水系連通、智慧引領

智慧水利賦能全域治水

數(shù)字孿生技術是智慧水利的重要技術手段。數(shù)字孿生技術運用物理模型、傳感器數(shù)據，集成多學科、多物理量、多維度、多概率的仿真過程，實現(xiàn)物理實體與數(shù)字虛擬體之間的精確映射，建立物理實體的虛擬模型。數(shù)字孿生底板是智慧水利的算據，通過完善時空多尺度數(shù)據映射，擴展三維展示、數(shù)據融合、分析計算、動態(tài)場景等功能，形成基礎數(shù)據統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據匯集、二三維一體化、跨層級和業(yè)務的數(shù)據底板。唐山智慧水利構建以邱莊水庫為試點的數(shù)字孿生三維場景典型應用，在數(shù)據底板技術的研究和應用方面做了一定的工作。數(shù)據底板研究和應用的主要內容包括多源異構數(shù)據融合、水利模型計算結果可視化處理、數(shù)字孿生引擎應用等。

2.1.1 多源異構數(shù)據融合

為達到水利工程高仿真能力，實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的高度相似和同步，邱莊水庫三維場景對數(shù)字底板的建設有高要求。對于離庫區(qū)較遠的非重要區(qū)域使用中低精度三維地表模型構建，庫區(qū)關鍵部位使用傾高精度數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）做基礎，與傾斜攝影三維實景模型做重疊、融合處理，以突出地形、材質等特征細節(jié)。將這些不同精度、不同數(shù)據源的空間數(shù)據在三維實際空間實現(xiàn)融合，達到地形無縫構建的完整場景，增強數(shù)字孿生三維場景的真實表達度。使用3DE、3dmax、revit等專業(yè)建模軟件，創(chuàng)建大壩、溢洪道、放水洞、泵站、管理處房屋等重點工程建筑信息模型（BIM）。將物聯(lián)網數(shù)據（包括工情監(jiān)測、水文監(jiān)測等數(shù)據）接入三維場景系統(tǒng)，與BIM數(shù)據做部位和動作的聯(lián)動，物理屬性相關聯(lián)，使數(shù)字孿生系統(tǒng)虛擬世界能動態(tài)表達真實世界的工程運行狀況。

圖2.1.1-1邱莊水庫無人機正射影像數(shù)據處理

2.1.2 水利模型計算結果可視化處理

將防汛四預業(yè)務系統(tǒng)中水利專業(yè)模型的計算結果（流量過程、洪水演進淹沒分析等）進行可視化處理和展示，通過水花大小反映開閘過程中的出水流量變化，通過粒子的顏色深淺度（alpha值）或熱力圖反映水位變化，通過矢量箭頭表示顆粒前進方向，從而達到對洪水的渲染。將水利專業(yè)模型計算出的完整洪水過程進行逐幀渲染，可以向決策者直觀呈現(xiàn)歷史洪水過程，快速進行決策分析，滿足“預演”對于快速獲取信息的需求。

圖2.1.2-1邱莊水庫閘門調度模擬

2.1.3 數(shù)字孿生引擎

數(shù)字孿生引擎通過對數(shù)字孿生三維場景中模型、地形、材質、粒子效果的優(yōu)化和增強，能夠幫助提升虛實融合程度。虛幻等引擎能夠優(yōu)化已建BIM模型、地理空間模型的細節(jié)，在展示效果方面增強用戶在虛擬世界的沉浸式體驗。邱莊水庫三維場景在構建的過程中使用虛幻引擎，在收集的空間地理數(shù)據的基礎上，對山體勾畫出巖石紋理，在陸地土壤表層添加花草等植被細節(jié)。虛幻引擎重點應用在開閘泄水流量過程模擬功能中，創(chuàng)建溢洪道的開閘泄水過程中水花的濺射效果，消力池中水流的下泄效果，以及下游河道的水流動畫效果。

圖2.1.3-1使用虛幻4引擎優(yōu)化BIM模型、地理空間模型

防汛減災管理是智慧水利的核心關鍵業(yè)務之一，主要包括對水情、災情的預測、預報及預警，并在數(shù)字孿生流域中，利用防汛模擬仿真模型，對典型歷史事件場景下的水利工程調度進行精準復演，確保防汛模型準確、易用。通過防汛模擬仿真技術，保持數(shù)字孿生流域與物理流域交互的精準性、同步性、及時性，實現(xiàn)“預報精準化、預警超前化、預演數(shù)字化、預案科學化”的水利業(yè)務應用。

2.2.1 降雨徑流模型

降雨徑流模型對雨水情信息進行采集處理，主要是根據各流域已有的預報降雨資料，考慮適合目標區(qū)域下墊面條件的產流模式，結合不同河流水系特征值，進行產流計算，得到地表及地下徑流過程。

以新安江模型為例：三水源新安江模型采用自由水蓄水庫的結構來解決水源劃分的問題。按蓄滿產流模型求出的產流量R，先進入自由水蓄水庫S，再劃分水源。此水庫有兩個出口，一個底孔形成地下徑流RG，一個邊孔形成壤中流RI。其出流規(guī)律均按線性水庫出流。由于新安江模型考慮了產流面積（FR）問題，所以這個自由水蓄水庫只發(fā)生在產流面積上。當自由水蓄水深S超過其最大值SM時，超過部分成為地面徑流RS。

底孔出流量RG和邊孔出流量RI分別進入各自的水庫，并按線性水庫的退水規(guī)律流出，分別成為地下水總入流TRG和壤中流總入流TRI，并認為地面徑流的坡地匯流時間可以忽略不計。所以地面徑流RS可認為與地面徑流的總入流TRS相同。地面徑流總入流TRS、壤中流總入流TRI、地下水總入流TRG各自進入河網，經河網單位線調蓄計算后，即成為單元面積的出流流量，然后經河道匯流，成為出口斷面流量。根據上述概念可列出三水源新安江模型的流程圖，如下。

圖2.2.1-1新安江三水源模型流程圖

根據降雨徑流模型，得出不同區(qū)間、子流域的徑流或洪水過程。

2.2.2 防洪調度模型

防洪調度分為實時調度和歷史數(shù)據規(guī)則調度，前者根據雨洪預報情況，結合水庫、河道、保護區(qū)等實際需求，在專家會商的前提下擬定具體調度運用方式；后者根據方案、預案中的規(guī)則，對歷史典型洪水或設計洪水進行方案計算。通過該模型計算，能夠根據下游保護對象、過流能力、水庫自身等約束條件，實現(xiàn)不同調度方案計算，為管理人員提供決策依據。

防洪調度模型的流程是：以降雨徑流模型輸出的預報入庫洪水過程或歷史典型洪水過程作為輸入，由水庫調度模塊按照一定的規(guī)則進行水庫模擬調洪計算，將計算的出庫洪水過程傳遞至河道演進模塊進行河道演進計算，通過滯洪區(qū)分洪計算模塊進行模擬分洪計算。某水庫的典型調洪計算流程見下圖。

圖2.2.2-1某水庫調洪計算流程

2.2.3 洪水動態(tài)風險分析模型

洪水動態(tài)風險分析及洪水風險圖編制則是一種重要的防洪非工程措施。洪水動態(tài)風險分析及洪水風險圖編制是結合洪水預報及防洪調度，對可能發(fā)生洪水的演進路線、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進行預測，然后基于信息化手段，將地理信息和各類防汛信息有效集成，標示洪泛區(qū)內各處受洪水災害的危險程度，客觀反映地方防汛實際，形成直觀、動態(tài)、準確的“風險圖”和清晰直觀的“作戰(zhàn)圖”，對于防汛應急決策具有重要的技術支撐作用。

模型根據最新的調度情況，在當前水庫河道邊界的基礎上，結合高速計算技術，進行洪水演進的高速計算，提供河道水流的演進情況、淹沒區(qū)域的地面漫流情況，給出水位、水深、流速等基本信息，結合災情分析，給出風險分析結果。

洪水動態(tài)風險分析模型的流程是：以河道上游水庫調度出庫洪水過程或者控制性水文站實測（設計）洪水過程為輸入，利用模型進行河道沿程水流的二維水流演進計算，在河道有潰決發(fā)生的情況下，模擬潰決水流的地面漫流發(fā)展過程，支撐洪水風險評估。主要分為以下幾個步驟：

（1）構建河道洪水動態(tài)風險分析模型；

（2）參數(shù)率定與模型驗證；

（3）方案分析計算；

（4）動態(tài)展示。模型計算流程見下圖。

圖2.2.3-1河道洪水動態(tài)風險結構圖

2.2.4 災情評估模型

根據洪水動態(tài)風險模型計算得到的淹沒范圍、淹沒水深及分布、流速分布、洪峰前鋒到達時間和淹沒歷時等信息，結合淹沒區(qū)社會經濟情況分析評估洪水影響，主要內容包括淹沒范圍內和各級淹沒水深區(qū)域內的人口分布、耕地面積、資產統(tǒng)計等，進行洪水損失評估。

模型能夠讀取洪水動態(tài)風險模型計算得到的每個網格最大淹沒水深、最大流速、洪峰前鋒到達時間和淹沒歷時等信息，與淹沒區(qū)社會經濟情況數(shù)據庫相匹配，進行災情評估。洪水影響統(tǒng)計主要有各河流各方案總體淹沒情況匯總表，各方案不同水深淹沒情況匯總表，各級行政區(qū)淹沒情況匯總表，典型區(qū)域淹沒情況匯總表等。

水資源管理系統(tǒng)是智慧水利“2+N”業(yè)務中核心之一，水資源供需、配置、調度模型是支撐水資源管理業(yè)務的重要模型，通過模型研發(fā)能夠實現(xiàn)對地區(qū)經濟社會發(fā)展用水預測、水源可供水量預測和供需形勢評估，實現(xiàn)地區(qū)水資源合理配置和精細調度，提升地區(qū)水資源綜合管理能力。

2.3.1 水資源供需分析模型

水資源供需分析模型是全面評估地區(qū)水資源供需形勢，及時掌握地區(qū)缺水程度，從水資源保障方面為地區(qū)經濟社會發(fā)展提供技術支撐。水資源供需分析模型包括需水預測模型、可供水量預測模型以及供需平衡模型。

需水預測模型考慮地區(qū)經濟社會發(fā)展要求，堅持“四水四定”原則，統(tǒng)籌地區(qū)用水實際和今后經濟社會發(fā)展需求，結合經濟社會發(fā)展指標預測和用水定額，預估地區(qū)今后經濟社會發(fā)展用水需求?？晒┧款A測模型考慮河流來水、工程供水能力、河流生態(tài)用水等要求，綜合地區(qū)各類水源供水實際和工程建設運用情況，通過分析調算預估地區(qū)各類水源可供水量。水資源供需平衡模型統(tǒng)籌地表水、地下水、非常規(guī)水源，結合生活、工業(yè)、農業(yè)、生態(tài)各行業(yè)用水需求，進行水資源供需平衡分析。

2.3.2 水資源配置模型

水資源配置模型是以水資源供需平衡分析成果為基礎，綜合地區(qū)用水總量控制以及地下水壓采實施方案等，分析地表水、地下水以及非常規(guī)水水源供水范圍和行業(yè)水資源用途，構建水資源配置關系網絡圖，按照水資源配置原則，統(tǒng)籌多水源供水和分行業(yè)用水需求，通過多水源聯(lián)合調配和分行業(yè)供用水平衡，統(tǒng)籌水源供水次序和行業(yè)水資源用途，提出地區(qū)水資源配置方案，為合理利用水資源、提供水資源利用效率、有效緩解水資源供需矛盾提供支撐。地區(qū)水資源配置關系網絡圖見圖 。

圖2.3.2-1  地區(qū)水資源配置關系網絡圖（以唐山市為例）

2.3.3 水資源調度模型

水資源調度模型是統(tǒng)籌防洪、供水、生態(tài)和發(fā)電等要求，以供水效益最大化為目標，綜合考慮工程最大可供水量、輸水線路過流能力、節(jié)點水量平衡、控制斷面生態(tài)流量等約束，采用線性規(guī)劃方法進行優(yōu)化求解，通過優(yōu)化調度水資源，協(xié)調水源供水和行業(yè)用水，提出地區(qū)水資源調度方案，包括分河段縣區(qū)用水分配、河道主要斷面流量指標以及水庫調度運用計劃等，為地區(qū)精細化調度水資源提供技術支撐。地區(qū)多水源聯(lián)合調度模型采用線性規(guī)劃優(yōu)化求解，模型求解步驟如下：

（1）模型前處理。對多水源聯(lián)合調度模型進行標準化處理，包括將目標函數(shù)標準化、非線性約束條件線性化處理等。

（2）模型數(shù)據準備。針對線性規(guī)劃求解問題需求，準備模型計算數(shù)據，包括目標函數(shù)中決策變量系數(shù)矩陣，約束條件中決策變量系數(shù)矩陣和常數(shù)向量，決策變量上下限、整數(shù)與非整數(shù)等，形成線性規(guī)劃求解的計算數(shù)據。

（3）模型求解。根據數(shù)學模型矩陣和向量數(shù)據，形成線性規(guī)劃求解的標準化輸入形勢，采用線性規(guī)劃對模型進行求解。

（4）結果輸出。按照線性規(guī)劃求解輸出的標準規(guī)則，將計算的優(yōu)化結果按方案分析格式輸出。

在設施運行管理子系統(tǒng)中，項目組基于數(shù)字孿生技術，搭建了邱莊水庫三維場景、構建了邱莊水庫水工建筑、金屬結構與安全監(jiān)測等精細化模型，并接入了水庫現(xiàn)有各類安全監(jiān)測設備的實時數(shù)據，構建了高保真的邱莊水庫數(shù)字孿生場景，并再次基礎上開發(fā)了水庫安監(jiān)、調水、防汛以及設施管理等水庫業(yè)務場景。

圖3.1-1 邱莊水庫數(shù)字孿生場景

圖3.1-2 邱莊水庫實時監(jiān)測業(yè)務頁面

在防汛減災管理子系統(tǒng)建設過程中，項目組積極踐行了“防汛四預”工作要求，從預報、預警、預演、預案四個維度，對唐山市5條重點河流的防汛工作進行了開發(fā)實施。系統(tǒng)搭建了防汛四預業(yè)務平臺，研發(fā)并融合了包括降雨徑流模型、防洪調度模型、洪水動態(tài)風險分析模型、災情評估模型5大專業(yè)數(shù)學模型，實現(xiàn)了防汛業(yè)務智能化、精準化應用。

圖3.2-1實時監(jiān)測功能頁面

圖3.2-2洪水演進功能頁面

圖3.2-3洪水預報功能頁面

統(tǒng)籌智慧水利建設要求和唐山市水資源管理需求，建設集“監(jiān)測-評價-供需-配置-調度”全業(yè)務，涵蓋節(jié)水管理的全過程水資源管理系統(tǒng)，包括水資源綜合服務、水資源評價、水資源供需平衡、水資源配置、水資源調度、節(jié)水管理等6個子系統(tǒng)。通過唐山市水資源管理建設，基本厘清唐山市水資源底賬，摸清供用水狀況，評價唐山市用水水平；預估唐山市用水需求，明晰地表水、地下水及非常規(guī)水源多水源統(tǒng)籌的可供水量，評估唐山市水資源供需態(tài)勢；綜合唐山市用水總量控制紅線和地下壓采措施，提出水資源配置方案；科學編制水資源調度方案，實時監(jiān)測重點取水工程、重點斷面取水過程，動態(tài)評估調度執(zhí)行情況；精細編制計劃用水，在線評估計劃用水執(zhí)行情況，實現(xiàn)計劃用水全過程管控，全面監(jiān)管唐山市重要用水單位節(jié)水改造情況，提升全社會節(jié)水水平。

圖3.3-1 綜合信息服務功能頁面

圖3.3-2 水資源供需平衡功能頁面

圖3.3-3 調度計劃功能頁面

圖3.3-4 節(jié)水管理功能頁面