基于數(shù)字孿生水文建設(shè)的探討

陳成勇,潘 旭,周成寬

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

水利部黨組將智慧水利作為“十四五”規(guī)劃的重點任務(wù)和水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標志。把“推進智慧水利建設(shè)”作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實施路徑之一。提出構(gòu)建數(shù)字孿生流域、助力全國智慧水利建設(shè)[1]。建設(shè)數(shù)字孿生水文的目的是為了提升國家水安全保障能力,順應以流域為單元、強化流域治理管理、適應信息技術(shù)發(fā)展的需要,并為構(gòu)建智慧水利運管體系提供理論和技術(shù)上的支撐。數(shù)字孿生水文是水文部門推進數(shù)字水利建設(shè)的重要探索,數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)測和控制,可以提高物理實體的效率和質(zhì)量,降低運營成本,同時可以為科學研究和決策提供有力的支持。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)制造、航空航天、城市規(guī)劃等領(lǐng)域。山東省水利廳高度重視數(shù)字水利建設(shè)的推進工作,今年省水文中心已將數(shù)字孿生水文建設(shè)列為重點改革內(nèi)容。

1 基本概念

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新興的數(shù)字化技術(shù),基于物理實體的數(shù)字化模型,實現(xiàn)對物理實體的仿真和優(yōu)化。其基本原理是將物理實體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、特性、行為等信息通過傳感器和其他數(shù)據(jù)采集技術(shù)實時收集,然后利用計算機技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理、建模和仿真,最終生成一份與物理實體相對應的數(shù)字化模型,即數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生水文建設(shè)是指利用數(shù)字孿生技術(shù)和水文學理論相結(jié)合,將現(xiàn)實世界的水文系統(tǒng)和水利管理活動進行數(shù)字化映射和智能化模擬形成虛擬模型,并使用傳感器和其他數(shù)據(jù)源收集實時數(shù)據(jù)來實現(xiàn)與物理流域的同步仿真、虛實交互、迭代優(yōu)化,從而實現(xiàn)對水資源管理、水文預測、水環(huán)境保護、水文災害預警和防治等領(lǐng)域進行全面的仿真分析和評估,優(yōu)化水文系統(tǒng)的設(shè)計和運行,包括水文過程、水文響應、水質(zhì)變化、水文災害等多個方面。

2 理論基礎(chǔ)

水文學是數(shù)字孿生水文建設(shè)的基礎(chǔ)學科,其理論和方法為數(shù)字孿生水文建設(shè)提供了基礎(chǔ)和支撐。水文學理論主要涉及水文循環(huán)過程、水文數(shù)據(jù)采集、水文模型建立、水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和水文評價和規(guī)劃等方面,而數(shù)字孿生水文建設(shè)則將這些理論與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合,進一步提高了水文學的應用價值和效果。

數(shù)字孿生水文建設(shè)的另一個理論基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。數(shù)字孿生水文建設(shè)需要大量的數(shù)據(jù)支持,包括水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等,而大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析。人工智能技術(shù)可以實現(xiàn)對水文數(shù)據(jù)的智能處理和分析,包括數(shù)據(jù)挖掘、預測和優(yōu)化等方面,為數(shù)字孿生水文建設(shè)提供了強有力的技術(shù)支持。

數(shù)字孿生技術(shù)應用于水文領(lǐng)域,可以實現(xiàn)對水文系統(tǒng)的數(shù)字化建模和實時監(jiān)測,進而實現(xiàn)對水文循環(huán)全過程的精細化控制和管理。

3 主要架構(gòu)

數(shù)字孿生水文建設(shè)的構(gòu)架圖是一個多層次、多模塊的系統(tǒng),數(shù)字孿生水文主要架構(gòu),見圖1。通過各種技術(shù)手段實現(xiàn)對水文系統(tǒng)的模擬、監(jiān)測、優(yōu)化和決策支持,為水資源管理和智慧水利建設(shè)提供科學依據(jù)和決策支持,其構(gòu)架通常包括以下幾個主要組成部分:

圖1 數(shù)字孿生水文主要架構(gòu)

數(shù)字孿生水文建設(shè)的核心是建立水文系統(tǒng)的虛擬模型,包括地表水、地下水、大氣降水等方面。該模型可以基于現(xiàn)有的水文監(jiān)測設(shè)施數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù),使用物理模型、統(tǒng)計模型和機器學習等方法來建立。

數(shù)字孿生水文建設(shè)需要實時收集和傳輸水文數(shù)據(jù),包括水位、流量、降雨量、蒸發(fā)量、輸沙量、水質(zhì)數(shù)據(jù)等等,以更新水文系統(tǒng)模型。數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)可以使用傳感器、遙感技術(shù)、水文站和自動監(jiān)測站等設(shè)備來實現(xiàn)。

水文數(shù)據(jù)需要進行處理、分析和存儲,以便后續(xù)使用。數(shù)據(jù)管理和處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析等方面,可以使用數(shù)據(jù)庫、云計算、人工智能和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)來實現(xiàn)。

水文系統(tǒng)模型需要不斷地運行和優(yōu)化,以保證模型的準確性和穩(wěn)定性。模型運行和優(yōu)化系統(tǒng)可以使用模型仿真、實踐比對、參數(shù)調(diào)整和預測分析等方法來實現(xiàn)。

數(shù)字孿生水文建設(shè)的最終目的是為水資源管理者和水文工程師提供決策支持。決策支持系統(tǒng)可以基于水文系統(tǒng)模型和分析結(jié)果,提供各種決策方案和預測結(jié)果,幫助用戶進行決策和規(guī)劃。

4 數(shù)字孿生水文建設(shè)的價值和重要性

數(shù)字孿生技術(shù)可以對水文學系統(tǒng)進行精確的建模和模擬,包括水文循環(huán)過程、水質(zhì)分布、水生態(tài)系統(tǒng)等多個方面,為水資源管理和保護提供重要的支持和決策依據(jù)。例如,數(shù)字孿生技術(shù)可以對水文系統(tǒng)進行可視化模擬,幫助管理者更好地理解水資源的分布、變化和利用情況,從而優(yōu)化水資源的配置和管理,提高水資源利用效率和水環(huán)境保護水平。

數(shù)字孿生技術(shù)可以通過對水文系統(tǒng)進行精確的模擬和預測,提高水災害預防和應對的效率和準確性。例如,數(shù)字孿生技術(shù)可以對不同的水文情景進行模擬,預測可能發(fā)生的洪水、干旱、滑坡等災害情況,幫助管理者及時采取措施進行預防和應對,減少災害損失。

數(shù)字孿生技術(shù)的應用可以促進水文學科技的創(chuàng)新和發(fā)展,推動學科發(fā)展走向數(shù)字化、智能化、高效化的方向。例如,數(shù)字孿生技術(shù)可以對水文學領(lǐng)域的數(shù)據(jù)進行大規(guī)模的分析和挖掘,探索新的數(shù)據(jù)特征和規(guī)律,發(fā)現(xiàn)新的水文學問題和挑戰(zhàn),從而推進學科的創(chuàng)新和發(fā)展。

5 數(shù)字孿生技術(shù)在水文學領(lǐng)域的應用

通過實踐案例分析數(shù)字孿生水文建設(shè)的應用與效果,為今后的水資源管理和水文災害防治提供參考。

5.1 北京市自來水集團數(shù)字孿生水處理廠

通過數(shù)字孿生技術(shù)對自來水處理廠的運營進行優(yōu)化和提升,對自來水處理廠的模型進行數(shù)字化建模,實現(xiàn)對水質(zhì)、水量、水壓、水溫等多個參數(shù)的實時監(jiān)測和控制,實現(xiàn)自來水生產(chǎn)的智能化和高效化。該項目的實施,使得自來水處理廠的能耗、化學品使用和運營成本均有了大幅降低,同時提升了水質(zhì)和供水服務(wù)的質(zhì)量和可靠性。

5.2 數(shù)字孿生沂沭泗水系(江蘇部分)水文預報模型共享服務(wù)

擴展定制流域水文水動力模型,升級完善洪水預報模塊,補充旱情綜合監(jiān)測預測等功能,實現(xiàn)流域“四預”,集成“降水-產(chǎn)流-匯流-演進”全過程模型,實現(xiàn)氣象水文、水文水力學耦合預報及預報調(diào)度一體化。通過自主研發(fā)模型引擎,構(gòu)建一套擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)安全可控、具備沂沭泗流域特色的水文預報模型體系,并提供便捷的模型協(xié)調(diào)研發(fā)和應用服務(wù)[3]。

5.3 流域有示范作用數(shù)字孿生小清河智能防洪應用項目

綜合應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、水利模型、遙感、GIS、BIM、模擬仿真等技術(shù),探索構(gòu)建具有“四預”功能的流域防洪智慧體系,建設(shè)數(shù)據(jù)中臺、知識圖譜,全面匯聚數(shù)據(jù)底板,基本構(gòu)建了小清河流域“一張圖”和數(shù)字流域可視化平臺,實現(xiàn)與部、省、市平臺的數(shù)據(jù)共享,為強化小清河流域治理管理工作提供了有力支撐,在險情診斷、防洪形勢研判、防汛決策與行動支持中發(fā)揮了重要作用。

5.4 數(shù)字孿生歐陽海灌區(qū)水利工程項目

通過數(shù)字孿生歐陽海水利工程數(shù)據(jù)底板的打造,構(gòu)建歐陽海灌區(qū)數(shù)字孿生體,通過多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)字化映射、模型耦合等技術(shù),以解決灌區(qū)管理痛點和難點為導向,在數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上實現(xiàn)水資源配置與管理和防洪調(diào)度,著力提升灌區(qū)管理工作效率和服務(wù)能力,降低水旱災害損失、保障糧食安全,形成灌區(qū)建設(shè)可復制可推廣標準,適用于大中型灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)領(lǐng)域防洪場景下的水庫及渠道閘門調(diào)控、抗旱場景下的水資源優(yōu)化調(diào)配以及強降雨情景下的工程安全管理。

未來,數(shù)字孿生水文建設(shè)在水資源管理和保護、水文學科技的創(chuàng)新和發(fā)展方面都有著廣泛的應用和效果。這些實踐案例也表明了數(shù)字孿生技術(shù)的巨大潛力和未來發(fā)展前景。

6 數(shù)字孿生水文建設(shè)的挑戰(zhàn)與展望

6.1 面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量問題:數(shù)字孿生水文建設(shè)的有效性和準確性,取決于所使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍。但實際應用中,由于數(shù)據(jù)采集的困難、采集方法的不一致以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題等因素,會影響到模型的準確性和可靠性。

1)模型建立和驗證問題:數(shù)字孿生水文建設(shè)模型的建立和驗證需要借助大量的水文數(shù)據(jù)和模型,但是由于水文系統(tǒng)的復雜性和不確定性,模型的建立和驗證也面臨著一定的困難。

2)技術(shù)應用和推廣問題:數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)的應用需要依賴于專業(yè)的技術(shù)人才和高端的設(shè)備和軟件,而實際應用過程中,人才和設(shè)備的短缺、技術(shù)推廣的難度和成本等問題也是制約技術(shù)應用和推廣的主要因素。

6.2 未來的展望

對未來,數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)仍然面臨著一些挑戰(zhàn),但是在技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善下,數(shù)字孿生水文建設(shè)的應用前景依然十分廣闊。

進一步完善和優(yōu)化數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù),提高技術(shù)的可靠性、準確性和精度,提升模型的實時性和動態(tài)性,增加技術(shù)的應用范圍和可擴展性。加強數(shù)字孿生水文建設(shè)與其他相關(guān)技術(shù)的結(jié)合,如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等,形成多技術(shù)、多角度的綜合應用,提高技術(shù)的全面性和效益。深化數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)在水資源管理、水環(huán)境保護、水災防治等方面的應用,為水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的保護提供更好的支撐和保障。

推進數(shù)字孿生水文建設(shè)技術(shù)在國內(nèi)和國際的應用和推廣,提高技術(shù)的認知度和普及度,促進技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化,推動數(shù)字經(jīng)濟和智慧城市建設(shè)的發(fā)展。推動數(shù)據(jù)共享和開放,使得更多的水文數(shù)據(jù)可以被數(shù)字孿生水文建設(shè)所利用。這需要政府、企業(yè)和學術(shù)界的合作與支持。加強數(shù)字孿生水文建設(shè)模型的精度和可靠性,提高數(shù)字孿生技術(shù)的應用水平,使其能夠更好地服務(wù)于水資源管理、環(huán)境保護和防災減災等方面。

發(fā)展數(shù)字孿生水文建設(shè)的自動化和智能化技術(shù),以提高模型的計算效率和準確度。這可以通過深度學習、人工智能等新技術(shù)的應用來實現(xiàn)。加強數(shù)字孿生水文建設(shè)的實踐與案例積累,不斷完善數(shù)字孿生水文建設(shè)模型和技術(shù)的應用場景,以更好地解決實際問題。推動數(shù)字孿生水文建設(shè)的標準化和規(guī)范化,制定數(shù)字孿生水文建設(shè)的技術(shù)標準和規(guī)范,促進數(shù)字孿生水文建設(shè)的應用和推廣。

綜上所述,數(shù)字孿生水文建設(shè)具有重要的價值和意義,對于水資源管理和保護、水災害預防和應對、水文學科技創(chuàng)新等方面都有著重要的作用,未來數(shù)字孿生技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應用將進一步推動水文學領(lǐng)域的發(fā)展和進步。山東省水文中心將堅持需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、能力提升的要求,從場景構(gòu)建、水文映射、 “四預”目標等方面出發(fā),搭建框架、建立標準,推動數(shù)字孿生技術(shù)在山東水文的實踐中更好地發(fā)揮作用。