数字孪生技术在辽宁省水利信息化中的应用

刘 鑫，王梓林

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110000）

1 数字孪生与智慧水利

1.1 数字孪生技术原理与特点

数字孪生技术是一种基于计算机仿真技术的虚拟现实技术，通过构建数字模型来模拟真实世界中的系统、流程或设备。其本质是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。因此，作为一种超越现实的概念，数字孪生被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。该技术的核心在于建立数字模型，该模型需要具备以下几个方面的特点：①完整性：数字模型需要完整地反映真实系统的各个方面，包括物理特性、功能特性和行为特性等；②准确性：数字模型需要准确地反映真实系统的状态和行为，以便能够进行有效的仿真和测试；③实时性：数字模型需要能够实时更新，以反映真实系统的变化；④可视化：数字模型需要能够以可视化的方式展示出来，方便用户理解和操作。在水文学领域中，数字孪生技术也被广泛应用于水文模拟、水资源管理和水灾预警等方面。

1.2 基于数字孪生的智慧水利建设

智慧水利建设要求指利用先进的信息技术，实现对水利资源的智能化管理和优化利用，其目标是通过对水利信息的全面感知、智能分析和决策支持，提高水利资源的利用效率和管理水平，实现水利可持续发展。实现该目标的核心技术包括物联网、大数据、人工智能、云计算等，通过这些技术手段，可以实现对水利信息的实时采集、传输、存储和分析，为水利管理提供更加准确、全面的信息支持。而数字孪生是智慧水利建设的关键技术之一，可以融合工程建设期“人、机、料、法、环”数据，构建工程影响区域的数字底板，建设智慧化监管所需的模型平台，构建工程建设预报、预警、预演、预案的“四预”智慧体。在智慧水利领域，数字孪生技术可以应用于流域水文模拟、水资源调度、洪水预警等方面，帮助水利管理者更好地了解流域内的水文过程，制定更加科学合理的水利政策和措施，提高水利资源的利用效率和效益。例如通过数字孪生技术来构建流域水文模型，实现对流域内水文过程的精细化模拟和预测，进而为水利管理和决策提供科学依据。

1.3 辽宁省智慧水利建设现状、问题与发展趋势

辽宁省水利信息化发展取得了显著成果。在“十三五”期间，全省水利项目实施率达111%，工程建设项目单元工程质量优良率达70%以上。纳入国家172项节水供水重大水利工程的8项工程全部开工，区域水资源配置格局进一步完善，美丽河湖三年行动计划进一步推进，河湖面貌明显改善。同时，辽宁省也在加强水利监管体系，运用现代科技手段，从注重事后监管向事前、事中、事后监督转变，确保水利行业监管得到有效执行。

然而，存在的问题也不容忽视。尽管已经取得了一定成果，但是仍有一部分工程建设项目单元工程质量未能达到预期优良率。此外，智慧水利建设还需要进一步推进，包括应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，实现水利规划、工程建设和管理运营全过程的智能化。

展望未来2025年，辽宁省计划初步建成以水旱灾害防御、水资源优化配置、河湖健康、农业农村水利、水治理现代化为支撑的智慧水利体系，实现涉水事务监管法治化、规范化、常态化、智慧化。主要指标包括：洪涝灾害年均损失率控制在0.55%以下，干旱灾害年均损失率控制在0.45%以下，5 级及以上重点江河堤防达标率达到75%，新增水库总库容6 亿m3；用水总量控制在162亿m3以内，农田灌溉水有效利用系数提高到0.593，水利工程新增年供水能力10 亿m3，农村自来水普及率提高到88%；水土保持率达到78.61%，重点河湖基本生态流量达标率大于90%。

2 数字孪生技术的水利信息化应用分析

2.1 基于数字孪生的水利信息系统运维

①水坝监测：数字孪生技术可对水坝的结构、水位、流量等参数进行实时监测和分析。通过传感器和物联网技术，将水坝实际数据传输至数字孪生模型中；通过对数字孪生模型分析，及时发现水坝结构变形、渗流等潜在问题，并采取相应的维护措施，以确保水坝安全运行。

②水库调度：数字孪生技术可对水库水位、流量、水质等参数进行实时监测，通过对数字孪生模型的模拟和预测，制定科学合理的水库调度方案，提高水库利用效率和安全性。例如在洪水期间，可通过数字孪生模型预测洪水演进过程，提前采取措施，避免洪水对水库和周边地区造成的影响。

③洪水预测：数字孪生技术可以对洪水形成、发展和传播过程进行模拟和预测。通过将地理信息系统（GIS）、气象数据和数字孪生模型相结合，预测洪水水位、流量和演进路径，提前发布预警信息，为决策者提供更加准确的决策依据，减少洪水对人民生命财产的威胁。

④水资源管理：数字孪生技术可以对水资源的分布、利用和需求进行实时监测和分析，通过模型模拟预测，规划科学合理的水资源管理方案，提高水资源利用效率和可持续性。例如在水资源短缺地区，经数字孪生模型优化水资源配置，确保居民和农业用水需求。

⑤设备维护：通过将设备的实际数据传输到数字孪生模型中，可以对设备的运行状态进行分析和预测，及时发现设备的故障和异常情况，采取相应的维护措施，提高设备的可靠性和寿命。

2.2 基于数字孪生的径流量仿真模拟

①数字孪生平台搭建：数字孪生平台是数字孪生技术核心部分，其将真实世界地理空间数据、气象数据、水文数据等多种数据源进行整合，通过数学模型和计算机程序进行模拟和分析。该平台搭建需考虑到数据采集、处理、存储和传输等技术问题。

②数字孪生模型设计：模型设计是数字孪生技术关键环节之一，其决定数字孪生系统的准确性和可靠性，设计过程需考虑流域地貌、水文地质、降雨、蒸发等多因素影响。

③径流量模拟：通过建立数值模型来模拟流域内径流量变化，从而预测未来径流过程，模拟结果可帮助决策者制定科学的水资源管理和防洪措施。

④模型验证和校准：通过实验数据进行验证和校准，够帮助了解数字孪生模型的局限性和不足之处，进一步完善数字孪生模型。

2.3 基于数字孪生的水利工程设计

数字孪生在水利工程设计中的应用，主要是通过建立精确的数学模型和实时监测数据，实现对水利工程的模拟、分析和优化；进而帮助水利设计师更好地了解工程的水力特性，提高设计的准确性和效率。具体来说，数字孪生在水利工程设计中的应用主要包括以下几个方面：

①建立精确的数学模型：通过对历史水文数据分析和处理，建立能够准确描述水利工程水力特性的数学模型，包括流体动力学模型、结构力学模型等。

②实时监测数据：通过安装水位计、流量计等监测设备，实时收集水利工程运行数据，进而用于验证和优化数学模型，提高模拟结果的准确性。

③模拟分析：利用建立的数学模型和实时监测数据，对水利工程的设计进行模拟分析。这可以帮助设计师提前发现潜在的问题，优化设计方案。

④优化决策：根据模拟结果，制定合理的水利工程设计方案，如调整闸门的开启方式、改变渠道的形状等，以提高工程的安全性和经济性。

在南水北调东线工程中，为解决水资源短缺问题，需建设一条长达1 000 km的输水渠道。为确保工程安全有效运行，水利部门利用数字孪生技术进行设计优化：首先收集过去几十年的历史水文数据，包括降雨量、蒸发量、地下水位等；然后，利用这些数据建立流体动力学模型，以描述渠道内水流变化规律；在渠道关键位置安装水位计、流量计等监测设备，实时收集渠道的水位、流速等数据，用以验证和优化流体动力学模型，提高模拟结果准确性；最后他们利用建立的模型和实时监测数据，对渠道设计进行了模拟分析。结果显示，若按照现有设计方案，渠道在某些地段可能会出现严重淤积问题。因此，提出了一系列优化措施，如增加冲沙设施、改变渠道的形状等，以期提高渠道的安全性和经济性。

3 结论

在水利领域，数字孪生技术可以帮助我们更好地理解和管理水资源，提高水资源利用效率，降低洪涝灾害风险。作为一种基于数字化建模、仿真和预测的技术，数字孪生它通过对物理世界的数字化映射和虚拟仿真，实现对物理世界的实时监测、分析和优化，为智慧水利提供了新的思路和方法。智慧水利的应用领域包括水资源管理、水环境监测、防洪抗旱、水利工程建设和管理等方面。通过智慧水利的应用，可以实现对水利资源的高效利用和管理，提高水利工程的安全性和可靠性，保障人民生命财产安全，促进经济社会可持续。