泗河數(shù)字孿生流域建設(shè)的實(shí)踐與思考

劉馳，夏磊，劉猛猛

（濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟(jì)寧 272000）

1 泗河流域基本情況

泗河發(fā)源于新泰市太平頂山西側(cè)，河長(zhǎng)159km，流域面積2357km2。有大小支流32 條，其中左岸13條，右岸19 條。流域內(nèi)有大中型水庫4 座，小型水庫138 座。泗河是季節(jié)性山洪河道，每逢大汛，洪水溢漲，泥沙沉積嚴(yán)重，致使河床抬高，河道險(xiǎn)工險(xiǎn)段增加，加之原有堤防矮小單薄，歷史上洪澇災(zāi)害頻繁。新中國成立后，泗河干流上先后修建了黃陰集閘、故縣壩、泗水大閘、紅旗閘等攔河工程。在泗河干支流上修建了尼山大型水庫和賀莊、華村、龍灣套3 座中型水庫，共控制流域面積710km2。泗河沿線城鎮(zhèn)、企業(yè)，跨河交通鐵路、公路等保護(hù)目標(biāo)較多，歷來是防汛的重中之重。

2 泗河數(shù)字孿生流域建設(shè)的主要內(nèi)容

2.1 完善智能感知體系

優(yōu)化完善監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，建設(shè)泗河流域各類水雨情等水文設(shè)施687 處、匯集建設(shè)視頻監(jiān)控1980路、改造攔河閘壩控制19 處，實(shí)現(xiàn)洪水來源區(qū)、水資源來源區(qū)、行政管理邊界、重要防御對(duì)象、重要用水對(duì)象等重要節(jié)點(diǎn)全覆蓋。初步構(gòu)建泗河全流域2357km2L2 級(jí)、主河道兩側(cè)350km2L3 級(jí)三維數(shù)字模型，打造由0.2m 精度分辨率的地形數(shù)據(jù)、0.5m 精度河道斷面數(shù)據(jù)和0.03m 分辨率的傾斜攝影數(shù)據(jù)構(gòu)成的“數(shù)據(jù)底板”，實(shí)現(xiàn)了站點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息、發(fā)生洪水的河道斷面信息、參與調(diào)度運(yùn)用的工程安全監(jiān)控信息等多維數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)底板上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)物理流域防洪工程與數(shù)字流域深度融合。

2.2 開展智慧化模擬

采用分布式GPU 并行計(jì)算，研發(fā)流域大尺度場(chǎng)景下的二維水動(dòng)力、產(chǎn)匯流、洪水演進(jìn)淹沒、水庫聯(lián)合調(diào)度等模型及精細(xì)尺度下的三維洪水演進(jìn)算法。實(shí)現(xiàn)了全流域15 個(gè)區(qū)域的產(chǎn)匯流計(jì)算，重點(diǎn)滯洪區(qū)和險(xiǎn)工點(diǎn)的精細(xì)模擬。實(shí)現(xiàn)了3 天中期預(yù)報(bào)成果調(diào)用，研發(fā)了基于新安江及淮河流域經(jīng)驗(yàn)公式的洪水預(yù)報(bào)算法，與歷史洪水模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)、率定，確保模型算法適配性和準(zhǔn)確度。打造小水庫強(qiáng)降雨應(yīng)急搶險(xiǎn)調(diào)度模型，模擬不同量級(jí)強(qiáng)降雨水庫工情，提前分析預(yù)判險(xiǎn)情影響范圍。此外還依托圖像識(shí)別技術(shù)研發(fā)了視頻監(jiān)控智能識(shí)別模型，使河湖“四亂”問題、水利工程運(yùn)行和安全監(jiān)測(cè)、應(yīng)急突發(fā)水事件等自動(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確率不斷提高。

2.3 構(gòu)建水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

基于智能感知手段，構(gòu)建高精度的數(shù)字孿生流域，融合多源多維多尺度數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)泗河“雨水工險(xiǎn)災(zāi)”五情信息的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)、智慧化模擬、高仿真演練、智能化防御的完整體系。夯實(shí)防汛基礎(chǔ)，提高預(yù)報(bào)精度，根據(jù)降水對(duì)泗河干流書院、大石橋、波羅樹等控制斷面和水庫實(shí)時(shí)進(jìn)行水情預(yù)報(bào)；突出防汛前哨，提前預(yù)警時(shí)間，對(duì)蓄滯洪區(qū)、28 處險(xiǎn)工險(xiǎn)段、14 座閘壩、38 處橋梁、43 處穿堤涵閘、246 座水庫等工情進(jìn)行超前預(yù)警；打造關(guān)鍵環(huán)節(jié)，增強(qiáng)預(yù)演精度，通過蓄滯洪區(qū)、險(xiǎn)工險(xiǎn)段、水庫預(yù)演，確定水庫、閘壩等水利工程安全運(yùn)行調(diào)度方案和小水庫應(yīng)急處理措施；明確防汛目標(biāo)，增強(qiáng)預(yù)案效果，對(duì)受洪水威脅較大的重要城鎮(zhèn)、基礎(chǔ)設(shè)施提出轉(zhuǎn)移、限行、停產(chǎn)、停運(yùn)等應(yīng)急處置措施，生成險(xiǎn)工險(xiǎn)段巡查防守、水利工程調(diào)度運(yùn)行、應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案，為指揮防汛搶險(xiǎn)提供有力保障。

2.4 重點(diǎn)提升小水庫薄弱環(huán)節(jié)

針對(duì)山區(qū)小水庫及各類塘壩日常管理薄弱但又易出險(xiǎn)情況，進(jìn)一步完善全部240 座小水庫高程測(cè)定和庫容曲線繪制，實(shí)現(xiàn)滲壓、視頻、雨量水位、照明設(shè)備全覆蓋，研發(fā)小水庫“四預(yù)”系統(tǒng)，重點(diǎn)解決未來降雨庫區(qū)能盛多少水、研判風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、應(yīng)急搶險(xiǎn)調(diào)度問題。尤其在短時(shí)強(qiáng)降雨情況下預(yù)演小水庫滿溢潰壩情況，反推氣象水文上限，智能關(guān)聯(lián)搶險(xiǎn)專家、隊(duì)伍和物資、車輛，自動(dòng)生成調(diào)度路線及搶險(xiǎn)技術(shù)方案，為應(yīng)急搶險(xiǎn)提供科技支撐。

3 泗河數(shù)字孿生流域建設(shè)重要技術(shù)節(jié)點(diǎn)

3.1 預(yù)報(bào)模型研發(fā)

實(shí)現(xiàn)泗河和白馬河流域未來3 天關(guān)鍵斷面洪水流量和水位過程預(yù)報(bào)。一是適用于濟(jì)寧水文特性的水文預(yù)報(bào)模型定制化研發(fā)、封裝和集成。根據(jù)業(yè)務(wù)需要確定洪水預(yù)報(bào)模型開發(fā)任務(wù)，主要包括模型研究、參數(shù)率定與移植、模型軟件化及封裝、預(yù)報(bào)方案構(gòu)建、預(yù)報(bào)系統(tǒng)開發(fā)與集成。模型均采用標(biāo)準(zhǔn)化接口封裝、模型與數(shù)據(jù)分離、模型以服務(wù)方式由業(yè)務(wù)平臺(tái)模型服務(wù)來管理。二是預(yù)報(bào)方案的研究和預(yù)報(bào)模型參數(shù)的率定。完成泗河干流控制斷面、重點(diǎn)支流斷面等多個(gè)斷面洪水預(yù)報(bào)方案編制和預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定。三是洪水預(yù)報(bào)校正技術(shù)研究和校正模型研發(fā)。根據(jù)預(yù)報(bào)流量和實(shí)測(cè)流量擬合，研究多元回歸、自回歸等模型，自動(dòng)校正預(yù)報(bào)成果，提升洪水預(yù)報(bào)精度。

3.2 調(diào)度模型研發(fā)

實(shí)現(xiàn)賀莊水庫、尼山水庫、西葦水庫、龍灣套水庫、尹城水庫、華村水庫等6 座大中型水庫、閘壩和南四湖的洪水調(diào)度，模擬不同調(diào)度方案下水庫和關(guān)鍵控制斷面洪水過程和影響結(jié)果，生成洪水期間水庫和閘壩的調(diào)度運(yùn)行方案。一是調(diào)度方案研究和調(diào)度模型研發(fā)、集成。二是泗河流域水庫和閘壩出入平衡、規(guī)則調(diào)度、指令調(diào)度等調(diào)度模式研究和定制化研發(fā)。

3.3 二維水動(dòng)力模型研發(fā)

實(shí)現(xiàn)泗河干流水面線過程模擬，實(shí)現(xiàn)泗河洪水淹沒和擴(kuò)散模擬。一是水力學(xué)模型自研?；贓FDC（三維環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)程序）框架研發(fā)二維水動(dòng)力模型，模擬洪水的演進(jìn)和淹沒過程。二是洪水風(fēng)險(xiǎn)自適應(yīng)分析模型研制。三是對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行基本情況調(diào)查，識(shí)別保護(hù)區(qū)主要的洪水威脅，選擇適宜的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法，開展洪水風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和影響分析模擬。

4 建設(shè)成效

4.1 實(shí)現(xiàn)了“正向+逆向”推演

泗河數(shù)字孿生流域系統(tǒng)根據(jù)氣象預(yù)報(bào)每15 分鐘即可“正向”預(yù)演風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)和影響，得以在未萌之時(shí)、成災(zāi)之前發(fā)現(xiàn)問題、提出對(duì)策；以重點(diǎn)區(qū)域村鎮(zhèn)、工礦企業(yè)特別是泗沂滯洪區(qū)等為保護(hù)目標(biāo)，在5 分鐘內(nèi)完成“逆向”推演，得到水庫及閘壩等水利工程安全運(yùn)行限制條件，制定和優(yōu)化調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)與調(diào)度的動(dòng)態(tài)耦合模擬。

4.2 實(shí)現(xiàn)了“模擬+實(shí)踐”融合

2022 年6 月26 日，濟(jì)寧市發(fā)生強(qiáng)降雨過程，系統(tǒng)根據(jù)氣象預(yù)報(bào)進(jìn)行了全流域100mm、200mm、300mm 降雨場(chǎng)景模擬。其中200mm 降雨時(shí)泗河書院站流量將超過800m3/s，此時(shí)泗沂滯洪區(qū)有漫溢風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)演龍灣套、華村水庫預(yù)泄納蓄進(jìn)行削峰錯(cuò)峰后，預(yù)報(bào)書院站28 日6 時(shí)最大洪峰將削減為608m3/s。同時(shí)根據(jù)沿線橋、涵、路口等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)情況，將可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施發(fā)送給防汛一線人員，提前做好針對(duì)性巡防。6 月26—28 日，流域面降雨量222mm，書院站28 日4:28 最大洪峰流量578m3/s，滯洪區(qū)未發(fā)生漫溢，確保了沿岸工礦企業(yè)和民眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

5 思考與建議

5.1 強(qiáng)化水利網(wǎng)絡(luò)安全

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全法、關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)條例等法律法規(guī)要求，健全網(wǎng)絡(luò)安全制度，構(gòu)建國產(chǎn)化軟硬件環(huán)境，層層壓實(shí)主管單位、建設(shè)單位、運(yùn)行單位、使用單位的安全責(zé)任，完善水利網(wǎng)絡(luò)安全體系，增強(qiáng)關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施和重要數(shù)據(jù)防護(hù)能力，確保數(shù)字孿生流域安全。

5.2 強(qiáng)化業(yè)務(wù)功能整合

結(jié)合泗河流域數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)，改造水利工程建設(shè)與運(yùn)行管理應(yīng)用，升級(jí)完善河湖管理應(yīng)用，擴(kuò)展水土保持應(yīng)用，整合農(nóng)村水利水電應(yīng)用，同步推進(jìn)節(jié)水管理與服務(wù)、水行政執(zhí)法、水利監(jiān)督、水文管理、水利行政、水利公共服務(wù)等應(yīng)用建設(shè)。

5.3 強(qiáng)化流域防洪功能

進(jìn)一步深化完善預(yù)報(bào)、演進(jìn)模型，使預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確，模擬更加符合實(shí)際。特別是不同預(yù)報(bào)模型之間的融合，開展深度學(xué)習(xí)。完善歷史場(chǎng)景庫，特別是針對(duì)不同量級(jí)典型洪水情況，反復(fù)推演，不斷提升水庫、閘壩聯(lián)合調(diào)度能力，最大限度消鋒錯(cuò)鋒，深度細(xì)化搶險(xiǎn)應(yīng)急處置預(yù)案演練，完善監(jiān)測(cè)體系，升級(jí)流域防洪預(yù)報(bào)、預(yù)警功能，建設(shè)預(yù)演功能，支撐預(yù)案選擇，實(shí)現(xiàn)流域防洪“四預(yù)”。

5.4 強(qiáng)化水資源管理

進(jìn)一步開展生態(tài)流量、水資源調(diào)配、農(nóng)田灌溉等方面業(yè)務(wù)開發(fā)，豐富各類場(chǎng)景模擬，全面提升數(shù)字孿生流域解決“四水四定”實(shí)際問題能力■