廖曉玉，程祥吉，金思凡，高 遠(yuǎn)

（水利部松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），130021，長(zhǎng)春）

一、背 景

數(shù)字孿生技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，正成為全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)。水利部黨組把推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施路徑之一。2022年，水利部印發(fā)《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》《數(shù)字孿生流域水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》等系列文件，進(jìn)一步細(xì)化智慧水利建設(shè)任務(wù)、重點(diǎn)工程和具體措施，加快構(gòu)建智慧水利體系。2022年2月，水利部發(fā)布《水利部關(guān)于開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》，明確了開(kāi)展數(shù)字孿生流域先行先試的重點(diǎn)任務(wù)。

松遼流域包括松花江、遼河兩大流域，地域遼闊、河流眾多，洪澇、干旱災(zāi)害嚴(yán)重，水資源分配矛盾突出。嫩江為松花江最大支流，其流域?qū)儆诤樗喟l(fā)區(qū)域；同時(shí)，嫩江流域也是重要防洪保護(hù)區(qū)域，流域內(nèi)有松嫩平原國(guó)家商品糧基地、大慶油田等國(guó)家工業(yè)基地以及重要防洪城市齊齊哈爾市，防洪安全事關(guān)國(guó)家糧食安全、工業(yè)安全以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前，嫩江流域防洪矛盾比較突出：一是流域洪水調(diào)蓄能力明顯不足，干流僅有尼爾基一座控制性工程，右側(cè)支流諾敏河、雅魯河等洪水多發(fā)河流均無(wú)調(diào)蓄工程；二是嫩江干流河道地形復(fù)雜，特別是圍墾河灘地造成圍堤阻水問(wèn)題突出，導(dǎo)致河道行洪能力底數(shù)不清，“小流量高水位”問(wèn)題嚴(yán)重；三是嫩江流域防洪決策涉及黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古三?。ㄗ灾螀^(qū)），直接關(guān)系哈爾濱市防洪安全，需要考慮松花江流域整體防洪需求。

多年來(lái)，水利部松遼水利委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱松遼委）圍繞嫩江防洪調(diào)度開(kāi)展了完善監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、編制預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方案和洪水調(diào)度方案等基礎(chǔ)性工作，基礎(chǔ)資料條件良好。因此選擇嫩江作為數(shù)字孿生流域建設(shè)試點(diǎn)，利用數(shù)字孿生技術(shù)手段提高預(yù)報(bào)精度、縮短預(yù)警時(shí)間、提升模擬推演能力、優(yōu)化調(diào)度方案，做到科學(xué)預(yù)判未來(lái)水旱災(zāi)害防御形勢(shì)、準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)化解重大水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)支撐流域水利高質(zhì)量發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

二、現(xiàn)狀與問(wèn)題

近年，依托松遼流域防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)等項(xiàng)目，松遼委初步建成由水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用和水利信息化保障環(huán)境組成的水利信息化綜合體系，有力支撐流域各項(xiàng)水利工作。但與智慧水利和數(shù)字孿生流域建設(shè)整體要求相比，尚存在較大差距?；A(chǔ)設(shè)施方面，監(jiān)測(cè)覆蓋范圍不全，多源監(jiān)測(cè)手段缺乏，計(jì)算存儲(chǔ)資源分散，網(wǎng)絡(luò)通信資源緊缺，資源整合共享不足，數(shù)字映射能力薄弱；業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，“四預(yù)”水平有待進(jìn)一步提高，多要素全覆蓋的監(jiān)控體系尚未建成，監(jiān)測(cè)預(yù)警能力支撐不足，預(yù)報(bào)方法及方案亟待完善，水旱災(zāi)害預(yù)演預(yù)案能力尚未建立；新技術(shù)應(yīng)用方面，未形成全局性模擬業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)，缺乏三維GIS（地理信息系統(tǒng)）、BIM（建筑信息模型）等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，缺乏基于智能算法的數(shù)據(jù)建模、預(yù)測(cè)和可視化能力；網(wǎng)絡(luò)安全方面，主動(dòng)防護(hù)能力不足，尚未實(shí)現(xiàn)全天候和全方位的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知、分析、運(yùn)維；體制機(jī)制方面，專業(yè)人員力量不足，體制機(jī)制體系還有待進(jìn)一步完善。

三、建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)框架

數(shù)字孿生松遼流域總體目標(biāo)是充分運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等新一代信息技術(shù)，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以流域?yàn)閱卧y(tǒng)籌松遼流域范圍內(nèi)各?。ㄗ灾螀^(qū)）建設(shè)數(shù)字孿生松遼流域，與物理松遼流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。通過(guò)數(shù)字孿生松遼流域建設(shè)，實(shí)現(xiàn)松遼流域監(jiān)測(cè)感知要素的全方位立體覆蓋、水利信息基礎(chǔ)設(shè)施的全面提升完善、以流域“四個(gè)統(tǒng)一”（統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理）為目標(biāo)的數(shù)據(jù)全匯集、主要干支流及重點(diǎn)防洪區(qū)防洪業(yè)務(wù)“四預(yù)”、跨省重點(diǎn)河流水資源調(diào)配管理業(yè)務(wù)“四預(yù)”以及網(wǎng)絡(luò)安全的積極防御，將松遼流域打造成為國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生流域建設(shè)典型區(qū)、“四預(yù)”應(yīng)用示范區(qū)，支撐松遼流域“四個(gè)統(tǒng)一”，為松遼流域新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。

數(shù)字孿生嫩江建設(shè)目標(biāo)是以流域防洪為重點(diǎn)，以嫩江為試點(diǎn)，搭建嫩江數(shù)字孿生平臺(tái)，接入多源數(shù)據(jù)，開(kāi)展防洪智慧化應(yīng)用，構(gòu)建防洪“四預(yù)”體系，解決嫩江防洪問(wèn)題，滿足嫩江流域防洪預(yù)報(bào)調(diào)度一體化及“四預(yù)”需求，2023年建成“1+2”嫩江數(shù)字孿生體系?！?”指一套數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)嫩江流域涉水全要素?cái)?shù)字化映射，并實(shí)現(xiàn)物理嫩江與數(shù)字嫩江之間動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)信息交互和深度融合，為各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供孿生場(chǎng)景；“2”指防洪“四預(yù)”系統(tǒng)和全景數(shù)字嫩江平臺(tái)，以防洪業(yè)務(wù)為切入點(diǎn)，基于數(shù)字孿生場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，構(gòu)建高效、精準(zhǔn)的防汛體系；以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，基于模擬仿真引擎，實(shí)現(xiàn)嫩江可視化展示，為防洪業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)展示平臺(tái)。

基于智慧水利建設(shè)總體框架，提出了由數(shù)字孿生流域、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系、保障體系等組成的數(shù)字孿生松遼流域建設(shè)總體框架（圖1）。以“七個(gè)一”為抓手，優(yōu)化“一體、兩網(wǎng)、五節(jié)點(diǎn)”基礎(chǔ)設(shè)施空間布局，其中“一體”指松遼委集水利數(shù)據(jù)、調(diào)度和應(yīng)用等功能于一體的中心體，“兩網(wǎng)”指覆蓋全流域的天空地一體化水利感知網(wǎng)和全面高速互聯(lián)的水利信息網(wǎng)，“五節(jié)點(diǎn)”指松遼委直管的兩座水庫(kù)和三個(gè)水文水資源分中心。數(shù)字孿生平臺(tái)是由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)三部分構(gòu)成的松遼流域基礎(chǔ)支撐體系。“2+N”業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，即水旱災(zāi)害防御、水資源管理調(diào)配兩大主要業(yè)務(wù)和水利工程建設(shè)與運(yùn)行管理、河湖管理、水土保持等N項(xiàng)重點(diǎn)業(yè)務(wù)。“兩保障”防護(hù)保障體系，即網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系和多維并重的綜合保障體系。

圖1 數(shù)字孿生松遼流域建設(shè)總體框架

四、試點(diǎn)建設(shè)實(shí)施路徑

1.構(gòu)建數(shù)字化場(chǎng)景

數(shù)據(jù)底板為嫩江流域數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括GIS底板、BIM模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、行業(yè)共享數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)底板按建設(shè)范圍、精度分為三級(jí)，其中大尺度L1級(jí)數(shù)據(jù)底板包括整個(gè)嫩江流域范圍30 m格網(wǎng)數(shù)字高程模型（DEM）、分辨率優(yōu)于2 m數(shù)字正射影像（DOM），面積約為22.79萬(wàn)km2，為數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建提供大范圍統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)。中尺度L2級(jí)數(shù)據(jù)底板包括嫩江干流尼爾基以下至三岔河口河段0.5 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，面積約5660 km2，月亮泡、胖頭泡蓄滯洪區(qū)2.5 m 格網(wǎng)DEM，面積約2800 km2，支流洮兒河重點(diǎn)河段優(yōu)于9 m格網(wǎng)DEM，面積約1172 km2；嫩江干流、洮兒河重點(diǎn)河段和2個(gè)蓄滯洪區(qū)分辨率優(yōu)于1 m的DOM，面積約9632 km2，近兩年防洪重點(diǎn)關(guān)注區(qū)分辨率0.8 m的DOM；嫩江干流1∶10 000水下地形及河道大斷面，每2 km左右布設(shè)1條橫斷面，河長(zhǎng)約564 km，為防洪智能化應(yīng)用提供干流重點(diǎn)河段和重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)地表、水下數(shù)字地形模型。小尺度L3級(jí)數(shù)據(jù)底板包括齊齊哈爾市城區(qū)堤防、嫩江下游重要圍堤、江橋等重要控制斷面和齊齊哈爾下游鐵路橋等主要地物傾斜攝影模型，以及月亮泡蓄滯洪區(qū)漢書閘、胖頭泡蓄滯洪區(qū)老龍口分洪閘BIM模型，提供高精度重要水利工程主體建筑物空間數(shù)據(jù)。

2.開(kāi)展智慧化模擬

結(jié)合嫩江流域防洪業(yè)務(wù)需求，依托數(shù)據(jù)底板及現(xiàn)有模型構(gòu)建數(shù)字孿生流域模型庫(kù)，包括水利專業(yè)模型庫(kù)、可視化模型庫(kù)和數(shù)字模擬仿真引擎。考慮到嫩江河道地形復(fù)雜、河道寬淺、水流平緩、河網(wǎng)密度大、支流眾多等特點(diǎn)，重點(diǎn)構(gòu)建平原區(qū)寬淺河道水動(dòng)力模型及洪水模擬功能，精準(zhǔn)模擬尼爾基水庫(kù)至三岔河口干流區(qū)域洪水演進(jìn)過(guò)程。在構(gòu)建過(guò)程中，融合圖像智能識(shí)別模型、深度學(xué)習(xí)算法以及一維、二維水動(dòng)力模型，利用多源遙感影像提取水面范圍變化及圍堤、橋梁等阻水建筑物位置，重新率定水動(dòng)力模型參數(shù)，提高洪水演進(jìn)模擬精度?？梢暬Ｐ蜑槟M仿真提供實(shí)時(shí)渲染和可視化呈現(xiàn)，針對(duì)業(yè)務(wù)過(guò)程和決策支撐需求，利用成熟商業(yè)建模工具構(gòu)建自然背景、流場(chǎng)動(dòng)態(tài)、水利工程、水利機(jī)電設(shè)備、“四預(yù)”過(guò)程五大類可視化模型?；谀劢璍2 級(jí)數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建BIM+GIS+IoT（物聯(lián)網(wǎng)）數(shù)字孿生可視化場(chǎng)景，并結(jié)合數(shù)字化技術(shù)、可視化組件，提供完整、逼真的數(shù)據(jù)展示，同時(shí)結(jié)合水利數(shù)據(jù)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真模擬，為“四預(yù)”模擬提供場(chǎng)景支撐。

知識(shí)平臺(tái)包括調(diào)度方案庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、歷史場(chǎng)景庫(kù)及知識(shí)引擎。其中調(diào)度方案庫(kù)是特定場(chǎng)景下調(diào)度方案的知識(shí)圖譜，支撐調(diào)度方案的智能決策，通過(guò)嫩江河段特點(diǎn)、歷史典型洪水、水庫(kù)調(diào)洪過(guò)程、蓄滯洪區(qū)啟用過(guò)程記錄或以文本形式存儲(chǔ)的調(diào)度預(yù)案進(jìn)行信息融合、知識(shí)抽取、抽象表達(dá)等處理，形成系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化調(diào)度方案集合。專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)是智能化、結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化決策支持引擎，將嫩江流域典型大洪水專家決策的歷史過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化，挖掘并量化專家決策過(guò)程中評(píng)估不確定性因素和權(quán)衡多目標(biāo)防洪風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系形成專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)。歷史場(chǎng)景庫(kù)是通過(guò)復(fù)盤嫩江流域歷史典型洪水的場(chǎng)次、洪水過(guò)程、預(yù)報(bào)過(guò)程及主要應(yīng)對(duì)措施，梳理總結(jié)共性洪水指標(biāo)參數(shù)，挖掘提取歷史洪水時(shí)間時(shí)空過(guò)程與防洪應(yīng)對(duì)方案間的關(guān)系，并推演分析典型洪水及其放大不同量級(jí)場(chǎng)景下的調(diào)度方案?；诋?dāng)前嫩江流域相關(guān)知識(shí)管理及應(yīng)用需要，構(gòu)建知識(shí)庫(kù)管理工具，實(shí)現(xiàn)多類型知識(shí)（如知識(shí)圖譜生成、FAQ問(wèn)答、數(shù)據(jù)表格匯總等）綜合性管理，基于知識(shí)庫(kù)進(jìn)行綜合應(yīng)用。

3.支撐精準(zhǔn)化決策

精準(zhǔn)化決策是數(shù)字孿生流域建設(shè)的目標(biāo)。嫩江試點(diǎn)圍繞防洪需求和綜合展示需要，構(gòu)建防汛“四預(yù)”應(yīng)用及全景數(shù)字嫩江平臺(tái)，提升數(shù)據(jù)分析、決策支持能力，為防洪決策提供信息化、智能化、可視化支撐保障。

（1）防汛“四預(yù)”應(yīng)用

①預(yù)報(bào)。根據(jù)嫩江防洪調(diào)度對(duì)象節(jié)點(diǎn)、調(diào)度目標(biāo)節(jié)點(diǎn)確定模擬范圍及預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)，建設(shè)流域預(yù)報(bào)應(yīng)用功能，包括降水預(yù)報(bào)、大江大河及中小流域洪水預(yù)報(bào)、徑流預(yù)報(bào)等的多業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)體系，實(shí)現(xiàn)服務(wù)于嫩江及主要支流洪水災(zāi)害、中小河流洪水災(zāi)害等預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)的水文氣象精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。

②預(yù)警。融合氣象、水文監(jiān)測(cè)以及水文預(yù)報(bào)等多源信息，建設(shè)綜合預(yù)警功能，主要包括重點(diǎn)斷面水位預(yù)警、水庫(kù)洪水預(yù)警、凌情預(yù)警等。

③預(yù)演。建設(shè)嫩江流域防洪預(yù)演體系，提出調(diào)度方案生成及評(píng)估的解決方案，并基于洪水動(dòng)態(tài)時(shí)空模擬推演和成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響分析，實(shí)現(xiàn)多方案對(duì)比評(píng)估。包括洪水動(dòng)態(tài)模擬推演功能建設(shè)，即利用水文模型和水動(dòng)力學(xué)一、二維模型，在典型降水或流量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)嫩江及主要支流行洪、尼爾基庫(kù)區(qū)淹沒(méi)、蓄滯洪區(qū)分洪等模擬功能；防洪調(diào)度模擬推演功能，即在典型降水和洪水發(fā)生基礎(chǔ)上，進(jìn)行河流、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、調(diào)度節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組合水庫(kù)調(diào)洪預(yù)演，實(shí)現(xiàn)不同調(diào)洪方案與干支流洪水組合后洪水演變過(guò)程的模擬計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真，并按照調(diào)度指標(biāo)排序，智能推送防洪調(diào)度方案。

④預(yù)案。以知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，集成專家經(jīng)驗(yàn)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和綜合效益評(píng)價(jià)，建設(shè)具備方案自動(dòng)生成、多方案對(duì)比分析、智能推薦等功能的預(yù)案體系，模擬嫩江防洪調(diào)度預(yù)案、蓄滯洪區(qū)啟用預(yù)案等不同條件下的啟用規(guī)則和過(guò)程模擬，以及工程巡查防守、人員轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)等暴雨洪水防范應(yīng)對(duì)措施滾動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)預(yù)案的科學(xué)化輔助制定。

（2）全景數(shù)字嫩江平臺(tái)

全景數(shù)字嫩江平臺(tái)是提供嫩江全景展示、綜合檢索、綜合查詢的綜合信息服務(wù)平臺(tái)。依托三維仿真場(chǎng)景，集中展示地理環(huán)境、自然資源、河流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況等要素；整合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，在歷史演變、實(shí)時(shí)監(jiān)控、趨勢(shì)研判三個(gè)時(shí)間維度遞進(jìn)展示和查詢；調(diào)用防洪“四預(yù)”防汛業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)與成果，實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”綜合決策。

五、試點(diǎn)建設(shè)情況

按照水利部統(tǒng)一部署，松遼委啟動(dòng)數(shù)字孿生嫩江建設(shè)先行先試工作。目前已完成嫩江干流尼爾基水庫(kù)以下至三岔河口、支流洮兒河，月亮泡、胖頭泡蓄滯洪區(qū)DEM、DOM、水下地形，以及重要區(qū)域傾斜攝影模型及分洪閘BIM 模型等數(shù)據(jù)成果建設(shè)，搭建了嫩江數(shù)字化場(chǎng)景。構(gòu)建嫩江水文水動(dòng)力耦合模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”過(guò)程的數(shù)字化模擬；構(gòu)建流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)與調(diào)度的無(wú)縫動(dòng)態(tài)交互和耦合模擬；建立耦合深度學(xué)習(xí)算法的嫩江干支流寬淺型河道洪水演進(jìn)模型，實(shí)現(xiàn)快速高效的河道洪水模擬；建立CADDIES-2D 洪水模型和二維水動(dòng)力洪水演進(jìn)代理模型，蓄滯洪區(qū)洪水淹沒(méi)快速實(shí)時(shí)模擬效果初顯。完成模擬仿真引擎搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載、仿真建模、三維渲染、模型輕量化等功能。