珠江流域抗旱抑咸“四預(yù)”系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

范光偉，王高丹，楊躍，田茂春

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，510611，廣州）

2021年，珠江流域降雨持續(xù)偏少，主要江河來水偏少3~7成，尤其是東江、韓江已達(dá)到1956年以來最枯。珠江河口咸潮比往年來得更早，西江干流水道廣昌泵站、聯(lián)石灣水閘出咸時(shí)間較同期提前2-3個(gè)月，澳門、珠海等大灣區(qū)城市受到咸潮影響，珠江流域抗旱保供水形勢(shì)嚴(yán)峻。為提升粵港澳大灣區(qū)水安全保障能力，更好地支撐流域枯季水量調(diào)度，強(qiáng)化流域治理管理，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院系統(tǒng)梳理了珠江流域抗旱抑咸需求，聚焦強(qiáng)化抗旱“四預(yù)”機(jī)制，研發(fā)建設(shè)了珠江抗旱抑咸“四預(yù)”系統(tǒng)。

一、珠江抗旱抑咸“四預(yù)”系統(tǒng)架構(gòu)

圍繞數(shù)字孿生流域建設(shè)要求，結(jié)合珠江委信息化基礎(chǔ)，緊扣抗旱抑咸業(yè)務(wù)在預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案各環(huán)節(jié)中的算據(jù)、算法、算力需求，充分融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)，提出“一張數(shù)據(jù)底板、雙庫(kù)智慧引擎、‘四預(yù)’業(yè)務(wù)模擬分析、流域區(qū)域協(xié)同”的系統(tǒng)總體架構(gòu)（圖1）。

圖1 珠江抗旱抑咸“四預(yù)”系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

①算力。集成利用已有水利信息基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建旱情、咸情信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)、運(yùn)算和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全環(huán)境。根據(jù)數(shù)據(jù)處理、模型計(jì)算的需求，在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上擴(kuò)展計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，升級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)應(yīng)急通訊保障體系，提升達(dá)到高效、快速、安全、可靠的算力水平。

②算據(jù)。匯聚水雨情及咸情感知數(shù)據(jù)、流域地表三維數(shù)據(jù)、重點(diǎn)城市供水需求等數(shù)據(jù)，基于珠江流域一張圖構(gòu)建抗旱專題的流域數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建珠江流域主要江河及其影響區(qū)域預(yù)報(bào)預(yù)警的算據(jù)基礎(chǔ)。

③算法?；谀Ｐ头?wù)平臺(tái)進(jìn)行抗旱抑咸水利模型、供水分析智能模型、預(yù)演可視化模型的標(biāo)準(zhǔn)化集成和統(tǒng)一管理，建設(shè)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度方案、歷史場(chǎng)景、專家經(jīng)驗(yàn)的水利知識(shí)庫(kù)，為數(shù)字孿生流域抗旱業(yè)務(wù)專題模擬建設(shè)高效、精細(xì)、準(zhǔn)確的算法支撐。

整合流域水資源總量、咸情態(tài)勢(shì)、重點(diǎn)城市取用水量以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息等數(shù)據(jù)，構(gòu)建枯季水量調(diào)度的數(shù)字化場(chǎng)景，對(duì)供水、蓄水、調(diào)度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和及時(shí)預(yù)警，動(dòng)態(tài)展示不同方案的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)流量和壓制咸潮效果，結(jié)合歷史預(yù)案和抗旱知識(shí)庫(kù)生成調(diào)度指令，為科學(xué)精細(xì)實(shí)施珠江枯水期水量調(diào)度提供指揮決策依據(jù)。

二、系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

1.系統(tǒng)功能

①預(yù)報(bào)。在現(xiàn)有的珠江流域水情信息共享平臺(tái)和日常洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，利用水文、氣象、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)專業(yè)學(xué)科建設(shè)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，提高洪水預(yù)報(bào)作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)。

②預(yù)警。結(jié)合旱情監(jiān)測(cè)指標(biāo)、目標(biāo)斷面流量、“第一道防線”本地水庫(kù)蓄水與取水情況，對(duì)比分析研判當(dāng)前供水形勢(shì)，為區(qū)域調(diào)度預(yù)演、調(diào)度決策提供業(yè)務(wù)支撐。

③預(yù)演。“第二、三道防線”水庫(kù)為下游各取水口的取水提供條件保障，分析取水概率、取水量確保供水水量滿足實(shí)際生活與生產(chǎn)需要；通過多種調(diào)度組合方案分析，預(yù)演各方案調(diào)度過程和調(diào)度效果，形成推薦的調(diào)度方案，經(jīng)抗旱會(huì)商集體決策后，可作為當(dāng)前水量調(diào)度的執(zhí)行方案。

④預(yù)案。自動(dòng)按照優(yōu)化方案生成調(diào)度預(yù)案，形成水庫(kù)調(diào)令并進(jìn)入公文流轉(zhuǎn)流程。將執(zhí)行的調(diào)度方案及其相關(guān)的水雨情、會(huì)商記錄等過程資料存檔，形成本次會(huì)商過程歷史資料庫(kù)，為未來的調(diào)度決策提供豐富算據(jù)參考。

2.主要特點(diǎn)

①全面國(guó)產(chǎn)化。按照水利部“守住安全底線”要求，系統(tǒng)中間件、平臺(tái)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)、水利模型、三維可視化平臺(tái)等充分考慮國(guó)產(chǎn)化環(huán)境適配需求設(shè)計(jì)開發(fā)，適應(yīng)國(guó)家信息化發(fā)展需要，進(jìn)行自主安全可控的數(shù)字孿生流域試點(diǎn)。

②標(biāo)準(zhǔn)化可擴(kuò)展。采用大系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)建設(shè)、模塊化鏈接，具備良好的擴(kuò)展性，可快速迭代集成其他系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的總體框架下，互聯(lián)互通數(shù)據(jù)資源，兼容各類模型模塊，分系統(tǒng)逐步建設(shè)橫向協(xié)同、縱向貫通、全面覆蓋各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)領(lǐng)域的“2+N”業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

③流域區(qū)域協(xié)同。系統(tǒng)充分發(fā)揮流域抗旱調(diào)度服務(wù)于國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略需求作用，考慮流域經(jīng)濟(jì)和水利發(fā)展不平衡、水資源分布不均衡等特點(diǎn)，統(tǒng)籌珠江流域、粵港澳大灣區(qū)、各省市的不同調(diào)度需求，堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先、空間均衡，構(gòu)建了珠江流域水資源科學(xué)合理調(diào)度管理體系，促進(jìn)粵港澳大灣區(qū)供水安全保障及流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

④促進(jìn)治水工作創(chuàng)新。系統(tǒng)通過滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度方案，科學(xué)調(diào)度流域骨干水庫(kù)支撐流域抗旱保供水會(huì)商決策，進(jìn)一步完善了珠江流域枯季水量調(diào)度預(yù)報(bào)預(yù)警、方案預(yù)案、協(xié)同聯(lián)動(dòng)的工作體系，促進(jìn)流域抗旱保供水工作業(yè)務(wù)流程優(yōu)化、機(jī)制體制創(chuàng)新，對(duì)形成流域上下聯(lián)動(dòng)、同頻共振的管理格局具有積極影響。

三、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.多模型標(biāo)準(zhǔn)化管理的模型服務(wù)平臺(tái)

針對(duì)以往業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立建設(shè)，水利專業(yè)模型與系統(tǒng)深度綁定，難以替換、不能復(fù)用、管理維護(hù)困難等問題，研發(fā)了集模型庫(kù)、模型管理、服務(wù)發(fā)布、共享調(diào)用等功能于一體的模型服務(wù)平臺(tái)，利于整合共享水利模型資源，充分發(fā)揮“智慧使能”功效。

模型服務(wù)平臺(tái)對(duì)各模型調(diào)用流程以及數(shù)據(jù)格式進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)滿足各模型輸入、計(jì)算、輸出的接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)模型的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化集成，解決水力模型構(gòu)建和計(jì)算輸入輸出數(shù)據(jù)多源異構(gòu)問題；對(duì)模型接口進(jìn)行Web服務(wù)封裝及發(fā)布，實(shí)現(xiàn)快捷、方便的模型共享調(diào)用，解決業(yè)務(wù)系統(tǒng)煙囪式開發(fā)造成的模型重復(fù)集成、難以共享使用等問題?；谄脚_(tái)統(tǒng)一注冊(cè)、調(diào)用模型，可對(duì)模型的初始化、啟動(dòng)計(jì)算、輸出結(jié)果等服務(wù)進(jìn)行查詢、調(diào)用及調(diào)試，通過向應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)放AccessKey，保障模型調(diào)用請(qǐng)求來源的合法性、安全性；通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模型接口和圖形可視化方式，實(shí)現(xiàn)多模型靈活組合、替換，從而構(gòu)建新的流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模型?？赏ㄟ^平臺(tái)進(jìn)行模型版本迭代、服務(wù)運(yùn)行監(jiān)控、計(jì)算資源調(diào)配、模型性能評(píng)估等運(yùn)行維護(hù)管理，為各類專業(yè)模型的高速運(yùn)算、持續(xù)優(yōu)化提供保障。

2.數(shù)字孿生流域三維仿真可視化技術(shù)

根據(jù)數(shù)字孿生流域建設(shè)要求，基于無插件開源三維引擎，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水利三維仿真可視化平臺(tái)SV3DEngine。以流域一張圖為數(shù)據(jù)支撐，對(duì)流域水系、河湖、水庫(kù)以及地形等進(jìn)行三維可視化渲染，建立了珠江全流域數(shù)字化場(chǎng)景；利用WebGL、LOD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)的大規(guī)模加載與渲染，對(duì)流域已有的重點(diǎn)防洪城鎮(zhèn)傾斜攝影模型、重點(diǎn)水利工程人工建模等數(shù)據(jù)進(jìn)行了集成與可視化，同時(shí)對(duì)BIM、CIM、三維點(diǎn)云等數(shù)據(jù)進(jìn)行支持；通過引擎驅(qū)動(dòng)，以GPU Shader技術(shù)作為三維特效渲染手段，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水文、水動(dòng)力、調(diào)度模型等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真可視化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洪水淹沒模擬、抗旱調(diào)度等四預(yù)場(chǎng)景的直觀逼真表達(dá)，為流域水旱災(zāi)害防御調(diào)度會(huì)商提供預(yù)演、預(yù)案技術(shù)支撐。

四、系統(tǒng)應(yīng)用成效

系統(tǒng)于2021年12月投入珠江流域枯季水量調(diào)度會(huì)商支撐，大大提高了監(jiān)測(cè)預(yù)警和水量調(diào)度的精準(zhǔn)性。通過精細(xì)調(diào)度，西江梧州站平均流量達(dá)到2 930 m3/s，大于2 100 m3/s的壓咸流量；珠海主要取水口平崗、竹洲頭泵站取淡概率提高至73%、89%，中山主要取水口全祿、大豐、稔益水廠取 淡 概 率 提 高 至96.3%、99.3%、99.8%，為珠海、中山等地?fù)尩钏畡?chuàng)造了良好時(shí)機(jī)。

當(dāng)前，西江流域抗旱保供水“三道防線”成效顯著?！暗谝坏婪谰€”珠海現(xiàn)地水庫(kù)已基本蓄滿，在不考慮河道取淡情況下，現(xiàn)有水庫(kù)蓄水可保障澳門和珠海30多天用水安全；“第二道防線”大藤峽水利樞紐目前保持高水位運(yùn)行，已做好向下游實(shí)施應(yīng)急調(diào)度、壓制珠江河口咸潮的準(zhǔn)備；“第三道防線”由天生橋一級(jí)、光照、龍灘、百色4座水庫(kù)構(gòu)成，有效蓄水量134.5億m3，有效蓄水率提高至62%，為關(guān)鍵期補(bǔ)水調(diào)度提供了有力保障。

珠江流域抗旱抑咸“四預(yù)”系統(tǒng)提升了珠江流域水資源多目標(biāo)調(diào)度決策水平，也是推動(dòng)數(shù)字孿生流域謀劃構(gòu)建、先行先試的重要一步。面對(duì)2021年冬季與2022年春季珠江流域降雨偏少可能性較大、流域旱情仍呈持續(xù)縱深發(fā)展的嚴(yán)峻形勢(shì)，系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)將按照水利部“要加強(qiáng)降雨、來水、蓄水、咸潮等監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警，強(qiáng)化信息共享和分析研判”要求，進(jìn)一步完善系統(tǒng)，為珠江水利高質(zhì)量發(fā)展提供更加強(qiáng)有力的支撐。