數字孿生樂安河流域預報調度體系構建

張陽 王君

摘要：智慧水利建設是新時期推動水利高質量發展的六條路徑之一，而構建數字孿生流域是智慧水利建設的核心。江西省樂安河流域水網密布，水利信息化建設還不完善，婺源縣是樂安河的發源地，旅游資源豐富，防汛形式復雜。如何高效管理利用旅游資源，提高水利部門之間業務的協作性，共同解決好防汛排澇問題是當前江西省婺源縣水利信息化建設過程中亟待解決的關鍵問題。本文整體梳理了江西省婺源縣流域概況、水利信息化需求，基于自主研發的模型云平臺提出了樂安河數字孿生預報調度系統的具體方法，以期為加快婺源縣水利信息化建設、建立數字孿生預報調度系統提供參考。

關鍵詞：樂安河；婺源縣；模型云；數字孿生；預報調度

智慧水利是水利發展到高質量階段的重要標志，通常是指運用物聯網、云計算、人工智能等技術，為實現樂安河流域水資源利用的健康生態化提供支撐。數字孿生是智慧水利的核心，加快數字孿生建設是黨中央和水利部大力推進智慧水利的重要舉措，是支撐現代化水利治理體系的動力和重要基礎。防災減災涉及到多尺度、多層面、多專業的信息，防災減災需要數字流域的支撐，通過當前先進的數字孿生技術可實現智慧水利中的“四預”功能，其中，預報是基礎，預演是關鍵，預警是前哨，預案是目的，預警的要點在于向公眾及時傳達預警信息，預報的要點在于提升預報的精度并延長預見期，預案的要點在于制定的方案具備可操作性和執行性，預演的關鍵在于多樣化的演示。

目前我國的水利行業主要通過相關數據模擬展示水利場景，但該技術難以模擬水體的動態演化過程，與實際的需求還存在一定差距。

近年來，隨著樂安河流域內水利工程的修建與不斷完善，河道所在的下墊面特征發生了一定程度的變化，進行洪水預報的難度加大，變動環境下的適應性水庫調度是當前研究領域的熱點問題之一。江西省樂安河流域防洪形勢復雜，為充分利用洪水資源、解決好防汛排澇問題，利用數字孿生信息化技術構建預報調度系統很有必要。

一、總體設計

樂安河流域內的水利工程數量多，水利基礎數據量龐大，數字孿生預報調度體系的構建需要集成和處理各類水利數據，建立水文模型時相關工作人員需要將各類基礎數據處理好之后再匯集到模型中進行計算，建模工作量很大，因此，應構建基于模型云平臺進行樂安河流域數字孿生預報調度體系。

模型云平臺是基于GIS和云計算技術的可視化建模工具，融合了DEM數字高程地形處理、異構網格剖分、拓撲結構提取、二三維一體化等技術，可實現水文、水力、水質的一站式建模，平臺建立了異構數學模型引擎的兼容標準和機制，實現了數學模型引擎的云端部署和計算，內部同時提供模擬計算、方案托管等SaaS服務。

模型云平臺自主研發緊耦合的水文、水力、水質模型引擎，構建了一套擁有自主知識產權、核心技術安全可控的模型體系。水文模型集成經改進的半分布式新安江模型、貴仁分布式水文模型、降雨徑流模型等產匯流模型以及河道演進模型。貴仁分布式水文模型需融合業內主流算法，兼容蓄滿產流和超滲產流，實現結構靈活、參數精簡、定制方便等優勢功能。模型云以虛擬化云技術為基礎，以云存儲作為模型計算數據交換的中間件，以微服務構建的RESTful統一計算服務接口作為模型云終端，構建統一的數學模型運行管理平臺。通過建立標準和機制，無需修改實現水文、水質等不同類型，實現平臺以SaaS服務的形式提供模擬計算、方案托管等功能，使模型引擎計算擺脫了電腦終端的束縛，突破此前模型構建與業務應用相互隔離難以協同的狀態，使工程師構建的模型可以更便捷地與業務系統集成，賦能業務系統。通過在云端提供的模型服務和計算資源，使用戶能以較低的成本按需使用數學模型和高性能的計算資源，從而提高業務響應能力。

數字孿生預報調度系統依托水利部智慧水利總體框架與數字孿生流域先行先試的工作要求，按照江西省智慧水利建設規范，基于模型云平臺、可視化技術、數學模擬仿真引擎實現了樂安河流域（婺源）洪水預報調度全過程的精準化模擬，已達到決策智慧化的目標。

二、應用實例

（一）流域概況

樂安河發源于婺源縣五龍山脈。婺源縣位于贛東北，地處皖、浙、贛三省交界，屬上饒市管轄。地理位置為東徑117[°]21ˊ～118[°]12ˊ，北緯29[°]01ˊ～29[°]34ˊ。東臨浙江開化，西毗瓷都景德鎮，北枕皖休寧，與黃山連脈，南接亞州著名銅基地德興，西南與樂平相連，東西長83km，南北寬54km，全縣國土總面積2967km2。地形屬江南典型的丘陵山區。

在當前的樂安河（婺源）流域防汛工作中，較為關注重點水文斷面（如三都站）的洪水預報和預警情況，對預演和預案關注度較低，距離“預報精準化、預警超前化、預演數字化、預案科學化”的流域防洪智能水利業務還存在一定差距。中小型水庫預警服務對地方政府防汛決策具有至關重要的支撐作用，婺源縣尚未對影響區域行洪過程的上游段莘水庫、清華水庫、下游星江電站水庫等中型水庫建立完備的預警業務服務。此外，安樂河流域預報調度一體化尚未實現，上游鄉鎮防汛措施普遍不足，支撐精準化決策的計算資源有待完善。

（二）預報調度一體化構建

樂安河流域預報調度一體化功能可根據實水情，對未來一段時間內的清華水庫等水庫上游來水洪水過程做出預測預報，然后基于預報成果，結合模型計算，進行調洪演算，最終選擇最優方案。

樂安河流域數字孿生預報調度體系的建立依托模型云對水文模型引擎、一二維水動力引擎、水工調度引擎的耦合，以及強大的前后處理能力，可搭建出流域洪水預報模型，經自動率定及手動率定后作為預報基準，模型云由于其架構與在線平臺具備天然的相容性，可實現實時監測數據、預報數據的銜接，由于模型引擎完全自主可控，具備很強的靈活性。平臺的調用下，實現各類場景及調度措施的模擬，并支持進一步對模擬結果進行統計分析及可視化展示。在具體應用時，相關專業人員需要分析流域在當前各水利設施運轉條件下及預報的氣象條件下，降雨徑流如何產生、如何匯聚，水庫庫容會如何變化、河道水位如何漲落、洪峰何時來臨、洪峰流量會有多少，河道是否可能漫溢、是否可能潰壩，是否會對人民生命財產安全造成危害等一系列問題，在上述條件下判斷是否需要執行應急調度，制定多種調度方案，并及時對比分析每種調度方案可進行哪些改善。

（三）數字孿生樂安河預報調度業務應用

按照江西省智慧水利的建設技術規范和水利部數字孿生流域先行先試要求，采用微服務、二三維一體化等關鍵技術，基于模型云智能模型平臺建設本業務應用系統。數字孿生樂安河預報調度系統充分利用樂安河上游（婺源）水文智慧監測與業務服務系統已建成果，融合洪水預報調度的各類信息資源，構建統一的數字孿生預報調度業務應用平臺。

1.預報調度模型體系構建

基于樂安河預報調度體系中的水利模型，系統還集成了前端采集水文信息的相關儀器，儀器利用當前先進的圖像識別技術，通過視覺方法自動獲取水位、流量等數據，并將獲取的數據自動集成到模型云平臺上作為模型的輸入條件，樂安河流域的水文站、水利工程管理的機構具備視頻監控系統，視頻識別系統與基于模型云的水利模型共同構成了完備的智能模型體系。

2.水文預報

水文預報的參數設定是樂安河數字孿生預報調度系統進行水文預報的基礎，系統根據梳理的樂安河指定區域的歷史洪水場次，根據實際需要進行人工或自動參數率定，在對歷史的洪水場次數據進行參數率定的過程中，以洪峰流量、峰現時間、洪水總量等作為參數率定的標準。若在實際操作過程中人工參數率定的工作量過大，可利用系統中集成的優化算法對水文預報參數進行自動率定，率定后的參數將和流域內的區域進行對應匹配，以供實時預報。

在進行實時水文預報時，需要在系統中接入實時的降雨數據，降雨數據的質量關乎到水文預報的精度和洪水預報的預見期長度等，數字孿生樂安河預報調度系統中接入雨量站實測降雨數據、降雨數值預報數據、雷達實測數據。其中，雷達實測降雨數據主要為高時空分辨率的數據，利于三水源新安江水文模型、貴仁分布式水文模型進行面雨量的計算；系統接入的多元氣象降雨數據主要包含短期、中期和長期的降雨預報成果，短期降雨預報通常為1～3d降雨預報成果，中期降雨預報為3～7d降雨預報成果，長期降雨預報主要為7～30d降雨預報成果，不同類型的降雨預報成果可以用統計圖表或柱狀圖的形式呈現。

除了運用單一的水文模型進行作業預報之外，數字孿生樂安河預報調度系統也支持運用多種水文、一二維水動力模型進行洪水預報調度、洪水演進計算，這樣不僅能夠提升水文預報精度，還能夠綜合利用多種預報成果進行對比分析。例如，在具體的水文作業預報過程中可對清華水庫上游山區產匯流預報，從大鄣山到清華水庫區間構建集總式水文模型，以大鄣山的實測流量作為輸入預報清華水庫的入庫流量過程；利用清華水庫壩址以下至三都水文站、段莘水庫壩址以下至汪口水文站、江灣站至汪口站、汪口站至三都站的集總式水文模型進行河系預報，預報汪口站、三都站的水位流量過程；利用清華水庫壩址以下至三都水文站、段莘水庫壩址以下至汪口水文站、江灣站至汪口站、汪口站至三都站的一維河道水動力模型，以及水文水動力耦合模型，預報區間重要斷面水位流量過程；利用婺源縣城區一二維耦合的水文水動力模型模擬河道各個斷面的水位、流量，預報城市的積水區域、水深、歷時等，進行洪水淹沒分析等。

3.洪水調度

數字孿生樂安河流域的洪水調度主要包括實時洪水調度和歷史洪水調度預演兩方面。用戶可通過歷史洪水調度預演功能查詢歷史洪水過程、對應的推薦調度方案以及調度方案的效果等。實時調度用戶可查看實時的調度預案并選擇采用合適的洪水調度方案。具體的樂安河流域調度預案包括水庫調度方案、當地水文部門的附加測報方案、避險轉移救災方案等。實時洪水調度方案的優選可依據水文相關部門專家的經驗以及方案評分系統提供的評分等級進行，完整的洪水調度方案包括具體的調度方案數據、調度前后水工程附近的水情、災情的估算分析數據等。通過智能化預案模型，業務應用可通過事件發生的地點、程度、時間等信息自動分析和關聯相應的處置方案，并將電子預案以可視化的方式在系統中展示。智能化預案支持應急事件的快速響應，從而提升針對應急事件的應急處置能力。

例如，根據氣象部門預警信息，城市管理局、自然資源局、紫陽鎮、蚺城街道負責開展排查，一旦發現洪澇險情，立即向領導小組報告，并及時采取有效措施；指揮部收到發生險情的信息后，會及時派出救援隊伍及物資設備，并通知公安局根據需要進行現場交通管制、人員疏散，設置警戒范圍，同時聯系供電部門確保電力安全、保障處置行動供電，并會根據工作需要請水利局派出專家指導，根據應急處置工作的需要設立現場指揮部；應急管理局派出或指定現場指揮官，統一組織、指揮現場應急工作，所有參與應急搶險救援的隊伍和人員必須服從現場指揮部的指揮。

4.綜合信息查詢

樂安河流域預報調度系統的信息展示與服務基于實時采集、模型模擬結果，基于婺源（樂安河流域）數字孿生平臺提供基礎數據查詢展示等服務，用戶可選擇查詢站點和查詢時間段，了解站點的實時水雨情或歷史水雨情信息，系統將從數據服務器的實時水雨情數據庫中讀取相應的流量或水位過程，并把流量或水位過程以過程線圖和數據列表的形式展現。

三、結語

數字孿生流域建設是智慧水利建設的重點任務，全新的數字孿生預報調度系統體系的建設是在充分利用婺源縣原有項目的基礎上對資源數據進行有效聚合，即通過現代信息技術如數字孿生技術、模型云平臺等實現了對統一數據資源平臺的統一門戶訪問，實現了上饒市、婺源縣在數字孿生、可視化、大數據等產業的深度發展。

本文中提到的樂安河項目為試點工程建設，具有技術攻關和示范引領的作用，在項目實施較好的背景下，通過樂安河預報調度系統項目可將數字孿生工程的建設范圍和涵蓋業務不斷擴展，形成覆蓋整個樂安河流域（婺源）的防洪調度、水資源管理、河湖管理、水利工程管理等多尺度、多業務的應用體系，推動樂安河流域（婺源）“2+N”智能應用運行，加快江西省智慧水利體系形成。

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