數字孿生錢塘江流域建設及應用

周紅衛 程開宇 王淑英 白玨瑩 莫利明

摘要：錢塘江流域洪澇臺潮災害頻發，亟需通過數字孿生技術實現流域防洪統籌調度，提升水災害防御決策能力。首先分析了平臺總體設計思路，從基礎信息設施、數字孿生平臺、孿生場景3個維度重點分析數字孿生錢塘江流域建設方式。具體地，優化“天空地水”物聯感知網，迭代提升水利信息網，從數據底板、模型平臺、知識平臺方面加強流域級數字孿生平臺統籌構建；同時重點建設融合“預報、預警、預演、預案”四預過程的水災害防御孿生場景，實現孿生錢塘江和物理錢塘江的孿生共長、交互映射、協同聯動。對流域級數字孿生水災害防御平臺建設思路進行了總結，對其他數字孿生流域建設具有一定借鑒意義。

關 鍵 詞：數字孿生；“四預”體系；錢塘江流域；防洪減災

中圖法分類號：TV877

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.032

0 引 言

在氣候異常加劇背景下，中國洪澇災害呈現出頻率增加、影響范圍增大、災害影響程度加深的特征，洪澇災害嚴重威脅人民的生命安全和制約國民經濟發展^［1-2］。2022年，水利部部長李國英在全國水利工作會議上強調，要加快數字孿生流域建設，強化“預報、預警、預演、預案”四預功能^［3］。數字孿生流域逐漸被認為是防洪減災的重要工具，是智慧水利建設的關鍵和核心，基于數字孿生技術的數字孿生流域“四預”和部門多跨協同是水災害防御的重要舉措，包括雨水情實時監測、洪澇高精度預報、水災害高效預警、水工程調度多方案預演、最優調度方案制定、部門多跨協同搶險等。

隨著智能模型算法、高性能計算、先進可視化、仿真模擬、感知監測等技術的發展，數字孿生技術已經開始應用于航空航天、智能電網等眾多領域和方向^［4-5］。同樣，這些新型技術對于水利行業也是不可或缺的重要基礎。具有高時空特性的衛星遙感、無人機技術可以對多尺度下墊面信息、高精度三維地形進行監測，在數字孿生流域中的作用逐漸凸顯^［6-7］。BIM、傾斜攝影、聲吶、三維視頻融合等先進技術可為多尺度、多層級、動靜融合的數字孿生流域構建提供重要數據支撐^{［6，8-10］}。高性能計算、人工智能技術、知識圖譜、大數據分析是水利模型算法構建的重要工具，與傳統水利專業模型進行融合，可以為水利應用賦能^［11-12］。

國內外都在加大數字孿生技術在水利方面的應用力度，提升對氣候變化的適應能力，尤其在防洪減災、大壩安全、供水等領域^［13-14］。如，丹麥建立了100 m分辨率的水文信息模型，構建了數字孿生系統，提供5～10 d的水文預測。英國泰晤士水務公司搭建數字孿生供水管道模型，實時顯示管道的運行情況。美國西雅圖構建了數字孿生狄布羅大壩，利用人工智能算法自動識別裂縫和剝落區域。中國也在積極推進數字孿生建設。長江流域、松遼流域等都正在大力進行數字孿生流域防洪業務建設^［15-16］，深入研究流域地理空間要素二三維重建、水利模型快速計算、可視化表達等一系列關鍵技術。一級流域更側重于干支流重要水文斷面預報和梯級水工程聯合調度，相比之下，地處東部沿海的錢塘江流域人口及經濟要素聚集，除了需要具有流域級高精度洪水預報能力和洪水調度全面統籌能力，還強調預警對象和范圍更全面化、預演更真實化、應急響應更精細化，更關注韌性城市的建設與服務。其次，錢塘江河口洪水除受洪水流量影響外，還受到江道沖淤面貌、下游潮汐大小、江道主槽走向及長度等諸多因素控制，這對洪水預報精度的提升具有一定影響。再次，相比市縣級別數字孿生流域，錢塘江流域覆蓋多個市縣，其數據底板構建、數據匯聚治理、模型平臺統籌建設具有更大的難度。

因此，需充分利用遙感技術、物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術，構建水上水下、江河內外的流域三維空間模型，結合機理模型和數據驅動模型構建針對符合需求的防洪減災孿生場景，利用數字孿生技術實現孿生錢塘江和物理錢塘江的孿生共長、交互映射、協同聯動，實現精細化預報調度、科學化預案制定和高效化搶險救災，推動錢塘江流域防御洪潮體系和能力現代化。

1 平臺總體設計

1.1 需求分析

錢塘江流域是中國東南沿海獨流入海河流，流域內降雨時空分布不均，受梅雨洪水、臺風、涌潮等綜合影響，洪澇臺潮災害易發，且該區域人口及經濟要素聚集，災害影響范圍大，流域防洪涉及上下游、左右岸、干支流，防洪管理面廣、內容多、任務重、協同要求高^［17-18］。錢塘江流域對洪水預報精度、應急響應速度、搶險救災效率提出了更高的要求，需要進行更精細化的預報、預警、預演、預案。當前的預報水位僅針對干流重要水文斷面，無法反映預報水位與沿江堤防、圍片及臨河建筑的沿程關系。缺少對沿江水閘、道口、排澇站、低標準圍片及防洪薄弱點的及時預警，無法準確實現可能淹沒范圍內點對點預警。未充分利用BIM、實景三維技術對現狀防洪風險進行模擬還原研判，三維視頻融合、遙感等新技術的應用還不夠充分。

在數字孿生時代，需以物理流域為單元、時空數據為底座、水利模型為核心、水利知識為驅動，實現數字孿生流域和物理流域的孿生共長、交互映射、協同聯動，促進智慧水利建設^［19-20］。因此，需充分結合錢塘江流域防洪減災數字化平臺已有成果，開展數字孿生錢塘江流域建設，在重點防洪地區強化防洪防潮“四預”孿生場景應用，推動錢塘江流域防御洪水體系和能力現代化。“四預”是數字孿生流域的核心，需優化構建覆蓋“降水-產流-匯流-演進”全過程的高精度、長預見期的預報模型，加強防洪風險研判，促進預警信息直達一線；擴展模擬計算和動態仿真功能，并實現可視化展示，預演成果輔助決策，輔助預案制定；集成各類防洪方案、調度規則和專家經驗等，擴展方案自動生成、場景化業務自動預案提取、多方案比選等功能。

1.2 總體架構

以錢塘江流域防洪減災數字化平臺為基礎，打造數字孿生錢塘江流域，建設具有“四預”全過程的多跨場景應用。結合數字化改革已有成果，共享集成各相關業務部門數據，迭代建設1套基礎信息設施、1個數字孿生流域與2+N個智慧應用（圖1），本文重點闡述流域防洪孿生應用建設，分析數字孿生錢塘江建設思路。

1.3 功能架構

針對錢塘江水利防洪業務需求，從歷史回溯、實時汛情、未來汛情3個時間維度分別構建融合“四預”過程的防洪孿生場景，服務于汛前、汛中、汛后全過程洪澇風險分析、調度決策支持等智慧化應用（圖2）。

2 信息化基礎設施優化

流域范圍內水雨情感知監測體系較為完善，基本能滿足數字孿生錢塘江建設需求，監測數據可通過浙江省水利數據倉獲取，但在排澇站設備運行監視、堤防安全監測等方面的自動化和信息化程度還亟需提升。目前，還需圍繞數字孿生流域支撐水利智能業務應用的需求，依托“水利數字化發展十四五規劃”“水文事業發展十四五規劃”及浙江省水文“5+1”提升工程推進水利感知網建設、優化站點布局、信息采集提檔升級，為數字孿生流域的高保真建設運行提供基礎算據。水利信息網承載著錢塘江流域中心數字孿生平臺與各水利工程的工程管理、水文水資源管理等信息的共享交換，在接入已有信息化平臺的水利數據基礎上，優化建設水利業務網和水利工控網，并實現水利數據持續更新。

3 數字孿生平臺設計

3.1 數據底板

從數據資源池、數據模型、數據治理、數據服務四大部分入手提升錢塘江數據底板建設能力與水平。利用擬建的錢塘江數字孿生數據底板串聯基礎數據、監測數據、業務數據、地理空間數據等各方數據資源，借助浙江省一體化數字資源系統（Integrated Resources System，簡稱IRS）獲取跨行業數據，并重點補充遙感數據、傾斜攝影數據、BIM模型、水下地形等，形成多尺度二三維基礎空間模型，構建錢塘江特有的數據資源池。制定統一數據模型，并利用錢塘江數據引擎進行數據全面治理，形成標準統一、接口共享、格式統一的錢塘江數據中臺，共享水利數據并服務于流域內水利部門。

錢塘江數據底板由流域管理機構和流域內水利部門共建共享，需要對錢塘江流域統一建設、統一部署、統一應用（圖3）。以蘭溪節點為例，蘭溪節點數據底板是錢塘江數據底板的組成部分。因此，建立蘭溪節點數據倉和錢塘江流域級數據倉之間的數據交換，形成流域級數據中臺、各級別數據倉、跨行業數據資源的共享，從而形成具有共享互通和資源集約利用特點的錢塘江數據底板。

3.2 模型平臺

模型平臺是數字孿生流域智能中心的核心計算中樞，是孿生流域的重要驅動，針對不同的模型設計不同的建設模式，從水利專業模型、智能模型、可視化模型和數字模擬仿真引擎4個方面構建具有流域特點、符合流域現狀的模型平臺。

錢塘江流域范圍大、基底條件復雜，本次所建模型平臺增加了流域內在線實時預報的水利模型數量，已構建5套水利專業模型，分別為流域中上游預報調度一體化模型、流域干流重點防洪區域蘭溪流域洪水預報模型、流域下游河口干流防洪模型、河口防潮模型、流域支流分水江模型。通過模型平臺制定了數據接口標準，實現了流域內各大模型的相互打通，可以互相提供水利模型邊界，便于結果數據的統一展示和共享。流域內模型的結果統一存儲在模型平臺上，下游的模型可以通過模型平臺接入上游模型的結果作為模型邊界，支流的模型也可以通過模型平臺讀取干流模型的結果作為模型邊界。另外，此模型平臺均采用了國產化水利模型，符合國家信創要求。模型平臺的建設可為今后擴展多模型建設提供平臺，未來可接入國內外眾多機構建設的多套模型，并在同一個平臺上展示，從而將不同機構的模型優勢進行整合。

智能模型主要包括視頻識別模型、遙感識別模型，由流域機構統一建設，為流域內單位提供模型服務、數據服務等基本能力。基于衛星遙感影像、無人機影像，結合深度學習技術，構建水域智能識別模型，在流域范圍提供基本服務支撐。通過接入流域范圍內地市的視頻資源，對各類信息進行調查、收集、標注和處理，為視頻識別模型提供強有力的數據基礎，實現對視頻場景中的特定目標和特定行為進行識別和分析。

可視化模型構建了自然背景、動態數字流場、高精水利工程等可視化模型，服務于數字孿生場景的可視化表達，滿足“四預”場景模擬仿真要求^［12］。

3.3 知識平臺

流域內單位共建共享錢塘江知識平臺，在共享省水利廳以及其他流域管理機構等部門相關知識庫的基礎上，匯集應急調度方案、歷史預報方案、歷史場景模擬調度方案等大量的歷史知識和經驗，對水利對象關聯關系、業務規則庫、歷史場景庫、專家經驗庫和預報調度方案庫進行關系抽取、管理和組合，構建錢塘江流域水利知識庫，形成數字孿生錢塘江的智能內核，將規則調度提升為優化調度，服務于全流域水工程聯合智慧調度，并結合知識圖譜、FAQ、表格、數據庫等方式，構建了錢塘江流域知識庫，形成塘仔機器人和智詢錢塘江搜索門戶。

4 水災害防御場景設計

4.1 歷史回溯

基于錢塘江二三維水上水下數據底板，在孿生場景中融合歷史降雨、水情、工情等，對歷史洪水場景、水工程調度進行仿真模擬，實現災情動態分析、多部門協同搶險等，服務于虛擬環境中的歷史洪水復盤，為實時汛情和未來汛情提供經驗基礎。

4.1.1 歷史洪水演算

針對錢塘江流域歷史洪水、歷史臺風強降雨事件，歸集整理降雨、水位、流量、淹沒范圍等過程數據，利用流域級二三維場景，結合流域洪水預報計算方案，進行洪水演進仿真模擬，以及對洪水過閘、擋潮、閘門啟閉等進行仿真模擬，實現場景環繞瀏覽。也可通過BIM模型進行工程內部情景的孿生聯動展現，針對干流上下游水位、排水場景等進行仿真模擬，實現洪水歷史回溯。

4.1.2 歷史調度仿真模擬

通過選擇時間節點來查看歷史水工程調度過程中各項監測數據、水工程開度狀態，實現數據與二三維模型相結合。在流域尺度中，系統提供工程運行調度時間軸的顯示，按照工程運行調度過程的順序播放，并且水位、流量、工情等數據按照不同顏色示意，同時超預警時以醒目顏色與動畫閃爍表示。針對局部河段實現三維洪水演進和仿真模擬，讓觀察者更真實地感受水工程調度過程中河道水位與堤防高程之間的差異以及洪水體量和洪峰過程。

4.1.3 歷史災情分析

利用三維仿真模型、水文水動力模型、洪水淹沒模型等，實現歷史洪水淹沒情況的可視化模擬，直觀展現不同工況組合下的整個洪水過程，模擬河道和重點閘泵的水位、流量以及沿岸淹沒范圍的演進動態，對比分析不同調度方案的洪水淹沒情況差異和演進過程差異。利用光學遙感、微波遙感等多源遙感信息，將基于遙感智能識別、多時相影像變化監測等技術的洪澇災害分析結果與基于水文水動力模型的模擬結果進行對比，實現對歷史洪水的綜合分析，為同量級洪水及臺風防御提供決策依據。

4.1.4 歷史工程防洪分析

通過歷史洪澇計算復盤，自動統計淹沒區域、漫溢堤防等信息，存儲相關對象的歷史洪澇場次、上游降雨時空分布、工程調度過程及淹沒區域和出險堤段的歷史情況，在系統中實現多場次歷史洪水中薄弱工程的洪澇影響特征指標對比分析，找出洪澇防治中較為薄弱的環節，為后期水利工程治理、修建提供分析輔助。

4.1.5 搶修救災回溯

根據知識平臺中水利工程險情處置數字化預案庫，結合歷史判別的險情，對比分析歷史險情處置預案。針對新發生的洪災，將險情應急處置、物資調運信息、工程運行情況、人員轉移情況等信息更新反饋到系統平臺中，形成持續迭代的歷史搶修知識庫，為災害防御提供豐富的知識基礎。

4.2 實時汛情

通過數字孿生數據底板，在三維場景中真實地展示當前狀態下流域內的實時汛情，包括實時降雨、實時水情、實時工情等。根據各項預案的分工，結合短信發送、語音電話、系統數據共享等方式，向各責任單位發出實時預警或提示，并獲取各責任單位預案措施落實情況。

4.2.1 降雨態勢

利用粒子系統在三維場景模擬不同區劃實時降雨態勢，更身臨其境、直觀地感受降雨強度。統計區劃維度（子流域、庫區、市縣鄉鎮）、時間維度（近1，3，6，24 h等）的站點降雨量和面雨量值，并將降雨量值轉換成孿生場景中真實的降雨可視化表達。利用三維視頻融合技術，實現真實三維雨情的查看分析，同時利用點尺度的降雨信息對面尺度的降雨虛擬可視化信息進行校正。另外，還可以設定報警閾值，利用燈光閃爍等可視化效果表達實時降雨超警信息、山洪重點村落預警信息、實時內澇點位置。

4.2.2 水情態勢

在孿生場景中融合流域內水庫、河道、城區低洼地的實時水情數據，利用渲染技術和可視化技術，在地圖上對超警超保證河段、超汛限水庫以不同顏色告警，對水面進行三維可視化渲染，以及利用實時視頻與三維底板的融合技術，實現水情、險情態勢全面監測。分析一段時間內水庫已泄流總量，重點關注當前時段超汛限水庫、超警超保河道站、泄（溢）洪流量超下游河道行洪能力的水庫；計算水庫實時的可納蓄能力，根據氣象預報和實時降雨提出水庫預泄方案。

4.2.3 工情態勢

采集堤防工程、閘泵站、水庫自身的實時安全監測數據、實時視頻監控數據。將堤防、水庫BIM模型與安全穩定模型的實時計算結果相融合，分析當前堤防、水庫、閘泵站的安全穩定狀態，對比預設的安全穩定限制指標，判斷堤防、水庫、閘泵站的健康狀態。結合基于干涉雷達的遙感監測技術，對薄弱點位進行提取，實現風險點位的預判，并利用AI視頻對薄弱點位進行不定期監測以及對裂縫、損壞狀態實現AI識別。

4.3 未來汛情

基于錢塘江數據底板，在孿生場景中融合歷史降雨、水情、工情等，融合“四預”體系，實現未來汛情的虛擬仿真模擬，模擬水工程聯合調度效果，對未來災情進行預判，以便提前采取措施減輕災害后果。

4.3.1 降雨預報

降水預報模塊以氣象局降雨數值預報分析的成果為數據源，統計分析區劃維度（市縣鄉鎮）、子流域維度、時間維度（未來1，3，6，12 h和1，2，3 d）、對象維度（水庫、圍片）等不同維度的降雨量，并采用與實時汛情中的降雨態勢場景相同的可視化表達效果。以及根據不同預報值，對比設定的降雨量閾值，推送水庫納蓄、城市內澇、山洪災害等降雨風險點，利用燈光閃爍等可視化效果在三維場景中表達可視化效果。還可以結合知識庫和機器學習方法進行相似降雨場景挖掘，提前進行風險預判、預案分析。

4.3.2 預報調度一體化

針對流域和河段特點，在二三維孿生場景中，建設洪水預報調度一體化模塊。按照水利部關于國產信創的要求，錢塘江流域模型全面實現國產化。流域中上游預報調度一體化模型采用國產化模型云計算引擎，保證了防汛工作的信息和技術安全。同時針對流域干流重點防洪區域，蘭溪節點模型優化細化原有模型的邊界條件，實現精細化預報調度，同時將水利模型和管網模型相結合，并將預報成果與三維底板進行深度融合。蘭溪洪水主要由梅雨和臺風造成，洪水調度必須充分考慮衢州、金華來水的疊加和錯峰，以及顧及下游富春江水庫水位頂托作用，統籌流域與區域、防洪與排澇、上游與下游的關系。當流域發生設計標準內洪水時，確保干流及主要支流堤防安全，最大程度減輕主城區內澇災害；遇超標準洪水時，重點保護主城區和重要基礎設施安全。通過蘭溪市主要代表站洪水的精細化預報和預報調度一體化算法，實現各類調度場景下蘭溪范圍內防洪排澇工程（蘭溪市5座中型水庫、蘭溪重點圍片滾水堰、沿江排澇閘泵工程及姚家樞紐）的調度，以及實現對某場次洪水多目標多方案的計算比較優選，分析不同調度工況下洪水下泄量、削峰等信息。

4.3.3 城市內澇預報場景

結合多引擎三維場景渲染技術，實時渲染地表高程、地面附著物、水利工程三維模型。利用排水片區的排澇工程布置以及排水泵站、排水閘門的啟用規則設置，用內河和外江預報方案的水位過程作為模型內邊界，結合實時監測和預報方案的降雨情況等數據，計算排水片區的內澇淹沒過程。在二三維場景中按照時間序列動態模擬片區內淹沒演變過程，結合自然資源部門的道路、重點設施、地下空間、危化企業、農田等下墊面數據，分析淹沒影響范圍、淹沒歷時、內澇深度，為水利、應急等部門協同防汛提供輔助。

4.3.4 海塘防潮

錢塘江分布有眾多海塘。在遭遇臺風暴潮的情況下，通過風暴潮預報模型、臺風浪預報模型、越浪量計算模型的實時計算，在三維場景中進行模擬仿真，真實感受風暴潮的影響范圍和程度。還可分析海塘存在的風險點清單，結合預案的分工，向相關水工程管理單位、沿江市縣政府提出預警，掌握各責任單位措施落實情況。

5 應用實效

數字孿生錢塘江按照“整體規劃、重點先行、逐步突破”的原則進行建設，建立了跨部門協同的信息共享、預警發布、人員轉移等聯動機制，打通防洪各相關部門信息數據，重塑防洪智能化處置流程，構建科學化風險研判，全面提升錢塘江流域防御和智慧調度能力。以蘭溪節點為例，2022年在實戰抵御“6·21”蘭溪超保洪水過程中，通過滾動預報洪峰水位，進行了48次自動洪水預報、6次人工干預預報，最終實現6 h預報的水位與最終洪峰僅具有5 cm差距；及時通過浙政釘數字蘭江模塊向蘭溪市防指推送Ⅳ級應急響應的啟動通知及行動建議；累計發送水庫超汛限短信70條次，提醒水務局及鄉鎮相關責任人及時放水；發送排澇站預警短信11條次，提醒相關機手及時關閉水閘，做好排澇站起排。

6 結 語

水災害防御需求的增長和數字經濟的蓬勃發展，對傳統領域的數字化能力和治理能力提出了更高要求，數字孿生技術的發展對流域級洪水防御的能力提升帶來了新的契機。因此，為了從流域級統籌建設一體化防洪孿生應用，提高錢塘江防洪減災決策支持能力、數據共享和業務協同能力、防洪調度決策響應速度、洪水預報調度精準度，本文從流域級總體設計以及基礎信息設施優化、數字孿生平臺設計和水災害防御場景設計3個方面分析了數字孿生錢塘江流域的建設思路，為數字孿生錢塘江流域和物理錢塘江流域的孿生共長、交互映射、協同聯動提供了基本思路。通過前期數字孿生流域先行先試建設，目前已初見應用成效。未來應推廣復制試點成果，編制試點深化建設方案，以數字孿生錢塘江試點成果為基礎，耦合數字孿生浙東水網、流域內數字孿生工程成果，迭代優化相關業務應用，形成更為實用、管用、高效的錢塘江數字孿生流域。

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（編輯：鄭 毅）

Construction and application of digital twin of Qiantang River Basin

ZHOU Hongwei¹，CHENG Kaiyu²，WANG Shuying³，BAI Jueying²，MO Liming⁴

（1.Zhejiang Qiantang River Basin Center，Hangzhou 310020，China；2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311100，China；3.Zhejiang Hydrological Management Center，Hangzhou 310009，China；4.Reconnaissance and Design Institute，Qiantang River Administration of Zhejiang，Hangzhou 310016，China）

Abstract：Flood and tidal disasters frequently impact the Qiantang River Basin，so it is urgent to build a digital twin basin using advanced technology，which would facilitate comprehensive flood management within the basin and enhance the decision-making capabilities for flood disaster prevention.Initially，we present an analysis of the overarching design concepts of the proposed platform.Subsequently，the focus shifts to an in-depth analysis of the construction methodology for the digital twin Qiantang River Basin.This analysis is structured around three dimensions of foundational information infrastructures，the digital twin platform，and the twin scene.Specifically，there is a need to optimize the monitoring network，iteratively enhance the information network about water conservancy，and bolster the overall construction of the basin-level digital twin platform.This should be done from the viewpoint of the data baseboard，model platform，and knowledge platform，with an emphasis on constructing an integrated water disaster prevention system that incorporates “four presets” processes.The digital twin and the physical Qiantang River are expected to live as twin，map mutually and link synchronously.This paper provides a comprehensive analysis of the construction concepts for a basin-level digital twin water disaster prevention platform，offering valuable insights that may inform the development of other digital twin basins.

Key words：digital twin；“four presets” system；Qiantang River Basin；flood control and disaster mitigation