林 莉，李全宏，曹慧群，程靖華，靖 爭，李曉萌，趙科鋒

（1.水利部長江水利委員會長江科學(xué)院，430010，武漢；2.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，441900，丹江口；3.水利部長江水利委員會流域水環(huán)境保護(hù)與治理創(chuàng)新團隊，430010，武漢）

一、數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全建設(shè)的必要性

南水北調(diào)工程是我國重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。習(xí)近平總書記在視察南水北調(diào)工程時指出，南水北調(diào)工程事關(guān)戰(zhàn)略全局、事關(guān)長遠(yuǎn)發(fā)展、事關(guān)人民福祉，要從守護(hù)生命線的政治高度，切實維護(hù)南水北調(diào)工程安全、供水安全、水質(zhì)安全。作為南水北調(diào)中線工程水源地、國家一級水源保護(hù)區(qū)，丹江口水庫水質(zhì)安全保障尤為重要。

丹江口水庫水域面積廣、深度大，污染來源分散且類型多，水庫水質(zhì)保護(hù)治理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，管理難度極大?；谛乱淮畔⒓夹g(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生丹江口工程，通過基礎(chǔ)感知、智能分析能力建設(shè)，提升丹江口水庫管理水平，有效提高水源地水質(zhì)安全保障能力，對于推動國家智慧水網(wǎng)建設(shè)、緩解水資源供需矛盾、保障“一泓清水永續(xù)北送”具有重要意義。

根據(jù)水利部推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)總體部署，丹江口水利樞紐被列為水利部《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》確定的12個數(shù)字孿生先行先試重點建設(shè)水利工程之一。作為國內(nèi)首個以水利工程水質(zhì)安全為業(yè)務(wù)需求的數(shù)字孿生水利工程，開展數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全建設(shè)可為流域和其他水源水庫水質(zhì)安全數(shù)字孿生建設(shè)提供經(jīng)驗，發(fā)揮試點項目的引領(lǐng)示范作用。

二、丹江口水庫水質(zhì)監(jiān)測管理存在短板

1.水質(zhì)監(jiān)測感知能力有待提升

丹江口庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)于2017年建成，由水庫管理單位南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)運行維護(hù)。監(jiān)測任務(wù)包括：對陶岔渠首每日開展定點監(jiān)測，對丹江口庫區(qū)以及入庫河流32 個人工斷面的每月常規(guī)24 項監(jiān)測，對16 個庫中斷面的每月補充5 項、透明度及葉綠素a監(jiān)測，對9個斷面的底質(zhì)監(jiān)測，對18個斷面的每季度水生生物監(jiān)測，對5個斷面的生物殘毒監(jiān)測，對4 個斷面的2 次109 項監(jiān)測，以及7 個自動站的每日自動監(jiān)測。已有監(jiān)測站網(wǎng)仍存在不足：一是水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系需要優(yōu)化完善，現(xiàn)有點位數(shù)量、監(jiān)測指標(biāo)和頻次有限，缺乏對主要入庫河流水質(zhì)的自動在線監(jiān)測；二是缺乏對主要入庫河流的水文水質(zhì)同步監(jiān)測，目前只有漢江、丹江、堵河、老灌河4條入庫河流設(shè)有水文站，其他河流尚未設(shè)置水文站，難以準(zhǔn)確核算入庫污染負(fù)荷；三是數(shù)據(jù)公開共享協(xié)作機制不夠成熟，未能實現(xiàn)與其他部門監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效共享；四是水質(zhì)垂向分層監(jiān)測不足，難以全面準(zhǔn)確掌握大水深水庫的水質(zhì)垂向分層分布特點，亟須建立常態(tài)化垂向水質(zhì)監(jiān)測制度。

2.水質(zhì)趨勢預(yù)測和污染預(yù)警研判不足

丹江口水庫已初步建設(shè)了管理平臺，具備水環(huán)境分析評價等基礎(chǔ)模型，但缺少水質(zhì)演變機理模型，無法有效預(yù)測推演未來水質(zhì)變化趨勢，難以滿足水質(zhì)安全預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”需要。大數(shù)據(jù)、機理模型、智能算法等新技術(shù)在庫區(qū)應(yīng)用不夠，水質(zhì)預(yù)警能力不足，如遇各類水污染事件及季節(jié)性水質(zhì)問題，無法及時獲取相關(guān)信息并預(yù)測預(yù)警，智能模型研發(fā)和應(yīng)用水平有待提升。

3.水質(zhì)安全智慧化管理能力不足

目前丹江口水庫信息化管理建設(shè)尚未實現(xiàn)水庫外在（地理空間環(huán)境、幾何結(jié)構(gòu)、屬性要素等）和內(nèi)在（狀態(tài)、相態(tài)、時態(tài)、關(guān)系、機理等）的數(shù)字化映射，距離實現(xiàn)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”功能還有一定差距。目前丹江口水質(zhì)管理智能化還處于起步階段，初步具備水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入和基礎(chǔ)情勢分析的功能，但缺乏對突發(fā)水污染的預(yù)演及應(yīng)對決策功能，當(dāng)突發(fā)污染事件發(fā)生時無法精準(zhǔn)模擬預(yù)演污染物時空變化過程并提前制定處置預(yù)案。

三、面臨挑戰(zhàn)與機遇

1.漢江生態(tài)經(jīng)濟帶國家戰(zhàn)略對數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全提出新挑戰(zhàn)

漢江生態(tài)經(jīng)濟帶作為國家戰(zhàn)略水資源保障區(qū)，對于長江流域乃至全國的經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。丹江口水庫是漢江流域的控制性工程，其水庫水質(zhì)安全是漢江生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展的重要保障。數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全建設(shè)，將與數(shù)字孿生漢江流域統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同開發(fā)，共同建設(shè)成為漢江流域整體水質(zhì)安全高質(zhì)量管理保障體系，增強漢江生態(tài)經(jīng)濟帶水質(zhì)風(fēng)險抵抗能力，為漢江生態(tài)經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展提供重要支撐。

2.南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展對數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全提出新挑戰(zhàn)

為推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展，充分發(fā)揮南水北調(diào)工程優(yōu)化水資源配置、保障群眾飲水安全、復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境、暢通南北經(jīng)濟循環(huán)的生命線作用，亟須提升南水北調(diào)中線水源水質(zhì)保護(hù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，建立具備水質(zhì)監(jiān)測感知、趨勢預(yù)測、污染預(yù)警、態(tài)勢預(yù)演和應(yīng)急預(yù)案等完備功能的數(shù)字孿生丹江口工程，實現(xiàn)南水北調(diào)中線水源區(qū)水質(zhì)安全的高質(zhì)量管理和現(xiàn)代化治理。

3.水利高質(zhì)量發(fā)展對數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全提出高要求

國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”。水利部統(tǒng)籌發(fā)展和安全，指出智慧水利是水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志，要把推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為重要抓手和平臺，推動水利數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全建設(shè)要按照“需求牽引、應(yīng)用至上”原則，契合水利行業(yè)的應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求。一是要支撐水庫不同調(diào)度方案下的水質(zhì)目標(biāo)、水質(zhì)安全評估與水質(zhì)風(fēng)險影響對比，實現(xiàn)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度；二是要支撐典型洪水情景下營養(yǎng)物質(zhì)與典型污染物的時空演進(jìn)推演，耦合洪峰、洪量等水文水動力過程，實現(xiàn)水質(zhì)安全反饋機制，提高洪水等不利情景下水質(zhì)預(yù)案管理水平；三是通過數(shù)字孿生丹江口工程建設(shè)與全國數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)，動態(tài)掌握水資源利用、生態(tài)環(huán)境、工程運行管理等信息，加強信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，為流域統(tǒng)一管理提供技術(shù)支持。

4.現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展為數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全提供新機遇

當(dāng)前信息技術(shù)日新月異，需要充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)的支撐驅(qū)動作用，開展新一代信息技術(shù)與數(shù)字孿生丹江口工程水質(zhì)安全的融合應(yīng)用。一是要充分運用無人機、傾斜攝影、遙感、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)，創(chuàng)建現(xiàn)代化、智能化、自動化的空—天—地—水監(jiān)測感知體系，全面感知庫區(qū)各類水質(zhì)安全要素，建立重點河段、庫區(qū)消落帶、庫內(nèi)重點斷面的數(shù)據(jù)底板，為數(shù)字孿生建設(shè)提供充分算據(jù)；二是要深入研究流域自然規(guī)律，根據(jù)數(shù)字孿生的要求進(jìn)行需求調(diào)研，優(yōu)化完善水質(zhì)評價模型、水質(zhì)推演機理模型、突發(fā)水污染推演模型等專業(yè)模型，全方面、智能化地優(yōu)化數(shù)字孿生丹江口工程水質(zhì)安全模型庫，為數(shù)字孿生水質(zhì)安全提供高性能專業(yè)算法支撐；三是要基于全國數(shù)字孿生流域建設(shè)數(shù)據(jù)底板標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)服務(wù)要求，構(gòu)建適用于數(shù)字孿生丹江口工程、滿足國家數(shù)字孿生流域需求的高效、安全、可靠的算力體系。

四、建設(shè)思路與任務(wù)

1.指導(dǎo)思想

按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總體要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，開展數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全高質(zhì)量建設(shè)。

2.建設(shè)目標(biāo)

針對丹江口水質(zhì)實時掌控、趨勢研判和預(yù)警、突發(fā)污染應(yīng)對的管理需求，數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全建設(shè)以完善優(yōu)化數(shù)據(jù)底板、模型平臺及信息基礎(chǔ)設(shè)施能力為基礎(chǔ)，以研發(fā)高精度水動力水質(zhì)機理模型為核心，打造具有水質(zhì)在線推演預(yù)報、預(yù)警分析、安全態(tài)勢預(yù)演、預(yù)案比選決策“四預(yù)”功能的智能體系，提升科學(xué)化、高效化水質(zhì)安全決策與管理能力，精準(zhǔn)服務(wù)于中線水源供水水質(zhì)保障智能管理，提升流域機構(gòu)水行政管理能力，強力支撐南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展。

3.建設(shè)原則

（1）總體規(guī)劃，分步實施

在全面分析評估丹江口水質(zhì)安全信息化現(xiàn)狀基礎(chǔ)上進(jìn)行總體謀劃，合理設(shè)計總體架構(gòu)，科學(xué)確定目標(biāo)任務(wù)，明確實施路線，按照“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建、急用先行”思路，科學(xué)規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容布局，有序推進(jìn)建設(shè)實施。

（2）需求導(dǎo)向，應(yīng)用至上

以水質(zhì)安全業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為導(dǎo)向，深入調(diào)研流域管理機構(gòu)、水庫運管部門等對水質(zhì)安全的業(yè)務(wù)管理需求，在此基礎(chǔ)上開展功能設(shè)計和各模塊開發(fā)，確保數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全建設(shè)成果得到實際應(yīng)用。

（3）統(tǒng)籌集約，共建共享

數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全工程建設(shè)統(tǒng)籌存量資源和增量需求，充分整合利用現(xiàn)有內(nèi)外部信息基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)資源，初期與現(xiàn)有系統(tǒng)同步運行，后期將其逐步替代。與數(shù)字孿生漢江流域設(shè)置統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)、接口規(guī)范，后期實現(xiàn)流域與水利工程數(shù)字孿生的有效集成和共建共享。

4.建設(shè)任務(wù)

數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全融合了監(jiān)測感知、機理模型、三維仿真等技術(shù)，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、模型集成與多業(yè)務(wù)融合，建設(shè)水質(zhì)安全模型庫、知識庫，實現(xiàn)丹江口水庫水質(zhì)監(jiān)測分析、在線推演、預(yù)警分析、態(tài)勢預(yù)演、預(yù)案管理等功能（圖1）。

圖1 數(shù)字孿生丹江口水質(zhì)安全系統(tǒng)框架

（1）水質(zhì)安全數(shù)據(jù)底板

水質(zhì)安全數(shù)據(jù)底板匯集丹江口中線水源工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)（含三維可視化場景）、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)等，為水質(zhì)安全業(yè)務(wù)管理提供數(shù)據(jù)支撐。通過將現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括丹江口水庫水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及生態(tài)環(huán)境部共享的部分國控站監(jiān)測數(shù)據(jù)）、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括漢江等4條主要入庫支流水文站水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、12 條無水文站支流入庫流量的每月人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、大壩下泄流量、中線工程調(diào)水量、清泉溝引水量、水庫水位等）收集整編入庫，建設(shè)水質(zhì)安全數(shù)據(jù)資源中心，實現(xiàn)水質(zhì)安全數(shù)據(jù)采集、存儲和管理。

（2）水質(zhì)安全專業(yè)分析模型庫與知識庫

水質(zhì)安全專業(yè)分析模型庫包括水環(huán)境評價模型、河庫水動力水質(zhì)模型、水質(zhì)濃度場三維可視化模型等。其中河庫水動力水質(zhì)模型包括水庫三維水動力水質(zhì)模型、河流一維水動力水質(zhì)模型、突發(fā)水污染事故模擬模型等。水質(zhì)安全知識庫主要包括水質(zhì)預(yù)警規(guī)則庫、水質(zhì)預(yù)演歷史場景庫、水質(zhì)預(yù)案知識庫。通過模型庫和知識庫的建設(shè)，為數(shù)字孿生丹江口提供算法支撐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)—計算—業(yè)務(wù)多層級深度融合。

（3）水質(zhì)安全業(yè)務(wù)應(yīng)用

水質(zhì)安全業(yè)務(wù)應(yīng)用包括水質(zhì)監(jiān)測分析和水質(zhì)“四預(yù)”（在線推演、預(yù)警分析、態(tài)勢預(yù)演、預(yù)案管理）業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)管理流程見圖2。

圖2 水質(zhì)安全業(yè)務(wù)管理流程圖

①監(jiān)測分析：包括陶岔渠首、庫區(qū)及入庫支流水質(zhì)監(jiān)測與統(tǒng)計分析、庫區(qū)（灣）綜合營養(yǎng)評價、入庫污染核算等功能。通過集成實時或最新監(jiān)測信息，結(jié)合水環(huán)境評價模型，實現(xiàn)常規(guī)污染物（總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等）、藻類、重金屬等監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示與分析，提供陶岔渠首、庫區(qū)及主要入庫支流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、水質(zhì)類別實時分析、藻類綜合營養(yǎng)評價、入庫污染負(fù)荷核算和可視化展示，并支持水質(zhì)監(jiān)測站管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)交互、安全預(yù)警信息提醒等。

②在線推演：包括庫區(qū)水質(zhì)在線推演預(yù)測、水質(zhì)濃度場三維可視化展示以及水質(zhì)等級分析、垂向跨類分析等智能深度分析功能。通過動態(tài)獲取壩前水位和16條入庫河流的實時流量、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動調(diào)用水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，開展庫區(qū)水質(zhì)在線快速計算，展示庫區(qū)水體主要水質(zhì)指標(biāo)濃度場演進(jìn)過程，實現(xiàn)水質(zhì)濃度分布分析、水質(zhì)類別分析、跨類分析和水質(zhì)預(yù)測。

③預(yù)警分析：包括監(jiān)測告警、預(yù)測預(yù)警和預(yù)警發(fā)布等功能。監(jiān)測告警為根據(jù)庫區(qū)及支流監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，結(jié)合水質(zhì)預(yù)警規(guī)則庫設(shè)置的預(yù)警等級與閾值，實現(xiàn)對水質(zhì)現(xiàn)狀的分析展示和超標(biāo)預(yù)警，自動篩選不達(dá)標(biāo)的水質(zhì)斷面和超標(biāo)指標(biāo)。預(yù)測預(yù)警為根據(jù)水質(zhì)在線推演結(jié)果，結(jié)合預(yù)警等級與閾值，對庫區(qū)及入庫河流模擬結(jié)果中可能發(fā)生的水質(zhì)污染超標(biāo)風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測預(yù)警。預(yù)警發(fā)布為根據(jù)監(jiān)測告警及預(yù)測預(yù)警結(jié)果，自動生成預(yù)警內(nèi)容，根據(jù)確定的權(quán)限和程序進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布。

④態(tài)勢預(yù)演：包括歷史復(fù)演、自定義情景預(yù)演、突發(fā)水污染預(yù)演三大功能。歷史復(fù)演為通過選定的歷史時段自動調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，模擬復(fù)現(xiàn)河庫水系統(tǒng)對應(yīng)歷史情景下水動力變化與水質(zhì)指標(biāo)遷移演變過程，實現(xiàn)典型歷史事件下水庫水質(zhì)歷史演變客觀規(guī)律的分析展示。自定義情景預(yù)演為通過自由化的情景設(shè)置選擇不同邊界條件輸入模型，實現(xiàn)對多情景下各監(jiān)測站點常規(guī)污染物濃度及其在水庫、河流中的遷移演變過程的預(yù)演；通過接入預(yù)測水文信息，實現(xiàn)汛期洪水來臨時的水質(zhì)指標(biāo)模擬。突發(fā)水污染預(yù)演為通過調(diào)用模型，開展突發(fā)水污染事件應(yīng)急快速模擬，模擬污染團的輸移擴散過程，并實現(xiàn)擴散過程的仿真預(yù)演，掌握突發(fā)污染的影響范圍和程度。

⑤預(yù)案管理：包括應(yīng)急加密監(jiān)測、應(yīng)急處置評估等功能。應(yīng)急加密監(jiān)測主要針對水庫污染風(fēng)險和突發(fā)污染事件，基于預(yù)置監(jiān)測點，結(jié)合水質(zhì)預(yù)案知識庫中加密頻次規(guī)則，根據(jù)態(tài)勢預(yù)演成果自動生成加密監(jiān)測方案，通過模型與應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)迭代計算，實現(xiàn)方案動態(tài)優(yōu)化。應(yīng)急處置評估主要針對突發(fā)污染事件，設(shè)置相關(guān)處置方案（如筑壩攔截、投放絮凝劑、應(yīng)急調(diào)度等），并進(jìn)行處置效果的評估和對比，提出處置方案建議。

五、建設(shè)特色與亮點

1.耦合水文預(yù)報和三維水動力水質(zhì)機理模型，實現(xiàn)水庫水質(zhì)在線動態(tài)預(yù)測預(yù)警與三維仿真展示

研發(fā)高效高精度水動力水質(zhì)機理模型、水質(zhì)在線動態(tài)推演技術(shù)、水質(zhì)濃度場三維仿真技術(shù)，通過接入實時監(jiān)測數(shù)據(jù)自動開展水質(zhì)在線演算，立體展示入庫污染三維演進(jìn)過程（圖3），可隨時了解上游實時來水后水庫全域水質(zhì)狀況和變化趨勢，支持接入洪水預(yù)報成果，實現(xiàn)庫區(qū)關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)濃度場三維動態(tài)模擬及滾動預(yù)測預(yù)警，并將陶岔渠首水質(zhì)風(fēng)險發(fā)送至數(shù)字孿生流域供水模塊，支撐流域水資源調(diào)度和供水計劃調(diào)整。

圖3 丹江口水庫總磷濃度場三維立體仿真展示

2.實現(xiàn)突發(fā)性水污染風(fēng)險模擬評估及應(yīng)對預(yù)演

通過調(diào)用模型，實現(xiàn)庫區(qū)和入庫支流任意位置不同污染類型（如氮磷等常規(guī)污染物、重金屬等可溶于水污染物、油污等不溶于水污染物）、不同排放方式（如瞬時排放、連續(xù)排放）的突發(fā)污染場景快速構(gòu)建及模擬，并自動生成應(yīng)急加密監(jiān)測方案，以及評估諸如筑壩攔截、投放絮凝劑、應(yīng)急調(diào)度等處置方案的實施效果，同時將陶岔渠首水質(zhì)風(fēng)險發(fā)送至數(shù)字孿生流域供水模塊，支撐供水計劃調(diào)整，保障應(yīng)急供水安全。

六、結(jié) 語