以防洪為核心的三明市沙溪數字孿生流域建設

收稿日期：

2023-02-23

作者簡介：

吳義陽，男，高級工程師，主要從事防汛抗旱等方面的工作。E-mail：511539363@qq.com

引用格式：

吳義陽.以防洪為核心的三明市沙溪數字孿生流域建設

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：101-108.

摘要：

為提高三明市防洪的實時監管效能、應急處置能力與安全保障水平，以沙溪流域為例，構建了以防洪為核心的數字孿生流域。從防洪“預報、預警、預演、預案”4個方面，通過完善監測感知網建設，針對三明市沙溪流域防汛感知網的薄弱環節，適當增加水文、氣象等監測設備，提升氣象預測預報預警精準程度；加強數據資源建設，整合現有平臺及數據資源，推動各部門間數據同步、互通共享與系統同屏共享，實現“一屏知汛”；開展重點區域建設，將沙溪流域作為重點建設區域，建設覆蓋沙溪流域的立體監測體系，并重點實現沙溪流域防洪調度一體化，實現信息快速流通，支撐防汛應急指揮調度。實踐證明：在數字孿生技術的支持下，通過調度預演來分析決策，三明市主城區防汛預警提前了6 h，最大限度地減少災害影響和社會經濟損失，取得了良好的運用效果。

關鍵詞：

數字孿生流域； 防洪調度； 數據底板； 沙溪流域； 三明市

中圖法分類號：TV87

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.018

文章編號：1006-0081（2024）01-0101-08

0? 引? 言

數字孿生技術為解決防災減災工作中的一系列問題提供了全新的思路和方法。研究數字孿生流域建設在防汛減災中的應用，對提高防災減災工作的效率和效果具有重要意義。目前，數字孿生技術在城市規劃、交通運輸和能源管理等方面已有較多研究。但是在防洪工作中，數字孿生流域建設的具體應用和效果研究尚不夠清晰［1-2］。水利部門踐行新發展理念和高質量發展［3］，智慧水利是其中一大途徑和顯著標志。2021年《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”［4］。智慧水利的建設需要依靠“物理水利及其影響區域的數字化映射”和“數字孿生流域”實現“四預”（預報、預警、預演、預案）功能。本研究以三明市沙溪流域為例，在三明市防汛應急綜合指揮平臺的基礎上，構建了以防洪為核心的沙溪數字孿生流域。

1? 研究區域概況

三明市位于福建省中西北部，市域總面積2.29萬km2，人口約264萬，下轄一市、兩區、八縣。其地域復雜，山勢崎嶇，河流密布，氣候溫暖濕潤、雨量充沛，容易發生水旱災害，特別是洪澇災害，給三明市防汛排澇工作帶來了挑戰。

沙溪、金溪和尤溪為三明市主要河流水系［5］，大多坡降大，水量充足，上中游河床切割較深，水流急，含沙量較少。沙溪、金溪和尤溪流域雨量充沛，多年平均年降水量分別為1 650～1 800 mm、1 700～1 850 mm和1 550～1 700 mm。其中，沙溪流域的洪澇災害主要由4～6月的春夏之交冷暖氣團交綏造成的暴雨和7～9月的東南沿海臺風帶來的臺風雨所致［6］。沙溪流域建有安砂水庫，控制流域5 784 km2，總庫容為7.4億m3，為上下游城鎮的防洪安全提供了保障。不同流域的水庫工程在防汛抗旱指揮部的統一調度下運行，能夠發揮出聯合防洪的作用［7］。

三明市防汛抗旱指揮部已經積累了一批防汛相關信息化系統，但由于缺少統一的應急指揮平臺，無法實現全面高效的防汛決策支持和應急響應，特別是在實現“四預”能力方面面臨較大挑戰［8-9］。

三明市沙溪數字孿生流域建設存在問題如下：

（1） 數據底板不完善，各部門業務專網獨立，數據未得到很好的挖掘［10］。

（2） 缺乏統一的模型平臺，導致防汛業務流程耗時較長，無法實現一站式作業，無法滿足防汛預警工作的時效性。

（3） 四預功能缺乏鏈條，洪水的預警范圍不足，預警不夠及時，亟需建設一套防汛業務協同應用。

（4） 缺少統一的調度指揮，導致三明市對緊急事件的整體調控和調度指揮能力偏弱，迫切需要以信息化手段提升數據共享能力，建立快速溝通渠道，優化資源調配優勢，提高防汛應急事件處置能力。

2? 總體設計

2.1? 總體框架

建立以防洪為核心的三明市沙溪數字孿生流域，需加強“全域感知-智慧中樞-業務決策-協同指揮”的防洪應急指揮數字化、智慧化運營管理體系建設，實現基礎設施與智能決策支撐手段全面升級，形成防汛“事前-事中-事后”全鏈條、標準化、精細化工作模式，以支撐政府開展城市防汛科學決策和應急管理，提高實時監管效能、應急處置能力、安全保障水平，減少洪水內澇造成的損失，有效防范和遏制重特大事故發生，保障人民群眾的生命與財產安全。根據《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》，結合數字孿生流域建設框架要求以及三明市防汛信息化現狀，三明市沙溪數字孿生流域總體架構見圖1。

2.2? 建設內容及主要特點

沙溪數字孿生流域建設內容及主要特點如下：

（1） 補充傳統水利監測站網如水文站、水位計以及新型水利監測網如AI攝像頭等感知設備，實現對三明市內的防汛工作的全面支撐。建立了三明市內防洪相關基礎數據、監測數據、業務管理數據、地理空間數據以及其他跨行業共享數據在內的數據底板，形成防汛應急數據庫，實現各業務單位防汛數據資源整合，形成高效、精準、全面的預警信息，能夠有效地為防災減災與防汛應急工作提供數據支撐。

（2） 建立以模型引擎、知識引擎組成的模型平臺和知識平臺，形成三明市防汛應急指揮大腦中樞，上銜智慧業務系統，下接感知體系，為智慧防汛應急業務“承上啟下、智能協同、長效運行”提供核心驅動。建立防汛算法引擎、知識引擎、管理引擎，形成城市防汛模型與知識資源，提供適應不同防汛應急決策場景的智能構建手段，為防汛過程中預測預報、工程調度、模擬仿真、輔助決策等環節提供專業、科學、智慧分析服務，支持未來系統業務不斷迭代優化。

（3） 實現防洪業務應用。滿足工作人員、決策人員的多端協同，將防汛業務專業計算分析工作與政府領導會商分析決策工作高效分工、有效協同。面向三明市水利局、水文局、氣象局、城管局等單位的技術人員，針對三明防汛河道內洪水調度防御、城市內澇洪水調度、防汛應急調度等場景，提供覆蓋“降雨-產流-匯流-演進、總量-洪峰-過程-調度、流域-干流-支流-斷面”的模擬計算、分析評估模塊工具，快速開展預報方案、預警成果、調度方案、建議預案等相關內容的分析計算和方案發布，以供防汛會商決策。

（4） 實現以應急決策為目標的綜合決策指揮應用。面向三明市政府、水利局、應急局、城管局、自然資源局、水文中心等防汛會商領導層的決策指揮工作，提供三維決策場景分析與協作功能，集態勢數據展示、現場決策、執行指揮、效益評估功能為一體，實現“技術-料物-隊伍-組織”綜合管理，支撐保障防汛應急的科學決策、高效管理、精準執行。

3? 關鍵技術

3.1? 數據底板標準化

三明市防汛相關業務均由不同業務部門建設或者由部、省建設地市使用，圖2? 防汛對象標準化技術

這種模式使得三明市防汛需要的防汛數據出現數據孤島，在進行數據匯集與業務協同開發的過程中，各業務數據采用的接口結構多樣、數據格式不同，無法滿足高效查詢和協同作業的要求。

為滿足業務協同需要，防汛計算對象分為水庫、測站、堤防、管網等實體對象，以及河段、河道斷面、產流單元、預報區間等虛擬對象兩大類。根據計算對象標準定義節點編碼、節點名稱、節點類型等通用屬性以及各類型特有的特征值、特征曲線、約束條件、模型參數等與模型輸入對應的數據字段屬性，并與數據底板的數據完成對象的數字化映射。該方式避免了數據類型不同、數據庫不同、數據格式不同帶來的適配工作量問題，也保障了防汛業務流程在不同的管理單位之間形成串聯。防汛對象標準化技術見圖2。

3.2? 業務協同編排

需充分組合業務流程，實現三明市防汛應急決策的計算和分析。通過建立業務協同模型編排技術，實現面向不同場景、業務模型靈活配置和調用，滿足防汛決策場景靈活多變的業務協同和流程串接，實現模型動態接入、組裝和配置，形成虛擬流域與物理流域同步仿真運行，解決各專業之的業務“煙囪”［11］。

三明市防汛應急決策中的水文預報、防洪調度、風險評估、淹沒分析等多個業務協同一體，完整計算需要按一定順序調用多個模型。為了實現多模型、多任務的智能化協同，提出“配置-解析”的組合編排技術。為每個對象配置模型計算任務，并明確各模型的上下、干串并銜接關系、各對象模型數據的銜接來源；根據配置信息將各對象模型轉換為組合計算順序，完成跨業務的復雜模型組裝。

在編排對象、模型和水力聯系后，還需要一套能將多業務、多對象的模型轉換為計算流的流程引擎技術。流程引擎需要根據對象銜接關系和業務銜接關系，明確對象的計算順序、模型的計算順序、模型數據的銜接來源等內容，形成完整業務協同，實現業務計算，如圖3所示。

3.3? 視頻AI識別

當前的傳統水文感知設備雖然可以較為精準地監測到包括水位、流量、流速等信息，但是也存在局限性［12］。傳統水文站建設成本高，建設投入大，受限于成本，導致站點密度不足，無法完全覆蓋所有重點斷面。對于重要河段的堤防、排水口等工程的侵占、破壞、堵塞等情況，主要通過人工巡查的方式發現問題，然后再處理［13-15］。該方式存在較大的時效性問題，受限于人員成本和精力，很難做到實時精細化監控以及全天候監控。通過引入新型帶AI識別能力的攝像頭，對具有物理水尺的河道，可采用視頻AI識別來代替需要人工觀測的水尺，實時采集物理水尺的圖像；對于沒有物理水尺的河道，也可以通過視頻AI技術，對不同水位的圖像進行標定，實現水位的監測，見圖4。通過對水面圖像的識別，也能實時分析計算水面流速。視頻AI監測識別能彌補常規水文監測手段的不足，提高預警質量、充分發揮覆蓋廣、實時性強的優勢，及時掌握水位、流速等變化情況，在預警洪澇事故、避免人員和經濟損失等方面有著重要意義。

4? 基于防洪“四預”的業務實踐

整合水利、應急、氣象、水文、自然資源、城管等部門的水位、流量、雨量、地災、排水管網、視頻等監測（監控）數據，結合已建的省山洪災害預警系統、市河長制管理系統、防汛視頻監控系統、市時空大數據云平臺等，構建防洪“四預”應用。按照《水利業務“四預”基本技術要求（試行）》的指導思想，建設“信息共享、洪澇預報、風險預警、工程聯調、預案演練、應急決策”等業務協同功能板塊，使梯級水庫調度更精細、人員轉移更精準、預警預報更精確。

4.1? 信息共享

基于三明市防汛應急一張圖，針對防汛綜合決策全流程涉及到的防汛視頻監控、實時監測信息、預報預警信息、調度與災情動態預演信息、預案管理與決策信息、防汛應急指揮信息、防汛調度災后評估信息，借助數字孿生一張圖等進行直觀可視化表達，同時根據預設的告預警閾值指標，采用屏幕閃爍、聲音警報、手機短信等多方式對實況監測與預報信息進行在線動態告預警，為及時啟動調度預案決策、采取調度操作措施、評價調度執行效果等提供信息支撐服務。

通過系統建設實現了三明市內的防汛信息規范管理，建立了三明市沙溪數字孿生流域底板，打通市級防汛數據孤島，實現各業務單位防汛數據資源整合，形成高效、精準、全面的預警信息，為三明市防汛指揮部聯合調度提供決策數據支撐，提高了防汛管理和調度運用水平，實現跨層級、跨區域、跨部門的防汛應急信息資源互聯互通、信息共享、統一管理和業務協同，做到決策數據“一點更新、全網同步、即時共享”，為市水利局、自然資源局、應急局、城管局、氣象局、水文中心等部門提供數據共享服務，提升橫向決策數據共享能力，數據集成模式見圖5。

4.2? 洪澇預報

基于三明市水文預報方案，建立預報調度一體化預報體系，實現“降水-產流-匯流-演進”全過程展示交互，獲取預報流域洪水，為研判防洪形勢提供本底。結合預報對象、預報參數等要求，針對三明市流域范圍內不同預見期內降雨、水位、流量等水情信息進行預報，支持多套預報方案選擇功能、實時滾動預報、預報方案會商、預報方案精度評價、對外發布等功能，如圖6所示。

4.3? 風險預警

針對三明市影響范圍內主要防洪控制站，建立相應的洪水預警判別指標體系，提供防洪實況的可視化與告警，包括水位監視與告警、流量監視與告警、工情監視與告警以及視頻監控等。在此基礎上，結合流域預報信息，對三明市影響范圍內的防洪風險進行預警，根據各站點預報水情及工情狀態，計算重要河段、分區的防洪風險等級，并進行實時動態可視化展示。

針對以安砂水庫為核心的水庫群，基于流域防洪工程體系實時運用情況，計算分析包括水庫防洪庫容、削峰能力、水位變化幅度，以及在應對本次洪水后，剩余防洪庫容應對未來洪水的能力。針對永安、梅列等調度對象，根據預報數據對控制站水位、堤防超警超保情況總體形勢進行分析。分析關鍵堤段水位變化規律和風險變化情況，評估城區淹沒范圍，對城區的淹沒情況進行模擬。建立河段與區縣的防洪態勢關系知識圖譜，根據洪水預報結果，分析不同河段洪水預警對區縣的影響范圍。根據水庫流域面積，分析不同等級洪水對水庫下游的影響范圍，建立相關性，并在預報洪水的基礎上，根據洪水規模，對下游影響區域進行提前預警。

通過一張圖，決策者可以及時了解當前的防洪形勢及未來的防汛趨勢。以2022年6月沙溪流域洪水為例，通過綜合查詢，可以了解到洪水來臨之前的降雨信息，同時集成氣象預報數據，查看氣象云圖和臺風路徑，了解未來降雨趨勢。2022年6月14日04∶00，監測到安砂水庫入庫流量達到峰值5 696 m3/s，超過20 a一遇洪水標準。一方面，安砂水庫要控制水位不超過265 m防洪高水位，另一方面，下游區間來水過大，但沒有具備調蓄能力的工程，如果安砂水庫繼續加大下泄，三明市城區將直接面對安砂水庫出庫以及區間來水的疊加，突破河道現有過流能力。最終，安砂水庫按3 300 m3/s左右的流量進行下泄，水庫在6月14日14∶00達到最高水位265.27 m，突破防洪高水位，同時下游梅列站6月14日08∶30達到最高水位131.2 m，沙縣水文站6月

14日07∶30達到最大流量6 400 m3/s。三明市城區部分地區淹沒，但水位并沒有超過堤防，城區淹沒存在管網倒灌的現象。為更全面了解該場洪水的運行過程，通過系統工程調度功能，將安砂水庫出庫過程采用實際運行過程設置，按照庫容曲線及泄流能力曲線進行模擬計算水位變化，同時下游采用馬斯京根演進模型以及各站水位流量關系曲線計算各站實際流量和水位過程。可以算出，梅列水文站于6月14日09∶00達到最高水位131.45 m，基本符合實際發生情況，說明該系統可以為三明市城區的防汛模擬提供支撐。

4.4? 工程聯合調度

通過集成預報成果與流域防洪調度等邊界條件，設置不同防洪情景目標，構建了以重點水庫為核心，干流梯級電站、支流梯級電站以及三大流域內城區重點河段堤防組成的水工程聯合調度防汛預演體系。三明市防汛應急綜合指揮平臺完全面向實時調度，提供靈活且豐富的預演功能，包括工程調度參數配置、工程調度目標配置，對河道、堤防、水庫等調度節點進行水庫調洪模擬，并基于可視化模型，實現對洪水演進過程的仿真推演。基于調度節點目標調控，進行調度方案反演，并按照調度指標排序，優化推送水庫調度方案，調用調度規則知識庫及調度模型，完成任意調度方案一鍵式自動計算模擬。

進一步通過系統模擬調度功能計算安砂水庫不攔蓄情況下城區的風險。本次安砂水庫的入庫流量峰值介于20 a一遇到30 a一遇，安砂水庫不攔蓄過程下的城區淹沒如圖7所示。如果沒有安砂水庫的攔蓄，通過氣象降雨、水文預報、水庫調度、淹沒分析等業務協同，可以計算得出梅列水文站將在2022年6月14日08∶00達到最高水位134.21 m，最大流量8 350 m3/s，接近百年一遇，水位超過沿岸堤防，從三維場景中可以看到列東、列西、城關、龍崗等大面積淹沒，城市將處于癱瘓狀態。這也說明安砂水庫在本次洪水過程中為城區的安全發揮了作用。

同時，三明市防汛應急綜合指揮平臺也提供了以目標為導向的優化調度功能，可以分析安砂水庫的調度是否還有進一步優化的可能性。此時，按照三明市城區流量不超過5 000 m3/s作為約束條件，反向計算安砂的實時調度過程，可以得出，在已知3 d預見期的預報洪水基礎上，安砂水庫提前進行攔蓄，在達到防洪高水位后為保庫區安全才加大下泄，此時雖然三明市城區流量依然會超過5 000 m3/s，但是最高水位出現時間將向后推遲到2022年6月14日20∶00，并且迅速回落。總體調度成果與實際調度效果接近，說明安砂水庫在本次洪水過程中的調度方式是合理的。從以上成果可以分析出，本次洪水調度本身從能力上可提升的幅度不大，而防汛過程中的關鍵因素是預警，當前預報是由人工進行，如果提高預警效率，提高預報頻率，可使決策者了解到更全面的信息。平臺通過自動滾動預報，可以做到分鐘級預報，提高了預警的時效能力。

4.5? 預案演練

對于預演的調度方案，提供基于決策關注指標偏好的對比功能，以及基于詳細調度調控過程的對比功能，形成初步對比信息推送至決策指揮模塊。同時根據會商決策指揮過程中的需求，重新擬定業務方案的策略，對預演方案進行反饋優化調整。三明市防汛應急綜合指揮平臺還可以對設計洪水進行模擬分析，創建多套調度預案，對未來可能出現的洪水進行調度研判。例如，當預報沙溪將發生20 a一遇洪水（6 530 m3/s）時，為確保沙溪干流洪水不會淹至三明市城區，安砂水庫總出庫流量需控制在1 550 m3/s以下，防洪庫容1.66億m3，庫水位需預降到259 m以下運行。根據平臺測算，為預留下游區間流量裕度，安砂水庫按照1 500 m3/s進行預泄，可在預見期內達到目標起調水位。當預報沙溪將發生超過30 a一遇洪水（7 060 m3/s）時，無法控制沙溪干流的三明市城區-安砂水庫的區間洪水，安砂水庫洪水調節能力有限。為確保安砂水庫大壩安全，庫水位盡量降到253 m以下運行，以減輕三明市城區的淹沒程度，根據系統測算，為預留下游區間流量余度，安砂水庫即使按照敞泄方式進行預泄，也無法在預見期內達到目標起調水位。通過平臺對沙溪干流進行“預報、預警、預演、預案”的防洪調度一體化，最大限度提升水庫調蓄洪水能力，通過安砂水庫科學調度后，三明市主城區防汛預警提前了6 h。利用平臺的預演分析功能，可以結合預報成果，對各種不同頻率洪水進行實時調度模擬演練，多方案對比，優選最合適的調度方式，為批復的調度方案進行補充。

4.6? 應急決策

通過建立防汛應急一張圖和應急指揮模塊，打造以各種信息化手段、應急資源、“四預”決策服務、防汛應急數據為支撐，以點擊式調度、可視化指揮為手段，以一級指揮、多級響應為目標的扁平化、集成化、實戰化的防汛應急指揮業務，推動三明市防汛應急決策工作向精確化、智能化、全面化、扁平化方向積極發展，為三明市防汛應急救援工作的保駕護航，三明市應急救援指揮流程如圖8所示。

5? 結? 語

以防洪為核心的三明市沙溪數字孿生流域建設基本上實現了對歷史的復演、對實時的預演、對未來的預案，為實際防汛過程提高了預警效率，為工程實時調度提供了優化建議，最大限度減少災害影響，減少社會經濟損失，保障人民生命、財產安全。但由于現階段建設條件有限，目前的數字孿生流域建設框架還有待進一步完善。

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（編輯：江? 文）

Construction of Shaxi digital twin watershed in Sanming City with core of flood control

WU Yiyang

（Sanming City Embankment Service Center，Sanming 365000，China）

Abstract：

To strengthen and practice the real-time supervision efficiency，emergency response capacity，and safety assurance level，this article focused on Shaxi River Basin in Sanming City，Fujian Province and constructed four strategies for flood control，including prediction，early warning，rehearsal，and contingency plan.By improving the construction of the monitoring perception network and addressing the weak links of the Shaxi River Basin flood control perception network in Sanming City，hydrological，meteorological，and other monitoring equipment were appropriately added to improve the accuracy of meteorological forecasting and early warning.The construction of data resources was strengthened to integrate existing platforms and data resources，promoting inter-departmental data synchronisation，interoperability and sharing，and realising "one-screen flood measurement".The construction of key areas was carried out with Shaxi River Basin as the key construction area.A three-dimensional monitoring system covering the whole basin to achieve the integration of flood control scheduling，rapid information flow and support flood control emergency command.Practices showed that with the support of digital twin technology，the construction of Sanming City Flood Control Emergency Comprehensive Command Platform successfully improved the level of flood control management and scheduling application.Through scheduling rehearsals to analyze and make decisions，the flood warning in the main urban area of Sanming City was advanced by 6 hours，minimizing the influence of disasters and socio-economic losses，and achieving a good application results.

Key words：

digital twin watershed； flood control operation； data backplane； Shaxi River Basin； Sanming City