水系連通、智慧引領(lǐng)

智慧水利賦能全域治水

數(shù)字孿生技術(shù)是智慧水利的重要技術(shù)手段。數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多維度、多概率的仿真過程，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字虛擬體之間的精確映射，建立物理實(shí)體的虛擬模型。數(shù)字孿生底板是智慧水利的算據(jù)，通過完善時(shí)空多尺度數(shù)據(jù)映射，擴(kuò)展三維展示、數(shù)據(jù)融合、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景等功能，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、跨層級(jí)和業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)底板。唐山智慧水利構(gòu)建以邱莊水庫為試點(diǎn)的數(shù)字孿生三維場(chǎng)景典型應(yīng)用，在數(shù)據(jù)底板技術(shù)的研究和應(yīng)用方面做了一定的工作。數(shù)據(jù)底板研究和應(yīng)用的主要內(nèi)容包括多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、水利模型計(jì)算結(jié)果可視化處理、數(shù)字孿生引擎應(yīng)用等。

2.1.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

為達(dá)到水利工程高仿真能力，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的高度相似和同步，邱莊水庫三維場(chǎng)景對(duì)數(shù)字底板的建設(shè)有高要求。對(duì)于離庫區(qū)較遠(yuǎn)的非重要區(qū)域使用中低精度三維地表模型構(gòu)建，庫區(qū)關(guān)鍵部位使用傾高精度數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）做基礎(chǔ)，與傾斜攝影三維實(shí)景模型做重疊、融合處理，以突出地形、材質(zhì)等特征細(xì)節(jié)。將這些不同精度、不同數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)在三維實(shí)際空間實(shí)現(xiàn)融合，達(dá)到地形無縫構(gòu)建的完整場(chǎng)景，增強(qiáng)數(shù)字孿生三維場(chǎng)景的真實(shí)表達(dá)度。使用3DE、3dmax、revit等專業(yè)建模軟件，創(chuàng)建大壩、溢洪道、放水洞、泵站、管理處房屋等重點(diǎn)工程建筑信息模型（BIM）。將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（包括工情監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)）接入三維場(chǎng)景系統(tǒng)，與BIM數(shù)據(jù)做部位和動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)，物理屬性相關(guān)聯(lián)，使數(shù)字孿生系統(tǒng)虛擬世界能動(dòng)態(tài)表達(dá)真實(shí)世界的工程運(yùn)行狀況。

圖2.1.1-1邱莊水庫無人機(jī)正射影像數(shù)據(jù)處理

2.1.2 水利模型計(jì)算結(jié)果可視化處理

將防汛四預(yù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中水利專業(yè)模型的計(jì)算結(jié)果（流量過程、洪水演進(jìn)淹沒分析等）進(jìn)行可視化處理和展示，通過水花大小反映開閘過程中的出水流量變化，通過粒子的顏色深淺度（alpha值）或熱力圖反映水位變化，通過矢量箭頭表示顆粒前進(jìn)方向，從而達(dá)到對(duì)洪水的渲染。將水利專業(yè)模型計(jì)算出的完整洪水過程進(jìn)行逐幀渲染，可以向決策者直觀呈現(xiàn)歷史洪水過程，快速進(jìn)行決策分析，滿足“預(yù)演”對(duì)于快速獲取信息的需求。

圖2.1.2-1邱莊水庫閘門調(diào)度模擬

2.1.3 數(shù)字孿生引擎

數(shù)字孿生引擎通過對(duì)數(shù)字孿生三維場(chǎng)景中模型、地形、材質(zhì)、粒子效果的優(yōu)化和增強(qiáng)，能夠幫助提升虛實(shí)融合程度。虛幻等引擎能夠優(yōu)化已建BIM模型、地理空間模型的細(xì)節(jié)，在展示效果方面增強(qiáng)用戶在虛擬世界的沉浸式體驗(yàn)。邱莊水庫三維場(chǎng)景在構(gòu)建的過程中使用虛幻引擎，在收集的空間地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)山體勾畫出巖石紋理，在陸地土壤表層添加花草等植被細(xì)節(jié)。虛幻引擎重點(diǎn)應(yīng)用在開閘泄水流量過程模擬功能中，創(chuàng)建溢洪道的開閘泄水過程中水花的濺射效果，消力池中水流的下泄效果，以及下游河道的水流動(dòng)畫效果。

圖2.1.3-1使用虛幻4引擎優(yōu)化BIM模型、地理空間模型

防汛減災(zāi)管理是智慧水利的核心關(guān)鍵業(yè)務(wù)之一，主要包括對(duì)水情、災(zāi)情的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)及預(yù)警，并在數(shù)字孿生流域中，利用防汛模擬仿真模型，對(duì)典型歷史事件場(chǎng)景下的水利工程調(diào)度進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)演，確保防汛模型準(zhǔn)確、易用。通過防汛模擬仿真技術(shù)，保持?jǐn)?shù)字孿生流域與物理流域交互的精準(zhǔn)性、同步性、及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化、預(yù)警超前化、預(yù)演數(shù)字化、預(yù)案科學(xué)化”的水利業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.2.1 降雨徑流模型

降雨徑流模型對(duì)雨水情信息進(jìn)行采集處理，主要是根據(jù)各流域已有的預(yù)報(bào)降雨資料，考慮適合目標(biāo)區(qū)域下墊面條件的產(chǎn)流模式，結(jié)合不同河流水系特征值，進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，得到地表及地下徑流過程。

以新安江模型為例：三水源新安江模型采用自由水蓄水庫的結(jié)構(gòu)來解決水源劃分的問題。按蓄滿產(chǎn)流模型求出的產(chǎn)流量R，先進(jìn)入自由水蓄水庫S，再劃分水源。此水庫有兩個(gè)出口，一個(gè)底孔形成地下徑流RG，一個(gè)邊孔形成壤中流RI。其出流規(guī)律均按線性水庫出流。由于新安江模型考慮了產(chǎn)流面積（FR）問題，所以這個(gè)自由水蓄水庫只發(fā)生在產(chǎn)流面積上。當(dāng)自由水蓄水深S超過其最大值SM時(shí)，超過部分成為地面徑流RS。

底孔出流量RG和邊孔出流量RI分別進(jìn)入各自的水庫，并按線性水庫的退水規(guī)律流出，分別成為地下水總?cè)肓鱐RG和壤中流總?cè)肓鱐RI，并認(rèn)為地面徑流的坡地匯流時(shí)間可以忽略不計(jì)。所以地面徑流RS可認(rèn)為與地面徑流的總?cè)肓鱐RS相同。地面徑流總?cè)肓鱐RS、壤中流總?cè)肓鱐RI、地下水總?cè)肓鱐RG各自進(jìn)入河網(wǎng)，經(jīng)河網(wǎng)單位線調(diào)蓄計(jì)算后，即成為單元面積的出流流量，然后經(jīng)河道匯流，成為出口斷面流量。根據(jù)上述概念可列出三水源新安江模型的流程圖，如下。

圖2.2.1-1新安江三水源模型流程圖

根據(jù)降雨徑流模型，得出不同區(qū)間、子流域的徑流或洪水過程。

2.2.2 防洪調(diào)度模型

防洪調(diào)度分為實(shí)時(shí)調(diào)度和歷史數(shù)據(jù)規(guī)則調(diào)度，前者根據(jù)雨洪預(yù)報(bào)情況，結(jié)合水庫、河道、保護(hù)區(qū)等實(shí)際需求，在專家會(huì)商的前提下擬定具體調(diào)度運(yùn)用方式；后者根據(jù)方案、預(yù)案中的規(guī)則，對(duì)歷史典型洪水或設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行方案計(jì)算。通過該模型計(jì)算，能夠根據(jù)下游保護(hù)對(duì)象、過流能力、水庫自身等約束條件，實(shí)現(xiàn)不同調(diào)度方案計(jì)算，為管理人員提供決策依據(jù)。

防洪調(diào)度模型的流程是：以降雨徑流模型輸出的預(yù)報(bào)入庫洪水過程或歷史典型洪水過程作為輸入，由水庫調(diào)度模塊按照一定的規(guī)則進(jìn)行水庫模擬調(diào)洪計(jì)算，將計(jì)算的出庫洪水過程傳遞至河道演進(jìn)模塊進(jìn)行河道演進(jìn)計(jì)算，通過滯洪區(qū)分洪計(jì)算模塊進(jìn)行模擬分洪計(jì)算。某水庫的典型調(diào)洪計(jì)算流程見下圖。

圖2.2.2-1某水庫調(diào)洪計(jì)算流程

2.2.3 洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型

洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析及洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制則是一種重要的防洪非工程措施。洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析及洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制是結(jié)合洪水預(yù)報(bào)及防洪調(diào)度，對(duì)可能發(fā)生洪水的演進(jìn)路線、到達(dá)時(shí)間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后基于信息化手段，將地理信息和各類防汛信息有效集成，標(biāo)示洪泛區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)程度，客觀反映地方防汛實(shí)際，形成直觀、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的“風(fēng)險(xiǎn)圖”和清晰直觀的“作戰(zhàn)圖”，對(duì)于防汛應(yīng)急決策具有重要的技術(shù)支撐作用。

模型根據(jù)最新的調(diào)度情況，在當(dāng)前水庫河道邊界的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速計(jì)算技術(shù)，進(jìn)行洪水演進(jìn)的高速計(jì)算，提供河道水流的演進(jìn)情況、淹沒區(qū)域的地面漫流情況，給出水位、水深、流速等基本信息，結(jié)合災(zāi)情分析，給出風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。

洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型的流程是：以河道上游水庫調(diào)度出庫洪水過程或者控制性水文站實(shí)測(cè)（設(shè)計(jì)）洪水過程為輸入，利用模型進(jìn)行河道沿程水流的二維水流演進(jìn)計(jì)算，在河道有潰決發(fā)生的情況下，模擬潰決水流的地面漫流發(fā)展過程，支撐洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。主要分為以下幾個(gè)步驟：

（1）構(gòu)建河道洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型；

（2）參數(shù)率定與模型驗(yàn)證；

（3）方案分析計(jì)算；

（4）動(dòng)態(tài)展示。模型計(jì)算流程見下圖。

圖2.2.3-1河道洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 災(zāi)情評(píng)估模型

根據(jù)洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型計(jì)算得到的淹沒范圍、淹沒水深及分布、流速分布、洪峰前鋒到達(dá)時(shí)間和淹沒歷時(shí)等信息，結(jié)合淹沒區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況分析評(píng)估洪水影響，主要內(nèi)容包括淹沒范圍內(nèi)和各級(jí)淹沒水深區(qū)域內(nèi)的人口分布、耕地面積、資產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等，進(jìn)行洪水損失評(píng)估。

模型能夠讀取洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型計(jì)算得到的每個(gè)網(wǎng)格最大淹沒水深、最大流速、洪峰前鋒到達(dá)時(shí)間和淹沒歷時(shí)等信息，與淹沒區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況數(shù)據(jù)庫相匹配，進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估。洪水影響統(tǒng)計(jì)主要有各河流各方案總體淹沒情況匯總表，各方案不同水深淹沒情況匯總表，各級(jí)行政區(qū)淹沒情況匯總表，典型區(qū)域淹沒情況匯總表等。

水資源管理系統(tǒng)是智慧水利“2+N”業(yè)務(wù)中核心之一，水資源供需、配置、調(diào)度模型是支撐水資源管理業(yè)務(wù)的重要模型，通過模型研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水預(yù)測(cè)、水源可供水量預(yù)測(cè)和供需形勢(shì)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)地區(qū)水資源合理配置和精細(xì)調(diào)度，提升地區(qū)水資源綜合管理能力。

2.3.1 水資源供需分析模型

水資源供需分析模型是全面評(píng)估地區(qū)水資源供需形勢(shì)，及時(shí)掌握地區(qū)缺水程度，從水資源保障方面為地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供技術(shù)支撐。水資源供需分析模型包括需水預(yù)測(cè)模型、可供水量預(yù)測(cè)模型以及供需平衡模型。

需水預(yù)測(cè)模型考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，堅(jiān)持“四水四定”原則，統(tǒng)籌地區(qū)用水實(shí)際和今后經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)預(yù)測(cè)和用水定額，預(yù)估地區(qū)今后經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求?？晒┧款A(yù)測(cè)模型考慮河流來水、工程供水能力、河流生態(tài)用水等要求，綜合地區(qū)各類水源供水實(shí)際和工程建設(shè)運(yùn)用情況，通過分析調(diào)算預(yù)估地區(qū)各類水源可供水量。水資源供需平衡模型統(tǒng)籌地表水、地下水、非常規(guī)水源，結(jié)合生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)各行業(yè)用水需求，進(jìn)行水資源供需平衡分析。

2.3.2 水資源配置模型

水資源配置模型是以水資源供需平衡分析成果為基礎(chǔ)，綜合地區(qū)用水總量控制以及地下水壓采實(shí)施方案等，分析地表水、地下水以及非常規(guī)水水源供水范圍和行業(yè)水資源用途，構(gòu)建水資源配置關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，按照水資源配置原則，統(tǒng)籌多水源供水和分行業(yè)用水需求，通過多水源聯(lián)合調(diào)配和分行業(yè)供用水平衡，統(tǒng)籌水源供水次序和行業(yè)水資源用途，提出地區(qū)水資源配置方案，為合理利用水資源、提供水資源利用效率、有效緩解水資源供需矛盾提供支撐。地區(qū)水資源配置關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖見圖 。

圖2.3.2-1  地區(qū)水資源配置關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖（以唐山市為例）

2.3.3 水資源調(diào)度模型

水資源調(diào)度模型是統(tǒng)籌防洪、供水、生態(tài)和發(fā)電等要求，以供水效益最大化為目標(biāo)，綜合考慮工程最大可供水量、輸水線路過流能力、節(jié)點(diǎn)水量平衡、控制斷面生態(tài)流量等約束，采用線性規(guī)劃方法進(jìn)行優(yōu)化求解，通過優(yōu)化調(diào)度水資源，協(xié)調(diào)水源供水和行業(yè)用水，提出地區(qū)水資源調(diào)度方案，包括分河段縣區(qū)用水分配、河道主要斷面流量指標(biāo)以及水庫調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃等，為地區(qū)精細(xì)化調(diào)度水資源提供技術(shù)支撐。地區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度模型采用線性規(guī)劃優(yōu)化求解，模型求解步驟如下：

（1）模型前處理。對(duì)多水源聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，包括將目標(biāo)函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、非線性約束條件線性化處理等。

（2）模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。針對(duì)線性規(guī)劃求解問題需求，準(zhǔn)備模型計(jì)算數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)函數(shù)中決策變量系數(shù)矩陣，約束條件中決策變量系數(shù)矩陣和常數(shù)向量，決策變量上下限、整數(shù)與非整數(shù)等，形成線性規(guī)劃求解的計(jì)算數(shù)據(jù)。

（3）模型求解。根據(jù)數(shù)學(xué)模型矩陣和向量數(shù)據(jù)，形成線性規(guī)劃求解的標(biāo)準(zhǔn)化輸入形勢(shì)，采用線性規(guī)劃對(duì)模型進(jìn)行求解。

（4）結(jié)果輸出。按照線性規(guī)劃求解輸出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，將計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果按方案分析格式輸出。

在設(shè)施運(yùn)行管理子系統(tǒng)中，項(xiàng)目組基于數(shù)字孿生技術(shù)，搭建了邱莊水庫三維場(chǎng)景、構(gòu)建了邱莊水庫水工建筑、金屬結(jié)構(gòu)與安全監(jiān)測(cè)等精細(xì)化模型，并接入了水庫現(xiàn)有各類安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了高保真的邱莊水庫數(shù)字孿生場(chǎng)景，并再次基礎(chǔ)上開發(fā)了水庫安監(jiān)、調(diào)水、防汛以及設(shè)施管理等水庫業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

圖3.1-1 邱莊水庫數(shù)字孿生場(chǎng)景

圖3.1-2 邱莊水庫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)頁面

在防汛減災(zāi)管理子系統(tǒng)建設(shè)過程中，項(xiàng)目組積極踐行了“防汛四預(yù)”工作要求，從預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案四個(gè)維度，對(duì)唐山市5條重點(diǎn)河流的防汛工作進(jìn)行了開發(fā)實(shí)施。系統(tǒng)搭建了防汛四預(yù)業(yè)務(wù)平臺(tái)，研發(fā)并融合了包括降雨徑流模型、防洪調(diào)度模型、洪水動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型、災(zāi)情評(píng)估模型5大專業(yè)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了防汛業(yè)務(wù)智能化、精準(zhǔn)化應(yīng)用。

圖3.2-1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能頁面

圖3.2-2洪水演進(jìn)功能頁面

圖3.2-3洪水預(yù)報(bào)功能頁面

統(tǒng)籌智慧水利建設(shè)要求和唐山市水資源管理需求，建設(shè)集“監(jiān)測(cè)-評(píng)價(jià)-供需-配置-調(diào)度”全業(yè)務(wù)，涵蓋節(jié)水管理的全過程水資源管理系統(tǒng)，包括水資源綜合服務(wù)、水資源評(píng)價(jià)、水資源供需平衡、水資源配置、水資源調(diào)度、節(jié)水管理等6個(gè)子系統(tǒng)。通過唐山市水資源管理建設(shè)，基本厘清唐山市水資源底賬，摸清供用水狀況，評(píng)價(jià)唐山市用水水平；預(yù)估唐山市用水需求，明晰地表水、地下水及非常規(guī)水源多水源統(tǒng)籌的可供水量，評(píng)估唐山市水資源供需態(tài)勢(shì)；綜合唐山市用水總量控制紅線和地下壓采措施，提出水資源配置方案；科學(xué)編制水資源調(diào)度方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)取水工程、重點(diǎn)斷面取水過程，動(dòng)態(tài)評(píng)估調(diào)度執(zhí)行情況；精細(xì)編制計(jì)劃用水，在線評(píng)估計(jì)劃用水執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃用水全過程管控，全面監(jiān)管唐山市重要用水單位節(jié)水改造情況，提升全社會(huì)節(jié)水水平。

圖3.3-1 綜合信息服務(wù)功能頁面

圖3.3-2 水資源供需平衡功能頁面

圖3.3-3 調(diào)度計(jì)劃功能頁面

圖3.3-4 節(jié)水管理功能頁面