水闸572 座、泵站7 座，统一调度难度很大。大中型水库共有16 座，其中，朱溪水库工程是国家172 项重大节水供水项目之一、浙江省“五水共治”十大枢纽工程之一、台州市北水南调一期工程，是目前台州市在建的最大水利枢纽。朱溪水库投运后向长潭水库供水，长潭水库下游接永宁江，永宁江汇入椒江干流，永宁江与椒江交汇处设永宁江大闸，作为省“百项千亿”防洪排涝工程、椒江流域2 座大型水闸之一，是永宁江水系主要排涝出口，发挥了防洪排涝、御咸蓄淡等重要作用。

2 总体架构和功能设计

2.1 总体框架

充分融合卫星遥感、物联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生等技术，以“天空地水一体化”感知体系为基础，以算据、算法、算力为支撑，实现“数字孪生场景化应用、预报调度一体化模拟、四预过程智能化决策”[23]，建设数字孪生椒江流域和“2+1”项智能业务应用，形成数字孪生椒江“四预”平台的总体框架，见图1。

图1 数字孪生椒江总体架构图

系统主体架构采用B/S 架构进行设计，满足国产化适配需求。总体架构包括业务应用、数字孪生平台、信息化基础设施、网络安全体系和保障体系等内容。

1）业务应用。基于台州市当地实际情况和水利部《数字孪生流域建设技术大纲》要求，打造流域洪潮防御、水资源管理与调配、水利工程运行管理3 大智能业务应用。

2）数字孪生平台。数据底板方面，综合利用倾斜摄影、实景建模、数值仿真、BIM+GIS 等多种技术手段，构建集水下地形模型、实景三维模型、三维地形模型、数值计算模型等多源异构模型为一体的椒江流域空间地理信息模型。利用空间位置配准、数据格式转换、模型融合等多种技术手段，解决多源异构模型的汇聚与整合。围绕不同维度、不同场景、不同业务模块建设需求，构建具有不同场景尺度的流域数字孪生基底，满足流域多样化的信息管理需求。

模型平台方面，基于台州市已建的，具有自主知识产权、跨平台、云计算功能的预报调度一体化系统[22]，针对椒江水系格局和洪潮涝特点，耦合了水文模型、水动力模型、风暴潮模型和防洪优化调度模型，形成预报调度一体化模型，并新建AI智能识别模型、典型工程安全分析预警模型和模拟仿真可视化模型。

知识平台方面，建设预报调度方案库、历史场景库、业务规则库、专家经验库、水利知识引擎等，为椒江水利业务智能应用的知识积累、经验提炼和分析研判等基础能力支撑[23-26]。

3）信息化基础设施。水利感知网方面，整合共享水利、气象、海洋和交通等部门水雨情监测和视频监控信息，构建监测类型丰富、监测手段多样、信息传输稳定、控制安全可靠的智能化感知网。

水利云方面，平台系统部署在台州市政务云，通过台州市一体化智能化公共数据平台的数据交互通道来实现与台州市其他部门的数据共享，与浙江省其他部门的数据共享通过浙江省一体化智能化公共数据平台数据回流到台州市一体化智能化公共数据平台后再进行数据交互通道来实现。

水利信息网方面，台州水利办公区域已全面采用政务外网（VPN2），实现跨部门网络畅通，已完成水利专网改造，接入VPN3 网络，实现省、市、县三级水利部门网络贯通。

4）网络安全体系。参照信息安全等保三级对系统的网络安全体系进行建设。

5）保障体系。制定丰富的组织保障、制度保障、资源保障、技术保障和安全保障体系，保障系统安全、稳定、高效运行。

6）信创适配。对信创终端进行适配，以适应信创终端和非信创终端访问的需求。

7）系统集成与数据融合。对数字孪生永宁江闸应用系统、数字孪生朱溪水库应用系统进行集成与数据融合，打造一体化的数字孪生椒江“四预”平台。

2.2 业务功能

数字孪生椒江“四预”平台从流域洪潮防御、水资源管理与调配以及水利工程运行管理3 大业务出发，其中，流域洪潮防御业务围绕实现“四预”功能，分为实时态势、预报预警、场景预演和方案预案4 个模块。

2.2.1 实时态势

实时态势是对椒江流域实时雨情、河道水情、水库水情、潮汐水情、实时视频、气象预报、工程情况进行全要素监测、一张图展示，当发生超限工况时，进行高亮告警。采用图表、过程线、等值线、动画等不同表现形式，对于不同量级、时段、流域、区域的水雨情进行分类统计，方便用户对当前防汛态势进行总体把握。实时态势页面见图2。

图2 实时态势页面图

2.2.2 预报预警

预报预警是对椒江流域预报的不同时段的雨情、河道水情、水库水情、潮汐水情、洪水预警信息进行一张图展示。当预报存在超限工况时，创新性地采用“点、线、面”的形式进行高亮告警，提醒用户关注并及时采取措施。其中，“点”意为关键预报断面，通过设置水位、流量阈值，实现及时告警；“线”意为设置河道水面线上限，本质上是通过逐时刻断面水位与对应位置的堤顶高程对比，实现漫堤风险自动判别与告警；“面”意为通过高精度数据底板的二三维洪涝风险五色图，实现传统阈值预警向新型风险预警的转变。

2.2.3 场景预演

场景预演包含预报预演、历史复演2 个子模块，分为全流域大尺度、干流中尺度和临海古城微尺度3 个场景进行展示。

该模块对气象预估降雨预报洪水、典型历史洪水、不同情境设计洪水等多场景下的水工程进行模拟调度仿真，针对重点区域和保护对象进行BIM+倾斜摄影的精细化数字孪生建模。

基于椒江流域预报调度一体化模型组件，将椒江流域概化为273 个子流域、112 条一维河道、2 112 个计算断面、84 900 个二维计算网格、17 个控制单元，灵活组合纯水文模型预报、水文水动力耦合预报以及一二维洪水演进方案，模拟流域干支流重要断面的水位变化过程。通过水位叠加三维底板，按照红橙黄绿蓝五色图规则，制作防汛形势风险图，从而实现洪水淹没情况的三维高保真可视化模拟，直观展现不同组合工况下的整个洪水过程，模拟河道和重点闸坝的水位、流量以及沿岸淹没范围的演进动态。计算效率上，运用矩阵标识法提升水动力模型中节点方程求解效率，实现1 min 出模型计算结果；运用GPU 加速技术实现2 min 出二维计算结果，渲染时间控制在10 s 以内，为水利工程防洪调度提供高效、精准支撑。

进一步对比分析不同调度方案的洪水淹没情况差异和演进过程差异，推出古城淹没风险统计清单，从“预见未来”和“重现历史”2 个维度，实现流域洪潮防御智能辅助决策。图3 为预演方案对比双屏联动图，图4 为古城淹没风险预演图。

图3 预演方案对比双屏联动图

图4 古城淹没风险预演图

2.2.4 方案预案

根据选定的预报方案成果，展示该方案的水情信息统计和对应预警等级，并根据预报方案的淹没范围统计受灾对象及抢险支持信息。通过大语言模型和语义识别技术，对台州市已有的防汛预案、水库控运计划等非结构化知识进行结构化处理，通过知识引擎，自动推送该预报方案下的应对措施建议。图5 为应急预案查询页面图。

2.2.5 水资源管理与调配

包含水态势、水管理、水调度、水节约、水生态5 大模块，为台州市水资源管理、抗旱调度、生态流量监管等工作提供技术支撑。

台州市坚持空间均衡，构建以大中型水库和椒江综合枢纽为骨干水源的水资源保障网。目前，台州市有11 座大中型水库作为重要供水水源地。通过构建水源地保供预测模型，分析计算各大中型水源地保供天数，可根据模型计算结果，精准定位到保供形势严峻的水源地，为后续采取相应水量调控措施提供支撑。图6 为水资源管理与调配页面图。

图6 水资源管理与调配页面图

2.2.6 水利工程运行管理

流域洪潮防御和水资源管理与调配最终落脚于水利工程的运行调度上，平台在集成数字孪生永宁江闸与数字孪生朱溪水库系统的基础上，将工程数字化管理和流域一张图汇总切换展示，分别叠加动态数据，包括实时水雨情、安全监测、视频、闸门、设备基础信息等，实现工程安全风险研判和管控。图7 为水利工程运行管理页面图。

图7 水利工程运行管理页面图

3 建设成效

数字孪生椒江“四预”平台，旨在利用数字孪生等先进技术手段，实现流域洪潮防御、水资源管理与调配、水利工程运行管理3 项业务的一体化研判与高效协同，具体成效如下：

1）平台选取临海城区段，应用三维城市内涝可视化风险分析，以“利奇马”台风降雨为典型暴雨，再现临海城区的受灾情况，按照受淹的先后顺序和最高淹没水深，推出重点保护对象风险清单，列出重点保护对象最高淹没水深、淹没时间和淹没历时，并自动推荐重点保护对象附近的安置点、撤离时序和撤离路线，为将来防御类似“利奇马”强台风提供相关经验。

2）利用知识图谱技术，进行相似洪水识别，为后续相似洪水防御提供辅助支撑，提升洪潮防御精度；运用BIM+知识图谱的应急多跨协同技术，针对防洪应急处置涉及多区域、多部门交叉管理的问题，构建防洪应急预案知识图谱，实现与应急局、各县市区的横向联动、纵向贯通和多跨协同，实现信息共建共享和洪水风险闭环管控。

3）基于BIM+GIS 的工程安全运行“四预”技术在朱溪水库应用后，通过BIM 可视化模型、大坝安全监测预警、大坝安全运行大数据分析模型实现大坝安全监测数据的自动采集、自动清洗、自动分析预警、自动透视定位，实现大坝安全实时、在线监控，能够有效降低对专业人员的依赖，保障施工质量的同时大大减少了人力成本。

4 结 语

本研究以椒江流域为研究区域，先行于“预”、立足于“防”，搭建全流程可感知、可预见、可视化的数字孪生椒江“四预”平台，是数字孪生流域的一次成功实践。充分运用BIM+GIS、知识图谱、云计算、人工智能等新一代信息技术，构建防灾减灾、水资源管理与调配、工程安全运行的智能“四预”体系，实现跨部门、跨行业、市县协同联动和共建共享共防，完成防御工作的流程再造和制度重塑，实现形势全局判断、预案快速响应、物资高效调配、对策精准实施，有效降低洪涝灾害造成的损失，最终实现数改为民、为民数改的目标。

相比传统的水利信息化平台，数字孪生椒江“四预”平台利用多源异构数据治理技术赋能流域数据归集、清洗、分析、计算，夯实算据基础；基于流域洪水模拟通用模型结构进行水利专业模型组件式研发，提出基于知识图谱的数字孪生流域知识体系架构，优化算法模型；按照“集约高效、共享开放、按需服务”原则，提升算力水平，从“三算”维度助力3 大水利业务融合贯通。下一步工作中，应进一步总结、提炼和推广已有成果，为全国沿海地区防汛抗旱提供可复制、可推广的椒江模型、方法和技术。