宿遷市黃河故道數(shù)字孿生工程建設(shè)思路研究

單曉偉，潘宇軒

（南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司，江蘇宿遷 223800）

1 概 述

黃河故道是1855 年黃河北徙山東從利津入海后不再匯淮而遺留下來(lái)的一條“地上懸河”［1］，流經(jīng)豫、魯、皖、蘇4 省,全長(zhǎng)738 km［2］。江蘇境內(nèi)的黃河故道流經(jīng)徐州、宿遷、淮安、鹽城市4市14個(gè)縣（市、區(qū)），全長(zhǎng)496 km。

宿遷市黃河故道西起徐洪河，東至新袁閘，經(jīng)淮安張福河入洪澤湖，流經(jīng)宿城區(qū)、湖濱新區(qū)、市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、洋河新區(qū)以及泗陽(yáng)縣，全長(zhǎng)114.3 km，流域面積296.9 km2。2015年以來(lái)，有關(guān)部門在黃河故道實(shí)施了2期黃河故道整治工程，沿線建成了11級(jí)梯級(jí)控制建筑物，形成蓄水量達(dá)1 080 萬(wàn)m3的河槽。沿線河道及工程建設(shè)基礎(chǔ)較好，河道斷面相對(duì)規(guī)整，護(hù)砌較好，穿堤建筑物工程監(jiān)測(cè)、監(jiān)視、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集正常，自動(dòng)化程度較高，初步具備了數(shù)字孿生的信息基礎(chǔ)條件。

2 重點(diǎn)任務(wù)

數(shù)字孿生水利是面向新階段水利高質(zhì)量發(fā)展需求，為水利決策管理提供前瞻性、科學(xué)性、精準(zhǔn)性、安全性支持，實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)與現(xiàn)代信息技術(shù)融合發(fā)展的智慧水利［3］。研究以宿遷市黃河故道及其流域防洪、水資源管理業(yè)務(wù)為核心，以已有信息采集體系為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)、GIS 技術(shù)、模型技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，充分整合現(xiàn)有水利信息化資源，深化水利信息資源開(kāi)發(fā)利用與共享，為宿遷市黃河故道及其流域科學(xué)調(diào)度、精細(xì)化調(diào)度決策提供支持。

3 建設(shè)方案

3.1 建設(shè)范圍

擬建設(shè)范圍包括約90 km 的河道工程、主要跨河橋梁、水資源工程、水源泵站工程、涵閘工程、分洪控制工程。（1）河道工程：河道斷面選用復(fù)式梯形斷面，底寬為分為3段，徐洪河（K0-740）～皂河地涵（K7+300）段為20 m；皂河地涵（K7+300）～蔡支閘（K20+000）段為40 m；蔡支閘（K20+000）～陳?ài)组l（K72+420）段為50 m；波比徐洪河（K0+000）～七堡樞紐黃河橋（K13+000）段和K61+500～K64+500 段采用1∶4.0坡比；其余段采用1∶3.0坡比。（2）主要跨河橋梁：皂河睢寧交界橋、樊灣橋、張廟橋、七堡樞紐黃河橋、趙圩橋。（3）水資源工程：中泓控制建筑物3 座，分別為皂河地涵（K7+300）、陳?ài)组l（K72+420）、蔡支閘（K20+000）；水源泵站2 座，分別為鄭樓灌溉站、大碾灌溉站；船行樞紐（K39+500）。（4）涵閘工程：共有涵閘86 座，主要布置在黃河故道與沿線排澇溝系交匯處；涵閘設(shè)計(jì)流量0.3～7.99 m3/s。形式上主要分管涵和箱涵兩類，DN800、DN1000、DN1200、DN1500等4種管涵，1.5 m×1.5 m、1.5 m×2 m、2 m×2 m、2 m×1.5 m×2 m、2 m×2 m×2 m等5種箱涵。（5）分洪控制工程：五河分洪閘、倉(cāng)集閘。

3.2 總體架構(gòu)

宿遷市黃河故道數(shù)字孿生工程在已有存儲(chǔ)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)遙感影像、視頻圖像、無(wú)人機(jī)航拍、CAD 等多源信息資源匯集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)底板和模型平臺(tái)的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上搭建“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”（簡(jiǎn)稱“四預(yù)”）業(yè)務(wù)功能和孿生場(chǎng)景，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 宿遷市黃河故道故道數(shù)字孿生工程

3.3 數(shù)據(jù)底板建設(shè)

3.3.1 建設(shè)內(nèi)容

以宿遷市境內(nèi)黃河故道流域地形地貌、交通路網(wǎng)、河流水系以及沿線工程等各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用多源數(shù)據(jù)處理、精細(xì)三維建模、二三維一體化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)宿遷市境內(nèi)黃河故道流域數(shù)據(jù)底板建設(shè)，以數(shù)字化形式模擬展示河道實(shí)景三維場(chǎng)景。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合本項(xiàng)目建設(shè)需求，匯集數(shù)據(jù)主要包括3類：第1 類是高分遙感數(shù)據(jù)、視頻照片數(shù)據(jù)和傾斜攝影等數(shù)據(jù)；第2類是與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；第3類是CAD 圖紙等紙質(zhì)或電子文本資料。

3.3.3 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

構(gòu)建宿遷市黃河故道數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，具體包括構(gòu)建基礎(chǔ)信息庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體庫(kù)、航拍遙感資料庫(kù)、業(yè)務(wù)場(chǎng)景展示信息庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)涉水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水系拓?fù)涞仁噶繑?shù)據(jù)、實(shí)時(shí)雨水工情數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、高分遙感數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)入庫(kù)。

3.3.4 區(qū)域數(shù)據(jù)底板建設(shè)

數(shù)據(jù)底板建設(shè)包括典型區(qū)域高分遙感服務(wù)、地形三維可視化2 個(gè)部分。在高分遙感服務(wù)方面，結(jié)合高空衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)與低空遙感飛行器拍攝的地物動(dòng)態(tài)視頻和靜態(tài)影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)典型區(qū)域目標(biāo)物的幾何、物理性質(zhì)和相互關(guān)系的生成；在地形三維可視化方面，利用無(wú)人機(jī)飛行拍攝或遙感手段獲取各流域影像數(shù)據(jù)并生成DEM 模型。實(shí)現(xiàn)典型區(qū)沿線地區(qū)DEM、正射影像制作、影像融合、三維場(chǎng)景重建，三維仿真地形、地貌與地物特征，實(shí)現(xiàn)地形三維可視化。

3.3.5 宿遷市黃河故道沿線精細(xì)建模

對(duì)宿遷市黃河故道沿線三維無(wú)人機(jī)航拍，形成三維激光點(diǎn)云攝影成果；對(duì)兩岸300 m 范圍內(nèi)的水工建筑物、河道水體進(jìn)行精細(xì)化建模，建模內(nèi)容包含約90 km 的河道工程、主要跨河橋梁、水資源工程、水源泵站工程、涵閘工程、分洪控制工程。

在水利樞紐工程信息集成方面，對(duì)接補(bǔ)充樞紐工程的基礎(chǔ)信息，主要包括樞紐位置坐標(biāo)、水閘類型、閘孔數(shù)量、閘孔總凈寬等；涵洞名稱、涵洞底高、涵洞高、涵洞長(zhǎng)、涵洞寬等；泵站名稱、類型、裝機(jī)流量、裝機(jī)功率、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、水泵數(shù)量等信息。

3.4 水利模型構(gòu)建

3.4.1 模型建設(shè)思路

宿遷市黃河故道數(shù)字孿生流域水利模型建設(shè)需考慮以下問(wèn)題［4］：（1）模型平臺(tái)軟件要具備對(duì)后續(xù)防洪等其他業(yè)務(wù)的支撐能力；（2）采用成熟的模型平臺(tái)解決方案，有成功應(yīng)用案例；（3）模型平臺(tái)軟件支持云調(diào)度，接口標(biāo)準(zhǔn)化；（4）模型平臺(tái)軟件為國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，滿足信創(chuàng)要求。針對(duì)現(xiàn)狀問(wèn)題，結(jié)合數(shù)字孿生流域建設(shè)框架設(shè)計(jì)，宿遷市黃河故道數(shù)字孿生流域水利模型應(yīng)主要構(gòu)建降雨徑流模型、水資源管理與配置模型、水動(dòng)力模型、工程調(diào)度模型。

3.4.2 工程調(diào)度模型

采用統(tǒng)一的聯(lián)系要素對(duì)水利工程進(jìn)行模擬，主要對(duì)皂河電灌站、七堡樞紐工程、古黃河一二站、船行樞紐、運(yùn)南北渠首等引水工程，朱海站、皂河地涵、龍崗站、蔡支閘、中心港站、大碾站、張碼閘、倉(cāng)集閘、陳?ài)茁l、大興漫水閘、揚(yáng)集閘、農(nóng)場(chǎng)漫水閘、李口閘、新袁閘等引排工程進(jìn)行模擬。

工程調(diào)度分為規(guī)則調(diào)度模式和交互調(diào)度模式。規(guī)則調(diào)度模式根據(jù)年月旬來(lái)水過(guò)程和區(qū)間工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)需水量，結(jié)合監(jiān)測(cè)關(guān)鍵斷面流量水位和預(yù)警指標(biāo)閾值，結(jié)合區(qū)域水量分配預(yù)案集生成規(guī)則調(diào)度方案；交互調(diào)度模式是在實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)雨水情、水利工程實(shí)時(shí)工況，結(jié)合專家意見(jiàn)進(jìn)行人機(jī)交互輸入的調(diào)控模式。

3.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)

3.5.1 實(shí)況展示

水雨情信息接入與動(dòng)態(tài)展示包括實(shí)時(shí)感知信息對(duì)接和感知信息動(dòng)態(tài)展示2個(gè)部分內(nèi)容。

實(shí)時(shí)感知信息對(duì)接主要是實(shí)時(shí)雨水工情庫(kù)與氣象預(yù)報(bào)庫(kù)的信息對(duì)接，獲取宿遷市黃河故道沿線預(yù)報(bào)雨情、實(shí)時(shí)雨情，水文站點(diǎn)實(shí)時(shí)水情、樞紐工程上下游水位以及沿線水利樞紐運(yùn)行信息。感知信息動(dòng)態(tài)展示是在實(shí)施感知信息對(duì)接的基礎(chǔ)上，以等值面形式展示預(yù)報(bào)降雨與實(shí)時(shí)雨情信息，以圖表的形式展示水利樞紐的上下游水位過(guò)程以及水文站點(diǎn)水位(流量)過(guò)程。

水利樞紐運(yùn)行狀態(tài)展示是在三維仿真建模的基礎(chǔ)上，以自由三維視角展示樞紐外觀，提供水閘工程的閘門形式、閘門啟閉狀態(tài)、水泵設(shè)備信息、水泵運(yùn)行狀態(tài)等信息的查看與管理功能。

3.5.2 動(dòng)態(tài)預(yù)警

將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息和預(yù)報(bào)加載到數(shù)字孿生場(chǎng)景中，當(dāng)發(fā)生異常數(shù)據(jù)并告警時(shí)，在三維數(shù)字化場(chǎng)景的對(duì)應(yīng)位置，以閃爍、彈窗等可視可聽(tīng)的形式，提醒業(yè)務(wù)人員及時(shí)處置。

3.5.3 場(chǎng)景預(yù)演

針對(duì)防洪和水資源調(diào)度目標(biāo)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)，開(kāi)展水資源調(diào)度過(guò)程預(yù)演。在數(shù)字孿生底板的基礎(chǔ)上增加時(shí)間軸，融合監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和水利模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)場(chǎng)景，對(duì)當(dāng)前或未來(lái)狀態(tài)下，不同水資源調(diào)度方案下的河道水位、流量變化過(guò)程進(jìn)行模擬，將未來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、不同方案情景仿真的結(jié)果可視化呈現(xiàn)，直觀清晰地“看未來(lái)”和檢驗(yàn)各方案的實(shí)施效果，為管理決策提供信息化支持。

3.5.4 流場(chǎng)展示

數(shù)字流場(chǎng)依托水文水力學(xué)模型搭建，基于模型模擬結(jié)果，進(jìn)行水網(wǎng)流場(chǎng)的繪制，展示不同降雨條件下和不同調(diào)度工況下水位、流量變化過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)宿遷市黃河故道的河道水面線、水面流向、流速和水量分配信息的動(dòng)態(tài)展示。

4 預(yù)期成果及效益

4.1 預(yù)期成果

數(shù)字孿生建設(shè)實(shí)施后，能夠?qū)崿F(xiàn)涉水要素監(jiān)測(cè)和洪澇預(yù)報(bào)預(yù)警信息在數(shù)字孿生場(chǎng)景中的一體化展示，動(dòng)態(tài)預(yù)演不同水資源調(diào)度場(chǎng)景，提升水資源調(diào)度效能和區(qū)域防洪管理能力，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供保障。

4.2 預(yù)期效益

通過(guò)宿遷市黃河故道數(shù)字孿生工程的建設(shè)，將主要產(chǎn)生以下效益：（1）實(shí)現(xiàn)涉水要素監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警信息一體化展示，輔助管理。基于水利模型和可視化模型，結(jié)合實(shí)時(shí)雨水工情信息和氣象預(yù)報(bào)信息，并借助于數(shù)字孿生和仿真技術(shù)，在數(shù)字孿生場(chǎng)景下全局展示河道沿程實(shí)時(shí)雨水工情等多要素信息，為洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理提供輔助決策的手段。（2）開(kāi)展調(diào)度場(chǎng)景預(yù)演，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供保障。通過(guò)項(xiàng)目建設(shè)，融合了實(shí)時(shí)雨水工情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水利模型，在三維數(shù)字孿生場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了對(duì)未來(lái)時(shí)況下不同調(diào)度過(guò)程的預(yù)演展示，模擬不同調(diào)度方案可能產(chǎn)生的防洪或水資源分配效益，有助于提升突發(fā)性水事件進(jìn)行快速處置能力，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和科學(xué)調(diào)度，助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)作為智慧水利體系的核心組成，是適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展形勢(shì)的必然要求，也是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、數(shù)字化管理的迫切需要。按照“先行先試”的原則，初步建立優(yōu)化水資源調(diào)度管理的數(shù)字孿生平臺(tái)，開(kāi)展技術(shù)探索和經(jīng)驗(yàn)積累，在探索和嘗試中對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化完善，以提高流域內(nèi)“四預(yù)”的科學(xué)性、實(shí)用性、可操作性，從而創(chuàng)新水資源管理方式。