以防洪為核心的三明市沙溪數(shù)字孿生流域建設(shè)

收稿日期：

2023-02-23

作者簡(jiǎn)介：

吳義陽(yáng)，男，高級(jí)工程師，主要從事防汛抗旱等方面的工作。E-mail：511539363@qq.com

引用格式：

吳義陽(yáng).以防洪為核心的三明市沙溪數(shù)字孿生流域建設(shè)

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（1）：101-108.

摘要：

為提高三明市防洪的實(shí)時(shí)監(jiān)管效能、應(yīng)急處置能力與安全保障水平，以沙溪流域?yàn)槔瑯?gòu)建了以防洪為核心的數(shù)字孿生流域。從防洪“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”4個(gè)方面，通過(guò)完善監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)建設(shè)，針對(duì)三明市沙溪流域防汛感知網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，適當(dāng)增加水文、氣象等監(jiān)測(cè)設(shè)備，提升氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警精準(zhǔn)程度；加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源建設(shè)，整合現(xiàn)有平臺(tái)及數(shù)據(jù)資源，推動(dòng)各部門(mén)間數(shù)據(jù)同步、互通共享與系統(tǒng)同屏共享，實(shí)現(xiàn)“一屏知汛”；開(kāi)展重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)，將沙溪流域作為重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，建設(shè)覆蓋沙溪流域的立體監(jiān)測(cè)體系，并重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)沙溪流域防洪調(diào)度一體化，實(shí)現(xiàn)信息快速流通，支撐防汛應(yīng)急指揮調(diào)度。實(shí)踐證明：在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，通過(guò)調(diào)度預(yù)演來(lái)分析決策，三明市主城區(qū)防汛預(yù)警提前了6 h，最大限度地減少災(zāi)害影響和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，取得了良好的運(yùn)用效果。

關(guān)鍵詞：

數(shù)字孿生流域； 防洪調(diào)度； 數(shù)據(jù)底板； 沙溪流域； 三明市

中圖法分類號(hào)：TV87

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.018

文章編號(hào)：1006-0081（2024）01-0101-08

0? 引? 言

數(shù)字孿生技術(shù)為解決防災(zāi)減災(zāi)工作中的一系列問(wèn)題提供了全新的思路和方法。研究數(shù)字孿生流域建設(shè)在防汛減災(zāi)中的應(yīng)用，對(duì)提高防災(zāi)減災(zāi)工作的效率和效果具有重要意義。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸和能源管理等方面已有較多研究。但是在防洪工作中，數(shù)字孿生流域建設(shè)的具體應(yīng)用和效果研究尚不夠清晰［1-2］。水利部門(mén)踐行新發(fā)展理念和高質(zhì)量發(fā)展［3］，智慧水利是其中一大途徑和顯著標(biāo)志。2021年《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力”［4］。智慧水利的建設(shè)需要依靠“物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射”和“數(shù)字孿生流域”實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能。本研究以三明市沙溪流域?yàn)槔谌魇蟹姥磻?yīng)急綜合指揮平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以防洪為核心的沙溪數(shù)字孿生流域。

1? 研究區(qū)域概況

三明市位于福建省中西北部，市域總面積2.29萬(wàn)km2，人口約264萬(wàn)，下轄一市、兩區(qū)、八縣。其地域復(fù)雜，山勢(shì)崎嶇，河流密布，氣候溫暖濕潤(rùn)、雨量充沛，容易發(fā)生水旱災(zāi)害，特別是洪澇災(zāi)害，給三明市防汛排澇工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

沙溪、金溪和尤溪為三明市主要河流水系［5］，大多坡降大，水量充足，上中游河床切割較深，水流急，含沙量較少。沙溪、金溪和尤溪流域雨量充沛，多年平均年降水量分別為1 650～1 800 mm、1 700～1 850 mm和1 550～1 700 mm。其中，沙溪流域的洪澇災(zāi)害主要由4～6月的春夏之交冷暖氣團(tuán)交綏造成的暴雨和7～9月的東南沿海臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的臺(tái)風(fēng)雨所致［6］。沙溪流域建有安砂水庫(kù)，控制流域5 784 km2，總庫(kù)容為7.4億m3，為上下游城鎮(zhèn)的防洪安全提供了保障。不同流域的水庫(kù)工程在防汛抗旱指揮部的統(tǒng)一調(diào)度下運(yùn)行，能夠發(fā)揮出聯(lián)合防洪的作用［7］。

三明市防汛抗旱指揮部已經(jīng)積累了一批防汛相關(guān)信息化系統(tǒng)，但由于缺少統(tǒng)一的應(yīng)急指揮平臺(tái)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面高效的防汛決策支持和應(yīng)急響應(yīng)，特別是在實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”能力方面面臨較大挑戰(zhàn)［8-9］。

三明市沙溪數(shù)字孿生流域建設(shè)存在問(wèn)題如下：

（1） 數(shù)據(jù)底板不完善，各部門(mén)業(yè)務(wù)專網(wǎng)獨(dú)立，數(shù)據(jù)未得到很好的挖掘［10］。

（2） 缺乏統(tǒng)一的模型平臺(tái)，導(dǎo)致防汛業(yè)務(wù)流程耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一站式作業(yè)，無(wú)法滿足防汛預(yù)警工作的時(shí)效性。

（3） 四預(yù)功能缺乏鏈條，洪水的預(yù)警范圍不足，預(yù)警不夠及時(shí)，亟需建設(shè)一套防汛業(yè)務(wù)協(xié)同應(yīng)用。

（4） 缺少統(tǒng)一的調(diào)度指揮，導(dǎo)致三明市對(duì)緊急事件的整體調(diào)控和調(diào)度指揮能力偏弱，迫切需要以信息化手段提升數(shù)據(jù)共享能力，建立快速溝通渠道，優(yōu)化資源調(diào)配優(yōu)勢(shì)，提高防汛應(yīng)急事件處置能力。

2? 總體設(shè)計(jì)

2.1? 總體框架

建立以防洪為核心的三明市沙溪數(shù)字孿生流域，需加強(qiáng)“全域感知-智慧中樞-業(yè)務(wù)決策-協(xié)同指揮”的防洪應(yīng)急指揮數(shù)字化、智慧化運(yùn)營(yíng)管理體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與智能決策支撐手段全面升級(jí)，形成防汛“事前-事中-事后”全鏈條、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化工作模式，以支撐政府開(kāi)展城市防汛科學(xué)決策和應(yīng)急管理，提高實(shí)時(shí)監(jiān)管效能、應(yīng)急處置能力、安全保障水平，減少洪水內(nèi)澇造成的損失，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生，保障人民群眾的生命與財(cái)產(chǎn)安全。根據(jù)《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》，結(jié)合數(shù)字孿生流域建設(shè)框架要求以及三明市防汛信息化現(xiàn)狀，三明市沙溪數(shù)字孿生流域總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2? 建設(shè)內(nèi)容及主要特點(diǎn)

沙溪數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容及主要特點(diǎn)如下：

（1） 補(bǔ)充傳統(tǒng)水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)如水文站、水位計(jì)以及新型水利監(jiān)測(cè)網(wǎng)如AI攝像頭等感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)三明市內(nèi)的防汛工作的全面支撐。建立了三明市內(nèi)防洪相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)以及其他跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)底板，形成防汛應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)單位防汛數(shù)據(jù)資源整合，形成高效、精準(zhǔn)、全面的預(yù)警信息，能夠有效地為防災(zāi)減災(zāi)與防汛應(yīng)急工作提供數(shù)據(jù)支撐。

（2） 建立以模型引擎、知識(shí)引擎組成的模型平臺(tái)和知識(shí)平臺(tái)，形成三明市防汛應(yīng)急指揮大腦中樞，上銜智慧業(yè)務(wù)系統(tǒng)，下接感知體系，為智慧防汛應(yīng)急業(yè)務(wù)“承上啟下、智能協(xié)同、長(zhǎng)效運(yùn)行”提供核心驅(qū)動(dòng)。建立防汛算法引擎、知識(shí)引擎、管理引擎，形成城市防汛模型與知識(shí)資源，提供適應(yīng)不同防汛應(yīng)急決策場(chǎng)景的智能構(gòu)建手段，為防汛過(guò)程中預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、工程調(diào)度、模擬仿真、輔助決策等環(huán)節(jié)提供專業(yè)、科學(xué)、智慧分析服務(wù)，支持未來(lái)系統(tǒng)業(yè)務(wù)不斷迭代優(yōu)化。

（3） 實(shí)現(xiàn)防洪業(yè)務(wù)應(yīng)用。滿足工作人員、決策人員的多端協(xié)同，將防汛業(yè)務(wù)專業(yè)計(jì)算分析工作與政府領(lǐng)導(dǎo)會(huì)商分析決策工作高效分工、有效協(xié)同。面向三明市水利局、水文局、氣象局、城管局等單位的技術(shù)人員，針對(duì)三明防汛河道內(nèi)洪水調(diào)度防御、城市內(nèi)澇洪水調(diào)度、防汛應(yīng)急調(diào)度等場(chǎng)景，提供覆蓋“降雨-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)、總量-洪峰-過(guò)程-調(diào)度、流域-干流-支流-斷面”的模擬計(jì)算、分析評(píng)估模塊工具，快速開(kāi)展預(yù)報(bào)方案、預(yù)警成果、調(diào)度方案、建議預(yù)案等相關(guān)內(nèi)容的分析計(jì)算和方案發(fā)布，以供防汛會(huì)商決策。

（4） 實(shí)現(xiàn)以應(yīng)急決策為目標(biāo)的綜合決策指揮應(yīng)用。面向三明市政府、水利局、應(yīng)急局、城管局、自然資源局、水文中心等防汛會(huì)商領(lǐng)導(dǎo)層的決策指揮工作，提供三維決策場(chǎng)景分析與協(xié)作功能，集態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)展示、現(xiàn)場(chǎng)決策、執(zhí)行指揮、效益評(píng)估功能為一體，實(shí)現(xiàn)“技術(shù)-料物-隊(duì)伍-組織”綜合管理，支撐保障防汛應(yīng)急的科學(xué)決策、高效管理、精準(zhǔn)執(zhí)行。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

3.1? 數(shù)據(jù)底板標(biāo)準(zhǔn)化

三明市防汛相關(guān)業(yè)務(wù)均由不同業(yè)務(wù)部門(mén)建設(shè)或者由部、省建設(shè)地市使用，圖2? 防汛對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

這種模式使得三明市防汛需要的防汛數(shù)據(jù)出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島，在進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集與業(yè)務(wù)協(xié)同開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用的接口結(jié)構(gòu)多樣、數(shù)據(jù)格式不同，無(wú)法滿足高效查詢和協(xié)同作業(yè)的要求。

為滿足業(yè)務(wù)協(xié)同需要，防汛計(jì)算對(duì)象分為水庫(kù)、測(cè)站、堤防、管網(wǎng)等實(shí)體對(duì)象，以及河段、河道斷面、產(chǎn)流單元、預(yù)報(bào)區(qū)間等虛擬對(duì)象兩大類。根據(jù)計(jì)算對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)定義節(jié)點(diǎn)編碼、節(jié)點(diǎn)名稱、節(jié)點(diǎn)類型等通用屬性以及各類型特有的特征值、特征曲線、約束條件、模型參數(shù)等與模型輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)字段屬性，并與數(shù)據(jù)底板的數(shù)據(jù)完成對(duì)象的數(shù)字化映射。該方式避免了數(shù)據(jù)類型不同、數(shù)據(jù)庫(kù)不同、數(shù)據(jù)格式不同帶來(lái)的適配工作量問(wèn)題，也保障了防汛業(yè)務(wù)流程在不同的管理單位之間形成串聯(lián)。防汛對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)見(jiàn)圖2。

3.2? 業(yè)務(wù)協(xié)同編排

需充分組合業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)三明市防汛應(yīng)急決策的計(jì)算和分析。通過(guò)建立業(yè)務(wù)協(xié)同模型編排技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面向不同場(chǎng)景、業(yè)務(wù)模型靈活配置和調(diào)用，滿足防汛決策場(chǎng)景靈活多變的業(yè)務(wù)協(xié)同和流程串接，實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)接入、組裝和配置，形成虛擬流域與物理流域同步仿真運(yùn)行，解決各專業(yè)之的業(yè)務(wù)“煙囪”［11］。

三明市防汛應(yīng)急決策中的水文預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、淹沒(méi)分析等多個(gè)業(yè)務(wù)協(xié)同一體，完整計(jì)算需要按一定順序調(diào)用多個(gè)模型。為了實(shí)現(xiàn)多模型、多任務(wù)的智能化協(xié)同，提出“配置-解析”的組合編排技術(shù)。為每個(gè)對(duì)象配置模型計(jì)算任務(wù)，并明確各模型的上下、干串并銜接關(guān)系、各對(duì)象模型數(shù)據(jù)的銜接來(lái)源；根據(jù)配置信息將各對(duì)象模型轉(zhuǎn)換為組合計(jì)算順序，完成跨業(yè)務(wù)的復(fù)雜模型組裝。

在編排對(duì)象、模型和水力聯(lián)系后，還需要一套能將多業(yè)務(wù)、多對(duì)象的模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算流的流程引擎技術(shù)。流程引擎需要根據(jù)對(duì)象銜接關(guān)系和業(yè)務(wù)銜接關(guān)系，明確對(duì)象的計(jì)算順序、模型的計(jì)算順序、模型數(shù)據(jù)的銜接來(lái)源等內(nèi)容，形成完整業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)計(jì)算，如圖3所示。

3.3? 視頻AI識(shí)別

當(dāng)前的傳統(tǒng)水文感知設(shè)備雖然可以較為精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到包括水位、流量、流速等信息，但是也存在局限性［12］。傳統(tǒng)水文站建設(shè)成本高，建設(shè)投入大，受限于成本，導(dǎo)致站點(diǎn)密度不足，無(wú)法完全覆蓋所有重點(diǎn)斷面。對(duì)于重要河段的堤防、排水口等工程的侵占、破壞、堵塞等情況，主要通過(guò)人工巡查的方式發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后再處理［13-15］。該方式存在較大的時(shí)效性問(wèn)題，受限于人員成本和精力，很難做到實(shí)時(shí)精細(xì)化監(jiān)控以及全天候監(jiān)控。通過(guò)引入新型帶AI識(shí)別能力的攝像頭，對(duì)具有物理水尺的河道，可采用視頻AI識(shí)別來(lái)代替需要人工觀測(cè)的水尺，實(shí)時(shí)采集物理水尺的圖像；對(duì)于沒(méi)有物理水尺的河道，也可以通過(guò)視頻AI技術(shù)，對(duì)不同水位的圖像進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)水位的監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖4。通過(guò)對(duì)水面圖像的識(shí)別，也能實(shí)時(shí)分析計(jì)算水面流速。視頻AI監(jiān)測(cè)識(shí)別能彌補(bǔ)常規(guī)水文監(jiān)測(cè)手段的不足，提高預(yù)警質(zhì)量、充分發(fā)揮覆蓋廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，及時(shí)掌握水位、流速等變化情況，在預(yù)警洪澇事故、避免人員和經(jīng)濟(jì)損失等方面有著重要意義。

4? 基于防洪“四預(yù)”的業(yè)務(wù)實(shí)踐

整合水利、應(yīng)急、氣象、水文、自然資源、城管等部門(mén)的水位、流量、雨量、地災(zāi)、排水管網(wǎng)、視頻等監(jiān)測(cè)（監(jiān)控）數(shù)據(jù)，結(jié)合已建的省山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、市河長(zhǎng)制管理系統(tǒng)、防汛視頻監(jiān)控系統(tǒng)、市時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)等，構(gòu)建防洪“四預(yù)”應(yīng)用。按照《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》的指導(dǎo)思想，建設(shè)“信息共享、洪澇預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、工程聯(lián)調(diào)、預(yù)案演練、應(yīng)急決策”等業(yè)務(wù)協(xié)同功能板塊，使梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度更精細(xì)、人員轉(zhuǎn)移更精準(zhǔn)、預(yù)警預(yù)報(bào)更精確。

4.1? 信息共享

基于三明市防汛應(yīng)急一張圖，針對(duì)防汛綜合決策全流程涉及到的防汛視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、預(yù)報(bào)預(yù)警信息、調(diào)度與災(zāi)情動(dòng)態(tài)預(yù)演信息、預(yù)案管理與決策信息、防汛應(yīng)急指揮信息、防汛調(diào)度災(zāi)后評(píng)估信息，借助數(shù)字孿生一張圖等進(jìn)行直觀可視化表達(dá)，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)的告預(yù)警閾值指標(biāo)，采用屏幕閃爍、聲音警報(bào)、手機(jī)短信等多方式對(duì)實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)信息進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)告預(yù)警，為及時(shí)啟動(dòng)調(diào)度預(yù)案決策、采取調(diào)度操作措施、評(píng)價(jià)調(diào)度執(zhí)行效果等提供信息支撐服務(wù)。

通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了三明市內(nèi)的防汛信息規(guī)范管理，建立了三明市沙溪數(shù)字孿生流域底板，打通市級(jí)防汛數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)單位防汛數(shù)據(jù)資源整合，形成高效、精準(zhǔn)、全面的預(yù)警信息，為三明市防汛指揮部聯(lián)合調(diào)度提供決策數(shù)據(jù)支撐，提高了防汛管理和調(diào)度運(yùn)用水平，實(shí)現(xiàn)跨層級(jí)、跨區(qū)域、跨部門(mén)的防汛應(yīng)急信息資源互聯(lián)互通、信息共享、統(tǒng)一管理和業(yè)務(wù)協(xié)同，做到?jīng)Q策數(shù)據(jù)“一點(diǎn)更新、全網(wǎng)同步、即時(shí)共享”，為市水利局、自然資源局、應(yīng)急局、城管局、氣象局、水文中心等部門(mén)提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，提升橫向決策數(shù)據(jù)共享能力，數(shù)據(jù)集成模式見(jiàn)圖5。

4.2? 洪澇預(yù)報(bào)

基于三明市水文預(yù)報(bào)方案，建立預(yù)報(bào)調(diào)度一體化預(yù)報(bào)體系，實(shí)現(xiàn)“降水-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)”全過(guò)程展示交互，獲取預(yù)報(bào)流域洪水，為研判防洪形勢(shì)提供本底。結(jié)合預(yù)報(bào)對(duì)象、預(yù)報(bào)參數(shù)等要求，針對(duì)三明市流域范圍內(nèi)不同預(yù)見(jiàn)期內(nèi)降雨、水位、流量等水情信息進(jìn)行預(yù)報(bào)，支持多套預(yù)報(bào)方案選擇功能、實(shí)時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)方案會(huì)商、預(yù)報(bào)方案精度評(píng)價(jià)、對(duì)外發(fā)布等功能，如圖6所示。

4.3? 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

針對(duì)三明市影響范圍內(nèi)主要防洪控制站，建立相應(yīng)的洪水預(yù)警判別指標(biāo)體系，提供防洪實(shí)況的可視化與告警，包括水位監(jiān)視與告警、流量監(jiān)視與告警、工情監(jiān)視與告警以及視頻監(jiān)控等。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合流域預(yù)報(bào)信息，對(duì)三明市影響范圍內(nèi)的防洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，根據(jù)各站點(diǎn)預(yù)報(bào)水情及工情狀態(tài)，計(jì)算重要河段、分區(qū)的防洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化展示。

針對(duì)以安砂水庫(kù)為核心的水庫(kù)群，基于流域防洪工程體系實(shí)時(shí)運(yùn)用情況，計(jì)算分析包括水庫(kù)防洪庫(kù)容、削峰能力、水位變化幅度，以及在應(yīng)對(duì)本次洪水后，剩余防洪庫(kù)容應(yīng)對(duì)未來(lái)洪水的能力。針對(duì)永安、梅列等調(diào)度對(duì)象，根據(jù)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)控制站水位、堤防超警超保情況總體形勢(shì)進(jìn)行分析。分析關(guān)鍵堤段水位變化規(guī)律和風(fēng)險(xiǎn)變化情況，評(píng)估城區(qū)淹沒(méi)范圍，對(duì)城區(qū)的淹沒(méi)情況進(jìn)行模擬。建立河段與區(qū)縣的防洪態(tài)勢(shì)關(guān)系知識(shí)圖譜，根據(jù)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，分析不同河段洪水預(yù)警對(duì)區(qū)縣的影響范圍。根據(jù)水庫(kù)流域面積，分析不同等級(jí)洪水對(duì)水庫(kù)下游的影響范圍，建立相關(guān)性，并在預(yù)報(bào)洪水的基礎(chǔ)上，根據(jù)洪水規(guī)模，對(duì)下游影響區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)警。

通過(guò)一張圖，決策者可以及時(shí)了解當(dāng)前的防洪形勢(shì)及未來(lái)的防汛趨勢(shì)。以2022年6月沙溪流域洪水為例，通過(guò)綜合查詢，可以了解到洪水來(lái)臨之前的降雨信息，同時(shí)集成氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，查看氣象云圖和臺(tái)風(fēng)路徑，了解未來(lái)降雨趨勢(shì)。2022年6月14日04∶00，監(jiān)測(cè)到安砂水庫(kù)入庫(kù)流量達(dá)到峰值5 696 m3/s，超過(guò)20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。一方面，安砂水庫(kù)要控制水位不超過(guò)265 m防洪高水位，另一方面，下游區(qū)間來(lái)水過(guò)大，但沒(méi)有具備調(diào)蓄能力的工程，如果安砂水庫(kù)繼續(xù)加大下泄，三明市城區(qū)將直接面對(duì)安砂水庫(kù)出庫(kù)以及區(qū)間來(lái)水的疊加，突破河道現(xiàn)有過(guò)流能力。最終，安砂水庫(kù)按3 300 m3/s左右的流量進(jìn)行下泄，水庫(kù)在6月14日14∶00達(dá)到最高水位265.27 m，突破防洪高水位，同時(shí)下游梅列站6月14日08∶30達(dá)到最高水位131.2 m，沙縣水文站6月

14日07∶30達(dá)到最大流量6 400 m3/s。三明市城區(qū)部分地區(qū)淹沒(méi)，但水位并沒(méi)有超過(guò)堤防，城區(qū)淹沒(méi)存在管網(wǎng)倒灌的現(xiàn)象。為更全面了解該場(chǎng)洪水的運(yùn)行過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)工程調(diào)度功能，將安砂水庫(kù)出庫(kù)過(guò)程采用實(shí)際運(yùn)行過(guò)程設(shè)置，按照庫(kù)容曲線及泄流能力曲線進(jìn)行模擬計(jì)算水位變化，同時(shí)下游采用馬斯京根演進(jìn)模型以及各站水位流量關(guān)系曲線計(jì)算各站實(shí)際流量和水位過(guò)程?？梢运愠觯妨兴恼居?月14日09∶00達(dá)到最高水位131.45 m，基本符合實(shí)際發(fā)生情況，說(shuō)明該系統(tǒng)可以為三明市城區(qū)的防汛模擬提供支撐。

4.4? 工程聯(lián)合調(diào)度

通過(guò)集成預(yù)報(bào)成果與流域防洪調(diào)度等邊界條件，設(shè)置不同防洪情景目標(biāo)，構(gòu)建了以重點(diǎn)水庫(kù)為核心，干流梯級(jí)電站、支流梯級(jí)電站以及三大流域內(nèi)城區(qū)重點(diǎn)河段堤防組成的水工程聯(lián)合調(diào)度防汛預(yù)演體系。三明市防汛應(yīng)急綜合指揮平臺(tái)完全面向?qū)崟r(shí)調(diào)度，提供靈活且豐富的預(yù)演功能，包括工程調(diào)度參數(shù)配置、工程調(diào)度目標(biāo)配置，對(duì)河道、堤防、水庫(kù)等調(diào)度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪模擬，并基于可視化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水演進(jìn)過(guò)程的仿真推演?；谡{(diào)度節(jié)點(diǎn)目標(biāo)調(diào)控，進(jìn)行調(diào)度方案反演，并按照調(diào)度指標(biāo)排序，優(yōu)化推送水庫(kù)調(diào)度方案，調(diào)用調(diào)度規(guī)則知識(shí)庫(kù)及調(diào)度模型，完成任意調(diào)度方案一鍵式自動(dòng)計(jì)算模擬。

進(jìn)一步通過(guò)系統(tǒng)模擬調(diào)度功能計(jì)算安砂水庫(kù)不攔蓄情況下城區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。本次安砂水庫(kù)的入庫(kù)流量峰值介于20 a一遇到30 a一遇，安砂水庫(kù)不攔蓄過(guò)程下的城區(qū)淹沒(méi)如圖7所示。如果沒(méi)有安砂水庫(kù)的攔蓄，通過(guò)氣象降雨、水文預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度、淹沒(méi)分析等業(yè)務(wù)協(xié)同，可以計(jì)算得出梅列水文站將在2022年6月14日08∶00達(dá)到最高水位134.21 m，最大流量8 350 m3/s，接近百年一遇，水位超過(guò)沿岸堤防，從三維場(chǎng)景中可以看到列東、列西、城關(guān)、龍崗等大面積淹沒(méi)，城市將處于癱瘓狀態(tài)。這也說(shuō)明安砂水庫(kù)在本次洪水過(guò)程中為城區(qū)的安全發(fā)揮了作用。

同時(shí)，三明市防汛應(yīng)急綜合指揮平臺(tái)也提供了以目標(biāo)為導(dǎo)向的優(yōu)化調(diào)度功能，可以分析安砂水庫(kù)的調(diào)度是否還有進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。此時(shí)，按照三明市城區(qū)流量不超過(guò)5 000 m3/s作為約束條件，反向計(jì)算安砂的實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程，可以得出，在已知3 d預(yù)見(jiàn)期的預(yù)報(bào)洪水基礎(chǔ)上，安砂水庫(kù)提前進(jìn)行攔蓄，在達(dá)到防洪高水位后為保庫(kù)區(qū)安全才加大下泄，此時(shí)雖然三明市城區(qū)流量依然會(huì)超過(guò)5 000 m3/s，但是最高水位出現(xiàn)時(shí)間將向后推遲到2022年6月14日20∶00，并且迅速回落?？傮w調(diào)度成果與實(shí)際調(diào)度效果接近，說(shuō)明安砂水庫(kù)在本次洪水過(guò)程中的調(diào)度方式是合理的。從以上成果可以分析出，本次洪水調(diào)度本身從能力上可提升的幅度不大，而防汛過(guò)程中的關(guān)鍵因素是預(yù)警，當(dāng)前預(yù)報(bào)是由人工進(jìn)行，如果提高預(yù)警效率，提高預(yù)報(bào)頻率，可使決策者了解到更全面的信息。平臺(tái)通過(guò)自動(dòng)滾動(dòng)預(yù)報(bào)，可以做到分鐘級(jí)預(yù)報(bào)，提高了預(yù)警的時(shí)效能力。

4.5? 預(yù)案演練

對(duì)于預(yù)演的調(diào)度方案，提供基于決策關(guān)注指標(biāo)偏好的對(duì)比功能，以及基于詳細(xì)調(diào)度調(diào)控過(guò)程的對(duì)比功能，形成初步對(duì)比信息推送至決策指揮模塊。同時(shí)根據(jù)會(huì)商決策指揮過(guò)程中的需求，重新擬定業(yè)務(wù)方案的策略，對(duì)預(yù)演方案進(jìn)行反饋優(yōu)化調(diào)整。三明市防汛應(yīng)急綜合指揮平臺(tái)還可以對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行模擬分析，創(chuàng)建多套調(diào)度預(yù)案，對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的洪水進(jìn)行調(diào)度研判。例如，當(dāng)預(yù)報(bào)沙溪將發(fā)生20 a一遇洪水（6 530 m3/s）時(shí)，為確保沙溪干流洪水不會(huì)淹至三明市城區(qū)，安砂水庫(kù)總出庫(kù)流量需控制在1 550 m3/s以下，防洪庫(kù)容1.66億m3，庫(kù)水位需預(yù)降到259 m以下運(yùn)行。根據(jù)平臺(tái)測(cè)算，為預(yù)留下游區(qū)間流量裕度，安砂水庫(kù)按照1 500 m3/s進(jìn)行預(yù)泄，可在預(yù)見(jiàn)期內(nèi)達(dá)到目標(biāo)起調(diào)水位。當(dāng)預(yù)報(bào)沙溪將發(fā)生超過(guò)30 a一遇洪水（7 060 m3/s）時(shí)，無(wú)法控制沙溪干流的三明市城區(qū)-安砂水庫(kù)的區(qū)間洪水，安砂水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)能力有限。為確保安砂水庫(kù)大壩安全，庫(kù)水位盡量降到253 m以下運(yùn)行，以減輕三明市城區(qū)的淹沒(méi)程度，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)算，為預(yù)留下游區(qū)間流量余度，安砂水庫(kù)即使按照敞泄方式進(jìn)行預(yù)泄，也無(wú)法在預(yù)見(jiàn)期內(nèi)達(dá)到目標(biāo)起調(diào)水位。通過(guò)平臺(tái)對(duì)沙溪干流進(jìn)行“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”的防洪調(diào)度一體化，最大限度提升水庫(kù)調(diào)蓄洪水能力，通過(guò)安砂水庫(kù)科學(xué)調(diào)度后，三明市主城區(qū)防汛預(yù)警提前了6 h。利用平臺(tái)的預(yù)演分析功能，可以結(jié)合預(yù)報(bào)成果，對(duì)各種不同頻率洪水進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度模擬演練，多方案對(duì)比，優(yōu)選最合適的調(diào)度方式，為批復(fù)的調(diào)度方案進(jìn)行補(bǔ)充。

4.6? 應(yīng)急決策

通過(guò)建立防汛應(yīng)急一張圖和應(yīng)急指揮模塊，打造以各種信息化手段、應(yīng)急資源、“四預(yù)”決策服務(wù)、防汛應(yīng)急數(shù)據(jù)為支撐，以點(diǎn)擊式調(diào)度、可視化指揮為手段，以一級(jí)指揮、多級(jí)響應(yīng)為目標(biāo)的扁平化、集成化、實(shí)戰(zhàn)化的防汛應(yīng)急指揮業(yè)務(wù)，推動(dòng)三明市防汛應(yīng)急決策工作向精確化、智能化、全面化、扁平化方向積極發(fā)展，為三明市防汛應(yīng)急救援工作的保駕護(hù)航，三明市應(yīng)急救援指揮流程如圖8所示。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

以防洪為核心的三明市沙溪數(shù)字孿生流域建設(shè)基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)歷史的復(fù)演、對(duì)實(shí)時(shí)的預(yù)演、對(duì)未來(lái)的預(yù)案，為實(shí)際防汛過(guò)程提高了預(yù)警效率，為工程實(shí)時(shí)調(diào)度提供了優(yōu)化建議，最大限度減少災(zāi)害影響，減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，保障人民生命、財(cái)產(chǎn)安全。但由于現(xiàn)階段建設(shè)條件有限，目前的數(shù)字孿生流域建設(shè)框架還有待進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 楊禮森.三明市鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層水利單位情況調(diào)查［J］.水利科技，2005（2）：49-50.

［2］? 王珊珊，朱偉軍，李長(zhǎng)順.基于GIS技術(shù)的三明市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究［J］.水利科技，2015（4）：20-22，27.

［3］? 王亞華.中國(guó)水利發(fā)展進(jìn)入新階段及其戰(zhàn)略含義［J］.水利發(fā)展研究，2022，22（2）：40-44.

［4］? 安全，范瑞琪，朱禎，等.構(gòu)建式流域?qū)崟r(shí)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水文，2011，31（4）：6-11.

［5］? 張曉琦，劉攀，陳進(jìn)，等.基于條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值理論的水庫(kù)群防洪庫(kù)容協(xié)同作用［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2022，33（2）：298-305.

［6］? 鄧名春.三明市洪水預(yù)警報(bào)系統(tǒng)的故障分析與檢修［J］.黑龍江水利科技，2016，44（7）：97-99.

［7］? 陳香.福建省洪澇災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失趨勢(shì)分析［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（2）：170-175.

［8］? 唐海華，羅斌，周超，等.水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度多模型集成總體技術(shù)架構(gòu)［J］.人民長(zhǎng)江，2018，49（13）：95-98.

［9］? 周超，唐海華，李琪，等.水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺(tái)技術(shù)與應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（2）：203-208.

［10］? 羅火錢(qián)，侯才水，馬廣恩.閩江沙溪數(shù)字流域模型建立及其應(yīng)用研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2018，24（9）：7-10.

［11］? SINGH P，NAIK B，TANG X，et al.Models for kinetic energy and momentum correction coefficients for non-prismatic compound channels using regression and gene expression programming［J］.SN Applied Sciences，2019，1（10）：1229.

［12］? 王妍，張夏.基于分布式采集的水文現(xiàn)代化感知體系初探［J］.海河水利，2020（4）：67-68.

［13］? 劉政.堤防工程常見(jiàn)的險(xiǎn)情及搶險(xiǎn)方法［J］.科技資訊，2011（23）：44..

［14］? 王漢東，黃瓅瑤，王燕，等.基于預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算的水庫(kù)納雨能力分析［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（12）：31-35.

［15］? 李琪，唐海華，黃瓅瑤，等.基于敏捷搭建技術(shù)的水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)研究［J］.人民長(zhǎng)江，2021，52（6）：218-222.

（編輯：江? 文）

Construction of Shaxi digital twin watershed in Sanming City with core of flood control

WU Yiyang

（Sanming City Embankment Service Center，Sanming 365000，China）

Abstract：

To strengthen and practice the real-time supervision efficiency，emergency response capacity，and safety assurance level，this article focused on Shaxi River Basin in Sanming City，F(xiàn)ujian Province and constructed four strategies for flood control，including prediction，early warning，rehearsal，and contingency plan.By improving the construction of the monitoring perception network and addressing the weak links of the Shaxi River Basin flood control perception network in Sanming City，hydrological，meteorological，and other monitoring equipment were appropriately added to improve the accuracy of meteorological forecasting and early warning.The construction of data resources was strengthened to integrate existing platforms and data resources，promoting inter-departmental data synchronisation，interoperability and sharing，and realising "one-screen flood measurement".The construction of key areas was carried out with Shaxi River Basin as the key construction area.A three-dimensional monitoring system covering the whole basin to achieve the integration of flood control scheduling，rapid information flow and support flood control emergency command.Practices showed that with the support of digital twin technology，the construction of Sanming City Flood Control Emergency Comprehensive Command Platform successfully improved the level of flood control management and scheduling application.Through scheduling rehearsals to analyze and make decisions，the flood warning in the main urban area of Sanming City was advanced by 6 hours，minimizing the influence of disasters and socio-economic losses，and achieving a good application results.

Key words：

digital twin watershed； flood control operation； data backplane； Shaxi River Basin； Sanming City