奎屯河引水工程數字孿生防洪“四預”系統研究

中圖分類號：TV61；TP31文獻標志碼：A

0 引言

自2001年水利部提出“以水利信息化帶動水利現代化”的發展思路以來，我國水利信息化得到了快速發展。智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展的重要實施路徑，加快構建具有“四預”（預報、預警、預演、預案）功能的智慧水利體系是核心方向[1]。2022年3月，水利部出臺《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》等系列文件，明確提出數字孿生流域和數字孿生水利工程建設是水利高質量發展的核心標志，強調其對提升水利決策科學化、精準化、高效化的關鍵作用。在此背景下，國內主要流域已開展系統性探索：長江流域構建全流域數字李生平臺，通過多源數據融合實現洪水動態演進與調度模擬一體化；珠江流域發布《珠江三角洲數字孿生防洪平臺建設技術導則》[2]，首次規范平臺架構設計與場景模擬技術；錢塘江流域建立決策支持系統，融合雷達降水預報與二維水動力模型以應對潮汐－洪水復合災害[3-4]；黃河流域在小浪底水利樞紐構建數字孿生系統，優化水庫聯合調度策略[5-6；淮河流域建設淮河智慧防汛系統，開展數字孿生試點建設工作[7-8]。奎屯河流域作為多水源補給區，亟需結合區域水文特征與災害類型（如山洪、渠系潰毀），構建具有區域特性的數字孿生防洪體系。

奎屯河引水工程是奎屯河干流的控制性工程，以供水、灌溉為主，兼顧防洪、發電等綜合利用功能?？秃恿饔虻靥?83^°22^′E-85^°47^′E.43^°30^′N- 47^°04^′N， ，主要包括獨山子區、奎屯市、新疆生產建設兵團第七師的9個團場、烏蘇市以及所屬的鄉（鎮、場），是新疆重要的輕工業基地、物流中心、農業現代化示范區[9，是新疆天山北坡經濟帶的重要組成部分，是北疆具有代表性的流域之一[10]。奎屯河屬于多水源補給的山溪性河流，徑流的年際變化主要受氣溫和降水的影響[]，奎屯河徑流的補給主要依靠冰川融水和降雨，其次是地下水[12]。歷史上奎屯河流域曾多次發生嚴重洪災（近50a共發生7次，平均約7.1a一遇），導致河道渠系嚴重損毀。奎屯河引水工程自建成50多年來渠道共被沖毀400余次，給當地經濟發展和社會穩定帶來很大影響。

在新形勢下，開展奎屯河引水工程數字孿生防洪“四預”系統建設是響應國家開展智慧水利建設的需要，是提高工程防洪、保障供水能力的迫切需要，可為奎屯河引水工程管理部門提供技術支撐。

1建設目標

通過分析奎屯河水文特性與水利工程防洪“四預”功能需要，參考水利部《智慧水利建設頂層設計》《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》等規范性文件，在數字孿生數據三維可視化底板的基礎上，通過接入氣象預報中降水與溫度數據，構建適用于奎屯河引水工程的水文預報調度模型與水動力模型，形成集“物聯感知-實景建模-預報調度-洪水預演-預案管理”于一體的數字孿生防洪“四預”技術體系，為工程實時洪水預報預警與防洪調度提供技術支撐，增強工程防洪應對能力，提高應急響應效率，保障建設工程運行安全。

2 總體框架設計及實現

2.1 總體框架設計

參考水利部上述規范性文件，結合奎屯河引水工程管理的實際需求，構建集成信息化基礎設施、數字孿生平臺、防洪“四預”業務應用的管理系統，系統總體架構如圖1所示。

業務 洪水預報 防洪預警應用 模擬預演 防洪預案模型平 水利專業模型 可視化模型融雪徑流模型 調度模型 11 自然背景可視化 流場動態可視化數字 臺 水動力學模型 水動力學模型 水利工程可視化 機電設備可視化網絡安全體系 子孿生 數 數據務 E 數據服務平臺 運行保障體系平 據底板 數據 數據安全 數據血緣 數據質量 數據開發治理臺板 數據 基礎 監測 業務 地理空 共享匯聚 數據 數據 數據 間數據 數據信息 本地網絡資源 補充計算與存儲資源基礎設施 水雨情監測 工程安全監測視頻監控 氣象預報奎屯河樞紐工程 引水發電工程 渠道工程引水工程已建 I 新建

2.1.1 信息化基礎設施

充分利用現階段奎屯河流域水利監測感知體系，獲取水雨情監測、工程安全監測、視頻監控等站點數據，補充接入氣象預報數據，基本形成奎屯河引水工程一體化動態感知監測體系。

2.1.2數字孿生平臺

2. 1.2.1 數據底板

通過集成已有的基礎數據、監測數據、業務管理數據，共享流域內相關部門的監測數據，采用無人機及衛星遙感影像補充地理空間數據，按照數字孿生工程建設需求，集成流域多源異構數據，按照“匯集-治理－服務”流程進行數據管理，從而構建集多維多時空尺度為一體的奎屯河流域數據底板。

2.1.2.2 模型平臺

構建模型平臺，研制開發具有奎屯河流域特色的水利專業模型，支撐防洪“四預”業務應用；基于數字模擬仿真引擎開展可視化模型建模，實現BIM+GIS+UE的三維可視化場景模型建設。

2.1.2.3 業務應用

建設奎屯河引水工程防洪“四預”業務應用，構建“四預”體系，實現洪水精準化智能預報及水利工程的防洪精細化調度。

2.1.2.4標準規范保障體系

數字孿生標準規范體系包含水利工程所涉及的數據標準、平臺標準、服務標準、部署標準、集成標準以及安全標準。

2.1.2.5網信安全保障體系

主要包括安全物理環境、安全通信網絡、安全區域邊界、安全計算環境以及安全管理中心等。

2.2 技術實現

系統整體采用C/S架構，基于游戲引擎UE4（UnrealEngine）實現數字孿生系統整體框架的構建。三維可視化場景采用UE游戲引擎與GIS引擎融合的方式實現了宏觀、中觀、微觀三維場景呈現與交互；前端基礎框架采用Vue3技術，前端UI規范采用ant-design-vue-pro技術；后端基礎環境采用Java+JDK8+Maven體系架構進行業務邏輯和算法實現；微服務框架使用SpringCloudAlibaba搭建。數據庫采用MySQL實現不同屬性數據的存儲與管理，由此構建數字孿生驅動的奎屯河流域平臺，并基于HTTP協議實現各類模型的數據交換和系統的業務集成。

3 關鍵技術

聚焦奎屯河流域防洪減災重大需求面臨的“四預”問題，通過開展基于數據驅動的GIS+BIM+UE三維數字化場景構建技術研究，研發基于區域特性的防洪精細化數學模型，建立數字孿生奎屯河引水工程防洪“四預”平臺，總體研究思路如圖2所示。

基于遙感影像、無人機傾斜攝影、BIM建模、地理空間信息、水利專業模型輸出結果等各類數據，開展包括自然背景、流場動態、洪水演進、工程建筑物、防洪“四預”過程等方面的模型建設，實現三維數字化宏觀、中觀、微觀場景的展示。

為準確模擬和映射物理世界，基于GIS引擎與UE引擎融合，匯聚流域整體的遙感影像數據與地理空間數據，實現工程所在流域的大場景呈現，展示工程所在流域信息。

基于UE引擎，實現傾斜攝影數據與BIM模型數據融合，呈現工程整體、將軍廟水利樞紐區及下引水發電工程區3個工程級場景，展示工程大壩壩段、工程細節、拓撲關系等微觀場景。

開展水利樞紐壩段、聯合進水塔輸水細節、引水隧洞、梯級電站內部結構等BIM細節模型的構建，實現工程整體、工程細節場景呈現。

采用UE引擎技術，在可視化場景模型基礎上，基于水利專業模型輸出結果，驅動三維場景中關鍵斷面的水位漲落、河道洪水的演進、重點區域的淹沒分析，實現“四預”業務數據結果與數字孿生三維場景之間的交互反饋，構建防洪“四預”專題場景。

3.2基于區域特性的防洪精細化數學模型

圍繞工程防汛安全業務需求，基于奎屯河流域暴雨融雪混合型洪水的區域特性，針對奎屯河流域暴雨與融雪時空異質性強的特點，構建具有奎屯河流域特色的暴雨－融雪復合徑流模型及一維河道水動力模型，研究具有奎屯河區域特色的“降水（融雪）-產流-匯流－演進”全過程模擬的防洪調度模型，支撐奎屯河引水工程防洪需要。

首先，動態區分暴雨洪水與融雪洪水貢獻。奎屯河暴雨集中于7一8月份，融雪期從4月份開始，設置季節性參數閾值，分離短時暴雨與長期降水，采用分時段權重法計算暴雨貢獻率。

其次，模擬降水－融雪交替驅動下的徑流過程，空間分層處理上，高海拔積雪區（融雪主導）采用網格化分布式模型，低海拔山區（暴雨疊加）簡化為集總式模型；時間尺度上，以日為單位同步更新融雪量與暴雨徑流量，通過滑動窗口（7d）融合兩種水源的動態貢獻；并引人當地氣象站實測數據校準融雪速率。

最后，基于歷史洪水調查數據反演模型參數，優化全局敏感性參數（如產流系數、河道糙率等）。

4 業務功能設計

4.1 洪水預報

洪水預報功能包含預報方案構建、預報方案管理配置、降雪降雨預報導入、預報制作及發布等模塊。充分考慮奎屯河流域自然地理特性，選用適用的融雪徑流模型，確定洪水預報方案，預報節點包括干支流河道站點、將軍廟等重要大中型水庫及相關重要控制斷面。通過拖拽圖標、線條等直觀快速構建覆蓋將軍廟等重點水利工程和控制斷面的預報體系，并實現連續演算。根據水雨雪情實況，結合氣象降雨降雪預報，考慮水庫運行調度方式，采用融雪徑流模型對預報斷面短期內的水位流量過程進行預測，重點關注洪水過程、洪峰水位、洪峰流量，實現智能化洪水預報。洪水預報結果如圖3所示。

圖3數字孿生奎屯河引水工程洪水預報功能界面

4.2 防洪預警

制定奎屯河引水工程水災害風險指標和閾值，完善洪水災害預警發布機制。基于實時監測水雨情和洪水預報成果數據，根據防洪預警指標閾值，實現防洪風險影響和薄弱環節判別、風險防控目標識別等功能。根據預警等級，通過適宜的預警程序和方式，及時向可能受影響的相關部門和地區發布預警，提醒提前做好避險防范。建立基于風險矩陣的動態預警機制，實現預警信息與三維場景的聯動展示，重點進行洪水情勢預警、大壩泄洪預警等?；跀底謱\生平臺，將上述分析成果和預警信息（如圖4所示）以不同表現方式在三維數字場景展現。

圖4數字孿生奎屯河引水工程防洪預警功能界面

4.3 防洪預演

結合將軍廟水庫的水文預報信息，設定不同情景目標，基于將軍廟水庫防洪調度規則，利用防洪水利專業模型，對不同調度方案進行模擬計算，正向預演出風險形勢、綜合效益和影響，逆向推演出工程安全運行限制條件，及時發現問題，逐步迭代優化，制定和優化調度方案，實現“預演數字化”的要求。

庫區洪水演進模擬預演。調用將軍廟庫區一維洪水演進模型，模擬計算庫區的洪水演進過程（見圖5），在三維場景中動態展示庫區水面線變化過程。

圖5數字孿生奎屯河引水工程防洪預演功能界面

壩下游河道洪水演進模擬預演。調用將軍廟壩下游洪水演進模型，模擬計算壩下游河道的洪水傳播過程和典型防護對象的流量和水位過程；在三維場景中，動態展示河道沿程縱向水面線、平面水邊線的變化過程，顯示與河道沿河典型防護對象等各類地物的相對位置關系。

典型防護對象洪水淹沒模擬預演。選取水庫運行防護對象附近的典型河段，采用二維水動力學模型，動態模擬大洪水條件下河道行洪復雜水流運動過程，實現了洪水漫堤、城鎮淹沒、滯洪退水的全過程仿真，實時展示河道水位流量、淹沒范圍等信息，并自動識別易淹積水點位，為城鎮淹沒情勢和洪災損失評估提供支撐。

4.4 防洪預案

依據模擬預演推薦的方案集，結合實時汛情信息，考慮奎屯河工程的最新工況、經濟社會情況，通過會商決策，生成具有操作性的防洪預案。主要功能包括：確定奎屯河工程的調度運用方式，制定非工程措施，提出組織實施方案等。建立合理的防洪預案啟用預警機制，如圖6所示，當達到或將要達到不同級別的預案啟用條件時，通過系統發出預案的啟用提醒，生成防洪預案的報告供研究決策。

圖6數字孿生奎屯河引水工程防洪預案功能界面

5 結束語

通過開展奎屯河引水工程防洪“四預”關鍵技術研究，初步搭建奎屯河引水工程數字孿生平臺，構建了適配奎屯河流域的精細化防洪調度模型，聚焦流域防洪“四預”業務應用，實現流域防洪的“預報精準化、預警超前化、預演數字化、預案科學化”，不斷提升奎屯河流域防洪調度水平及工程管理能力，為新發展階段奎屯河流域水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

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Digital Twin-based FloodPrevention SystemwithFourPrediction Functions for the Kuitun River Diversion Project

LI Yongrong1，WANG Zhimian1，CHEN Xiaoping1，LI Yongquan2 （1.Wuhan Changjiang Kechuang Technology Development Co.，Ltd.，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 43ool0，China；2.Xinjiang Production and Construction Corps Construction Engineering Science and TechnologyResearch Institute Co.，Ltd.，Urumqi 83ooo0，China）

Abstract：To addressmulti-source flood risks and operational safety challenges in the Kuitun River Basin， this studydevelops an innovative digital twin-enabled flood prevention system integrating four key functionalities： prediction，early warning，simulation，and response（PEWs）.By synergizing GIS，BIM，and Unreal Engine （UE）technologies，we establish a multi-scale 3Ddigital representation of the Kuitun River diversion project， spaning macro，meso，and micro levels.Anovelcompound runoff model was specifically designed for the basin's characteristic rain-on-snow flood events.The system incorporates multi-source sensing data and meteorological forecasts to create an integrated framework encompassng IoT perception，3D modeling，forecast-based operation， food simulation，and contingency management，which enhanced food prediction precisionandoperationalresponse eficiency.Field application demonstrates thatthissystem can provide decision-making support through dynamic modeling offlood evolution，risk alert coordination，andcontingency plans，effectively shifting flood management from experience-based to data-intelligent paradigms.This solutionoffers innovative solutions for intelligent flood control under the complex hydrological conditions of rainfall and snowmelt in Xinjiang.

KeyWords：digital twin；Kuitun River Diversion Project；four-prediction flood control system；GIS-BIM-UE integration