數(shù)字孿生技術(shù)在連云港市“清水進(jìn)城”中的應(yīng)用

陳占才，盧中華，朱孟東

（連云港市臨洪水利工程管理處，江蘇 連云港 222002）

1 概 況

連云港市“清水進(jìn)城”行動工程路徑為石梁河水庫—新沭河—沭南閘—通榆河（沭南航道、烏龍河）—烏龍河調(diào)度閘—魯蘭河（薔薇河、通榆河）—富安調(diào)度閘—薔薇河，除了河道外，通流的現(xiàn)有水利工程有石梁河水庫泄洪閘、蔣莊閘、沭南閘、烏龍河調(diào)度閘、富安調(diào)度閘等，直接關(guān)聯(lián)太平莊閘、臨洪閘，另外有民主河閘、馬河閘、東站自排閘、三洋港閘等工程亦需聯(lián)動配合。

該區(qū)域?yàn)榈湫推皆泳W(wǎng)地區(qū)，河流縱橫交錯，河道平緩，水面比降小、流量小、流速低，受洪水、潮汛、工程的影響，流向變化不定，水流有順流、滯流、部分滯流、逆流，同一河網(wǎng)不同流向可能組合成多種流態(tài)。河網(wǎng)水流不僅受潮汐的影響，而且受水工建筑物的控制，流態(tài)復(fù)雜［1］。新疊加的引調(diào)水功能再次提出不同的河流流向、工程配合方式，這對工程調(diào)度提出新的嚴(yán)格要求。

2 水利調(diào)度

水利調(diào)度是指運(yùn)用各類水工程蓄、滯、泄、擋、抽、調(diào)、引等功能，對水資源在時(shí)間、空間上按需要重新分配或調(diào)節(jié)江河湖泊水位，最終達(dá)到人工干預(yù)目的，是一種有效的人工干預(yù)自然徑流，進(jìn)而充分發(fā)揮水工程社會效益的行為［2］。

2.1 臨洪片區(qū)典型調(diào)度過程

以2021 年臺風(fēng)“煙花”降水期間臨洪樞紐主要調(diào)度程序?yàn)槔?，分析探討臨洪片區(qū)典型調(diào)度過程。

2.1.1 預(yù)降河道水位、騰空庫容

7月25日相繼開啟三洋港擋潮閘、臨洪閘、東站自排閘、烏龍河調(diào)度閘、民主河閘、馬河閘，預(yù)降新沭河、薔薇河、魯蘭河以及其他薔薇河支流水位，為洪水預(yù)留空間。洪峰到來之前，三洋港擋潮閘錯峰排水，將新沭河下段降至0.5 m，薔薇河—臨洪閘閘前降至2.0 m。

2.1.2 新沭河泄洪

三洋港擋潮閘自7 月25 日10 時(shí)起每潮開閘，7 月28 日21：25 至8 月2 日22：42，三洋港擋潮閘未間斷排水，中間多次調(diào)閘，期間滿開度運(yùn)行30.5 h，閘下最高水位3.63 m，閘上超過3.7 m。

2.1.3 啟動強(qiáng)排泵站

7 月28 日14：28，大浦站開機(jī)強(qiáng)排，29 日20：32停機(jī)，排水702 萬m3；臨洪西站7 月28 日16：30 開機(jī)，8 月1 日5：30 停機(jī)，排水1670 萬m3；臨洪東站7 月30日9：53開機(jī)，7月31日18：04停機(jī)，排水5 220萬m3。

2.2 臨洪片區(qū)調(diào)度評估及分析

臨洪片區(qū)的水情調(diào)度重點(diǎn)為錯峰排水。有以下層面的錯峰排水：新沭河與潮汐錯峰，薔薇河、魯蘭河與新沭河錯峰，烏龍河與魯蘭河錯峰，大浦河與新沭河、薔薇河錯峰。因此，錯峰時(shí)機(jī)最有效利用的情況為落潮后，三洋港擋潮閘開閘排水，臨洪閘承泄魯蘭河洪水，通過關(guān)閉富安調(diào)度閘，大開度開啟臨洪閘，將臨洪閘閘前水位盡量拉低，開啟烏龍河調(diào)度閘排除烏龍河澇水。此時(shí)，烏龍河、魯蘭河、新沭河、海潮呈現(xiàn)梯級狀態(tài)，對工程啟閉時(shí)機(jī)及開度要求很高，需緊盯水情及水閘流態(tài)，一旦水位逼平及時(shí)關(guān)閘。新沭河潮峰期間，臨洪閘于7月30日10：52 關(guān)閘，31 日10：32 再次開啟，關(guān)閘時(shí)間不到24 h，此外一直在錯峰排水。分析水情，掌握錯峰趨勢及規(guī)律，充分利用水閘自排，準(zhǔn)確判斷強(qiáng)排投入時(shí)機(jī)，有效應(yīng)對洪水疊加影響。此次行洪期間，臨洪東站開機(jī)運(yùn)行32 h，排水5 220 萬m3，其余1 億m3水通過自排承泄。

富安調(diào)度閘的控制運(yùn)行充分反映平原河網(wǎng)地區(qū)的水系復(fù)雜性，其在臺風(fēng)“煙花”降水期間運(yùn)行情況為：7 月28 日15：29 關(guān)閉，利用臨洪閘大開度優(yōu)勢，拉低魯蘭河水位，為烏龍河自排創(chuàng)造機(jī)會，減輕烏龍河排洪壓力，延遲西站強(qiáng)排投運(yùn)時(shí)間；7月30日15：50開啟，利用東站開機(jī)，強(qiáng)排薔薇河時(shí)連帶抽排魯蘭河澇水；7月31日10：11關(guān)閉，利用魯蘭河高水創(chuàng)造自排條件，提前開啟臨洪閘，自排、強(qiáng)排同時(shí)進(jìn)行，減輕東站負(fù)擔(dān)，提高排水效率。

調(diào)度工作得益于近年來水文自動化取得的進(jìn)步，主要口門及特征斷面基本完成自動水位計(jì)裝設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測水位變化，各水文站點(diǎn)及時(shí)測流，監(jiān)測薔薇河、東站引河流量，重點(diǎn)工程視屏監(jiān)控全覆蓋。這些設(shè)施在現(xiàn)行調(diào)度模式下發(fā)揮了重要功效?！扒逅M(jìn)城”行動涉及的水工程調(diào)度繁復(fù)，包括水庫調(diào)度、泵站調(diào)度、水閘調(diào)度，按照控制要素的不同，分為水位控制調(diào)度、流量控制調(diào)度，在不同時(shí)域需做到減災(zāi)調(diào)度和興利調(diào)度的及時(shí)切換。調(diào)度工作在由以水旱災(zāi)害防治為主向注重資源與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的同時(shí)，必須加強(qiáng)智能化建設(shè)。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在水情調(diào)度中的應(yīng)用展望

當(dāng)前，水利工程調(diào)度領(lǐng)域存在的主要問題包括模型能力不足，支撐決策精準(zhǔn)化程度不高，預(yù)報(bào)仍以集中式、經(jīng)驗(yàn)性模型為主，預(yù)警能力不足，預(yù)案精細(xì)化程度不夠，預(yù)演能力難以支撐多方案優(yōu)選，新時(shí)期急需構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y報(bào)和智能調(diào)度能力［3］。推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，用數(shù)字技術(shù)重構(gòu)組織和業(yè)務(wù)，組織結(jié)構(gòu)去除邊界、扁平化、平臺化、生態(tài)化，增強(qiáng)、創(chuàng)造社會多個層面的交互能力。

“清水進(jìn)城”線路行經(jīng)水系復(fù)雜，穿越水功能交叉重疊的新沭河—薔薇河片區(qū)，該片區(qū)已完成流域防洪、區(qū)域防洪治澇、城市防洪以及跨區(qū)域調(diào)配水工程建設(shè)，具備防洪、擋潮、治澇、調(diào)水等多重功能，近年來頻繁參與水環(huán)境生態(tài)調(diào)度運(yùn)行，還需顧及內(nèi)河航運(yùn)的有關(guān)要求，運(yùn)行任務(wù)復(fù)雜、繁重［4］。在這種局面下，推動智能化建設(shè)，發(fā)揮數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化對水利現(xiàn)代化的加速器、催化器作用［3］，推進(jìn)調(diào)度決策科學(xué)化，水利治理管理精細(xì)化，水利公共服務(wù)高效化，提升水資源優(yōu)化配置能力。

3.1 研究成果

3.1.1 新沭河—薔薇河洪水調(diào)度模型研究

中國科學(xué)院力學(xué)研究所劉青泉等［5］于1999 年進(jìn)行“新沭河—薔薇河洪水調(diào)度模型研究”，根據(jù)地區(qū)河流分布及洪水特點(diǎn)，確定防洪調(diào)度原則，建立了考慮降雨匯流過程與潮汐頂托作用下的洪水演進(jìn)模型。調(diào)度模型對薔薇河的降雨、匯流及槽蓄等過程采用水文學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，并建立臨洪閘水位及下游水位與臨洪閘泄流量之間的動態(tài)關(guān)系，進(jìn)而以新沭河、臨洪河一維非恒定洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型為主體，與薔薇河臨洪閘泄流過程聯(lián)合求解，確立新沭河—薔薇河整體防汛調(diào)度數(shù)學(xué)模型，為地區(qū)防洪調(diào)度提供依據(jù)。

3.1.2 臨洪水利樞紐閘泵系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度研究

河海大學(xué)董增川等在“臨洪水利樞紐閘泵系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度研究”項(xiàng)目中為合理預(yù)測水量調(diào)度對市區(qū)水環(huán)境的影響，建立了符合該地區(qū)水文特點(diǎn)的水量數(shù)學(xué)模型。大型河網(wǎng)水系復(fù)雜，河道和人工建筑物眾多，模擬過程中對此予以概化，以解決模型的計(jì)算速度等問題。概化河網(wǎng)基本反映天然水系的水力特征。臨洪地區(qū)水力概化后的河網(wǎng)包括鎮(zhèn)級以上河道、重要村級河道、湖泊、入江排水水閘、分片控制水閘，河網(wǎng)概化為34條河道、55個無調(diào)蓄能力節(jié)點(diǎn)、8個邊界節(jié)點(diǎn)、180個斷面。該研究實(shí)現(xiàn)對河網(wǎng)地區(qū)閘泵系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度模擬，對河道中的閘站根據(jù)水力特征進(jìn)行了內(nèi)邊界處理。利用Saint-Venant方程組建立了平原河網(wǎng)水動力學(xué)模型，進(jìn)行了平原河網(wǎng)地區(qū)澇水、洪水、潮水的閘泵聯(lián)合調(diào)度模擬［1］。

3.2 建立歷史案例數(shù)據(jù)庫

新沭河在最近5 年行洪數(shù)十次，在已完成的自動化水文設(shè)施的監(jiān)視下，過程數(shù)據(jù)基本完整。可對歷次行洪數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理盤整，得出河道不同斷面在行洪時(shí)隨時(shí)域變化的水位、流量、流速、淹沒線等數(shù)據(jù)，建立歷史典型案例數(shù)據(jù)庫，整合新沭河上游泄洪、調(diào)度指令，潮汐以及薔薇河支流內(nèi)澇遭遇情況等信息，進(jìn)一步對各影響要素分類組合，與新的洪水過程進(jìn)行比對，作插值處理，增加調(diào)度比選性和精準(zhǔn)度。

4 數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

由于特征洪水重現(xiàn)期長，邊界條件復(fù)雜，真實(shí)場景難以模擬，調(diào)度失誤后果嚴(yán)重，不容許試錯，且普通建模難以滿足要求。數(shù)字孿生為現(xiàn)實(shí)世界的物理存在增加一個以數(shù)字化形式存在的“孿生體”，并與物理本體進(jìn)行動態(tài)虛實(shí)映射和互操作，形成一個便于創(chuàng)造和體驗(yàn)的虛實(shí)共存生態(tài)。具體到水利工程調(diào)度中，通過利用河道、閘涵等水工建筑，結(jié)合水位水質(zhì)監(jiān)測、自動化控制等監(jiān)控手段，充分利用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，集成水文、水動力學(xué)、水環(huán)境、水生態(tài)、潮汐等仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體工程的全生命周期過程。

數(shù)字孿生技術(shù)可以在河流、工程之間互動，提供從決策到運(yùn)行，環(huán)境、城建、水利、市政等多層面交互能力，為調(diào)度決策打破空間和層級壁壘，使指令執(zhí)行周期指數(shù)級縮減，實(shí)時(shí)動態(tài)評估調(diào)度效果，甚至能夠根據(jù)調(diào)度意圖直接編譯指令，增加指令的可執(zhí)行性。

4.1 深入勘查基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)

對新沭河、薔薇河、通榆河、魯蘭河、淮沭新河、烏龍河等河流的坡降、斷面、糙率等參數(shù)實(shí)測推算，率定各口門不同水位組合出流曲線、槽蓄、濕周、河床性態(tài)、流速，建立數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確反映河流特征；分析歷史數(shù)據(jù)，對區(qū)域降水量和徑流關(guān)系,以及徑流和產(chǎn)流關(guān)系進(jìn)行概化；對區(qū)域工程情況精準(zhǔn)定位，每座閘涵對應(yīng)的河流、渠道水量、水質(zhì)特征及其季節(jié)性變化進(jìn)行預(yù)測。

4.2 加強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測

以各支流流經(jīng)區(qū)域的自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會信息為主要內(nèi)容，如農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖情況，土壤及植被情況，生產(chǎn)、生活取水和污染情況等反映的物理流域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射，并實(shí)現(xiàn)物理流域與數(shù)字流域之間的動態(tài)、實(shí)時(shí)信息交互和深度融合。對薔薇河干流100余座取排水口門監(jiān)測全覆蓋，實(shí)時(shí)反映水情、水質(zhì)變化及行進(jìn)情況，驗(yàn)證數(shù)據(jù)模型分析結(jié)果并實(shí)時(shí)調(diào)整有關(guān)參數(shù)。集成耦合水文、水力學(xué)、水資源、水環(huán)境、水土保持、水利工程安全等多維多時(shí)空尺度數(shù)學(xué)模型，擴(kuò)展數(shù)字化表達(dá)和可視化呈現(xiàn)功能，構(gòu)建知識圖譜、業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史場景和專家經(jīng)驗(yàn)等知識庫，打造數(shù)字孿生流域模擬仿真平臺。

4.3 動態(tài)評估調(diào)度成效

數(shù)字孿生流域的目標(biāo)重點(diǎn)是最優(yōu)化方案以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、減少損失、提高效益，構(gòu)建知識圖譜，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)感知—智能識別—知識圖譜構(gòu)建—深度學(xué)習(xí)—智能決策”的循環(huán)，為精準(zhǔn)決策提供依據(jù)。通過構(gòu)建模擬仿真平臺，為精準(zhǔn)調(diào)度提供細(xì)化、量化、動態(tài)、直觀的計(jì)算分析，通過模擬仿真推演，可視化呈現(xiàn)調(diào)度效果，如“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進(jìn)”過程，或“污染—調(diào)水—改善—優(yōu)化”過程推演，提供空間數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、查看以及路徑規(guī)劃、漫游等功能；構(gòu)建來水預(yù)報(bào)、需水調(diào)配、水量分配、水量調(diào)度等模型，開發(fā)不同來水、調(diào)度措施、調(diào)度目標(biāo)下的調(diào)度預(yù)演以及多方案比選等功能，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，為“清水進(jìn)城”打造智慧調(diào)度平臺。

4.4 構(gòu)建“可編程樞紐”

“清水進(jìn)城”行動是結(jié)合區(qū)域河川地理狀況，有效利用前期水利建設(shè)成果，在“問題導(dǎo)向”下盤活水工程、水資源的一次探索，有效利用了原有防洪、調(diào)蓄、擋潮工程，變通使用通榆河送水工程的“逆運(yùn)行”方式，實(shí)現(xiàn)全新的解決方案。連云港市水利建設(shè)成果卓著，這些水利設(shè)施在數(shù)字技術(shù)支持下，可以類比分析出多重組合方式。通過對新沭河干流的精細(xì)管控，歸納比選出“清水進(jìn)城”方案，即新沭河—薔薇河方案，跨越中間環(huán)節(jié)，以新沭河廣袤濕地的水生態(tài)能力和臨洪東站的大流量高程突破功能為依托，充分使用地理及工程設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)優(yōu)勢改善水資源狀態(tài)［4］，使區(qū)域水資源、水生態(tài)稟賦得以最優(yōu)化利用。

5 結(jié) 語

連云港市水利基礎(chǔ)設(shè)施體系全面，規(guī)模宏大，預(yù)留著服務(wù)民生、改善生態(tài)的諸多接口［4］，隨著河長制的深入推進(jìn)，傳統(tǒng)水利工作正在逐漸打破行業(yè)壁壘，加速與環(huán)境、資源、城建等行業(yè)交流融合。以數(shù)字孿生技術(shù)為代表的數(shù)字技術(shù)推廣將促進(jìn)溝通構(gòu)建平臺，為釋放行業(yè)潛力創(chuàng)造條件，推進(jìn)水利調(diào)度精細(xì)化以及水利公共服務(wù)高效化。