單曉偉，潘宇軒

（南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司，江蘇宿遷 223800）

1 概 述

黃河故道是1855 年黃河北徙山東從利津入海后不再匯淮而遺留下來的一條“地上懸河”［1］，流經(jīng)豫、魯、皖、蘇4 省,全長738 km［2］。江蘇境內(nèi)的黃河故道流經(jīng)徐州、宿遷、淮安、鹽城市4市14個縣（市、區(qū)），全長496 km。

宿遷市黃河故道西起徐洪河，東至新袁閘，經(jīng)淮安張福河入洪澤湖，流經(jīng)宿城區(qū)、湖濱新區(qū)、市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、洋河新區(qū)以及泗陽縣，全長114.3 km，流域面積296.9 km2。2015年以來，有關(guān)部門在黃河故道實施了2期黃河故道整治工程，沿線建成了11級梯級控制建筑物，形成蓄水量達1 080 萬m3的河槽。沿線河道及工程建設(shè)基礎(chǔ)較好，河道斷面相對規(guī)整，護砌較好，穿堤建筑物工程監(jiān)測、監(jiān)視、監(jiān)控數(shù)據(jù)采集正常，自動化程度較高，初步具備了數(shù)字孿生的信息基礎(chǔ)條件。

2 重點任務(wù)

數(shù)字孿生水利是面向新階段水利高質(zhì)量發(fā)展需求，為水利決策管理提供前瞻性、科學(xué)性、精準性、安全性支持，實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)與現(xiàn)代信息技術(shù)融合發(fā)展的智慧水利［3］。研究以宿遷市黃河故道及其流域防洪、水資源管理業(yè)務(wù)為核心，以已有信息采集體系為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)、GIS 技術(shù)、模型技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，充分整合現(xiàn)有水利信息化資源，深化水利信息資源開發(fā)利用與共享，為宿遷市黃河故道及其流域科學(xué)調(diào)度、精細化調(diào)度決策提供支持。

3 建設(shè)方案

3.1 建設(shè)范圍

擬建設(shè)范圍包括約90 km 的河道工程、主要跨河橋梁、水資源工程、水源泵站工程、涵閘工程、分洪控制工程。（1）河道工程：河道斷面選用復(fù)式梯形斷面，底寬為分為3段，徐洪河（K0-740）～皂河地涵（K7+300）段為20 m；皂河地涵（K7+300）～蔡支閘（K20+000）段為40 m；蔡支閘（K20+000）～陳圩閘（K72+420）段為50 m；波比徐洪河（K0+000）～七堡樞紐黃河橋（K13+000）段和K61+500～K64+500 段采用1∶4.0坡比；其余段采用1∶3.0坡比。（2）主要跨河橋梁：皂河睢寧交界橋、樊灣橋、張廟橋、七堡樞紐黃河橋、趙圩橋。（3）水資源工程：中泓控制建筑物3 座，分別為皂河地涵（K7+300）、陳圩閘（K72+420）、蔡支閘（K20+000）；水源泵站2 座，分別為鄭樓灌溉站、大碾灌溉站；船行樞紐（K39+500）。（4）涵閘工程：共有涵閘86 座，主要布置在黃河故道與沿線排澇溝系交匯處；涵閘設(shè)計流量0.3～7.99 m3/s。形式上主要分管涵和箱涵兩類，DN800、DN1000、DN1200、DN1500等4種管涵，1.5 m×1.5 m、1.5 m×2 m、2 m×2 m、2 m×1.5 m×2 m、2 m×2 m×2 m等5種箱涵。（5）分洪控制工程：五河分洪閘、倉集閘。

3.2 總體架構(gòu)

宿遷市黃河故道數(shù)字孿生工程在已有存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，通過遙感影像、視頻圖像、無人機航拍、CAD 等多源信息資源匯集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)底板和模型平臺的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上搭建“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”（簡稱“四預(yù)”）業(yè)務(wù)功能和孿生場景，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 宿遷市黃河故道故道數(shù)字孿生工程

3.3 數(shù)據(jù)底板建設(shè)

3.3.1 建設(shè)內(nèi)容

以宿遷市境內(nèi)黃河故道流域地形地貌、交通路網(wǎng)、河流水系以及沿線工程等各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用多源數(shù)據(jù)處理、精細三維建模、二三維一體化等技術(shù)，實現(xiàn)宿遷市境內(nèi)黃河故道流域數(shù)據(jù)底板建設(shè)，以數(shù)字化形式模擬展示河道實景三維場景。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合本項目建設(shè)需求，匯集數(shù)據(jù)主要包括3類：第1 類是高分遙感數(shù)據(jù)、視頻照片數(shù)據(jù)和傾斜攝影等數(shù)據(jù)；第2類是與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；第3類是CAD 圖紙等紙質(zhì)或電子文本資料。

3.3.3 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫建設(shè)

構(gòu)建宿遷市黃河故道數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫，具體包括構(gòu)建基礎(chǔ)信息庫、空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、多媒體庫、航拍遙感資料庫、業(yè)務(wù)場景展示信息庫和元數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)涉水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水系拓撲等矢量數(shù)據(jù)、實時雨水工情數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、高分遙感數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、無人機航拍數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的存儲入庫。

3.3.4 區(qū)域數(shù)據(jù)底板建設(shè)

數(shù)據(jù)底板建設(shè)包括典型區(qū)域高分遙感服務(wù)、地形三維可視化2 個部分。在高分遙感服務(wù)方面，結(jié)合高空衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)與低空遙感飛行器拍攝的地物動態(tài)視頻和靜態(tài)影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)典型區(qū)域目標(biāo)物的幾何、物理性質(zhì)和相互關(guān)系的生成；在地形三維可視化方面，利用無人機飛行拍攝或遙感手段獲取各流域影像數(shù)據(jù)并生成DEM 模型。實現(xiàn)典型區(qū)沿線地區(qū)DEM、正射影像制作、影像融合、三維場景重建，三維仿真地形、地貌與地物特征，實現(xiàn)地形三維可視化。

3.3.5 宿遷市黃河故道沿線精細建模

對宿遷市黃河故道沿線三維無人機航拍，形成三維激光點云攝影成果；對兩岸300 m 范圍內(nèi)的水工建筑物、河道水體進行精細化建模，建模內(nèi)容包含約90 km 的河道工程、主要跨河橋梁、水資源工程、水源泵站工程、涵閘工程、分洪控制工程。

在水利樞紐工程信息集成方面，對接補充樞紐工程的基礎(chǔ)信息，主要包括樞紐位置坐標(biāo)、水閘類型、閘孔數(shù)量、閘孔總凈寬等；涵洞名稱、涵洞底高、涵洞高、涵洞長、涵洞寬等；泵站名稱、類型、裝機流量、裝機功率、設(shè)計揚程、水泵數(shù)量等信息。

3.4 水利模型構(gòu)建

3.4.1 模型建設(shè)思路

宿遷市黃河故道數(shù)字孿生流域水利模型建設(shè)需考慮以下問題［4］：（1）模型平臺軟件要具備對后續(xù)防洪等其他業(yè)務(wù)的支撐能力；（2）采用成熟的模型平臺解決方案，有成功應(yīng)用案例；（3）模型平臺軟件支持云調(diào)度，接口標(biāo)準化；（4）模型平臺軟件為國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)，滿足信創(chuàng)要求。針對現(xiàn)狀問題，結(jié)合數(shù)字孿生流域建設(shè)框架設(shè)計，宿遷市黃河故道數(shù)字孿生流域水利模型應(yīng)主要構(gòu)建降雨徑流模型、水資源管理與配置模型、水動力模型、工程調(diào)度模型。

3.4.2 工程調(diào)度模型

采用統(tǒng)一的聯(lián)系要素對水利工程進行模擬，主要對皂河電灌站、七堡樞紐工程、古黃河一二站、船行樞紐、運南北渠首等引水工程，朱海站、皂河地涵、龍崗站、蔡支閘、中心港站、大碾站、張碼閘、倉集閘、陳圩漫水閘、大興漫水閘、揚集閘、農(nóng)場漫水閘、李口閘、新袁閘等引排工程進行模擬。

工程調(diào)度分為規(guī)則調(diào)度模式和交互調(diào)度模式。規(guī)則調(diào)度模式根據(jù)年月旬來水過程和區(qū)間工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)需水量，結(jié)合監(jiān)測關(guān)鍵斷面流量水位和預(yù)警指標(biāo)閾值，結(jié)合區(qū)域水量分配預(yù)案集生成規(guī)則調(diào)度方案；交互調(diào)度模式是在實時調(diào)度過程中，根據(jù)實時雨水情、水利工程實時工況，結(jié)合專家意見進行人機交互輸入的調(diào)控模式。

3.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)

3.5.1 實況展示

水雨情信息接入與動態(tài)展示包括實時感知信息對接和感知信息動態(tài)展示2個部分內(nèi)容。

實時感知信息對接主要是實時雨水工情庫與氣象預(yù)報庫的信息對接，獲取宿遷市黃河故道沿線預(yù)報雨情、實時雨情，水文站點實時水情、樞紐工程上下游水位以及沿線水利樞紐運行信息。感知信息動態(tài)展示是在實施感知信息對接的基礎(chǔ)上，以等值面形式展示預(yù)報降雨與實時雨情信息，以圖表的形式展示水利樞紐的上下游水位過程以及水文站點水位(流量)過程。

水利樞紐運行狀態(tài)展示是在三維仿真建模的基礎(chǔ)上，以自由三維視角展示樞紐外觀，提供水閘工程的閘門形式、閘門啟閉狀態(tài)、水泵設(shè)備信息、水泵運行狀態(tài)等信息的查看與管理功能。

3.5.2 動態(tài)預(yù)警

將實時監(jiān)測預(yù)警信息和預(yù)報加載到數(shù)字孿生場景中，當(dāng)發(fā)生異常數(shù)據(jù)并告警時，在三維數(shù)字化場景的對應(yīng)位置，以閃爍、彈窗等可視可聽的形式，提醒業(yè)務(wù)人員及時處置。

3.5.3 場景預(yù)演

針對防洪和水資源調(diào)度目標(biāo)，結(jié)合實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)，開展水資源調(diào)度過程預(yù)演。在數(shù)字孿生底板的基礎(chǔ)上增加時間軸，融合監(jiān)測、預(yù)報數(shù)據(jù)和水利模型來預(yù)測未來場景，對當(dāng)前或未來狀態(tài)下，不同水資源調(diào)度方案下的河道水位、流量變化過程進行模擬，將未來預(yù)測預(yù)報、不同方案情景仿真的結(jié)果可視化呈現(xiàn)，直觀清晰地“看未來”和檢驗各方案的實施效果，為管理決策提供信息化支持。

3.5.4 流場展示

數(shù)字流場依托水文水力學(xué)模型搭建，基于模型模擬結(jié)果，進行水網(wǎng)流場的繪制，展示不同降雨條件下和不同調(diào)度工況下水位、流量變化過程，并實現(xiàn)宿遷市黃河故道的河道水面線、水面流向、流速和水量分配信息的動態(tài)展示。

4 預(yù)期成果及效益

4.1 預(yù)期成果

數(shù)字孿生建設(shè)實施后，能夠?qū)崿F(xiàn)涉水要素監(jiān)測和洪澇預(yù)報預(yù)警信息在數(shù)字孿生場景中的一體化展示，動態(tài)預(yù)演不同水資源調(diào)度場景，提升水資源調(diào)度效能和區(qū)域防洪管理能力，為區(qū)域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供保障。

4.2 預(yù)期效益

通過宿遷市黃河故道數(shù)字孿生工程的建設(shè)，將主要產(chǎn)生以下效益：（1）實現(xiàn)涉水要素監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警信息一體化展示，輔助管理。基于水利模型和可視化模型，結(jié)合實時雨水工情信息和氣象預(yù)報信息，并借助于數(shù)字孿生和仿真技術(shù)，在數(shù)字孿生場景下全局展示河道沿程實時雨水工情等多要素信息，為洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理提供輔助決策的手段。（2）開展調(diào)度場景預(yù)演，為區(qū)域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供保障。通過項目建設(shè)，融合了實時雨水工情監(jiān)測數(shù)據(jù)和水利模型，在三維數(shù)字孿生場景中實現(xiàn)了對未來時況下不同調(diào)度過程的預(yù)演展示，模擬不同調(diào)度方案可能產(chǎn)生的防洪或水資源分配效益，有助于提升突發(fā)性水事件進行快速處置能力，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和科學(xué)調(diào)度，助力經(jīng)濟社會的高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié) 語

推進數(shù)字孿生流域建設(shè)作為智慧水利體系的核心組成，是適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展形勢的必然要求，也是實現(xiàn)精細化、數(shù)字化管理的迫切需要。按照“先行先試”的原則，初步建立優(yōu)化水資源調(diào)度管理的數(shù)字孿生平臺，開展技術(shù)探索和經(jīng)驗積累，在探索和嘗試中對數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化完善，以提高流域內(nèi)“四預(yù)”的科學(xué)性、實用性、可操作性，從而創(chuàng)新水資源管理方式。