数字孪生钱塘江流域建设及应用

周红卫 程开宇 王淑英 白珏莹 莫利明

摘要：钱塘江流域洪涝台潮灾害频发，亟需通过数字孪生技术实现流域防洪统筹调度，提升水灾害防御决策能力。首先分析了平台总体设计思路，从基础信息设施、数字孪生平台、孪生场景3个维度重点分析数字孪生钱塘江流域建设方式。具体地，优化“天空地水”物联感知网，迭代提升水利信息网，从数据底板、模型平台、知识平台方面加强流域级数字孪生平台统筹构建；同时重点建设融合“预报、预警、预演、预案”四预过程的水灾害防御孪生场景，实现孪生钱塘江和物理钱塘江的孪生共长、交互映射、协同联动。对流域级数字孪生水灾害防御平台建设思路进行了总结，对其他数字孪生流域建设具有一定借鉴意义。

关 键 词：数字孪生；“四预”体系；钱塘江流域；防洪减灾

中图法分类号：TV877

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.032

0 引 言

在气候异常加剧背景下，中国洪涝灾害呈现出频率增加、影响范围增大、灾害影响程度加深的特征，洪涝灾害严重威胁人民的生命安全和制约国民经济发展^［1-2］。2022年，水利部部长李国英在全国水利工作会议上强调，要加快数字孪生流域建设，强化“预报、预警、预演、预案”四预功能^［3］。数字孪生流域逐渐被认为是防洪减灾的重要工具，是智慧水利建设的关键和核心，基于数字孪生技术的数字孪生流域“四预”和部门多跨协同是水灾害防御的重要举措，包括雨水情实时监测、洪涝高精度预报、水灾害高效预警、水工程调度多方案预演、最优调度方案制定、部门多跨协同抢险等。

随着智能模型算法、高性能计算、先进可视化、仿真模拟、感知监测等技术的发展，数字孪生技术已经开始应用于航空航天、智能电网等众多领域和方向^［4-5］。同样，这些新型技术对于水利行业也是不可或缺的重要基础。具有高时空特性的卫星遥感、无人机技术可以对多尺度下垫面信息、高精度三维地形进行监测，在数字孪生流域中的作用逐渐凸显^［6-7］。BIM、倾斜摄影、声呐、三维视频融合等先进技术可为多尺度、多层级、动静融合的数字孪生流域构建提供重要数据支撑^{［6，8-10］}。高性能计算、人工智能技术、知识图谱、大数据分析是水利模型算法构建的重要工具，与传统水利专业模型进行融合，可以为水利应用赋能^［11-12］。

国内外都在加大数字孪生技术在水利方面的应用力度，提升对气候变化的适应能力，尤其在防洪减灾、大坝安全、供水等领域^［13-14］。如，丹麦建立了100 m分辨率的水文信息模型，构建了数字孪生系统，提供5～10 d的水文预测。英国泰晤士水务公司搭建数字孪生供水管道模型，实时显示管道的运行情况。美国西雅图构建了数字孪生狄布罗大坝，利用人工智能算法自动识别裂缝和剥落区域。中国也在积极推进数字孪生建设。长江流域、松辽流域等都正在大力进行数字孪生流域防洪业务建设^［15-16］，深入研究流域地理空间要素二三维重建、水利模型快速计算、可视化表达等一系列关键技术。一级流域更侧重于干支流重要水文断面预报和梯级水工程联合调度，相比之下，地处东部沿海的钱塘江流域人口及经济要素聚集，除了需要具有流域级高精度洪水预报能力和洪水调度全面统筹能力，还强调预警对象和范围更全面化、预演更真实化、应急响应更精细化，更关注韧性城市的建设与服务。其次，钱塘江河口洪水除受洪水流量影响外，还受到江道冲淤面貌、下游潮汐大小、江道主槽走向及长度等诸多因素控制，这对洪水预报精度的提升具有一定影响。再次，相比市县级别数字孪生流域，钱塘江流域覆盖多个市县，其数据底板构建、数据汇聚治理、模型平台统筹建设具有更大的难度。

因此，需充分利用遥感技术、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术，构建水上水下、江河内外的流域三维空间模型，结合机理模型和数据驱动模型构建针对符合需求的防洪减灾孪生场景，利用数字孪生技术实现孪生钱塘江和物理钱塘江的孪生共长、交互映射、协同联动，实现精细化预报调度、科学化预案制定和高效化抢险救灾，推动钱塘江流域防御洪潮体系和能力现代化。

1 平台总体设计

1.1 需求分析

钱塘江流域是中国东南沿海独流入海河流，流域内降雨时空分布不均，受梅雨洪水、台风、涌潮等综合影响，洪涝台潮灾害易发，且该区域人口及经济要素聚集，灾害影响范围大，流域防洪涉及上下游、左右岸、干支流，防洪管理面广、内容多、任务重、协同要求高^［17-18］。钱塘江流域对洪水预报精度、应急响应速度、抢险救灾效率提出了更高的要求，需要进行更精细化的预报、预警、预演、预案。当前的预报水位仅针对干流重要水文断面，无法反映预报水位与沿江堤防、围片及临河建筑的沿程关系。缺少对沿江水闸、道口、排涝站、低标准围片及防洪薄弱点的及时预警，无法准确实现可能淹没范围内点对点预警。未充分利用BIM、实景三维技术对现状防洪风险进行模拟还原研判，三维视频融合、遥感等新技术的应用还不够充分。

在数字孪生时代，需以物理流域为单元、时空数据为底座、水利模型为核心、水利知识为驱动，实现数字孪生流域和物理流域的孪生共长、交互映射、协同联动，促进智慧水利建设^［19-20］。因此，需充分结合钱塘江流域防洪减灾数字化平台已有成果，开展数字孪生钱塘江流域建设，在重点防洪地区强化防洪防潮“四预”孪生场景应用，推动钱塘江流域防御洪水体系和能力现代化。“四预”是数字孪生流域的核心，需优化构建覆盖“降水-产流-汇流-演进”全过程的高精度、长预见期的预报模型，加强防洪风险研判，促进预警信息直达一线；扩展模拟计算和动态仿真功能，并实现可视化展示，预演成果辅助决策，辅助预案制定；集成各类防洪方案、调度规则和专家经验等，扩展方案自动生成、场景化业务自动预案提取、多方案比选等功能。

1.2 总体架构

以钱塘江流域防洪减灾数字化平台为基础，打造数字孪生钱塘江流域，建设具有“四预”全过程的多跨场景应用。结合数字化改革已有成果，共享集成各相关业务部门数据，迭代建设1套基础信息设施、1个数字孪生流域与2+N个智慧应用（图1），本文重点阐述流域防洪孪生应用建设，分析数字孪生钱塘江建设思路。

1.3 功能架构

针对钱塘江水利防洪业务需求，从历史回溯、实时汛情、未来汛情3个时间维度分别构建融合“四预”过程的防洪孪生场景，服务于汛前、汛中、汛后全过程洪涝风险分析、调度决策支持等智慧化应用（图2）。

2 信息化基础设施优化

流域范围内水雨情感知监测体系较为完善，基本能满足数字孪生钱塘江建设需求，监测数据可通过浙江省水利数据仓获取，但在排涝站设备运行监视、堤防安全监测等方面的自动化和信息化程度还亟需提升。目前，还需围绕数字孪生流域支撑水利智能业务应用的需求，依托“水利数字化发展十四五规划”“水文事业发展十四五规划”及浙江省水文“5+1”提升工程推进水利感知网建设、优化站点布局、信息采集提档升级，为数字孪生流域的高保真建设运行提供基础算据。水利信息网承载着钱塘江流域中心数字孪生平台与各水利工程的工程管理、水文水资源管理等信息的共享交换，在接入已有信息化平台的水利数据基础上，优化建设水利业务网和水利工控网，并实现水利数据持续更新。

3 数字孪生平台设计

3.1 数据底板

从数据资源池、数据模型、数据治理、数据服务四大部分入手提升钱塘江数据底板建设能力与水平。利用拟建的钱塘江数字孪生数据底板串联基础数据、监测数据、业务数据、地理空间数据等各方数据资源，借助浙江省一体化数字资源系统（Integrated Resources System，简称IRS）获取跨行业数据，并重点补充遥感数据、倾斜摄影数据、BIM模型、水下地形等，形成多尺度二三维基础空间模型，构建钱塘江特有的数据资源池。制定统一数据模型，并利用钱塘江数据引擎进行数据全面治理，形成标准统一、接口共享、格式统一的钱塘江数据中台，共享水利数据并服务于流域内水利部门。

钱塘江数据底板由流域管理机构和流域内水利部门共建共享，需要对钱塘江流域统一建设、统一部署、统一应用（图3）。以兰溪节点为例，兰溪节点数据底板是钱塘江数据底板的组成部分。因此，建立兰溪节点数据仓和钱塘江流域级数据仓之间的数据交换，形成流域级数据中台、各级别数据仓、跨行业数据资源的共享，从而形成具有共享互通和资源集约利用特点的钱塘江数据底板。

3.2 模型平台

模型平台是数字孪生流域智能中心的核心计算中枢，是孪生流域的重要驱动，针对不同的模型设计不同的建设模式，从水利专业模型、智能模型、可视化模型和数字模拟仿真引擎4个方面构建具有流域特点、符合流域现状的模型平台。

钱塘江流域范围大、基底条件复杂，本次所建模型平台增加了流域内在线实时预报的水利模型数量，已构建5套水利专业模型，分别为流域中上游预报调度一体化模型、流域干流重点防洪区域兰溪流域洪水预报模型、流域下游河口干流防洪模型、河口防潮模型、流域支流分水江模型。通过模型平台制定了数据接口标准，实现了流域内各大模型的相互打通，可以互相提供水利模型边界，便于结果数据的统一展示和共享。流域内模型的结果统一存储在模型平台上，下游的模型可以通过模型平台接入上游模型的结果作为模型边界，支流的模型也可以通过模型平台读取干流模型的结果作为模型边界。另外，此模型平台均采用了国产化水利模型，符合国家信创要求。模型平台的建设可为今后扩展多模型建设提供平台，未来可接入国内外众多机构建设的多套模型，并在同一个平台上展示，从而将不同机构的模型优势进行整合。

智能模型主要包括视频识别模型、遥感识别模型，由流域机构统一建设，为流域内单位提供模型服务、数据服务等基本能力。基于卫星遥感影像、无人机影像，结合深度学习技术，构建水域智能识别模型，在流域范围提供基本服务支撑。通过接入流域范围内地市的视频资源，对各类信息进行调查、收集、标注和处理，为视频识别模型提供强有力的数据基础，实现对视频场景中的特定目标和特定行为进行识别和分析。

可视化模型构建了自然背景、动态数字流场、高精水利工程等可视化模型，服务于数字孪生场景的可视化表达，满足“四预”场景模拟仿真要求^［12］。

3.3 知识平台

流域内单位共建共享钱塘江知识平台，在共享省水利厅以及其他流域管理机构等部门相关知识库的基础上，汇集应急调度方案、历史预报方案、历史场景模拟调度方案等大量的历史知识和经验，对水利对象关联关系、业务规则库、历史场景库、专家经验库和预报调度方案库进行关系抽取、管理和组合，构建钱塘江流域水利知识库，形成数字孪生钱塘江的智能内核，将规则调度提升为优化调度，服务于全流域水工程联合智慧调度，并结合知识图谱、FAQ、表格、数据库等方式，构建了钱塘江流域知识库，形成塘仔机器人和智询钱塘江搜索门户。

4 水灾害防御场景设计

4.1 历史回溯

基于钱塘江二三维水上水下数据底板，在孪生场景中融合历史降雨、水情、工情等，对历史洪水场景、水工程调度进行仿真模拟，实现灾情动态分析、多部门协同抢险等，服务于虚拟环境中的历史洪水复盘，为实时汛情和未来汛情提供经验基础。

4.1.1 历史洪水演算

针对钱塘江流域历史洪水、历史台风强降雨事件，归集整理降雨、水位、流量、淹没范围等过程数据，利用流域级二三维场景，结合流域洪水预报计算方案，进行洪水演进仿真模拟，以及对洪水过闸、挡潮、闸门启闭等进行仿真模拟，实现场景环绕浏览。也可通过BIM模型进行工程内部情景的孪生联动展现，针对干流上下游水位、排水场景等进行仿真模拟，实现洪水历史回溯。

4.1.2 历史调度仿真模拟

通过选择时间节点来查看历史水工程调度过程中各项监测数据、水工程开度状态，实现数据与二三维模型相结合。在流域尺度中，系统提供工程运行调度时间轴的显示，按照工程运行调度过程的顺序播放，并且水位、流量、工情等数据按照不同颜色示意，同时超预警时以醒目颜色与动画闪烁表示。针对局部河段实现三维洪水演进和仿真模拟，让观察者更真实地感受水工程调度过程中河道水位与堤防高程之间的差异以及洪水体量和洪峰过程。

4.1.3 历史灾情分析

利用三维仿真模型、水文水动力模型、洪水淹没模型等，实现历史洪水淹没情况的可视化模拟，直观展现不同工况组合下的整个洪水过程，模拟河道和重点闸泵的水位、流量以及沿岸淹没范围的演进动态，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。利用光学遥感、微波遥感等多源遥感信息，将基于遥感智能识别、多时相影像变化监测等技术的洪涝灾害分析结果与基于水文水动力模型的模拟结果进行对比，实现对历史洪水的综合分析，为同量级洪水及台风防御提供决策依据。

4.1.4 历史工程防洪分析

通过历史洪涝计算复盘，自动统计淹没区域、漫溢堤防等信息，存储相关对象的历史洪涝场次、上游降雨时空分布、工程调度过程及淹没区域和出险堤段的历史情况，在系统中实现多场次历史洪水中薄弱工程的洪涝影响特征指标对比分析，找出洪涝防治中较为薄弱的环节，为后期水利工程治理、修建提供分析辅助。

4.1.5 抢修救灾回溯

根据知识平台中水利工程险情处置数字化预案库，结合历史判别的险情，对比分析历史险情处置预案。针对新发生的洪灾，将险情应急处置、物资调运信息、工程运行情况、人员转移情况等信息更新反馈到系统平台中，形成持续迭代的历史抢修知识库，为灾害防御提供丰富的知识基础。

4.2 实时汛情

通过数字孪生数据底板，在三维场景中真实地展示当前状态下流域内的实时汛情，包括实时降雨、实时水情、实时工情等。根据各项预案的分工，结合短信发送、语音电话、系统数据共享等方式，向各责任单位发出实时预警或提示，并获取各责任单位预案措施落实情况。

4.2.1 降雨态势

利用粒子系统在三维场景模拟不同区划实时降雨态势，更身临其境、直观地感受降雨强度。统计区划维度（子流域、库区、市县乡镇）、时间维度（近1，3，6，24 h等）的站点降雨量和面雨量值，并将降雨量值转换成孪生场景中真实的降雨可视化表达。利用三维视频融合技术，实现真实三维雨情的查看分析，同时利用点尺度的降雨信息对面尺度的降雨虚拟可视化信息进行校正。另外，还可以设定报警阈值，利用灯光闪烁等可视化效果表达实时降雨超警信息、山洪重点村落预警信息、实时内涝点位置。

4.2.2 水情态势

在孪生场景中融合流域内水库、河道、城区低洼地的实时水情数据，利用渲染技术和可视化技术，在地图上对超警超保证河段、超汛限水库以不同颜色告警，对水面进行三维可视化渲染，以及利用实时视频与三维底板的融合技术，实现水情、险情态势全面监测。分析一段时间内水库已泄流总量，重点关注当前时段超汛限水库、超警超保河道站、泄（溢）洪流量超下游河道行洪能力的水库；计算水库实时的可纳蓄能力，根据气象预报和实时降雨提出水库预泄方案。

4.2.3 工情态势

采集堤防工程、闸泵站、水库自身的实时安全监测数据、实时视频监控数据。将堤防、水库BIM模型与安全稳定模型的实时计算结果相融合，分析当前堤防、水库、闸泵站的安全稳定状态，对比预设的安全稳定限制指标，判断堤防、水库、闸泵站的健康状态。结合基于干涉雷达的遥感监测技术，对薄弱点位进行提取，实现风险点位的预判，并利用AI视频对薄弱点位进行不定期监测以及对裂缝、损坏状态实现AI识别。

4.3 未来汛情

基于钱塘江数据底板，在孪生场景中融合历史降雨、水情、工情等，融合“四预”体系，实现未来汛情的虚拟仿真模拟，模拟水工程联合调度效果，对未来灾情进行预判，以便提前采取措施减轻灾害后果。

4.3.1 降雨预报

降水预报模块以气象局降雨数值预报分析的成果为数据源，统计分析区划维度（市县乡镇）、子流域维度、时间维度（未来1，3，6，12 h和1，2，3 d）、对象维度（水库、围片）等不同维度的降雨量，并采用与实时汛情中的降雨态势场景相同的可视化表达效果。以及根据不同预报值，对比设定的降雨量阈值，推送水库纳蓄、城市内涝、山洪灾害等降雨风险点，利用灯光闪烁等可视化效果在三维场景中表达可视化效果。还可以结合知识库和机器学习方法进行相似降雨场景挖掘，提前进行风险预判、预案分析。

4.3.2 预报调度一体化

针对流域和河段特点，在二三维孪生场景中，建设洪水预报调度一体化模块。按照水利部关于国产信创的要求，钱塘江流域模型全面实现国产化。流域中上游预报调度一体化模型采用国产化模型云计算引擎，保证了防汛工作的信息和技术安全。同时针对流域干流重点防洪区域，兰溪节点模型优化细化原有模型的边界条件，实现精细化预报调度，同时将水利模型和管网模型相结合，并将预报成果与三维底板进行深度融合。兰溪洪水主要由梅雨和台风造成，洪水调度必须充分考虑衢州、金华来水的叠加和错峰，以及顾及下游富春江水库水位顶托作用，统筹流域与区域、防洪与排涝、上游与下游的关系。当流域发生设计标准内洪水时，确保干流及主要支流堤防安全，最大程度减轻主城区内涝灾害；遇超标准洪水时，重点保护主城区和重要基础设施安全。通过兰溪市主要代表站洪水的精细化预报和预报调度一体化算法，实现各类调度场景下兰溪范围内防洪排涝工程（兰溪市5座中型水库、兰溪重点围片滚水堰、沿江排涝闸泵工程及姚家枢纽）的调度，以及实现对某场次洪水多目标多方案的计算比较优选，分析不同调度工况下洪水下泄量、削峰等信息。

4.3.3 城市内涝预报场景

结合多引擎三维场景渲染技术，实时渲染地表高程、地面附着物、水利工程三维模型。利用排水片区的排涝工程布置以及排水泵站、排水闸门的启用规则设置，用内河和外江预报方案的水位过程作为模型内边界，结合实时监测和预报方案的降雨情况等数据，计算排水片区的内涝淹没过程。在二三维场景中按照时间序列动态模拟片区内淹没演变过程，结合自然资源部门的道路、重点设施、地下空间、危化企业、农田等下垫面数据，分析淹没影响范围、淹没历时、内涝深度，为水利、应急等部门协同防汛提供辅助。

4.3.4 海塘防潮

钱塘江分布有众多海塘。在遭遇台风暴潮的情况下，通过风暴潮预报模型、台风浪预报模型、越浪量计算模型的实时计算，在三维场景中进行模拟仿真，真实感受风暴潮的影响范围和程度。还可分析海塘存在的风险点清单，结合预案的分工，向相关水工程管理单位、沿江市县政府提出预警，掌握各责任单位措施落实情况。

5 应用实效

数字孪生钱塘江按照“整体规划、重点先行、逐步突破”的原则进行建设，建立了跨部门协同的信息共享、预警发布、人员转移等联动机制，打通防洪各相关部门信息数据，重塑防洪智能化处置流程，构建科学化风险研判，全面提升钱塘江流域防御和智慧调度能力。以兰溪节点为例，2022年在实战抵御“6·21”兰溪超保洪水过程中，通过滚动预报洪峰水位，进行了48次自动洪水预报、6次人工干预预报，最终实现6 h预报的水位与最终洪峰仅具有5 cm差距；及时通过浙政钉数字兰江模块向兰溪市防指推送Ⅳ级应急响应的启动通知及行动建议；累计发送水库超汛限短信70条次，提醒水务局及乡镇相关责任人及时放水；发送排涝站预警短信11条次，提醒相关机手及时关闭水闸，做好排涝站起排。

6 结 语

水灾害防御需求的增长和数字经济的蓬勃发展，对传统领域的数字化能力和治理能力提出了更高要求，数字孪生技术的发展对流域级洪水防御的能力提升带来了新的契机。因此，为了从流域级统筹建设一体化防洪孪生应用，提高钱塘江防洪减灾决策支持能力、数据共享和业务协同能力、防洪调度决策响应速度、洪水预报调度精准度，本文从流域级总体设计以及基础信息设施优化、数字孪生平台设计和水灾害防御场景设计3个方面分析了数字孪生钱塘江流域的建设思路，为数字孪生钱塘江流域和物理钱塘江流域的孪生共长、交互映射、协同联动提供了基本思路。通过前期数字孪生流域先行先试建设，目前已初见应用成效。未来应推广复制试点成果，编制试点深化建设方案，以数字孪生钱塘江试点成果为基础，耦合数字孪生浙东水网、流域内数字孪生工程成果，迭代优化相关业务应用，形成更为实用、管用、高效的钱塘江数字孪生流域。

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（编辑：郑 毅）

Construction and application of digital twin of Qiantang River Basin

ZHOU Hongwei¹，CHENG Kaiyu²，WANG Shuying³，BAI Jueying²，MO Liming⁴

（1.Zhejiang Qiantang River Basin Center，Hangzhou 310020，China；2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311100，China；3.Zhejiang Hydrological Management Center，Hangzhou 310009，China；4.Reconnaissance and Design Institute，Qiantang River Administration of Zhejiang，Hangzhou 310016，China）

Abstract：Flood and tidal disasters frequently impact the Qiantang River Basin，so it is urgent to build a digital twin basin using advanced technology，which would facilitate comprehensive flood management within the basin and enhance the decision-making capabilities for flood disaster prevention.Initially，we present an analysis of the overarching design concepts of the proposed platform.Subsequently，the focus shifts to an in-depth analysis of the construction methodology for the digital twin Qiantang River Basin.This analysis is structured around three dimensions of foundational information infrastructures，the digital twin platform，and the twin scene.Specifically，there is a need to optimize the monitoring network，iteratively enhance the information network about water conservancy，and bolster the overall construction of the basin-level digital twin platform.This should be done from the viewpoint of the data baseboard，model platform，and knowledge platform，with an emphasis on constructing an integrated water disaster prevention system that incorporates “four presets” processes.The digital twin and the physical Qiantang River are expected to live as twin，map mutually and link synchronously.This paper provides a comprehensive analysis of the construction concepts for a basin-level digital twin water disaster prevention platform，offering valuable insights that may inform the development of other digital twin basins.

Key words：digital twin；“four presets” system；Qiantang River Basin；flood control and disaster mitigation