數字孿生技術在遼寧省水利信息化中的應用

劉 鑫，王梓林

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧沈陽 110000）

1 數字孿生與智慧水利

1.1 數字孿生技術原理與特點

數字孿生技術是一種基于計算機仿真技術的虛擬現實技術，通過構建數字模型來模擬真實世界中的系統、流程或設備。其本質是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。因此，作為一種超越現實的概念，數字孿生被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。該技術的核心在于建立數字模型，該模型需要具備以下幾個方面的特點：①完整性：數字模型需要完整地反映真實系統的各個方面，包括物理特性、功能特性和行為特性等；②準確性：數字模型需要準確地反映真實系統的狀態和行為，以便能夠進行有效的仿真和測試；③實時性：數字模型需要能夠實時更新，以反映真實系統的變化；④可視化：數字模型需要能夠以可視化的方式展示出來，方便用戶理解和操作。在水文學領域中，數字孿生技術也被廣泛應用于水文模擬、水資源管理和水災預警等方面。

1.2 基于數字孿生的智慧水利建設

智慧水利建設要求指利用先進的信息技術，實現對水利資源的智能化管理和優化利用，其目標是通過對水利信息的全面感知、智能分析和決策支持，提高水利資源的利用效率和管理水平，實現水利可持續發展。實現該目標的核心技術包括物聯網、大數據、人工智能、云計算等，通過這些技術手段，可以實現對水利信息的實時采集、傳輸、存儲和分析，為水利管理提供更加準確、全面的信息支持。而數字孿生是智慧水利建設的關鍵技術之一，可以融合工程建設期“人、機、料、法、環”數據，構建工程影響區域的數字底板，建設智慧化監管所需的模型平臺，構建工程建設預報、預警、預演、預案的“四預”智慧體。在智慧水利領域，數字孿生技術可以應用于流域水文模擬、水資源調度、洪水預警等方面，幫助水利管理者更好地了解流域內的水文過程，制定更加科學合理的水利政策和措施，提高水利資源的利用效率和效益。例如通過數字孿生技術來構建流域水文模型，實現對流域內水文過程的精細化模擬和預測，進而為水利管理和決策提供科學依據。

1.3 遼寧省智慧水利建設現狀、問題與發展趨勢

遼寧省水利信息化發展取得了顯著成果。在“十三五”期間，全省水利項目實施率達111%，工程建設項目單元工程質量優良率達70%以上。納入國家172項節水供水重大水利工程的8項工程全部開工，區域水資源配置格局進一步完善，美麗河湖三年行動計劃進一步推進，河湖面貌明顯改善。同時，遼寧省也在加強水利監管體系，運用現代科技手段，從注重事后監管向事前、事中、事后監督轉變，確保水利行業監管得到有效執行。

然而，存在的問題也不容忽視。盡管已經取得了一定成果，但是仍有一部分工程建設項目單元工程質量未能達到預期優良率。此外，智慧水利建設還需要進一步推進，包括應用云計算、物聯網、大數據、移動互聯網和人工智能等新一代信息技術，實現水利規劃、工程建設和管理運營全過程的智能化。

展望未來2025年，遼寧省計劃初步建成以水旱災害防御、水資源優化配置、河湖健康、農業農村水利、水治理現代化為支撐的智慧水利體系，實現涉水事務監管法治化、規范化、常態化、智慧化。主要指標包括：洪澇災害年均損失率控制在0.55%以下，干旱災害年均損失率控制在0.45%以下，5 級及以上重點江河堤防達標率達到75%，新增水庫總庫容6 億m3；用水總量控制在162億m3以內，農田灌溉水有效利用系數提高到0.593，水利工程新增年供水能力10 億m3，農村自來水普及率提高到88%；水土保持率達到78.61%，重點河湖基本生態流量達標率大于90%。

2 數字孿生技術的水利信息化應用分析

2.1 基于數字孿生的水利信息系統運維

①水壩監測：數字孿生技術可對水壩的結構、水位、流量等參數進行實時監測和分析。通過傳感器和物聯網技術，將水壩實際數據傳輸至數字孿生模型中；通過對數字孿生模型分析，及時發現水壩結構變形、滲流等潛在問題，并采取相應的維護措施，以確保水壩安全運行。

②水庫調度：數字孿生技術可對水庫水位、流量、水質等參數進行實時監測，通過對數字孿生模型的模擬和預測，制定科學合理的水庫調度方案，提高水庫利用效率和安全性。例如在洪水期間，可通過數字孿生模型預測洪水演進過程，提前采取措施，避免洪水對水庫和周邊地區造成的影響。

③洪水預測：數字孿生技術可以對洪水形成、發展和傳播過程進行模擬和預測。通過將地理信息系統（GIS）、氣象數據和數字孿生模型相結合，預測洪水水位、流量和演進路徑，提前發布預警信息，為決策者提供更加準確的決策依據，減少洪水對人民生命財產的威脅。

④水資源管理：數字孿生技術可以對水資源的分布、利用和需求進行實時監測和分析，通過模型模擬預測，規劃科學合理的水資源管理方案，提高水資源利用效率和可持續性。例如在水資源短缺地區，經數字孿生模型優化水資源配置，確保居民和農業用水需求。

⑤設備維護：通過將設備的實際數據傳輸到數字孿生模型中，可以對設備的運行狀態進行分析和預測，及時發現設備的故障和異常情況，采取相應的維護措施，提高設備的可靠性和壽命。

2.2 基于數字孿生的徑流量仿真模擬

①數字孿生平臺搭建：數字孿生平臺是數字孿生技術核心部分，其將真實世界地理空間數據、氣象數據、水文數據等多種數據源進行整合，通過數學模型和計算機程序進行模擬和分析。該平臺搭建需考慮到數據采集、處理、存儲和傳輸等技術問題。

②數字孿生模型設計：模型設計是數字孿生技術關鍵環節之一，其決定數字孿生系統的準確性和可靠性，設計過程需考慮流域地貌、水文地質、降雨、蒸發等多因素影響。

③徑流量模擬：通過建立數值模型來模擬流域內徑流量變化，從而預測未來徑流過程，模擬結果可幫助決策者制定科學的水資源管理和防洪措施。

④模型驗證和校準：通過實驗數據進行驗證和校準，夠幫助了解數字孿生模型的局限性和不足之處，進一步完善數字孿生模型。

2.3 基于數字孿生的水利工程設計

數字孿生在水利工程設計中的應用，主要是通過建立精確的數學模型和實時監測數據，實現對水利工程的模擬、分析和優化；進而幫助水利設計師更好地了解工程的水力特性，提高設計的準確性和效率。具體來說，數字孿生在水利工程設計中的應用主要包括以下幾個方面：

①建立精確的數學模型：通過對歷史水文數據分析和處理，建立能夠準確描述水利工程水力特性的數學模型，包括流體動力學模型、結構力學模型等。

②實時監測數據：通過安裝水位計、流量計等監測設備，實時收集水利工程運行數據，進而用于驗證和優化數學模型，提高模擬結果的準確性。

③模擬分析：利用建立的數學模型和實時監測數據，對水利工程的設計進行模擬分析。這可以幫助設計師提前發現潛在的問題，優化設計方案。

④優化決策：根據模擬結果，制定合理的水利工程設計方案，如調整閘門的開啟方式、改變渠道的形狀等，以提高工程的安全性和經濟性。

在南水北調東線工程中，為解決水資源短缺問題，需建設一條長達1 000 km的輸水渠道。為確保工程安全有效運行，水利部門利用數字孿生技術進行設計優化：首先收集過去幾十年的歷史水文數據，包括降雨量、蒸發量、地下水位等；然后，利用這些數據建立流體動力學模型，以描述渠道內水流變化規律；在渠道關鍵位置安裝水位計、流量計等監測設備，實時收集渠道的水位、流速等數據，用以驗證和優化流體動力學模型，提高模擬結果準確性；最后他們利用建立的模型和實時監測數據，對渠道設計進行了模擬分析。結果顯示，若按照現有設計方案，渠道在某些地段可能會出現嚴重淤積問題。因此，提出了一系列優化措施，如增加沖沙設施、改變渠道的形狀等，以期提高渠道的安全性和經濟性。

3 結論

在水利領域，數字孿生技術可以幫助我們更好地理解和管理水資源，提高水資源利用效率，降低洪澇災害風險。作為一種基于數字化建模、仿真和預測的技術，數字孿生它通過對物理世界的數字化映射和虛擬仿真，實現對物理世界的實時監測、分析和優化，為智慧水利提供了新的思路和方法。智慧水利的應用領域包括水資源管理、水環境監測、防洪抗旱、水利工程建設和管理等方面。通過智慧水利的應用，可以實現對水利資源的高效利用和管理，提高水利工程的安全性和可靠性，保障人民生命財產安全，促進經濟社會可持續。