數(shù)字孿生錢塘江流域建設(shè)及應(yīng)用

周紅衛(wèi) 程開(kāi)宇 王淑英 白玨瑩 莫利明

摘要：錢塘江流域洪澇臺(tái)潮災(zāi)害頻發(fā)，亟需通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)流域防洪統(tǒng)籌調(diào)度，提升水災(zāi)害防御決策能力。首先分析了平臺(tái)總體設(shè)計(jì)思路，從基礎(chǔ)信息設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、孿生場(chǎng)景3個(gè)維度重點(diǎn)分析數(shù)字孿生錢塘江流域建設(shè)方式。具體地，優(yōu)化“天空地水”物聯(lián)感知網(wǎng)，迭代提升水利信息網(wǎng)，從數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)方面加強(qiáng)流域級(jí)數(shù)字孿生平臺(tái)統(tǒng)籌構(gòu)建；同時(shí)重點(diǎn)建設(shè)融合“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四預(yù)過(guò)程的水災(zāi)害防御孿生場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)孿生錢塘江和物理錢塘江的孿生共長(zhǎng)、交互映射、協(xié)同聯(lián)動(dòng)。對(duì)流域級(jí)數(shù)字孿生水災(zāi)害防御平臺(tái)建設(shè)思路進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)其他數(shù)字孿生流域建設(shè)具有一定借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞：數(shù)字孿生；“四預(yù)”體系；錢塘江流域；防洪減災(zāi)

中圖法分類號(hào)：TV877

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.032

0 引 言

在氣候異常加劇背景下，中國(guó)洪澇災(zāi)害呈現(xiàn)出頻率增加、影響范圍增大、災(zāi)害影響程度加深的特征，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重威脅人民的生命安全和制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展^［1-2］。2022年，水利部部長(zhǎng)李國(guó)英在全國(guó)水利工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要加快數(shù)字孿生流域建設(shè)，強(qiáng)化“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四預(yù)功能^［3］。數(shù)字孿生流域逐漸被認(rèn)為是防洪減災(zāi)的重要工具，是智慧水利建設(shè)的關(guān)鍵和核心，基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字孿生流域“四預(yù)”和部門多跨協(xié)同是水災(zāi)害防御的重要舉措，包括雨水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、洪澇高精度預(yù)報(bào)、水災(zāi)害高效預(yù)警、水工程調(diào)度多方案預(yù)演、最優(yōu)調(diào)度方案制定、部門多跨協(xié)同搶險(xiǎn)等。

隨著智能模型算法、高性能計(jì)算、先進(jìn)可視化、仿真模擬、感知監(jiān)測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于航空航天、智能電網(wǎng)等眾多領(lǐng)域和方向^［4-5］。同樣，這些新型技術(shù)對(duì)于水利行業(yè)也是不可或缺的重要基礎(chǔ)。具有高時(shí)空特性的衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)技術(shù)可以對(duì)多尺度下墊面信息、高精度三維地形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在數(shù)字孿生流域中的作用逐漸凸顯^［6-7］。BIM、傾斜攝影、聲吶、三維視頻融合等先進(jìn)技術(shù)可為多尺度、多層級(jí)、動(dòng)靜融合的數(shù)字孿生流域構(gòu)建提供重要數(shù)據(jù)支撐^{［6，8-10］}。高性能計(jì)算、人工智能技術(shù)、知識(shí)圖譜、大數(shù)據(jù)分析是水利模型算法構(gòu)建的重要工具，與傳統(tǒng)水利專業(yè)模型進(jìn)行融合，可以為水利應(yīng)用賦能^［11-12］。

國(guó)內(nèi)外都在加大數(shù)字孿生技術(shù)在水利方面的應(yīng)用力度，提升對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力，尤其在防洪減災(zāi)、大壩安全、供水等領(lǐng)域^［13-14］。如，丹麥建立了100 m分辨率的水文信息模型，構(gòu)建了數(shù)字孿生系統(tǒng)，提供5～10 d的水文預(yù)測(cè)。英國(guó)泰晤士水務(wù)公司搭建數(shù)字孿生供水管道模型，實(shí)時(shí)顯示管道的運(yùn)行情況。美國(guó)西雅圖構(gòu)建了數(shù)字孿生狄布羅大壩，利用人工智能算法自動(dòng)識(shí)別裂縫和剝落區(qū)域。中國(guó)也在積極推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)。長(zhǎng)江流域、松遼流域等都正在大力進(jìn)行數(shù)字孿生流域防洪業(yè)務(wù)建設(shè)^［15-16］，深入研究流域地理空間要素二三維重建、水利模型快速計(jì)算、可視化表達(dá)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。一級(jí)流域更側(cè)重于干支流重要水文斷面預(yù)報(bào)和梯級(jí)水工程聯(lián)合調(diào)度，相比之下，地處東部沿海的錢塘江流域人口及經(jīng)濟(jì)要素聚集，除了需要具有流域級(jí)高精度洪水預(yù)報(bào)能力和洪水調(diào)度全面統(tǒng)籌能力，還強(qiáng)調(diào)預(yù)警對(duì)象和范圍更全面化、預(yù)演更真實(shí)化、應(yīng)急響應(yīng)更精細(xì)化，更關(guān)注韌性城市的建設(shè)與服務(wù)。其次，錢塘江河口洪水除受洪水流量影響外，還受到江道沖淤面貌、下游潮汐大小、江道主槽走向及長(zhǎng)度等諸多因素控制，這對(duì)洪水預(yù)報(bào)精度的提升具有一定影響。再次，相比市縣級(jí)別數(shù)字孿生流域，錢塘江流域覆蓋多個(gè)市縣，其數(shù)據(jù)底板構(gòu)建、數(shù)據(jù)匯聚治理、模型平臺(tái)統(tǒng)籌建設(shè)具有更大的難度。

因此，需充分利用遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建水上水下、江河內(nèi)外的流域三維空間模型，結(jié)合機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建針對(duì)符合需求的防洪減災(zāi)孿生場(chǎng)景，利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)孿生錢塘江和物理錢塘江的孿生共長(zhǎng)、交互映射、協(xié)同聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化預(yù)報(bào)調(diào)度、科學(xué)化預(yù)案制定和高效化搶險(xiǎn)救災(zāi)，推動(dòng)錢塘江流域防御洪潮體系和能力現(xiàn)代化。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

錢塘江流域是中國(guó)東南沿海獨(dú)流入海河流，流域內(nèi)降雨時(shí)空分布不均，受梅雨洪水、臺(tái)風(fēng)、涌潮等綜合影響，洪澇臺(tái)潮災(zāi)害易發(fā)，且該區(qū)域人口及經(jīng)濟(jì)要素聚集，災(zāi)害影響范圍大，流域防洪涉及上下游、左右岸、干支流，防洪管理面廣、內(nèi)容多、任務(wù)重、協(xié)同要求高^［17-18］。錢塘江流域?qū)樗A(yù)報(bào)精度、應(yīng)急響應(yīng)速度、搶險(xiǎn)救災(zāi)效率提出了更高的要求，需要進(jìn)行更精細(xì)化的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案。當(dāng)前的預(yù)報(bào)水位僅針對(duì)干流重要水文斷面，無(wú)法反映預(yù)報(bào)水位與沿江堤防、圍片及臨河建筑的沿程關(guān)系。缺少對(duì)沿江水閘、道口、排澇站、低標(biāo)準(zhǔn)圍片及防洪薄弱點(diǎn)的及時(shí)預(yù)警，無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)可能淹沒(méi)范圍內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)警。未充分利用BIM、實(shí)景三維技術(shù)對(duì)現(xiàn)狀防洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬還原研判，三維視頻融合、遙感等新技術(shù)的應(yīng)用還不夠充分。

在數(shù)字孿生時(shí)代，需以物理流域?yàn)閱卧?、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、水利模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域和物理流域的孿生共長(zhǎng)、交互映射、協(xié)同聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)智慧水利建設(shè)^［19-20］。因此，需充分結(jié)合錢塘江流域防洪減災(zāi)數(shù)字化平臺(tái)已有成果，開(kāi)展數(shù)字孿生錢塘江流域建設(shè)，在重點(diǎn)防洪地區(qū)強(qiáng)化防洪防潮“四預(yù)”孿生場(chǎng)景應(yīng)用，推動(dòng)錢塘江流域防御洪水體系和能力現(xiàn)代化。“四預(yù)”是數(shù)字孿生流域的核心，需優(yōu)化構(gòu)建覆蓋“降水-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)”全過(guò)程的高精度、長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期的預(yù)報(bào)模型，加強(qiáng)防洪風(fēng)險(xiǎn)研判，促進(jìn)預(yù)警信息直達(dá)一線；擴(kuò)展模擬計(jì)算和動(dòng)態(tài)仿真功能，并實(shí)現(xiàn)可視化展示，預(yù)演成果輔助決策，輔助預(yù)案制定；集成各類防洪方案、調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)等，擴(kuò)展方案自動(dòng)生成、場(chǎng)景化業(yè)務(wù)自動(dòng)預(yù)案提取、多方案比選等功能。

1.2 總體架構(gòu)

以錢塘江流域防洪減災(zāi)數(shù)字化平臺(tái)為基礎(chǔ)，打造數(shù)字孿生錢塘江流域，建設(shè)具有“四預(yù)”全過(guò)程的多跨場(chǎng)景應(yīng)用。結(jié)合數(shù)字化改革已有成果，共享集成各相關(guān)業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)，迭代建設(shè)1套基礎(chǔ)信息設(shè)施、1個(gè)數(shù)字孿生流域與2+N個(gè)智慧應(yīng)用（圖1），本文重點(diǎn)闡述流域防洪孿生應(yīng)用建設(shè)，分析數(shù)字孿生錢塘江建設(shè)思路。

1.3 功能架構(gòu)

針對(duì)錢塘江水利防洪業(yè)務(wù)需求，從歷史回溯、實(shí)時(shí)汛情、未來(lái)汛情3個(gè)時(shí)間維度分別構(gòu)建融合“四預(yù)”過(guò)程的防洪孿生場(chǎng)景，服務(wù)于汛前、汛中、汛后全過(guò)程洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析、調(diào)度決策支持等智慧化應(yīng)用（圖2）。

2 信息化基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化

流域范圍內(nèi)水雨情感知監(jiān)測(cè)體系較為完善，基本能滿足數(shù)字孿生錢塘江建設(shè)需求，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)浙江省水利數(shù)據(jù)倉(cāng)獲取，但在排澇站設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視、堤防安全監(jiān)測(cè)等方面的自動(dòng)化和信息化程度還亟需提升。目前，還需圍繞數(shù)字孿生流域支撐水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，依托“水利數(shù)字化發(fā)展十四五規(guī)劃”“水文事業(yè)發(fā)展十四五規(guī)劃”及浙江省水文“5+1”提升工程推進(jìn)水利感知網(wǎng)建設(shè)、優(yōu)化站點(diǎn)布局、信息采集提檔升級(jí)，為數(shù)字孿生流域的高保真建設(shè)運(yùn)行提供基礎(chǔ)算據(jù)。水利信息網(wǎng)承載著錢塘江流域中心數(shù)字孿生平臺(tái)與各水利工程的工程管理、水文水資源管理等信息的共享交換，在接入已有信息化平臺(tái)的水利數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，優(yōu)化建設(shè)水利業(yè)務(wù)網(wǎng)和水利工控網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)持續(xù)更新。

3 數(shù)字孿生平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)底板

從數(shù)據(jù)資源池、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)服務(wù)四大部分入手提升錢塘江數(shù)據(jù)底板建設(shè)能力與水平。利用擬建的錢塘江數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板串聯(lián)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等各方數(shù)據(jù)資源，借助浙江省一體化數(shù)字資源系統(tǒng)（Integrated Resources System，簡(jiǎn)稱IRS）獲取跨行業(yè)數(shù)據(jù)，并重點(diǎn)補(bǔ)充遙感數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM模型、水下地形等，形成多尺度二三維基礎(chǔ)空間模型，構(gòu)建錢塘江特有的數(shù)據(jù)資源池。制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，并利用錢塘江數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)全面治理，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、接口共享、格式統(tǒng)一的錢塘江數(shù)據(jù)中臺(tái)，共享水利數(shù)據(jù)并服務(wù)于流域內(nèi)水利部門。

錢塘江數(shù)據(jù)底板由流域管理機(jī)構(gòu)和流域內(nèi)水利部門共建共享，需要對(duì)錢塘江流域統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一部署、統(tǒng)一應(yīng)用（圖3）。以蘭溪節(jié)點(diǎn)為例，蘭溪節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)底板是錢塘江數(shù)據(jù)底板的組成部分。因此，建立蘭溪節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)倉(cāng)和錢塘江流域級(jí)數(shù)據(jù)倉(cāng)之間的數(shù)據(jù)交換，形成流域級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)、各級(jí)別數(shù)據(jù)倉(cāng)、跨行業(yè)數(shù)據(jù)資源的共享，從而形成具有共享互通和資源集約利用特點(diǎn)的錢塘江數(shù)據(jù)底板。

3.2 模型平臺(tái)

模型平臺(tái)是數(shù)字孿生流域智能中心的核心計(jì)算中樞，是孿生流域的重要驅(qū)動(dòng)，針對(duì)不同的模型設(shè)計(jì)不同的建設(shè)模式，從水利專業(yè)模型、智能模型、可視化模型和數(shù)字模擬仿真引擎4個(gè)方面構(gòu)建具有流域特點(diǎn)、符合流域現(xiàn)狀的模型平臺(tái)。

錢塘江流域范圍大、基底條件復(fù)雜，本次所建模型平臺(tái)增加了流域內(nèi)在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的水利模型數(shù)量，已構(gòu)建5套水利專業(yè)模型，分別為流域中上游預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模型、流域干流重點(diǎn)防洪區(qū)域蘭溪流域洪水預(yù)報(bào)模型、流域下游河口干流防洪模型、河口防潮模型、流域支流分水江模型。通過(guò)模型平臺(tái)制定了數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了流域內(nèi)各大模型的相互打通，可以互相提供水利模型邊界，便于結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)一展示和共享。流域內(nèi)模型的結(jié)果統(tǒng)一存儲(chǔ)在模型平臺(tái)上，下游的模型可以通過(guò)模型平臺(tái)接入上游模型的結(jié)果作為模型邊界，支流的模型也可以通過(guò)模型平臺(tái)讀取干流模型的結(jié)果作為模型邊界。另外，此模型平臺(tái)均采用了國(guó)產(chǎn)化水利模型，符合國(guó)家信創(chuàng)要求。模型平臺(tái)的建設(shè)可為今后擴(kuò)展多模型建設(shè)提供平臺(tái)，未來(lái)可接入國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)建設(shè)的多套模型，并在同一個(gè)平臺(tái)上展示，從而將不同機(jī)構(gòu)的模型優(yōu)勢(shì)進(jìn)行整合。

智能模型主要包括視頻識(shí)別模型、遙感識(shí)別模型，由流域機(jī)構(gòu)統(tǒng)一建設(shè)，為流域內(nèi)單位提供模型服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等基本能力?；谛l(wèi)星遙感影像、無(wú)人機(jī)影像，結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建水域智能識(shí)別模型，在流域范圍提供基本服務(wù)支撐。通過(guò)接入流域范圍內(nèi)地市的視頻資源，對(duì)各類信息進(jìn)行調(diào)查、收集、標(biāo)注和處理，為視頻識(shí)別模型提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻場(chǎng)景中的特定目標(biāo)和特定行為進(jìn)行識(shí)別和分析。

可視化模型構(gòu)建了自然背景、動(dòng)態(tài)數(shù)字流場(chǎng)、高精水利工程等可視化模型，服務(wù)于數(shù)字孿生場(chǎng)景的可視化表達(dá)，滿足“四預(yù)”場(chǎng)景模擬仿真要求^［12］。

3.3 知識(shí)平臺(tái)

流域內(nèi)單位共建共享錢塘江知識(shí)平臺(tái)，在共享省水利廳以及其他流域管理機(jī)構(gòu)等部門相關(guān)知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，匯集應(yīng)急調(diào)度方案、歷史預(yù)報(bào)方案、歷史場(chǎng)景模擬調(diào)度方案等大量的歷史知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水利對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系、業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)、歷史場(chǎng)景庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)和預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫(kù)進(jìn)行關(guān)系抽取、管理和組合，構(gòu)建錢塘江流域水利知識(shí)庫(kù)，形成數(shù)字孿生錢塘江的智能內(nèi)核，將規(guī)則調(diào)度提升為優(yōu)化調(diào)度，服務(wù)于全流域水工程聯(lián)合智慧調(diào)度，并結(jié)合知識(shí)圖譜、FAQ、表格、數(shù)據(jù)庫(kù)等方式，構(gòu)建了錢塘江流域知識(shí)庫(kù)，形成塘仔機(jī)器人和智詢錢塘江搜索門戶。

4 水災(zāi)害防御場(chǎng)景設(shè)計(jì)

4.1 歷史回溯

基于錢塘江二三維水上水下數(shù)據(jù)底板，在孿生場(chǎng)景中融合歷史降雨、水情、工情等，對(duì)歷史洪水場(chǎng)景、水工程調(diào)度進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情動(dòng)態(tài)分析、多部門協(xié)同搶險(xiǎn)等，服務(wù)于虛擬環(huán)境中的歷史洪水復(fù)盤，為實(shí)時(shí)汛情和未來(lái)汛情提供經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

4.1.1 歷史洪水演算

針對(duì)錢塘江流域歷史洪水、歷史臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨事件，歸集整理降雨、水位、流量、淹沒(méi)范圍等過(guò)程數(shù)據(jù)，利用流域級(jí)二三維場(chǎng)景，結(jié)合流域洪水預(yù)報(bào)計(jì)算方案，進(jìn)行洪水演進(jìn)仿真模擬，以及對(duì)洪水過(guò)閘、擋潮、閘門啟閉等進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景環(huán)繞瀏覽。也可通過(guò)BIM模型進(jìn)行工程內(nèi)部情景的孿生聯(lián)動(dòng)展現(xiàn)，針對(duì)干流上下游水位、排水場(chǎng)景等進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)洪水歷史回溯。

4.1.2 歷史調(diào)度仿真模擬

通過(guò)選擇時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)查看歷史水工程調(diào)度過(guò)程中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水工程開(kāi)度狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與二三維模型相結(jié)合。在流域尺度中，系統(tǒng)提供工程運(yùn)行調(diào)度時(shí)間軸的顯示，按照工程運(yùn)行調(diào)度過(guò)程的順序播放，并且水位、流量、工情等數(shù)據(jù)按照不同顏色示意，同時(shí)超預(yù)警時(shí)以醒目顏色與動(dòng)畫閃爍表示。針對(duì)局部河段實(shí)現(xiàn)三維洪水演進(jìn)和仿真模擬，讓觀察者更真實(shí)地感受水工程調(diào)度過(guò)程中河道水位與堤防高程之間的差異以及洪水體量和洪峰過(guò)程。

4.1.3 歷史災(zāi)情分析

利用三維仿真模型、水文水動(dòng)力模型、洪水淹沒(méi)模型等，實(shí)現(xiàn)歷史洪水淹沒(méi)情況的可視化模擬，直觀展現(xiàn)不同工況組合下的整個(gè)洪水過(guò)程，模擬河道和重點(diǎn)閘泵的水位、流量以及沿岸淹沒(méi)范圍的演進(jìn)動(dòng)態(tài)，對(duì)比分析不同調(diào)度方案的洪水淹沒(méi)情況差異和演進(jìn)過(guò)程差異。利用光學(xué)遙感、微波遙感等多源遙感信息，將基于遙感智能識(shí)別、多時(shí)相影像變化監(jiān)測(cè)等技術(shù)的洪澇災(zāi)害分析結(jié)果與基于水文水動(dòng)力模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史洪水的綜合分析，為同量級(jí)洪水及臺(tái)風(fēng)防御提供決策依據(jù)。

4.1.4 歷史工程防洪分析

通過(guò)歷史洪澇計(jì)算復(fù)盤，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)淹沒(méi)區(qū)域、漫溢堤防等信息，存儲(chǔ)相關(guān)對(duì)象的歷史洪澇場(chǎng)次、上游降雨時(shí)空分布、工程調(diào)度過(guò)程及淹沒(méi)區(qū)域和出險(xiǎn)堤段的歷史情況，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)次歷史洪水中薄弱工程的洪澇影響特征指標(biāo)對(duì)比分析，找出洪澇防治中較為薄弱的環(huán)節(jié)，為后期水利工程治理、修建提供分析輔助。

4.1.5 搶修救災(zāi)回溯

根據(jù)知識(shí)平臺(tái)中水利工程險(xiǎn)情處置數(shù)字化預(yù)案庫(kù)，結(jié)合歷史判別的險(xiǎn)情，對(duì)比分析歷史險(xiǎn)情處置預(yù)案。針對(duì)新發(fā)生的洪災(zāi)，將險(xiǎn)情應(yīng)急處置、物資調(diào)運(yùn)信息、工程運(yùn)行情況、人員轉(zhuǎn)移情況等信息更新反饋到系統(tǒng)平臺(tái)中，形成持續(xù)迭代的歷史搶修知識(shí)庫(kù)，為災(zāi)害防御提供豐富的知識(shí)基礎(chǔ)。

4.2 實(shí)時(shí)汛情

通過(guò)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板，在三維場(chǎng)景中真實(shí)地展示當(dāng)前狀態(tài)下流域內(nèi)的實(shí)時(shí)汛情，包括實(shí)時(shí)降雨、實(shí)時(shí)水情、實(shí)時(shí)工情等。根據(jù)各項(xiàng)預(yù)案的分工，結(jié)合短信發(fā)送、語(yǔ)音電話、系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享等方式，向各責(zé)任單位發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警或提示，并獲取各責(zé)任單位預(yù)案措施落實(shí)情況。

4.2.1 降雨態(tài)勢(shì)

利用粒子系統(tǒng)在三維場(chǎng)景模擬不同區(qū)劃實(shí)時(shí)降雨態(tài)勢(shì)，更身臨其境、直觀地感受降雨強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)區(qū)劃維度（子流域、庫(kù)區(qū)、市縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)）、時(shí)間維度（近1，3，6，24 h等）的站點(diǎn)降雨量和面雨量值，并將降雨量值轉(zhuǎn)換成孿生場(chǎng)景中真實(shí)的降雨可視化表達(dá)。利用三維視頻融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維雨情的查看分析，同時(shí)利用點(diǎn)尺度的降雨信息對(duì)面尺度的降雨虛擬可視化信息進(jìn)行校正。另外，還可以設(shè)定報(bào)警閾值，利用燈光閃爍等可視化效果表達(dá)實(shí)時(shí)降雨超警信息、山洪重點(diǎn)村落預(yù)警信息、實(shí)時(shí)內(nèi)澇點(diǎn)位置。

4.2.2 水情態(tài)勢(shì)

在孿生場(chǎng)景中融合流域內(nèi)水庫(kù)、河道、城區(qū)低洼地的實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)，利用渲染技術(shù)和可視化技術(shù)，在地圖上對(duì)超警超保證河段、超汛限水庫(kù)以不同顏色告警，對(duì)水面進(jìn)行三維可視化渲染，以及利用實(shí)時(shí)視頻與三維底板的融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水情、險(xiǎn)情態(tài)勢(shì)全面監(jiān)測(cè)。分析一段時(shí)間內(nèi)水庫(kù)已泄流總量，重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)前時(shí)段超汛限水庫(kù)、超警超保河道站、泄（溢）洪流量超下游河道行洪能力的水庫(kù)；計(jì)算水庫(kù)實(shí)時(shí)的可納蓄能力，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)降雨提出水庫(kù)預(yù)泄方案。

4.2.3 工情態(tài)勢(shì)

采集堤防工程、閘泵站、水庫(kù)自身的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。將堤防、水庫(kù)BIM模型與安全穩(wěn)定模型的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果相融合，分析當(dāng)前堤防、水庫(kù)、閘泵站的安全穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)比預(yù)設(shè)的安全穩(wěn)定限制指標(biāo)，判斷堤防、水庫(kù)、閘泵站的健康狀態(tài)。結(jié)合基于干涉雷達(dá)的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)薄弱點(diǎn)位進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位的預(yù)判，并利用AI視頻對(duì)薄弱點(diǎn)位進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)以及對(duì)裂縫、損壞狀態(tài)實(shí)現(xiàn)AI識(shí)別。

4.3 未來(lái)汛情

基于錢塘江數(shù)據(jù)底板，在孿生場(chǎng)景中融合歷史降雨、水情、工情等，融合“四預(yù)”體系，實(shí)現(xiàn)未來(lái)汛情的虛擬仿真模擬，模擬水工程聯(lián)合調(diào)度效果，對(duì)未來(lái)災(zāi)情進(jìn)行預(yù)判，以便提前采取措施減輕災(zāi)害后果。

4.3.1 降雨預(yù)報(bào)

降水預(yù)報(bào)模塊以氣象局降雨數(shù)值預(yù)報(bào)分析的成果為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計(jì)分析區(qū)劃維度（市縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)）、子流域維度、時(shí)間維度（未來(lái)1，3，6，12 h和1，2，3 d）、對(duì)象維度（水庫(kù)、圍片）等不同維度的降雨量，并采用與實(shí)時(shí)汛情中的降雨態(tài)勢(shì)場(chǎng)景相同的可視化表達(dá)效果。以及根據(jù)不同預(yù)報(bào)值，對(duì)比設(shè)定的降雨量閾值，推送水庫(kù)納蓄、城市內(nèi)澇、山洪災(zāi)害等降雨風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，利用燈光閃爍等可視化效果在三維場(chǎng)景中表達(dá)可視化效果。還可以結(jié)合知識(shí)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行相似降雨場(chǎng)景挖掘，提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、預(yù)案分析。

4.3.2 預(yù)報(bào)調(diào)度一體化

針對(duì)流域和河段特點(diǎn)，在二三維孿生場(chǎng)景中，建設(shè)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模塊。按照水利部關(guān)于國(guó)產(chǎn)信創(chuàng)的要求，錢塘江流域模型全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。流域中上游預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模型采用國(guó)產(chǎn)化模型云計(jì)算引擎，保證了防汛工作的信息和技術(shù)安全。同時(shí)針對(duì)流域干流重點(diǎn)防洪區(qū)域，蘭溪節(jié)點(diǎn)模型優(yōu)化細(xì)化原有模型的邊界條件，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化預(yù)報(bào)調(diào)度，同時(shí)將水利模型和管網(wǎng)模型相結(jié)合，并將預(yù)報(bào)成果與三維底板進(jìn)行深度融合。蘭溪洪水主要由梅雨和臺(tái)風(fēng)造成，洪水調(diào)度必須充分考慮衢州、金華來(lái)水的疊加和錯(cuò)峰，以及顧及下游富春江水庫(kù)水位頂托作用，統(tǒng)籌流域與區(qū)域、防洪與排澇、上游與下游的關(guān)系。當(dāng)流域發(fā)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水時(shí)，確保干流及主要支流堤防安全，最大程度減輕主城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害；遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，重點(diǎn)保護(hù)主城區(qū)和重要基礎(chǔ)設(shè)施安全。通過(guò)蘭溪市主要代表站洪水的精細(xì)化預(yù)報(bào)和預(yù)報(bào)調(diào)度一體化算法，實(shí)現(xiàn)各類調(diào)度場(chǎng)景下蘭溪范圍內(nèi)防洪排澇工程（蘭溪市5座中型水庫(kù)、蘭溪重點(diǎn)圍片滾水堰、沿江排澇閘泵工程及姚家樞紐）的調(diào)度，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)某場(chǎng)次洪水多目標(biāo)多方案的計(jì)算比較優(yōu)選，分析不同調(diào)度工況下洪水下泄量、削峰等信息。

4.3.3 城市內(nèi)澇預(yù)報(bào)場(chǎng)景

結(jié)合多引擎三維場(chǎng)景渲染技術(shù)，實(shí)時(shí)渲染地表高程、地面附著物、水利工程三維模型。利用排水片區(qū)的排澇工程布置以及排水泵站、排水閘門的啟用規(guī)則設(shè)置，用內(nèi)河和外江預(yù)報(bào)方案的水位過(guò)程作為模型內(nèi)邊界，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方案的降雨情況等數(shù)據(jù)，計(jì)算排水片區(qū)的內(nèi)澇淹沒(méi)過(guò)程。在二三維場(chǎng)景中按照時(shí)間序列動(dòng)態(tài)模擬片區(qū)內(nèi)淹沒(méi)演變過(guò)程，結(jié)合自然資源部門的道路、重點(diǎn)設(shè)施、地下空間、危化企業(yè)、農(nóng)田等下墊面數(shù)據(jù)，分析淹沒(méi)影響范圍、淹沒(méi)歷時(shí)、內(nèi)澇深度，為水利、應(yīng)急等部門協(xié)同防汛提供輔助。

4.3.4 海塘防潮

錢塘江分布有眾多海塘。在遭遇臺(tái)風(fēng)暴潮的情況下，通過(guò)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模型、臺(tái)風(fēng)浪預(yù)報(bào)模型、越浪量計(jì)算模型的實(shí)時(shí)計(jì)算，在三維場(chǎng)景中進(jìn)行模擬仿真，真實(shí)感受風(fēng)暴潮的影響范圍和程度。還可分析海塘存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)清單，結(jié)合預(yù)案的分工，向相關(guān)水工程管理單位、沿江市縣政府提出預(yù)警，掌握各責(zé)任單位措施落實(shí)情況。

5 應(yīng)用實(shí)效

數(shù)字孿生錢塘江按照“整體規(guī)劃、重點(diǎn)先行、逐步突破”的原則進(jìn)行建設(shè)，建立了跨部門協(xié)同的信息共享、預(yù)警發(fā)布、人員轉(zhuǎn)移等聯(lián)動(dòng)機(jī)制，打通防洪各相關(guān)部門信息數(shù)據(jù)，重塑防洪智能化處置流程，構(gòu)建科學(xué)化風(fēng)險(xiǎn)研判，全面提升錢塘江流域防御和智慧調(diào)度能力。以蘭溪節(jié)點(diǎn)為例，2022年在實(shí)戰(zhàn)抵御“6·21”蘭溪超保洪水過(guò)程中，通過(guò)滾動(dòng)預(yù)報(bào)洪峰水位，進(jìn)行了48次自動(dòng)洪水預(yù)報(bào)、6次人工干預(yù)預(yù)報(bào)，最終實(shí)現(xiàn)6 h預(yù)報(bào)的水位與最終洪峰僅具有5 cm差距；及時(shí)通過(guò)浙政釘數(shù)字蘭江模塊向蘭溪市防指推送Ⅳ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)的啟動(dòng)通知及行動(dòng)建議；累計(jì)發(fā)送水庫(kù)超汛限短信70條次，提醒水務(wù)局及鄉(xiāng)鎮(zhèn)相關(guān)責(zé)任人及時(shí)放水；發(fā)送排澇站預(yù)警短信11條次，提醒相關(guān)機(jī)手及時(shí)關(guān)閉水閘，做好排澇站起排。

6 結(jié) 語(yǔ)

水災(zāi)害防御需求的增長(zhǎng)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)領(lǐng)域的數(shù)字化能力和治理能力提出了更高要求，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展對(duì)流域級(jí)洪水防御的能力提升帶來(lái)了新的契機(jī)。因此，為了從流域級(jí)統(tǒng)籌建設(shè)一體化防洪孿生應(yīng)用，提高錢塘江防洪減災(zāi)決策支持能力、數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同能力、防洪調(diào)度決策響應(yīng)速度、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度精準(zhǔn)度，本文從流域級(jí)總體設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)信息設(shè)施優(yōu)化、數(shù)字孿生平臺(tái)設(shè)計(jì)和水災(zāi)害防御場(chǎng)景設(shè)計(jì)3個(gè)方面分析了數(shù)字孿生錢塘江流域的建設(shè)思路，為數(shù)字孿生錢塘江流域和物理錢塘江流域的孿生共長(zhǎng)、交互映射、協(xié)同聯(lián)動(dòng)提供了基本思路。通過(guò)前期數(shù)字孿生流域先行先試建設(shè)，目前已初見(jiàn)應(yīng)用成效。未來(lái)應(yīng)推廣復(fù)制試點(diǎn)成果，編制試點(diǎn)深化建設(shè)方案，以數(shù)字孿生錢塘江試點(diǎn)成果為基礎(chǔ)，耦合數(shù)字孿生浙東水網(wǎng)、流域內(nèi)數(shù)字孿生工程成果，迭代優(yōu)化相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用，形成更為實(shí)用、管用、高效的錢塘江數(shù)字孿生流域。

參考文獻(xiàn)：

［1］許乙青，喻丁一，冉靜.基于流域協(xié)同的國(guó)土空間雨洪安全格局構(gòu)建方法［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2021，36（9）：2335-2349.

［2］許煒宏，蔡榕碩.海平面上升，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮對(duì)廈門海域極值水位的影響及危險(xiǎn)性預(yù)估［J］.海洋學(xué)報(bào)，2021，43（5）：14-26.

［3］劉志雨.提升數(shù)字孿生流域建設(shè)"四預(yù)"能力［J］.中國(guó)水利，2022（20）：11-13.

［4］孟松鶴，葉雨玫，楊強(qiáng)，等.數(shù)字孿生及其在航空航天中的應(yīng)用［J］.航空學(xué)報(bào)，2020，41（9）：1-12.

［5］王朔，軒瑩瑩，張?bào)K，等.實(shí)景建模技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的應(yīng)用分析［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2023（2）：78-82.

［6］宋文龍，呂娟，劉昌軍，等.遙感技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)防汛抗旱，2022，32（6）：15-20.

［7］CHAWLA I，KARTHIKEYAN L，MISHRA A K.A review of remote sensing applications for water security：quantity，quality，and extremes［J］.Journal of Hydrology，2020，585（6）：124826-124826.

［8］KAMUNDA A，RENUKAPPA S，SURESH S，et al.BIM in the water industry：addressing challenges to improve the project delivery process［J］.Engineering Construction & Architectural Management，2021，28（2）：510-529.

［9］陳政，李博，劉清云，等.基于Cesium的視頻監(jiān)控三維場(chǎng)景疊加技術(shù)研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2022，45（7）：39-43.

［10］魏猛，楊柳，張亭.水陸一體化河道三維模型構(gòu)建方法研究與應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2023，54（增1）：68-71.

［11］陳述，紀(jì)勤，陳云，等.基于知識(shí)圖譜的智慧水利研究進(jìn)展［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，51（3）：143-153.

［12］邱超，王威.基于云計(jì)算架構(gòu)的水文大數(shù)據(jù)云平臺(tái)建設(shè)［J］.人民長(zhǎng)江，2018，49（5）：31-35.

［13］RAND H.Digital twins：the next generation of water treatment technology［J］.American Water Works Association Journal，2019，111（12）：44-50.

［14］CONEJDS F P，MART?NEZ A F，HERV?S C M，et al.Building and exploiting a digital twin for the management of drinking water distribution networks［J］.Urban Water Journal，2020，17（7）：704-713.

［15］黃艷.以數(shù)字孿生長(zhǎng)江支撐流域治理管理［J］.中國(guó)水利，2022（8）：30-35.

［16］廖曉玉，程祥吉，金思凡，等.數(shù)字孿生松遼流域建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐［J］.中國(guó)水利，2023（11）：37-40.

［17］馮利華，駱高遠(yuǎn).錢塘江流域的暴雨洪水特性［J］.熱帶地理，1992，12（4）：344-350.

［18］萬(wàn)金紅，張葆蔚，馬建明，等.浙江省錢塘江流域“201106”洪澇災(zāi)害調(diào)查分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2015，24（4）：183-189.

［19］蔡陽(yáng)，成建國(guó)，曾焱，等.加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系［J］.中國(guó)水利，2021（20）：2-5.

［20］謝文君，李家歡，李鑫雨，等.《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》解析［J］.水利信息化，2022（4）：6-12.

（編輯：鄭 毅）

Construction and application of digital twin of Qiantang River Basin

ZHOU Hongwei¹，CHENG Kaiyu²，WANG Shuying³，BAI Jueying²，MO Liming⁴

（1.Zhejiang Qiantang River Basin Center，Hangzhou 310020，China；2.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311100，China；3.Zhejiang Hydrological Management Center，Hangzhou 310009，China；4.Reconnaissance and Design Institute，Qiantang River Administration of Zhejiang，Hangzhou 310016，China）

Abstract：Flood and tidal disasters frequently impact the Qiantang River Basin，so it is urgent to build a digital twin basin using advanced technology，which would facilitate comprehensive flood management within the basin and enhance the decision-making capabilities for flood disaster prevention.Initially，we present an analysis of the overarching design concepts of the proposed platform.Subsequently，the focus shifts to an in-depth analysis of the construction methodology for the digital twin Qiantang River Basin.This analysis is structured around three dimensions of foundational information infrastructures，the digital twin platform，and the twin scene.Specifically，there is a need to optimize the monitoring network，iteratively enhance the information network about water conservancy，and bolster the overall construction of the basin-level digital twin platform.This should be done from the viewpoint of the data baseboard，model platform，and knowledge platform，with an emphasis on constructing an integrated water disaster prevention system that incorporates “four presets” processes.The digital twin and the physical Qiantang River are expected to live as twin，map mutually and link synchronously.This paper provides a comprehensive analysis of the construction concepts for a basin-level digital twin water disaster prevention platform，offering valuable insights that may inform the development of other digital twin basins.

Key words：digital twin；“four presets” system；Qiantang River Basin；flood control and disaster mitigation