数字孪生松辽流域建设与应用实践

廖晓玉，程祥吉，金思凡，高 远

（水利部松辽水利委员会水文局（信息中心），130021，长春）

数字孪生技术已在多个领域得到广泛应用，正成为全球信息技术发展的新焦点。水利部党组把推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展实施路径之一。2022年，水利部印发《数字孪生流域建设技术大纲》《数字孪生流域水利工程建设技术导则》等系列文件，进一步细化智慧水利建设任务、重点工程和具体措施，加快构建智慧水利体系。2022年2月，水利部发布《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，明确了开展数字孪生流域先行先试的重点任务。

松辽流域包括松花江、辽河两大流域，地域辽阔、河流众多，洪涝、干旱灾害严重，水资源分配矛盾突出。嫩江为松花江最大支流，其流域属于洪水多发区域；
同时，嫩江流域也是重要防洪保护区域，流域内有松嫩平原国家商品粮基地、大庆油田等国家工业基地以及重要防洪城市齐齐哈尔市，防洪安全事关国家粮食安全、工业安全以及人民生命财产安全。

目前，嫩江流域防洪矛盾比较突出：一是流域洪水调蓄能力明显不足，干流仅有尼尔基一座控制性工程，右侧支流诺敏河、雅鲁河等洪水多发河流均无调蓄工程；
二是嫩江干流河道地形复杂，特别是围垦河滩地造成围堤阻水问题突出，导致河道行洪能力底数不清，“小流量高水位”问题严重；
三是嫩江流域防洪决策涉及黑龙江、吉林、内蒙古三省（自治区），直接关系哈尔滨市防洪安全，需要考虑松花江流域整体防洪需求。

多年来，水利部松辽水利委员会（以下简称松辽委）围绕嫩江防洪调度开展了完善监测站网、编制预测预报方案和洪水调度方案等基础性工作，基础资料条件良好。因此选择嫩江作为数字孪生流域建设试点，利用数字孪生技术手段提高预报精度、缩短预警时间、提升模拟推演能力、优化调度方案，做到科学预判未来水旱灾害防御形势、准确应对化解重大水旱灾害风险，对支撑流域水利高质量发展具有重要现实意义。

近年，依托松辽流域防汛抗旱指挥系统、国家水资源监控能力建设等项目，松辽委初步建成由水利信息化基础设施、水利业务应用和水利信息化保障环境组成的水利信息化综合体系，有力支撑流域各项水利工作。但与智慧水利和数字孪生流域建设整体要求相比，尚存在较大差距。基础设施方面，监测覆盖范围不全，多源监测手段缺乏，计算存储资源分散，网络通信资源紧缺，资源整合共享不足，数字映射能力薄弱；
业务应用方面，“四预”水平有待进一步提高，多要素全覆盖的监控体系尚未建成，监测预警能力支撑不足，预报方法及方案亟待完善，水旱灾害预演预案能力尚未建立；
新技术应用方面，未形成全局性模拟业务支撑平台，缺乏三维GIS（地理信息系统）、BIM（建筑信息模型）等相关技术应用，缺乏基于智能算法的数据建模、预测和可视化能力；
网络安全方面，主动防护能力不足，尚未实现全天候和全方位的网络安全态势感知、分析、运维；
体制机制方面，专业人员力量不足，体制机制体系还有待进一步完善。

数字孪生松辽流域总体目标是充分运用云计算、大数据、人工智能、物联网、虚拟仿真等新一代信息技术，以数字化、网络化、智能化为主线，以流域为单元，统筹松辽流域范围内各省（自治区）建设数字孪生松辽流域，与物理松辽流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。通过数字孪生松辽流域建设，实现松辽流域监测感知要素的全方位立体覆盖、水利信息基础设施的全面提升完善、以流域“四个统一”（统一规划、统一治理、统一调度、统一管理）为目标的数据全汇集、主要干支流及重点防洪区防洪业务“四预”、跨省重点河流水资源调配管理业务“四预”以及网络安全的积极防御，将松辽流域打造成为国内数字孪生流域建设典型区、“四预”应用示范区，支撑松辽流域“四个统一”，为松辽流域新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

数字孪生嫩江建设目标是以流域防洪为重点，以嫩江为试点，搭建嫩江数字孪生平台，接入多源数据，开展防洪智慧化应用，构建防洪“四预”体系，解决嫩江防洪问题，满足嫩江流域防洪预报调度一体化及“四预”需求，2023年建成“1+2”嫩江数字孪生体系。“1”指一套数字孪生平台，实现嫩江流域涉水全要素数字化映射，并实现物理嫩江与数字嫩江之间动态、实时信息交互和深度融合，为各项业务提供孪生场景；
“2”指防洪“四预”系统和全景数字嫩江平台，以防洪业务为切入点，基于数字孪生场景实现预报、预警、预演、预案，构建高效、精准的防汛体系；
以数据底板为基础，基于模拟仿真引擎，实现嫩江可视化展示，为防洪业务提供基础展示平台。

基于智慧水利建设总体框架，提出了由数字孪生流域、业务应用、网络安全体系、保障体系等组成的数字孪生松辽流域建设总体框架（图1）。以“七个一”为抓手，优化“一体、两网、五节点”基础设施空间布局，其中“一体”指松辽委集水利数据、调度和应用等功能于一体的中心体，“两网”指覆盖全流域的天空地一体化水利感知网和全面高速互联的水利信息网，“五节点”指松辽委直管的两座水库和三个水文水资源分中心。数字孪生平台是由数据底板、模型平台、知识平台三部分构成的松辽流域基础支撑体系。“2+N”业务应用体系，即水旱灾害防御、水资源管理调配两大主要业务和水利工程建设与运行管理、河湖管理、水土保持等N项重点业务。“两保障”防护保障体系，即网络安全防护体系和多维并重的综合保障体系。

图1 数字孪生松辽流域建设总体框架

1.构建数字化场景

数据底板为嫩江流域数字化场景构建提供数据基础，包括GIS底板、BIM模型、基础数据、监测数据、业务数据、行业共享数据等。数据底板按建设范围、精度分为三级，其中大尺度L1级数据底板包括整个嫩江流域范围30 m格网数字高程模型（DEM）、分辨率优于2 m数字正射影像（DOM），面积约为22.79万km2，为数字化场景构建提供大范围统一空间数据。中尺度L2级数据底板包括嫩江干流尼尔基以下至三岔河口河段0.5 m格网DEM数据，面积约5660 km2，月亮泡、胖头泡蓄滞洪区2.5 m 格网DEM，面积约2800 km2，支流洮儿河重点河段优于9 m格网DEM，面积约1172 km2；
嫩江干流、洮儿河重点河段和2个蓄滞洪区分辨率优于1 m的DOM，面积约9632 km2，近两年防洪重点关注区分辨率0.8 m的DOM；
嫩江干流1∶10 000水下地形及河道大断面，每2 km左右布设1条横断面，河长约564 km，为防洪智能化应用提供干流重点河段和重点区域精细地表、水下数字地形模型。小尺度L3级数据底板包括齐齐哈尔市城区堤防、嫩江下游重要围堤、江桥等重要控制断面和齐齐哈尔下游铁路桥等主要地物倾斜摄影模型，以及月亮泡蓄滞洪区汉书闸、胖头泡蓄滞洪区老龙口分洪闸BIM模型，提供高精度重要水利工程主体建筑物空间数据。

2.开展智慧化模拟

结合嫩江流域防洪业务需求，依托数据底板及现有模型构建数字孪生流域模型库，包括水利专业模型库、可视化模型库和数字模拟仿真引擎。考虑到嫩江河道地形复杂、河道宽浅、水流平缓、河网密度大、支流众多等特点，重点构建平原区宽浅河道水动力模型及洪水模拟功能，精准模拟尼尔基水库至三岔河口干流区域洪水演进过程。在构建过程中，融合图像智能识别模型、深度学习算法以及一维、二维水动力模型，利用多源遥感影像提取水面范围变化及围堤、桥梁等阻水建筑物位置，重新率定水动力模型参数，提高洪水演进模拟精度。可视化模型为模拟仿真提供实时渲染和可视化呈现，针对业务过程和决策支撑需求，利用成熟商业建模工具构建自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备、“四预”过程五大类可视化模型。基于嫩江L2 级数据底板，构建BIM+GIS+IoT（物联网）数字孪生可视化场景，并结合数字化技术、可视化组件，提供完整、逼真的数据展示，同时结合水利数据模型计算结果进行仿真模拟，为“四预”模拟提供场景支撑。

知识平台包括调度方案库、专家经验库、历史场景库及知识引擎。其中调度方案库是特定场景下调度方案的知识图谱，支撑调度方案的智能决策，通过嫩江河段特点、历史典型洪水、水库调洪过程、蓄滞洪区启用过程记录或以文本形式存储的调度预案进行信息融合、知识抽取、抽象表达等处理，形成系统化、结构化调度方案集合。专家经验库是智能化、结构化、标准化决策支持引擎，将嫩江流域典型大洪水专家决策的历史过程进行数字化，挖掘并量化专家决策过程中评估不确定性因素和权衡多目标防洪风险经验，按照标准化结构体系形成专家经验知识库。历史场景库是通过复盘嫩江流域历史典型洪水的场次、洪水过程、预报过程及主要应对措施，梳理总结共性洪水指标参数，挖掘提取历史洪水时间时空过程与防洪应对方案间的关系，并推演分析典型洪水及其放大不同量级场景下的调度方案。基于当前嫩江流域相关知识管理及应用需要，构建知识库管理工具，实现多类型知识（如知识图谱生成、FAQ问答、数据表格汇总等）综合性管理，基于知识库进行综合应用。

3.支撑精准化决策

精准化决策是数字孪生流域建设的目标。嫩江试点围绕防洪需求和综合展示需要，构建防汛“四预”应用及全景数字嫩江平台，提升数据分析、决策支持能力，为防洪决策提供信息化、智能化、可视化支撑保障。

（1）防汛“四预”应用

①预报。根据嫩江防洪调度对象节点、调度目标节点确定模拟范围及预报节点，建设流域预报应用功能，包括降水预报、大江大河及中小流域洪水预报、径流预报等的多业务预报体系，实现服务于嫩江及主要支流洪水灾害、中小河流洪水灾害等预报节点的水文气象精准预报。

②预警。融合气象、水文监测以及水文预报等多源信息，建设综合预警功能，主要包括重点断面水位预警、水库洪水预警、凌情预警等。

③预演。建设嫩江流域防洪预演体系，提出调度方案生成及评估的解决方案，并基于洪水动态时空模拟推演和成灾风险影响分析，实现多方案对比评估。包括洪水动态模拟推演功能建设，即利用水文模型和水动力学一、二维模型，在典型降水或流量基础上实现嫩江及主要支流行洪、尼尔基库区淹没、蓄滞洪区分洪等模拟功能；
防洪调度模拟推演功能，即在典型降水和洪水发生基础上，进行河流、水库、蓄滞洪区、调度节点动态组合水库调洪预演，实现不同调洪方案与干支流洪水组合后洪水演变过程的模拟计算及动态仿真，并按照调度指标排序，智能推送防洪调度方案。

④预案。以知识库为基础，集成专家经验、风险评估和综合效益评价，建设具备方案自动生成、多方案对比分析、智能推荐等功能的预案体系，模拟嫩江防洪调度预案、蓄滞洪区启用预案等不同条件下的启用规则和过程模拟，以及工程巡查防守、人员转移避险等暴雨洪水防范应对措施滚动更新，实现预案的科学化辅助制定。

（2）全景数字嫩江平台

全景数字嫩江平台是提供嫩江全景展示、综合检索、综合查询的综合信息服务平台。依托三维仿真场景，集中展示地理环境、自然资源、河流水系、水利工程、经济社会状况等要素；
整合实时数据、历史数据、属性数据、视频数据、业务数据等，在历史演变、实时监控、趋势研判三个时间维度递进展示和查询；
调用防洪“四预”防汛业务应用数据与成果，实现“四预”综合决策。

按照水利部统一部署，松辽委启动数字孪生嫩江建设先行先试工作。目前已完成嫩江干流尼尔基水库以下至三岔河口、支流洮儿河，月亮泡、胖头泡蓄滞洪区DEM、DOM、水下地形，以及重要区域倾斜摄影模型及分洪闸BIM 模型等数据成果建设，搭建了嫩江数字化场景。构建嫩江水文水动力耦合模型，实现对“降雨—产流—汇流—演进”过程的数字化模拟；
构建流域预报调度一体化模型，实现预报与调度的无缝动态交互和耦合模拟；
建立耦合深度学习算法的嫩江干支流宽浅型河道洪水演进模型，实现快速高效的河道洪水模拟；
建立CADDIES-2D 洪水模型和二维水动力洪水演进代理模型，蓄滞洪区洪水淹没快速实时模拟效果初显。完成模拟仿真引擎搭建，实现数据加载、仿真建模、三维渲染、模型轻量化等功能。

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