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(shè)計(jì)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(biāo)桿”總體要求，增強(qiáng)水務(wù)一體化管理能力，實(shí)施水安全保障、水資源利用、水生態(tài)修復(fù)、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(shè)為抓手，完善水利信息化體系建設(shè)。周公宅-皎口梯級水庫在寧波市防洪格局中地位突出，其調(diào)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?jǐn)?shù)字孿生周公宅-皎口梯級水庫項(xiàng)目列入水利部數(shù)字孿生建設(shè)試點(diǎn)。

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(diǎn)，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(zāi)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，同時(shí)還承擔(dān)著寧波城市供水區(qū)優(yōu)質(zhì)水供給及下游農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水雙重水資源供給保障任務(wù)。

周公宅-皎口梯級水庫水利信息化建設(shè)起步較早，有一定基礎(chǔ)，但目前其信息化建設(shè)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(chǔ)設(shè)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(qū)動能力有待提高；③模型不足、知識分散，業(yè)務(wù)支撐能力有待加強(qiáng)；④“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程數(shù)字化水平有待提高，應(yīng)用功能有待擴(kuò)充。

二、數(shù)字孿生平臺建設(shè)

根據(jù)《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》要求，結(jié)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(gòu)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(jī)構(gòu)除外）L1 級、流域管理機(jī)構(gòu)及省級水行政主管部門L2 級數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，充分利用工程設(shè)計(jì)施工圖紙、建筑信息模型（BIM）等資料，建設(shè)工程L2 級和L3 級數(shù)據(jù)底板，采用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)掃描建模、BIM、多波束測量等技術(shù)，匯聚工程全要素、全過程地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)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(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”目標(biāo)，根據(jù)周公宅-皎口梯級水庫及下游流域特點(diǎn)，在整合水庫已有單庫洪水預(yù)報(bào)模型基礎(chǔ)上，按照數(shù)字孿生平臺“模型庫”建設(shè)要求，建立防洪預(yù)報(bào)調(diào)度及洪水演進(jìn)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(xì)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(diào)度模型、水庫下游一維洪水演進(jìn)模型、水庫下游二維洪水演進(jìn)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(wù)建設(shè)、智慧巡查視頻分析服務(wù)平臺建設(shè)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(shí)現(xiàn)涉水活動識別和水庫放水預(yù)警識別等智能算法服務(wù)；對集成的視頻數(shù)據(jù)資源進(jìn)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(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及寧波市智慧水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)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(shè)計(jì)、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(chǔ)，尤其是寧波市智慧水利建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)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(chǔ)，但當(dāng)前已建水利信息化系統(tǒng)存在非結(jié)構(gòu)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(shù)手段集成處理相關(guān)知識信息后，建立水利知識數(shù)據(jù)庫，以知識圖譜為技術(shù)框架，建設(shè)預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫、業(yè)務(wù)規(guī)則庫、歷史場景庫、專家經(jīng)驗(yàn)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(nèi)核，提高知識檢索精準(zhǔn)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(jié)合數(shù)字孿生周公宅-皎口梯級水庫建設(shè)實(shí)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(wù)的數(shù)據(jù)引擎，同時(shí)在浙江省提供的知識引擎或知識引擎組件基礎(chǔ)上，建設(shè)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(wù)能力，建設(shè)模擬仿真引擎，以實(shí)現(xiàn)水庫工程和周圍環(huán)境同步直觀表達(dá)、工程建設(shè)運(yùn)行全過程高保真模擬。

三、防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

1.功能概述

周公宅-皎口梯級水庫防洪業(yè)務(wù)以洪水風(fēng)險(xiǎn)管理為核心，應(yīng)對不同等級風(fēng)險(xiǎn)場景，按照預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”基本要求，以及“預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)、預(yù)警是前哨、預(yù)演是關(guān)鍵、預(yù)案是目的”的思路梳理業(yè)務(wù)流程（見圖2），構(gòu)建形勢分析、洪水預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、仿真預(yù)演、應(yīng)急預(yù)案、復(fù)盤評估全過程一體化應(yīng)用系統(tǒng)，為水庫防洪形勢分析、調(diào)度方案制定、人員避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移提供技術(shù)支撐。防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用界面如圖3所示。

圖2 周公宅-皎口梯級水庫防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)流程框架

圖3 周公宅-皎口梯級水庫防洪“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用界面示意

2.功能模塊

（1）形勢分析

基于相關(guān)數(shù)據(jù)接口展示周公宅-皎口梯級水庫所處流域4 個(gè)分區(qū)的實(shí)測降雨及預(yù)報(bào)降雨，并統(tǒng)計(jì)特征值，在此基礎(chǔ)上通過底層邏輯計(jì)算對水庫特定水位，如汛限水位、正常水位、防洪高水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位等，進(jìn)行相應(yīng)水位下的可承雨量分析，結(jié)合兩水庫當(dāng)前水位、未來預(yù)測降雨數(shù)據(jù)、兩水庫出入庫流量相關(guān)性等信息，進(jìn)行預(yù)泄分析和預(yù)警水位研判，為技術(shù)人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)，及時(shí)有效開展預(yù)排預(yù)泄工作。

（2）洪水預(yù)報(bào)

運(yùn)用水文、地信、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等多專業(yè)技術(shù)，采集接入的水雨工情監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，充分利用云計(jì)算、數(shù)學(xué)模型等技術(shù)手段，提供不同降雨等級下水庫、河道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪水的預(yù)報(bào)成果。

（3）風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

明確預(yù)警任務(wù)，面向水利行業(yè)，按照規(guī)定的權(quán)限和程序及時(shí)將預(yù)警信息直達(dá)防御工作一線，確保行業(yè)預(yù)警權(quán)威性、時(shí)效性、安全性。確定預(yù)警要素，建立科學(xué)合理的預(yù)警機(jī)制，以水庫洪水預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，展示水庫、漫堤等不同風(fēng)險(xiǎn)級別，根據(jù)不同級別對相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，并做統(tǒng)計(jì)分析。

（4）仿真預(yù)演

設(shè)定全面的防洪情景目標(biāo)，運(yùn)用數(shù)字化、網(wǎng)格化、智能化手段，實(shí)現(xiàn)水工程預(yù)報(bào)信息與調(diào)度運(yùn)行信息及邊界條件的集成耦合，調(diào)用模擬仿真引擎，進(jìn)行可視化模擬，實(shí)現(xiàn)水安全要素的實(shí)時(shí)、動態(tài)展示。在模擬計(jì)算成果基礎(chǔ)上，結(jié)合水利工程運(yùn)行狀況、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展現(xiàn)狀等，參考水利調(diào)度規(guī)則、典型歷史案例，利用專家經(jīng)驗(yàn)和智能分析等，對水庫、河道洪水演進(jìn)情況進(jìn)行模擬預(yù)演，根據(jù)設(shè)定的防洪情景目標(biāo)及時(shí)滾動更新預(yù)演方案，快速分析展示風(fēng)險(xiǎn)形勢，為洪水防御提供決策支持。

（5）應(yīng)急預(yù)案

結(jié)合水工程運(yùn)行狀況、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展現(xiàn)狀，對防洪預(yù)演結(jié)果進(jìn)行評估，分析預(yù)案影響，滾動優(yōu)化水工程運(yùn)行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險(xiǎn)等應(yīng)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(diào)度運(yùn)行計(jì)劃等，形成流域、區(qū)域水工程聯(lián)合調(diào)度方案。優(yōu)化完善水工程運(yùn)行調(diào)度方案、工程巡查防守、人員轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)等應(yīng)對措施，有效提高預(yù)案的科學(xué)性和可操作性。

（6）復(fù)盤評估

在每一場次臺風(fēng)或暴雨引發(fā)的洪水結(jié)束后，對相關(guān)臺風(fēng)及雨水情分析、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度過程分析、受災(zāi)情況等進(jìn)行整合生成，形成洪水后復(fù)盤評估報(bào)告，存入檔案庫，便于積累經(jīng)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)復(fù)用。該部分主要包括臺風(fēng)雨水情、洪水調(diào)度、受災(zāi)情況統(tǒng)計(jì)和復(fù)盤評估分析報(bào)告。

四、系統(tǒng)應(yīng)用成效

數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用為周公宅、皎口水庫防御2022年臺風(fēng)“軒嵐諾”和“梅花”提供了有力支撐。其中，在防御臺風(fēng)“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(gè)、24 個(gè)預(yù)報(bào)方案，在防御臺風(fēng)“梅花”期間分別為兩水庫編制了35 個(gè)、78個(gè)預(yù)報(bào)方案。系統(tǒng)在臺災(zāi)防御工作中主要作出了如下貢獻(xiàn)：

①提前準(zhǔn)備，基于多種方案制定相應(yīng)對策。在防御臺風(fēng)“軒嵐諾”和“梅花”前，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)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(diào)度方案，并在不斷優(yōu)化方案后形成以水位為依據(jù)的調(diào)度對策。

②提前介入，根據(jù)實(shí)際過程作出及時(shí)反應(yīng)。在洪水發(fā)生過程中，應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤水庫降水、水位、出入庫和上下游河道情況，精細(xì)化實(shí)時(shí)微調(diào)水庫調(diào)度方案，為水庫放水決策等工作提供了提前反應(yīng)時(shí)間。

③提前決策，通過調(diào)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(yù)報(bào)及水庫預(yù)報(bào)，果斷關(guān)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(jié) 語