顧巍巍，蔡天德，謝東輝，江雨田，陳天麟

（1.浙江省寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院有限公司，315192，寧波；2.浙江省寧波市水庫管理中心，315020，寧波；3.寧波原水有限公司皎口水庫分公司，315012，寧波）

2020年，浙江省寧波市入選水利部智慧水利先行先試城市。2021年，《寧波市水安全保障“十四五”規(guī)劃》提出，要按照“走全國前列、樹全省標桿”總體要求，增強水務一體化管理能力，實施水安全保障、水資源利用、水生態(tài)修復、水文化傳承和水智慧管理五大工程。在水智慧管理方面，要求以智慧水利先行先試城市建設為抓手，完善水利信息化體系建設。周公宅-皎口梯級水庫在寧波市防洪格局中地位突出，其調度方案合理與否將直接對地區(qū)防洪排澇形勢產(chǎn)生影響。2022 年4 月，寧波市水利局數(shù)字孿生周公宅-皎口梯級水庫項目列入水利部數(shù)字孿生建設試點。

一、周公宅-皎口梯級水庫概況

周公宅-皎口梯級水庫位于甬江流域鄞江上游，為東南沿海諸河流域少有的梯級串聯(lián)大型水庫，其作為數(shù)字孿生水利工程先行先試試點，具有一定典型性。周公宅-皎口梯級水庫集雨面積為259 km2，在流域防洪減災中發(fā)揮著至關重要的作用，同時還承擔著寧波城市供水區(qū)優(yōu)質水供給及下游農業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水雙重水資源供給保障任務。

周公宅-皎口梯級水庫水利信息化建設起步較早，有一定基礎，但目前其信息化建設水平與水利部打造數(shù)字孿生工程要求相比，仍然存在短板和薄弱環(huán)節(jié)：①信息基礎設施有待完善，全要素感知、手段與安全保障能力有待提升；②數(shù)據(jù)底板不全，孿生場景數(shù)據(jù)驅動能力有待提高；③模型不足、知識分散，業(yè)務支撐能力有待加強；④“四預”業(yè)務流程數(shù)字化水平有待提高，應用功能有待擴充。

二、數(shù)字孿生平臺建設

根據(jù)《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則》要求，結合周公宅-皎口梯級水庫具體情況，數(shù)字孿生周公宅-皎口梯級水庫平臺由數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺和孿生引擎四部分構成，其總體框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生周公宅-皎口梯級水庫總體框架

1.數(shù)據(jù)底板

在共享水利部（流域管理機構除外）L1 級、流域管理機構及省級水行政主管部門L2 級數(shù)據(jù)底板基礎上，充分利用工程設計施工圖紙、建筑信息模型（BIM）等資料，建設工程L2 級和L3 級數(shù)據(jù)底板，采用衛(wèi)星遙感、無人機傾斜攝影、激光雷達掃描建模、BIM、多波束測量等技術，匯聚工程全要素、全過程地理空間數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)。

2.模型平臺

（1）水利專業(yè)模型

為實現(xiàn)“預報、預警、預演、預案”目標，根據(jù)周公宅-皎口梯級水庫及下游流域特點，在整合水庫已有單庫洪水預報模型基礎上，按照數(shù)字孿生平臺“模型庫”建設要求，建立防洪預報調度及洪水演進一體化模型及水庫工程安全監(jiān)測分析模型，包括區(qū)域精細化降雨解譯模型、梯級水庫產(chǎn)匯流模型、梯級水庫洪水聯(lián)合調度模型、水庫下游一維洪水演進模型、水庫下游二維洪水演進模型、潰壩泄流分析模型、水庫工程安全監(jiān)測分析模型，輔助防洪決策與水庫工程安全決策。

（2）智能模型

通過智能識別算法服務建設、智慧巡查視頻分析服務平臺建設和視頻監(jiān)控集成接入與開發(fā)，充分發(fā)揮水庫視頻資源的作用和效能，通過前端攝像提供的視頻圖像，自動處理分析給定圖像，實現(xiàn)涉水活動識別和水庫放水預警識別等智能算法服務；對集成的視頻數(shù)據(jù)資源進行充分融合開發(fā)，使其能夠無縫集成接入市級水利網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及寧波市智慧水利業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成、資源互聯(lián)共享。

3.知識平臺

長期以來，為滿足規(guī)劃設計、防汛防臺需求，寧波市持續(xù)積累了較好的數(shù)據(jù)底板模型庫基礎，尤其是寧波市智慧水利建設項目進一步為周公宅-皎口梯級水庫區(qū)域數(shù)據(jù)底板、模型庫奠定了基礎，但當前已建水利信息化系統(tǒng)存在非結構化信息多、知識分散、信息獲取困難等問題。通過大數(shù)據(jù)分析和信息共享等技術手段集成處理相關知識信息后，建立水利知識數(shù)據(jù)庫，以知識圖譜為技術框架，建設預報調度方案庫、業(yè)務規(guī)則庫、歷史場景庫、專家經(jīng)驗庫、水利工程安全知識庫和共享知識庫，為水利知識引擎提供數(shù)據(jù)內核，提高知識檢索精準化與智能化水平。

4.孿生引擎

根據(jù)《數(shù)據(jù)孿生流域共建共享管理辦法（試行）》要求，結合數(shù)字孿生周公宅-皎口梯級水庫建設實際需要，打造包含數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)服務的數(shù)據(jù)引擎，同時在浙江省提供的知識引擎或知識引擎組件基礎上，建設基于周公宅-皎口梯級水庫的知識引擎。此外，為提高數(shù)據(jù)底板的數(shù)據(jù)加載、場景管理、空間分析、特效處理等服務能力，建設模擬仿真引擎，以實現(xiàn)水庫工程和周圍環(huán)境同步直觀表達、工程建設運行全過程高保真模擬。

三、防洪“四預”業(yè)務應用系統(tǒng)建設

1.功能概述

周公宅-皎口梯級水庫防洪業(yè)務以洪水風險管理為核心，應對不同等級風險場景，按照預報、預警、預演、預案“四預”基本要求，以及“預報是基礎、預警是前哨、預演是關鍵、預案是目的”的思路梳理業(yè)務流程（見圖2），構建形勢分析、洪水預報、風險預警、仿真預演、應急預案、復盤評估全過程一體化應用系統(tǒng)，為水庫防洪形勢分析、調度方案制定、人員避險轉移提供技術支撐。防洪“四預”業(yè)務應用界面如圖3所示。

圖2 周公宅-皎口梯級水庫防洪“四預”業(yè)務流程框架

圖3 周公宅-皎口梯級水庫防洪“四預”業(yè)務應用界面示意

2.功能模塊

（1）形勢分析

基于相關數(shù)據(jù)接口展示周公宅-皎口梯級水庫所處流域4 個分區(qū)的實測降雨及預報降雨，并統(tǒng)計特征值，在此基礎上通過底層邏輯計算對水庫特定水位，如汛限水位、正常水位、防洪高水位、設計水位、校核水位等，進行相應水位下的可承雨量分析，結合兩水庫當前水位、未來預測降雨數(shù)據(jù)、兩水庫出入庫流量相關性等信息，進行預泄分析和預警水位研判，為技術人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)，及時有效開展預排預泄工作。

（2）洪水預報

運用水文、地信、計算機、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡等多專業(yè)技術，采集接入的水雨工情監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象降雨預報數(shù)據(jù)，充分利用云計算、數(shù)學模型等技術手段，提供不同降雨等級下水庫、河道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪水的預報成果。

（3）風險預警

明確預警任務，面向水利行業(yè)，按照規(guī)定的權限和程序及時將預警信息直達防御工作一線，確保行業(yè)預警權威性、時效性、安全性。確定預警要素，建立科學合理的預警機制，以水庫洪水預報為基礎，展示水庫、漫堤等不同風險級別，根據(jù)不同級別對相應風險進行預警，并做統(tǒng)計分析。

（4）仿真預演

設定全面的防洪情景目標，運用數(shù)字化、網(wǎng)格化、智能化手段，實現(xiàn)水工程預報信息與調度運行信息及邊界條件的集成耦合，調用模擬仿真引擎，進行可視化模擬，實現(xiàn)水安全要素的實時、動態(tài)展示。在模擬計算成果基礎上，結合水利工程運行狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀等，參考水利調度規(guī)則、典型歷史案例，利用專家經(jīng)驗和智能分析等，對水庫、河道洪水演進情況進行模擬預演，根據(jù)設定的防洪情景目標及時滾動更新預演方案，快速分析展示風險形勢，為洪水防御提供決策支持。

（5）應急預案

結合水工程運行狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀，對防洪預演結果進行評估，分析預案影響，滾動優(yōu)化水工程運行、應急調度、人員防災避險等應對措施，統(tǒng)籌考慮流域規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃、重要水工程調度運行計劃等，形成流域、區(qū)域水工程聯(lián)合調度方案。優(yōu)化完善水工程運行調度方案、工程巡查防守、人員轉移避險等應對措施，有效提高預案的科學性和可操作性。

（6）復盤評估

在每一場次臺風或暴雨引發(fā)的洪水結束后，對相關臺風及雨水情分析、洪水預報調度過程分析、受災情況等進行整合生成，形成洪水后復盤評估報告，存入檔案庫，便于積累經(jīng)驗與經(jīng)驗復用。該部分主要包括臺風雨水情、洪水調度、受災情況統(tǒng)計和復盤評估分析報告。

四、系統(tǒng)應用成效

數(shù)字孿生系統(tǒng)的實際應用為周公宅、皎口水庫防御2022年臺風“軒嵐諾”和“梅花”提供了有力支撐。其中，在防御臺風“軒嵐諾”期間，系統(tǒng)分別為周公宅水庫、皎口水庫編制了20 個、24 個預報方案，在防御臺風“梅花”期間分別為兩水庫編制了35 個、78個預報方案。系統(tǒng)在臺災防御工作中主要作出了如下貢獻：

①提前準備，基于多種方案制定相應對策。在防御臺風“軒嵐諾”和“梅花”前，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)應用，根據(jù)氣象預報中水庫流域等值雨量線，分別編制不同量級降雨情況下兩水庫的聯(lián)合調度方案，并在不斷優(yōu)化方案后形成以水位為依據(jù)的調度對策。

②提前介入，根據(jù)實際過程作出及時反應。在洪水發(fā)生過程中，應用數(shù)字孿生系統(tǒng)實時跟蹤水庫降水、水位、出入庫和上下游河道情況，精細化實時微調水庫調度方案，為水庫放水決策等工作提供了提前反應時間。

③提前決策，通過調整策略提升水庫效益。在降雨后期，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)中的降雨預報及水庫預報，果斷關閉閘門，減小下游防汛壓力，攔蓄尾水，最大限度提升水庫效益。

五、結 語