陳成勇,潘 旭,周成寬

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

水利部黨組將智慧水利作為“十四五”規(guī)劃的重點(diǎn)任務(wù)和水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志。把“推進(jìn)智慧水利建設(shè)”作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一。提出構(gòu)建數(shù)字孿生流域、助力全國智慧水利建設(shè)[1]。建設(shè)數(shù)字孿生水文的目的是為了提升國家水安全保障能力,順應(yīng)以流域?yàn)閱卧?、?qiáng)化流域治理管理、適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展的需要,并為構(gòu)建智慧水利運(yùn)管體系提供理論和技術(shù)上的支撐。數(shù)字孿生水文是水文部門推進(jìn)數(shù)字水利建設(shè)的重要探索,數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制,可以提高物理實(shí)體的效率和質(zhì)量,降低運(yùn)營成本,同時(shí)可以為科學(xué)研究和決策提供有力的支持。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航天、城市規(guī)劃等領(lǐng)域。山東省水利廳高度重視數(shù)字水利建設(shè)的推進(jìn)工作,今年省水文中心已將數(shù)字孿生水文建設(shè)列為重點(diǎn)改革內(nèi)容。

1 基本概念

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新興的數(shù)字化技術(shù),基于物理實(shí)體的數(shù)字化模型,實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的仿真和優(yōu)化。其基本原理是將物理實(shí)體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、特性、行為等信息通過傳感器和其他數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)時(shí)收集,然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模和仿真,最終生成一份與物理實(shí)體相對應(yīng)的數(shù)字化模型,即數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生水文建設(shè)是指利用數(shù)字孿生技術(shù)和水文學(xué)理論相結(jié)合,將現(xiàn)實(shí)世界的水文系統(tǒng)和水利管理活動進(jìn)行數(shù)字化映射和智能化模擬形成虛擬模型,并使用傳感器和其他數(shù)據(jù)源收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)與物理流域的同步仿真、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)對水資源管理、水文預(yù)測、水環(huán)境保護(hù)、水文災(zāi)害預(yù)警和防治等領(lǐng)域進(jìn)行全面的仿真分析和評估,優(yōu)化水文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行,包括水文過程、水文響應(yīng)、水質(zhì)變化、水文災(zāi)害等多個(gè)方面。

2 理論基礎(chǔ)

水文學(xué)是數(shù)字孿生水文建設(shè)的基礎(chǔ)學(xué)科,其理論和方法為數(shù)字孿生水文建設(shè)提供了基礎(chǔ)和支撐。水文學(xué)理論主要涉及水文循環(huán)過程、水文數(shù)據(jù)采集、水文模型建立、水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和水文評價(jià)和規(guī)劃等方面,而數(shù)字孿生水文建設(shè)則將這些理論與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)一步提高了水文學(xué)的應(yīng)用價(jià)值和效果。

數(shù)字孿生水文建設(shè)的另一個(gè)理論基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。數(shù)字孿生水文建設(shè)需要大量的數(shù)據(jù)支持,包括水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等,而大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對水文數(shù)據(jù)的智能處理和分析,包括數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測和優(yōu)化等方面,為數(shù)字孿生水文建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于水文領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)對水文系統(tǒng)的數(shù)字化建模和實(shí)時(shí)監(jiān)測,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水文循環(huán)全過程的精細(xì)化控制和管理。

3 主要架構(gòu)

數(shù)字孿生水文建設(shè)的構(gòu)架圖是一個(gè)多層次、多模塊的系統(tǒng),數(shù)字孿生水文主要架構(gòu),見圖1。通過各種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對水文系統(tǒng)的模擬、監(jiān)測、優(yōu)化和決策支持,為水資源管理和智慧水利建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持,其構(gòu)架通常包括以下幾個(gè)主要組成部分:

圖1 數(shù)字孿生水文主要架構(gòu)

數(shù)字孿生水文建設(shè)的核心是建立水文系統(tǒng)的虛擬模型,包括地表水、地下水、大氣降水等方面。該模型可以基于現(xiàn)有的水文監(jiān)測設(shè)施數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù),使用物理模型、統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法來建立。

數(shù)字孿生水文建設(shè)需要實(shí)時(shí)收集和傳輸水文數(shù)據(jù),包括水位、流量、降雨量、蒸發(fā)量、輸沙量、水質(zhì)數(shù)據(jù)等等,以更新水文系統(tǒng)模型。數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)可以使用傳感器、遙感技術(shù)、水文站和自動監(jiān)測站等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

水文數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理、分析和存儲,以便后續(xù)使用。數(shù)據(jù)管理和處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析等方面,可以使用數(shù)據(jù)庫、云計(jì)算、人工智能和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

水文系統(tǒng)模型需要不斷地運(yùn)行和優(yōu)化,以保證模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。模型運(yùn)行和優(yōu)化系統(tǒng)可以使用模型仿真、實(shí)踐比對、參數(shù)調(diào)整和預(yù)測分析等方法來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字孿生水文建設(shè)的最終目的是為水資源管理者和水文工程師提供決策支持。決策支持系統(tǒng)可以基于水文系統(tǒng)模型和分析結(jié)果,提供各種決策方案和預(yù)測結(jié)果,幫助用戶進(jìn)行決策和規(guī)劃。

4 數(shù)字孿生水文建設(shè)的價(jià)值和重要性

數(shù)字孿生技術(shù)可以對水文學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精確的建模和模擬,包括水文循環(huán)過程、水質(zhì)分布、水生態(tài)系統(tǒng)等多個(gè)方面,為水資源管理和保護(hù)提供重要的支持和決策依據(jù)。例如,數(shù)字孿生技術(shù)可以對水文系統(tǒng)進(jìn)行可視化模擬,幫助管理者更好地理解水資源的分布、變化和利用情況,從而優(yōu)化水資源的配置和管理,提高水資源利用效率和水環(huán)境保護(hù)水平。

數(shù)字孿生技術(shù)可以通過對水文系統(tǒng)進(jìn)行精確的模擬和預(yù)測,提高水災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對的效率和準(zhǔn)確性。例如,數(shù)字孿生技術(shù)可以對不同的水文情景進(jìn)行模擬,預(yù)測可能發(fā)生的洪水、干旱、滑坡等災(zāi)害情況,幫助管理者及時(shí)采取措施進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)對,減少災(zāi)害損失。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)水文學(xué)科技的創(chuàng)新和發(fā)展,推動學(xué)科發(fā)展走向數(shù)字化、智能化、高效化的方向。例如,數(shù)字孿生技術(shù)可以對水文學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模的分析和挖掘,探索新的數(shù)據(jù)特征和規(guī)律,發(fā)現(xiàn)新的水文學(xué)問題和挑戰(zhàn),從而推進(jìn)學(xué)科的創(chuàng)新和發(fā)展。

5 數(shù)字孿生技術(shù)在水文學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

通過實(shí)踐案例分析數(shù)字孿生水文建設(shè)的應(yīng)用與效果,為今后的水資源管理和水文災(zāi)害防治提供參考。

5.1 北京市自來水集團(tuán)數(shù)字孿生水處理廠

通過數(shù)字孿生技術(shù)對自來水處理廠的運(yùn)營進(jìn)行優(yōu)化和提升,對自來水處理廠的模型進(jìn)行數(shù)字化建模,實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)、水量、水壓、水溫等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制,實(shí)現(xiàn)自來水生產(chǎn)的智能化和高效化。該項(xiàng)目的實(shí)施,使得自來水處理廠的能耗、化學(xué)品使用和運(yùn)營成本均有了大幅降低,同時(shí)提升了水質(zhì)和供水服務(wù)的質(zhì)量和可靠性。

5.2 數(shù)字孿生沂沭泗水系(江蘇部分)水文預(yù)報(bào)模型共享服務(wù)

擴(kuò)展定制流域水文水動力模型,升級完善洪水預(yù)報(bào)模塊,補(bǔ)充旱情綜合監(jiān)測預(yù)測等功能,實(shí)現(xiàn)流域“四預(yù)”,集成“降水-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)”全過程模型,實(shí)現(xiàn)氣象水文、水文水力學(xué)耦合預(yù)報(bào)及預(yù)報(bào)調(diào)度一體化。通過自主研發(fā)模型引擎,構(gòu)建一套擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)安全可控、具備沂沭泗流域特色的水文預(yù)報(bào)模型體系,并提供便捷的模型協(xié)調(diào)研發(fā)和應(yīng)用服務(wù)[3]。

5.3 流域有示范作用數(shù)字孿生小清河智能防洪應(yīng)用項(xiàng)目

綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、水利模型、遙感、GIS、BIM、模擬仿真等技術(shù),探索構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的流域防洪智慧體系,建設(shè)數(shù)據(jù)中臺、知識圖譜,全面匯聚數(shù)據(jù)底板,基本構(gòu)建了小清河流域“一張圖”和數(shù)字流域可視化平臺,實(shí)現(xiàn)與部、省、市平臺的數(shù)據(jù)共享,為強(qiáng)化小清河流域治理管理工作提供了有力支撐,在險(xiǎn)情診斷、防洪形勢研判、防汛決策與行動支持中發(fā)揮了重要作用。

5.4 數(shù)字孿生歐陽海灌區(qū)水利工程項(xiàng)目

通過數(shù)字孿生歐陽海水利工程數(shù)據(jù)底板的打造,構(gòu)建歐陽海灌區(qū)數(shù)字孿生體,通過多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)字化映射、模型耦合等技術(shù),以解決灌區(qū)管理痛點(diǎn)和難點(diǎn)為導(dǎo)向,在數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水資源配置與管理和防洪調(diào)度,著力提升灌區(qū)管理工作效率和服務(wù)能力,降低水旱災(zāi)害損失、保障糧食安全,形成灌區(qū)建設(shè)可復(fù)制可推廣標(biāo)準(zhǔn),適用于大中型灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)領(lǐng)域防洪場景下的水庫及渠道閘門調(diào)控、抗旱場景下的水資源優(yōu)化調(diào)配以及強(qiáng)降雨情景下的工程安全管理。

未來,數(shù)字孿生水文建設(shè)在水資源管理和保護(hù)、水文學(xué)科技的創(chuàng)新和發(fā)展方面都有著廣泛的應(yīng)用和效果。這些實(shí)踐案例也表明了數(shù)字孿生技術(shù)的巨大潛力和未來發(fā)展前景。

6 數(shù)字孿生水文建設(shè)的挑戰(zhàn)與展望

6.1 面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量問題:數(shù)字孿生水文建設(shè)的有效性和準(zhǔn)確性,取決于所使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍。但實(shí)際應(yīng)用中,由于數(shù)據(jù)采集的困難、采集方法的不一致以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題等因素,會影響到模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

1)模型建立和驗(yàn)證問題:數(shù)字孿生水文建設(shè)模型的建立和驗(yàn)證需要借助大量的水文數(shù)據(jù)和模型,但是由于水文系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性,模型的建立和驗(yàn)證也面臨著一定的困難。

2)技術(shù)應(yīng)用和推廣問題:數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)的應(yīng)用需要依賴于專業(yè)的技術(shù)人才和高端的設(shè)備和軟件,而實(shí)際應(yīng)用過程中,人才和設(shè)備的短缺、技術(shù)推廣的難度和成本等問題也是制約技術(shù)應(yīng)用和推廣的主要因素。

6.2 未來的展望

對未來,數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)仍然面臨著一些挑戰(zhàn),但是在技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善下,數(shù)字孿生水文建設(shè)的應(yīng)用前景依然十分廣闊。

進(jìn)一步完善和優(yōu)化數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù),提高技術(shù)的可靠性、準(zhǔn)確性和精度,提升模型的實(shí)時(shí)性和動態(tài)性,增加技術(shù)的應(yīng)用范圍和可擴(kuò)展性。加強(qiáng)數(shù)字孿生水文建設(shè)與其他相關(guān)技術(shù)的結(jié)合,如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等,形成多技術(shù)、多角度的綜合應(yīng)用,提高技術(shù)的全面性和效益。深化數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)在水資源管理、水環(huán)境保護(hù)、水災(zāi)防治等方面的應(yīng)用,為水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供更好的支撐和保障。

推進(jìn)數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)在國內(nèi)和國際的應(yīng)用和推廣,提高技術(shù)的認(rèn)知度和普及度,促進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化,推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)和智慧城市建設(shè)的發(fā)展。推動數(shù)據(jù)共享和開放,使得更多的水文數(shù)據(jù)可以被數(shù)字孿生水文建設(shè)所利用。這需要政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的合作與支持。加強(qiáng)數(shù)字孿生水文建設(shè)模型的精度和可靠性,提高數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用水平,使其能夠更好地服務(wù)于水資源管理、環(huán)境保護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)等方面。

發(fā)展數(shù)字孿生水文建設(shè)的自動化和智能化技術(shù),以提高模型的計(jì)算效率和準(zhǔn)確度。這可以通過深度學(xué)習(xí)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)。加強(qiáng)數(shù)字孿生水文建設(shè)的實(shí)踐與案例積累,不斷完善數(shù)字孿生水文建設(shè)模型和技術(shù)的應(yīng)用場景,以更好地解決實(shí)際問題。推動數(shù)字孿生水文建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,制定數(shù)字孿生水文建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,促進(jìn)數(shù)字孿生水文建設(shè)的應(yīng)用和推廣。

綜上所述,數(shù)字孿生水文建設(shè)具有重要的價(jià)值和意義,對于水資源管理和保護(hù)、水災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對、水文學(xué)科技創(chuàng)新等方面都有著重要的作用,未來數(shù)字孿生技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用將進(jìn)一步推動水文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。山東省水文中心將堅(jiān)持需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、能力提升的要求,從場景構(gòu)建、水文映射、 “四預(yù)”目標(biāo)等方面出發(fā),搭建框架、建立標(biāo)準(zhǔn),推動數(shù)字孿生技術(shù)在山東水文的實(shí)踐中更好地發(fā)揮作用。