數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)構(gòu)想及展望
——以新疆托里縣為例

韓 培 王新濤 郭東光 陳 超 董林垚 張長偉 鄒明洋

（1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，武漢 430010；2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；3.新疆維吾爾自治區(qū)防汛抗旱服務(wù)中心，烏魯木齊 830000；4.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳防御處，烏魯木齊 830000；5.武漢智城云圖地理信息技術(shù)有限公司，武漢 430070）

1 研究背景

數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映實(shí)體對(duì)象的全生命周期過程[1]。隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能AI等高新技術(shù)的逐步成熟，“智慧水利”[2]從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，水利信息化轉(zhuǎn)型發(fā)展迎來新的窗口期，數(shù)字孿生賦能水利行業(yè)，成為智慧水利建設(shè)的全新路徑，也是驅(qū)動(dòng)中國治水現(xiàn)代化的科技引擎。

2021 年3 月以來，水利部相繼發(fā)布了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》等系列指導(dǎo)文件。水利部部長李國英明確提出：“智慧水利建設(shè)，要先從水旱災(zāi)害防御開始”，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，構(gòu)建數(shù)字孿生流域[3]，開展智慧化模擬，支撐精準(zhǔn)化決策，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案（以下簡(jiǎn)稱“四預(yù)”）功能的智慧水利體系。2021 年11 月，水利部副部長劉偉平在開展智慧水利調(diào)研時(shí)提出：“要抓住數(shù)字孿生流域這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，緊緊圍繞防洪、水資源管理等重點(diǎn)區(qū)域，選取重點(diǎn)河段或條件較好的工程，先期開展數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生工程建設(shè)”。

新疆托里縣數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求。①已建的防洪工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、行洪能力不足，如喀甫其克洪溝堤防和防洪渠等。②缺乏完善的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知體系。近年來托里縣城山洪災(zāi)害頻發(fā)，只有2 個(gè)水雨情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，且捕捉數(shù)據(jù)不及時(shí)，難以支撐區(qū)域山洪預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求。③嚴(yán)重缺乏山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)體系。托里縣山區(qū)基本未開展山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警工作，僅憑人工經(jīng)驗(yàn)預(yù)判，預(yù)報(bào)精度較低。④山洪災(zāi)害防御措施落后，抗災(zāi)能力弱。山區(qū)大部分村落未通有線電話，用打鑼擊鼓方式通知群眾防災(zāi)避災(zāi)，預(yù)警信息難以有效傳達(dá)。加之，農(nóng)村年輕勞動(dòng)力流失，留守多為老弱婦幼，抗災(zāi)能力弱，預(yù)演工作難以開展。⑤數(shù)字孿生試點(diǎn)建設(shè)工作未開展。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)數(shù)字孿生流域的研究較多[3-6]，對(duì)數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)方面的研究極少。因此，本文緊密結(jié)合國家政策與地區(qū)山洪災(zāi)害防御現(xiàn)實(shí)需求，以托里縣為例，提出數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)的總體系統(tǒng)框架、建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)路線、實(shí)施方法及成果展望，以期形成具有地區(qū)特色的數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”平臺(tái)體系，提升區(qū)域山洪災(zāi)害防御能力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)為后期新疆“數(shù)字孿生流域”和“數(shù)字孿生工程”建設(shè)奠定一定的基礎(chǔ)。

2 試點(diǎn)區(qū)概況

2.1 試點(diǎn)托里縣概況

托里縣位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北緣斷山區(qū)。托里鎮(zhèn)是托里縣人民政府所在地，城鎮(zhèn)面積8.0 km2，人口約4萬人。托里鎮(zhèn)平均海拔為1 050 m，屬于托里-鐵廠溝斷陷谷地，呈西南-東北走向，地貌類型以平坦的沖積平原為主，地表多為砂礫覆蓋，呈荒漠景觀，植被以蒿屬和旱生灌木類為主。托里鎮(zhèn)山洪溝主要有霍克遜洪溝和喀甫其克洪溝，均屬于庫甫河支流，發(fā)源于加依爾山西北坡，由南往北偏西發(fā)育，為季節(jié)性洪溝，其來水主要是春季融雪及夏季暴雨山前低矮山區(qū)的坡面匯流。近幾年托里鎮(zhèn)遭遇不同程度山洪災(zāi)害，“2016.7.28”特大暴雨洪水共造成646 戶、2 800 余人受災(zāi)，倒塌和損壞房屋293戶、792間，被淹商鋪169家，死亡牲畜498只，被淹農(nóng)作物、草場(chǎng)共計(jì)51 780畝，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 000余萬元。

2.2 試點(diǎn)區(qū)范圍

托里鎮(zhèn)上游發(fā)育2條洪溝：喀甫其克洪溝支溝一和支溝二。兩溝在托里迎賓館橋處匯流入喀甫其克洪溝主溝，穿過托里鎮(zhèn)中心，經(jīng)由318省道橋后達(dá)到江布勒闊拉村，之后洪水沖擊力大大減弱，不對(duì)周邊居民房屋造成威脅，最終消散在托里鎮(zhèn)北部戈壁荒漠。結(jié)合山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定受喀甫其克洪溝山洪災(zāi)害影響范圍為圖1黃框區(qū)域，將其作為托里縣試點(diǎn)區(qū)。

圖1 托里縣試點(diǎn)區(qū)示意圖

試點(diǎn)區(qū)是以喀甫其克洪溝為中心，周邊范圍9.73 km2的山洪災(zāi)害影響區(qū)，涵蓋托里鎮(zhèn)中心、也木其村、多拉特村、鐵斯巴汗村、城效村、江布勒闊拉村等。試點(diǎn)山洪溝全長約3.2 km，擬研究上游山前來水進(jìn)入喀甫其克洪溝支溝一、支溝二，再匯入主溝，直到江布勒闊拉村洪水削弱以及沿河城鎮(zhèn)淹沒的全過程。綠色區(qū)域?yàn)榧陞^(qū)，是試點(diǎn)區(qū)上游山前來水的匯集區(qū)。目前，試點(diǎn)區(qū)已建水位站1座，集雨區(qū)已建雨量站1座。

3 試點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)路線和系統(tǒng)框架

3.1 試點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)路線

試點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容：針對(duì)托里縣試點(diǎn)區(qū)的山洪災(zāi)害防御現(xiàn)實(shí)需求，開展信息基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造，提升山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知體系；開展數(shù)據(jù)收集和測(cè)量，集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和跨行業(yè)數(shù)據(jù)，建立試點(diǎn)區(qū)數(shù)據(jù)底板；搭建數(shù)字化場(chǎng)景，為試點(diǎn)區(qū)從物理世界到數(shù)字空間的鏡像化描述提供數(shù)據(jù)支撐；根據(jù)實(shí)際情況，構(gòu)建氣象降雨-水文產(chǎn)匯流模型、洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型和山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害的智慧化模擬；以歷史案例、專家經(jīng)驗(yàn)、水利山洪災(zāi)害知識(shí)作為支撐，構(gòu)建水利山洪信息知識(shí)庫，支持多場(chǎng)景的交互式精準(zhǔn)決策分析；在上述基礎(chǔ)上，融合試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案實(shí)際需求，開展山洪災(zāi)害“四預(yù)”平臺(tái)建設(shè)和功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互和迭代優(yōu)化，建成物理空間與數(shù)字空間互饋的智慧山洪災(zāi)害防御體系，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 托里縣數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)技術(shù)路線圖

3.2 系統(tǒng)框架

托里縣數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)系統(tǒng)框架由信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)、運(yùn)行保障體系和網(wǎng)絡(luò)安全體系5部分組成（圖3）。

圖3 數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)系統(tǒng)框架圖

3.2.1 信息基礎(chǔ)設(shè)施

信息基礎(chǔ)設(shè)施主要是指基礎(chǔ)信息設(shè)施的升級(jí)和改造，包括水雨情監(jiān)測(cè)升級(jí)完善，以及服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全等硬件設(shè)施購置，信息感知環(huán)境搭建。采集基礎(chǔ)信息包括水雨情信息、視頻圖像信息、水利工程管理信息、空天地地理信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿破脚_(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算。

3.2.2 數(shù)字孿生平臺(tái)

數(shù)字孿生平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)底板、數(shù)字化場(chǎng)景、模型庫、知識(shí)庫4部分。

數(shù)據(jù)底板包括基礎(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)和跨行業(yè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析，按照國家、水利部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范開展數(shù)據(jù)庫整合，同時(shí)提供完整的數(shù)據(jù)資源對(duì)外訪問接口，實(shí)現(xiàn)多維度、多尺度的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。

數(shù)字化場(chǎng)景是利用GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、可視化[7]等技術(shù)手段，構(gòu)建平面地圖場(chǎng)景（L1級(jí)）、三維地形場(chǎng)景（L2級(jí)）。托里縣試點(diǎn)區(qū)內(nèi)無重要水工程，因此，不需要構(gòu)建三維地形+BIM 場(chǎng)景（L3 級(jí)），數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建為試點(diǎn)區(qū)從物理世界到數(shù)字空間的鏡像化描述提供數(shù)據(jù)支撐。

模型庫是根據(jù)試點(diǎn)區(qū)實(shí)際情況，構(gòu)建氣象降雨-水文產(chǎn)匯流模型、洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型和山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害的智慧化模擬、分析和計(jì)算。

知識(shí)庫是以歷史案例、專家經(jīng)驗(yàn)、水利和山洪災(zāi)害知識(shí)引擎作為支撐，構(gòu)建包含水利山洪災(zāi)害信息的知識(shí)庫，支持多場(chǎng)景的交互式、精準(zhǔn)化決策分析。

3.2.3 山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)

在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害實(shí)際應(yīng)用需求，開展山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案應(yīng)用，研發(fā)試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)。

3.2.4 運(yùn)行保障體系

托里縣數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”試點(diǎn)建設(shè)平臺(tái)是以產(chǎn)品模塊嵌套的方式部署在新疆維吾爾自治區(qū)水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)上使用，依托該平臺(tái)的服務(wù)為其提供標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的保障環(huán)境，自治區(qū)網(wǎng)絡(luò)信息中心專門管理員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)控，及時(shí)處理問題，保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和高效。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)安全體系

依托新疆維吾爾自治區(qū)水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全統(tǒng)一管理，包括主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和數(shù)據(jù)等安全管理，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、訪問、共享及應(yīng)用的安全高效。

4 試點(diǎn)區(qū)具體實(shí)施

4.1 信息基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造

當(dāng)前，托里縣試點(diǎn)區(qū)已建水位站1座、雨量站1座，2個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行良好。根據(jù)建設(shè)需求、布設(shè)原則、實(shí)地情況和山洪特點(diǎn)，按照“突出重點(diǎn)，均勻分布”原則，在試點(diǎn)區(qū)共新建雨量站3座，在已建水位站處增加布設(shè)視頻圖像站1套，配備水尺，可遠(yuǎn)程觀測(cè)山洪溝水位及周邊環(huán)境變化，空間分布如圖1所示。充分整合利用自治區(qū)水利廳已有基礎(chǔ)設(shè)施資源，優(yōu)化現(xiàn)有機(jī)房環(huán)境、提檔升級(jí)計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全等硬件設(shè)施，建設(shè)完善的會(huì)商調(diào)度中心。

4.2 數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)

4.2.1 數(shù)據(jù)底板建設(shè)

數(shù)據(jù)底板包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一采用CGCS2000，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)，需收集數(shù)據(jù)詳見表1。對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸類，存儲(chǔ)到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理，向外提供各數(shù)據(jù)庫訪問的接口?；A(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了數(shù)字孿生平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 試點(diǎn)區(qū)數(shù)據(jù)底板的數(shù)據(jù)清單表

4.2.2 數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)

（1）平面地圖場(chǎng)景（對(duì)應(yīng)L1級(jí)）。平面地圖場(chǎng)景的數(shù)據(jù)包括：試點(diǎn)區(qū)基礎(chǔ)地理、水利專題數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、數(shù)字地形模型、高分辨率遙感影像、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)?？梢暬憩F(xiàn)形式為：二維地圖、二維影像圖、渲染圖、熱點(diǎn)圖、表格等。構(gòu)建方式：通過Arcgis server 發(fā)布天地圖服務(wù)、地形服務(wù)，增加平面地圖展示類型，調(diào)用地圖服務(wù)構(gòu)建平面地圖場(chǎng)景。

（2）三維地形場(chǎng)景（對(duì)應(yīng)L2級(jí)）。三維地形場(chǎng)景的數(shù)據(jù)包括：試點(diǎn)區(qū)基礎(chǔ)地理、水利專題數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、數(shù)字地形模型、高分辨率遙感影像、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、數(shù)字地形數(shù)據(jù)、無人機(jī)傾斜攝影與三維模型數(shù)據(jù)?？梢暬憩F(xiàn)形式為：疊加影像的三維地形、無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景模型等。構(gòu)建方式：基于Cesium 三維地球引擎庫和WebGL 技術(shù)，將地形數(shù)據(jù)、無人機(jī)傾斜數(shù)據(jù)通過切片服務(wù)發(fā)布，在Cesium 三維地球上調(diào)用地形切片服務(wù)和傾斜數(shù)據(jù)切片服務(wù)，構(gòu)建三維地形場(chǎng)景。

4.2.3 模型庫建設(shè)

針對(duì)試點(diǎn)區(qū)應(yīng)用需求，模型庫包括氣象降雨-水文產(chǎn)匯流模型、洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型、山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

（1）降雨產(chǎn)流水文模型。構(gòu)建時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型[8]模擬試點(diǎn)區(qū)降雨水文產(chǎn)匯流過程，該模型原理為通過劃分水文響應(yīng)單元，基于一維入滲理論的包氣帶土壤非線性下滲計(jì)算方法，計(jì)算濕潤峰下移和各響應(yīng)單元的入滲量，定義超滲和蓄滿時(shí)段轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則，建立平面、垂向、時(shí)段混合的產(chǎn)流模型。構(gòu)建過程：①基于GIS技術(shù)和地形數(shù)據(jù)，劃分地貌水文響應(yīng)單元，并確定不同響應(yīng)單元的產(chǎn)匯流模式；對(duì)不同產(chǎn)流機(jī)制的響應(yīng)單元使用不同的產(chǎn)流計(jì)算方法，建立試點(diǎn)區(qū)平面混合產(chǎn)流模型[8]。②對(duì)混合產(chǎn)流機(jī)制的響應(yīng)單元，建立垂向混合產(chǎn)流模型[8]，該模型采用組合概念水庫的方法來模擬包氣帶和飽和帶土壤水量交換。③采用GARTO 模型方法[8]對(duì)試點(diǎn)建設(shè)區(qū)包氣帶土壤非線性下滲進(jìn)行計(jì)算。時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型從平面混合、垂向混合和時(shí)段混合3個(gè)方面進(jìn)行試點(diǎn)區(qū)時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模擬，為試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演提供模型支撐。研究表明[8]：時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型在中小流域暴雨洪水模擬中明顯優(yōu)于其他水文模型，適合半干旱的無資料地區(qū)，這符合托里縣試點(diǎn)區(qū)的實(shí)際情況。

（2）洪水演進(jìn)水動(dòng)力學(xué)模型。以喀甫其克洪溝流域?yàn)楣ぷ鲗?duì)象，構(gòu)建一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型來開展洪水演進(jìn)模擬。該模型以圣維南方程組[9]作為控制方程，使用有限差分和有限體積法進(jìn)行求解，以便獲得更強(qiáng)的收斂性能。使用預(yù)測(cè)-校正分塊解法，模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)洪溝內(nèi)沿程各斷面的水位、流量、流速等要素的精確計(jì)算。另外，利用二維淺水方程[10]，以沿河城鎮(zhèn)為重點(diǎn)，綜合考慮堤防、城鎮(zhèn)建筑、地形地貌等因素，構(gòu)建城鎮(zhèn)二維水動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)城鎮(zhèn)淹沒范圍、水深、流速等要素的計(jì)算，支撐山洪災(zāi)害損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在以上工作的基礎(chǔ)上，通過相互提供邊界的方式實(shí)現(xiàn)一、二維水動(dòng)力模型間的銜接[11]，研發(fā)一、二維水動(dòng)力嵌套模型，開展試點(diǎn)區(qū)洪水演進(jìn)過程的多維耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)山洪溝洪水演進(jìn)（一維）與沿河城鎮(zhèn)淹沒（二維）的同步模擬，為試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演提供模型支撐。

（3）山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。在洪水演進(jìn)分析的基礎(chǔ)上，①結(jié)合城鎮(zhèn)洪泛區(qū)二維水動(dòng)力模型模擬，輸入不同時(shí)頻洪水的最大淹深、最大流速、淹沒歷時(shí)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[12]危險(xiǎn)性因子，計(jì)算當(dāng)量水深，進(jìn)行危險(xiǎn)度識(shí)別與評(píng)估；②輸入洪水淹沒范圍內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施、人口密度和土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行承災(zāi)體脆弱性分析和評(píng)估，計(jì)算輸出綜合風(fēng)險(xiǎn)度值；③基于歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析成果進(jìn)行合理性分析，輸出得到不同時(shí)頻洪水下的脆弱性曲線，脆弱性曲線所覆蓋的面積為區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)度，具體算法詳見《洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則（試行）》，得到山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。據(jù)此預(yù)演試點(diǎn)區(qū)實(shí)時(shí)暴雨洪水的潛在山洪災(zāi)害損失，為“四預(yù)”中的預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案決策提供依據(jù)（圖4）。

圖4 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型示意圖

4.2.4 知識(shí)庫建設(shè)

（1）水利信息知識(shí)庫。知識(shí)圖譜概念最早是在2012 年被提出，應(yīng)用在語義搜索來提高檢索結(jié)果質(zhì)量。它是一種具有向圖結(jié)構(gòu)的知識(shí)庫，圖的節(jié)點(diǎn)表示實(shí)例或概念，圖的邊表示實(shí)例或概念之間的各種語義關(guān)系。知識(shí)圖譜應(yīng)用在水利領(lǐng)域，用水利對(duì)象數(shù)據(jù)構(gòu)建的水利信息知識(shí)圖譜，利用水利對(duì)象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在系統(tǒng)平臺(tái)中擴(kuò)展水利信息檢索結(jié)果的廣度，實(shí)現(xiàn)水利信息知識(shí)的智能檢索與推薦。

基于面向水利對(duì)象數(shù)據(jù)的知識(shí)圖譜構(gòu)建方法[13]，建立試點(diǎn)區(qū)水利信息知識(shí)圖譜。知識(shí)來源：托里縣試點(diǎn)區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、河流網(wǎng)絡(luò)和水利工程信息等。構(gòu)建方式：①根據(jù)《水利對(duì)象分類與編碼總則》，構(gòu)建水利信息知識(shí)圖譜概念層，如洪溝、支溝、水庫、水位站等概念節(jié)點(diǎn)的定義、屬性邊、屬性值和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。②結(jié)合試點(diǎn)區(qū)實(shí)際情況和知識(shí)圖譜概念層定義，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的知識(shí)圖譜實(shí)例層，如喀甫其克洪溝、支溝等實(shí)例節(jié)點(diǎn)、屬性邊、屬性值、各實(shí)例節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系及實(shí)例節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)概念節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，如：喀甫其克洪溝支溝和主溝有匯入關(guān)系。③結(jié)合水利領(lǐng)域知識(shí)，定義知識(shí)圖譜的推理規(guī)則，通過推理規(guī)則實(shí)例化，獲得隱藏在水利信息知識(shí)圖譜中的知識(shí)。如水位站屬于喀甫其克洪溝，橋梁橫跨喀甫其克洪溝等。水利信息知識(shí)圖譜構(gòu)建可建立水利信息知識(shí)庫，為山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用提供智能快速檢索和知識(shí)推薦。

（2）山洪災(zāi)害防御知識(shí)庫。知識(shí)來源：試點(diǎn)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果、基本情況調(diào)查成果、歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)、山洪災(zāi)害防御預(yù)案和山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案等。構(gòu)建方式：①對(duì)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果、歷史山洪災(zāi)害案例、專家防治經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理和總結(jié)，錄入山洪災(zāi)害防御知識(shí)庫管理；②將編制的山洪災(zāi)害防御預(yù)案、應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行整理、歸類，以文檔形式存入山洪災(zāi)害防御知識(shí)庫；③結(jié)合試點(diǎn)區(qū)現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)各種案例進(jìn)行分析和挖掘，獲取隱藏的知識(shí)為山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用提供知識(shí)支撐。

4.3 山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)

山洪災(zāi)害“四預(yù)”，其中預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，對(duì)洪水水位、流量、洪量、淹沒影響等要素的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為預(yù)警工作贏得先機(jī)；預(yù)警是前哨，通過確定預(yù)警閾值，與當(dāng)前預(yù)報(bào)結(jié)果比對(duì)分析，發(fā)布預(yù)警信息和范圍，為啟動(dòng)預(yù)演工作提供指引；預(yù)演是關(guān)鍵，對(duì)歷史洪水演進(jìn)過程、城集鎮(zhèn)淹沒過程進(jìn)行復(fù)演，根據(jù)預(yù)演結(jié)果對(duì)模型庫中參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，同時(shí)對(duì)未來預(yù)測(cè)的洪水演進(jìn)過程和淹沒過程進(jìn)行精準(zhǔn)模擬和仿真，具備正向優(yōu)化和逆向反饋的功能，科學(xué)制定和優(yōu)化方案。預(yù)案是目的，依據(jù)預(yù)演確定的方案，結(jié)合水利工程現(xiàn)況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，確定參考預(yù)案?；谇懊娴臄?shù)字孿生平臺(tái)，研發(fā)試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)，建立“預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化，預(yù)警超前化，預(yù)演數(shù)字化，預(yù)案科學(xué)化”的智慧山洪災(zāi)害防御體系（圖5）。

圖5 試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)框架圖

4.3.1 預(yù)報(bào)

預(yù)報(bào)內(nèi)容：①輸入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和下墊面數(shù)據(jù)，使用模型庫中模型計(jì)算，獲取未來一定時(shí)段內(nèi)降雨、水位、流量和淹沒情況等數(shù)據(jù)，進(jìn)行試點(diǎn)區(qū)水文預(yù)報(bào)；②在數(shù)字化場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)水雨情監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)全要素信息的融合展示。

預(yù)報(bào)功能設(shè)計(jì)：①實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)雨量、水位、流量等要素，通過圖表形式展示，可查詢歷史數(shù)據(jù)；②基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行資料年份的統(tǒng)計(jì)、站點(diǎn)權(quán)重分配及面平均雨量計(jì)算；③通過水位過程趨勢(shì)線獲取多段洪峰樣本數(shù)據(jù)；依據(jù)下墊面條件設(shè)置模型初始值，以次洪樣本為例，對(duì)歷史洪水模擬，率定模型參數(shù)；在預(yù)報(bào)過程中，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)模型參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終達(dá)到理想的確定性系數(shù)和精度；④根據(jù)模型計(jì)算的確定性系數(shù)和實(shí)際雨量分布情況，計(jì)算預(yù)報(bào)成果，利用統(tǒng)計(jì)圖表形式展示。

4.3.2 預(yù)警

預(yù)警內(nèi)容：①建立試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系；②根據(jù)重要預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)水情過程，結(jié)合模型庫、知識(shí)庫，分析喀甫其克洪溝洪水組成和未來洪水情勢(shì)，判斷水雨情預(yù)報(bào)情形下，沿河城鎮(zhèn)房屋防控目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；③根據(jù)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，多種形式發(fā)布預(yù)警信息，智能推薦居民避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移路線，為預(yù)案管理和信息發(fā)布提供支持。

預(yù)警功能設(shè)計(jì)：①感知雨量、水位等數(shù)據(jù)持續(xù)超過正常波動(dòng)范圍時(shí)，將其與預(yù)警閾值比對(duì)，同步開展預(yù)警指標(biāo)和范圍分析；②確定發(fā)布預(yù)警信息，以界面紅色閃爍警報(bào)、界面推送信息框、手機(jī)短信形式通知值守人和防汛責(zé)任人；③基于山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，在數(shù)字化場(chǎng)景下，進(jìn)行預(yù)淹沒情況的研判和分析，進(jìn)行居民轉(zhuǎn)移路線智能規(guī)劃與顯示。

4.3.3 預(yù)演

預(yù)演內(nèi)容：①根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水雨情數(shù)據(jù)，在三維數(shù)字化場(chǎng)景中，用模型庫動(dòng)態(tài)模擬洪水演進(jìn)過程、沿岸城鎮(zhèn)淹沒過程；②采用山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，計(jì)算城鎮(zhèn)淹沒損失，評(píng)估山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，如淹沒面積、淹沒耕地、財(cái)產(chǎn)損失、影響人口、重要設(shè)施影響等，進(jìn)行多方案對(duì)比與分析，制定應(yīng)對(duì)方案。

預(yù)演功能設(shè)計(jì)：①根據(jù)歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)、知識(shí)庫等，對(duì)歷史洪水過程和城鎮(zhèn)淹沒過程復(fù)演，對(duì)復(fù)演結(jié)果進(jìn)行分析，調(diào)整模型庫參數(shù)和優(yōu)化模型；②基于雨量、水位、流量和地形數(shù)據(jù)，設(shè)置不同情景參數(shù)，用模型庫進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)；③基于預(yù)報(bào)結(jié)果，用模型庫進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算；④在三維數(shù)字化場(chǎng)景中，進(jìn)行洪水過程反演，模擬沿岸城鎮(zhèn)淹沒過程，采用不同顏色水深體現(xiàn)淹沒程度；⑤采用模型庫、知識(shí)庫進(jìn)行淹沒城鎮(zhèn)損失計(jì)算，評(píng)估山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；⑥通過修改不同的邊界條件、堤防高度等參數(shù)，用模型庫計(jì)算洪水演進(jìn)成果；在三維數(shù)字化場(chǎng)景中模擬不同條件下洪水演進(jìn)過程和沿岸城鎮(zhèn)淹沒過程，用模型庫、知識(shí)庫評(píng)估不同條件下?lián)p失，生成應(yīng)對(duì)方案，為預(yù)案提供決策分析依據(jù)。

4.3.4 預(yù)案

預(yù)案內(nèi)容：利用知識(shí)庫、預(yù)演結(jié)果和應(yīng)對(duì)方案，綜合考慮現(xiàn)實(shí)工況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，對(duì)各方案進(jìn)行比較，優(yōu)選出抗御不同等級(jí)山洪災(zāi)害的預(yù)案。

預(yù)案功能設(shè)計(jì)：①根據(jù)洪水演進(jìn)結(jié)果、城鎮(zhèn)淹沒范圍和損失情況，編制相應(yīng)的山洪災(zāi)害預(yù)案；結(jié)合現(xiàn)實(shí)工況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，規(guī)劃居民轉(zhuǎn)移路徑和相應(yīng)解決措施；②分析當(dāng)前試點(diǎn)區(qū)山洪災(zāi)害情況，結(jié)合相應(yīng)解決措施，進(jìn)行各方案比較，推薦最優(yōu)預(yù)案以供決策者參考。

5 結(jié)論與展望

試點(diǎn)建設(shè)的成果是托里縣數(shù)字孿生山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用平臺(tái)，它涵蓋了信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、數(shù)字化場(chǎng)景、模型庫、知識(shí)庫和山洪災(zāi)害“四預(yù)”應(yīng)用。通過試點(diǎn)建設(shè)的實(shí)施能有效地解決當(dāng)前托里縣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)稀缺、無資料等問題，同時(shí)能大大提升托里縣山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警的水平，不再依靠人工經(jīng)驗(yàn)的低精度預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，做到山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化，預(yù)警超前化，預(yù)演數(shù)字化，預(yù)案科學(xué)化，能解決當(dāng)前托里縣山區(qū)預(yù)警信息難以傳達(dá)、農(nóng)村預(yù)演工作難以開展的現(xiàn)實(shí)性問題。能提升地區(qū)山洪災(zāi)害防御能力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，為后期新疆“數(shù)字孿生流域”和“數(shù)字孿生工程”建設(shè)奠定一定的前期基礎(chǔ)，并提供參考價(jià)值。