數(shù)字孿生樂(lè)安河流域預(yù)報(bào)調(diào)度體系構(gòu)建

張陽(yáng) 王君

摘要：智慧水利建設(shè)是新時(shí)期推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展的六條路徑之一，而構(gòu)建數(shù)字孿生流域是智慧水利建設(shè)的核心。江西省樂(lè)安河流域水網(wǎng)密布，水利信息化建設(shè)還不完善，婺源縣是樂(lè)安河的發(fā)源地，旅游資源豐富，防汛形式復(fù)雜。如何高效管理利用旅游資源，提高水利部門之間業(yè)務(wù)的協(xié)作性，共同解決好防汛排澇問(wèn)題是當(dāng)前江西省婺源縣水利信息化建設(shè)過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文整體梳理了江西省婺源縣流域概況、水利信息化需求，基于自主研發(fā)的模型云平臺(tái)提出了樂(lè)安河數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的具體方法，以期為加快婺源縣水利信息化建設(shè)、建立數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：樂(lè)安河；婺源縣；模型云；數(shù)字孿生；預(yù)報(bào)調(diào)度

智慧水利是水利發(fā)展到高質(zhì)量階段的重要標(biāo)志，通常是指運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)樂(lè)安河流域水資源利用的健康生態(tài)化提供支撐。數(shù)字孿生是智慧水利的核心，加快數(shù)字孿生建設(shè)是黨中央和水利部大力推進(jìn)智慧水利的重要舉措，是支撐現(xiàn)代化水利治理體系的動(dòng)力和重要基礎(chǔ)。防災(zāi)減災(zāi)涉及到多尺度、多層面、多專業(yè)的信息，防災(zāi)減災(zāi)需要數(shù)字流域的支撐，通過(guò)當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智慧水利中的“四預(yù)”功能，其中，預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，預(yù)演是關(guān)鍵，預(yù)警是前哨，預(yù)案是目的，預(yù)警的要點(diǎn)在于向公眾及時(shí)傳達(dá)預(yù)警信息，預(yù)報(bào)的要點(diǎn)在于提升預(yù)報(bào)的精度并延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，預(yù)案的要點(diǎn)在于制定的方案具備可操作性和執(zhí)行性，預(yù)演的關(guān)鍵在于多樣化的演示。

目前我國(guó)的水利行業(yè)主要通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)模擬展示水利場(chǎng)景，但該技術(shù)難以模擬水體的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，與實(shí)際的需求還存在一定差距。

近年來(lái)，隨著樂(lè)安河流域內(nèi)水利工程的修建與不斷完善，河道所在的下墊面特征發(fā)生了一定程度的變化，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的難度加大，變動(dòng)環(huán)境下的適應(yīng)性水庫(kù)調(diào)度是當(dāng)前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。江西省樂(lè)安河流域防洪形勢(shì)復(fù)雜，為充分利用洪水資源、解決好防汛排澇問(wèn)題，利用數(shù)字孿生信息化技術(shù)構(gòu)建預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)很有必要。

一、總體設(shè)計(jì)

樂(lè)安河流域內(nèi)的水利工程數(shù)量多，水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度體系的構(gòu)建需要集成和處理各類水利數(shù)據(jù)，建立水文模型時(shí)相關(guān)工作人員需要將各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理好之后再匯集到模型中進(jìn)行計(jì)算，建模工作量很大，因此，應(yīng)構(gòu)建基于模型云平臺(tái)進(jìn)行樂(lè)安河流域數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度體系。

模型云平臺(tái)是基于GIS和云計(jì)算技術(shù)的可視化建模工具，融合了DEM數(shù)字高程地形處理、異構(gòu)網(wǎng)格剖分、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取、二三維一體化等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)水文、水力、水質(zhì)的一站式建模，平臺(tái)建立了異構(gòu)數(shù)學(xué)模型引擎的兼容標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)模型引擎的云端部署和計(jì)算，內(nèi)部同時(shí)提供模擬計(jì)算、方案托管等SaaS服務(wù)。

模型云平臺(tái)自主研發(fā)緊耦合的水文、水力、水質(zhì)模型引擎，構(gòu)建了一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)安全可控的模型體系。水文模型集成經(jīng)改進(jìn)的半分布式新安江模型、貴仁分布式水文模型、降雨徑流模型等產(chǎn)匯流模型以及河道演進(jìn)模型。貴仁分布式水文模型需融合業(yè)內(nèi)主流算法，兼容蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靈活、參數(shù)精簡(jiǎn)、定制方便等優(yōu)勢(shì)功能。模型云以虛擬化云技術(shù)為基礎(chǔ)，以云存儲(chǔ)作為模型計(jì)算數(shù)據(jù)交換的中間件，以微服務(wù)構(gòu)建的RESTful統(tǒng)一計(jì)算服務(wù)接口作為模型云終端，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型運(yùn)行管理平臺(tái)。通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制，無(wú)需修改實(shí)現(xiàn)水文、水質(zhì)等不同類型，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)以SaaS服務(wù)的形式提供模擬計(jì)算、方案托管等功能，使模型引擎計(jì)算擺脫了電腦終端的束縛，突破此前模型構(gòu)建與業(yè)務(wù)應(yīng)用相互隔離難以協(xié)同的狀態(tài)，使工程師構(gòu)建的模型可以更便捷地與業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成，賦能業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過(guò)在云端提供的模型服務(wù)和計(jì)算資源，使用戶能以較低的成本按需使用數(shù)學(xué)模型和高性能的計(jì)算資源，從而提高業(yè)務(wù)響應(yīng)能力。

數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)依托水利部智慧水利總體框架與數(shù)字孿生流域先行先試的工作要求，按照江西省智慧水利建設(shè)規(guī)范，基于模型云平臺(tái)、可視化技術(shù)、數(shù)學(xué)模擬仿真引擎實(shí)現(xiàn)了樂(lè)安河流域（婺源）洪水預(yù)報(bào)調(diào)度全過(guò)程的精準(zhǔn)化模擬，已達(dá)到?jīng)Q策智慧化的目標(biāo)。

二、應(yīng)用實(shí)例

（一）流域概況

樂(lè)安河發(fā)源于婺源縣五龍山脈。婺源縣位于贛東北，地處皖、浙、贛三省交界，屬上饒市管轄。地理位置為東徑117[°]21ˊ～118[°]12ˊ，北緯29[°]01ˊ～29[°]34ˊ。東臨浙江開化，西毗瓷都景德鎮(zhèn)，北枕皖休寧，與黃山連脈，南接亞州著名銅基地德興，西南與樂(lè)平相連，東西長(zhǎng)83km，南北寬54km，全縣國(guó)土總面積2967km2。地形屬江南典型的丘陵山區(qū)。

在當(dāng)前的樂(lè)安河（婺源）流域防汛工作中，較為關(guān)注重點(diǎn)水文斷面（如三都站）的洪水預(yù)報(bào)和預(yù)警情況，對(duì)預(yù)演和預(yù)案關(guān)注度較低，距離“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”的流域防洪智能水利業(yè)務(wù)還存在一定差距。中小型水庫(kù)預(yù)警服務(wù)對(duì)地方政府防汛決策具有至關(guān)重要的支撐作用，婺源縣尚未對(duì)影響區(qū)域行洪過(guò)程的上游段莘水庫(kù)、清華水庫(kù)、下游星江電站水庫(kù)等中型水庫(kù)建立完備的預(yù)警業(yè)務(wù)服務(wù)。此外，安樂(lè)河流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化尚未實(shí)現(xiàn)，上游鄉(xiāng)鎮(zhèn)防汛措施普遍不足，支撐精準(zhǔn)化決策的計(jì)算資源有待完善。

（二）預(yù)報(bào)調(diào)度一體化構(gòu)建

樂(lè)安河流域預(yù)報(bào)調(diào)度一體化功能可根據(jù)實(shí)水情，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的清華水庫(kù)等水庫(kù)上游來(lái)水洪水過(guò)程做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，然后基于預(yù)報(bào)成果，結(jié)合模型計(jì)算，進(jìn)行調(diào)洪演算，最終選擇最優(yōu)方案。

樂(lè)安河流域數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度體系的建立依托模型云對(duì)水文模型引擎、一二維水動(dòng)力引擎、水工調(diào)度引擎的耦合，以及強(qiáng)大的前后處理能力，可搭建出流域洪水預(yù)報(bào)模型，經(jīng)自動(dòng)率定及手動(dòng)率定后作為預(yù)報(bào)基準(zhǔn)，模型云由于其架構(gòu)與在線平臺(tái)具備天然的相容性，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的銜接，由于模型引擎完全自主可控，具備很強(qiáng)的靈活性。平臺(tái)的調(diào)用下，實(shí)現(xiàn)各類場(chǎng)景及調(diào)度措施的模擬，并支持進(jìn)一步對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及可視化展示。在具體應(yīng)用時(shí)，相關(guān)專業(yè)人員需要分析流域在當(dāng)前各水利設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)條件下及預(yù)報(bào)的氣象條件下，降雨徑流如何產(chǎn)生、如何匯聚，水庫(kù)庫(kù)容會(huì)如何變化、河道水位如何漲落、洪峰何時(shí)來(lái)臨、洪峰流量會(huì)有多少，河道是否可能漫溢、是否可能潰壩，是否會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害等一系列問(wèn)題，在上述條件下判斷是否需要執(zhí)行應(yīng)急調(diào)度，制定多種調(diào)度方案，并及時(shí)對(duì)比分析每種調(diào)度方案可進(jìn)行哪些改善。

（三）數(shù)字孿生樂(lè)安河預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用

按照江西省智慧水利的建設(shè)技術(shù)規(guī)范和水利部數(shù)字孿生流域先行先試要求，采用微服務(wù)、二三維一體化等關(guān)鍵技術(shù)，基于模型云智能模型平臺(tái)建設(shè)本業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字孿生樂(lè)安河預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)充分利用樂(lè)安河上游（婺源）水文智慧監(jiān)測(cè)與業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)已建成果，融合洪水預(yù)報(bào)調(diào)度的各類信息資源，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。

1.預(yù)報(bào)調(diào)度模型體系構(gòu)建

基于樂(lè)安河預(yù)報(bào)調(diào)度體系中的水利模型，系統(tǒng)還集成了前端采集水文信息的相關(guān)儀器，儀器利用當(dāng)前先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)視覺(jué)方法自動(dòng)獲取水位、流量等數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)自動(dòng)集成到模型云平臺(tái)上作為模型的輸入條件，樂(lè)安河流域的水文站、水利工程管理的機(jī)構(gòu)具備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻識(shí)別系統(tǒng)與基于模型云的水利模型共同構(gòu)成了完備的智能模型體系。

2.水文預(yù)報(bào)

水文預(yù)報(bào)的參數(shù)設(shè)定是樂(lè)安河數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)根據(jù)梳理的樂(lè)安河指定區(qū)域的歷史洪水場(chǎng)次，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行人工或自動(dòng)參數(shù)率定，在對(duì)歷史的洪水場(chǎng)次數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定的過(guò)程中，以洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、洪水總量等作為參數(shù)率定的標(biāo)準(zhǔn)。若在實(shí)際操作過(guò)程中人工參數(shù)率定的工作量過(guò)大，可利用系統(tǒng)中集成的優(yōu)化算法對(duì)水文預(yù)報(bào)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)率定，率定后的參數(shù)將和流域內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)匹配，以供實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

在進(jìn)行實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào)時(shí)，需要在系統(tǒng)中接入實(shí)時(shí)的降雨數(shù)據(jù)，降雨數(shù)據(jù)的質(zhì)量關(guān)乎到水文預(yù)報(bào)的精度和洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期長(zhǎng)度等，數(shù)字孿生樂(lè)安河預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)中接入雨量站實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)、降雨數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，雷達(dá)實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)主要為高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)，利于三水源新安江水文模型、貴仁分布式水文模型進(jìn)行面雨量的計(jì)算；系統(tǒng)接入的多元?dú)庀蠼涤陻?shù)據(jù)主要包含短期、中期和長(zhǎng)期的降雨預(yù)報(bào)成果，短期降雨預(yù)報(bào)通常為1～3d降雨預(yù)報(bào)成果，中期降雨預(yù)報(bào)為3～7d降雨預(yù)報(bào)成果，長(zhǎng)期降雨預(yù)報(bào)主要為7～30d降雨預(yù)報(bào)成果，不同類型的降雨預(yù)報(bào)成果可以用統(tǒng)計(jì)圖表或柱狀圖的形式呈現(xiàn)。

除了運(yùn)用單一的水文模型進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)之外，數(shù)字孿生樂(lè)安河預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)也支持運(yùn)用多種水文、一二維水動(dòng)力模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、洪水演進(jìn)計(jì)算，這樣不僅能夠提升水文預(yù)報(bào)精度，還能夠綜合利用多種預(yù)報(bào)成果進(jìn)行對(duì)比分析。例如，在具體的水文作業(yè)預(yù)報(bào)過(guò)程中可對(duì)清華水庫(kù)上游山區(qū)產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)，從大鄣山到清華水庫(kù)區(qū)間構(gòu)建集總式水文模型，以大鄣山的實(shí)測(cè)流量作為輸入預(yù)報(bào)清華水庫(kù)的入庫(kù)流量過(guò)程；利用清華水庫(kù)壩址以下至三都水文站、段莘水庫(kù)壩址以下至汪口水文站、江灣站至汪口站、汪口站至三都站的集總式水文模型進(jìn)行河系預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)汪口站、三都站的水位流量過(guò)程；利用清華水庫(kù)壩址以下至三都水文站、段莘水庫(kù)壩址以下至汪口水文站、江灣站至汪口站、汪口站至三都站的一維河道水動(dòng)力模型，以及水文水動(dòng)力耦合模型，預(yù)報(bào)區(qū)間重要斷面水位流量過(guò)程；利用婺源縣城區(qū)一二維耦合的水文水動(dòng)力模型模擬河道各個(gè)斷面的水位、流量，預(yù)報(bào)城市的積水區(qū)域、水深、歷時(shí)等，進(jìn)行洪水淹沒(méi)分析等。

3.洪水調(diào)度

數(shù)字孿生樂(lè)安河流域的洪水調(diào)度主要包括實(shí)時(shí)洪水調(diào)度和歷史洪水調(diào)度預(yù)演兩方面。用戶可通過(guò)歷史洪水調(diào)度預(yù)演功能查詢歷史洪水過(guò)程、對(duì)應(yīng)的推薦調(diào)度方案以及調(diào)度方案的效果等。實(shí)時(shí)調(diào)度用戶可查看實(shí)時(shí)的調(diào)度預(yù)案并選擇采用合適的洪水調(diào)度方案。具體的樂(lè)安河流域調(diào)度預(yù)案包括水庫(kù)調(diào)度方案、當(dāng)?shù)厮牟块T的附加測(cè)報(bào)方案、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移救災(zāi)方案等。實(shí)時(shí)洪水調(diào)度方案的優(yōu)選可依據(jù)水文相關(guān)部門專家的經(jīng)驗(yàn)以及方案評(píng)分系統(tǒng)提供的評(píng)分等級(jí)進(jìn)行，完整的洪水調(diào)度方案包括具體的調(diào)度方案數(shù)據(jù)、調(diào)度前后水工程附近的水情、災(zāi)情的估算分析數(shù)據(jù)等。通過(guò)智能化預(yù)案模型，業(yè)務(wù)應(yīng)用可通過(guò)事件發(fā)生的地點(diǎn)、程度、時(shí)間等信息自動(dòng)分析和關(guān)聯(lián)相應(yīng)的處置方案，并將電子預(yù)案以可視化的方式在系統(tǒng)中展示。智能化預(yù)案支持應(yīng)急事件的快速響應(yīng)，從而提升針對(duì)應(yīng)急事件的應(yīng)急處置能力。

例如，根據(jù)氣象部門預(yù)警信息，城市管理局、自然資源局、紫陽(yáng)鎮(zhèn)、蚺城街道負(fù)責(zé)開展排查，一旦發(fā)現(xiàn)洪澇險(xiǎn)情，立即向領(lǐng)導(dǎo)小組報(bào)告，并及時(shí)采取有效措施；指揮部收到發(fā)生險(xiǎn)情的信息后，會(huì)及時(shí)派出救援隊(duì)伍及物資設(shè)備，并通知公安局根據(jù)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交通管制、人員疏散，設(shè)置警戒范圍，同時(shí)聯(lián)系供電部門確保電力安全、保障處置行動(dòng)供電，并會(huì)根據(jù)工作需要請(qǐng)水利局派出專家指導(dǎo)，根據(jù)應(yīng)急處置工作的需要設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)指揮部；應(yīng)急管理局派出或指定現(xiàn)場(chǎng)指揮官，統(tǒng)一組織、指揮現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作，所有參與應(yīng)急搶險(xiǎn)救援的隊(duì)伍和人員必須服從現(xiàn)場(chǎng)指揮部的指揮。

4.綜合信息查詢

樂(lè)安河流域預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的信息展示與服務(wù)基于實(shí)時(shí)采集、模型模擬結(jié)果，基于婺源（樂(lè)安河流域）數(shù)字孿生平臺(tái)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢展示等服務(wù)，用戶可選擇查詢站點(diǎn)和查詢時(shí)間段，了解站點(diǎn)的實(shí)時(shí)水雨情或歷史水雨情信息，系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)的流量或水位過(guò)程，并把流量或水位過(guò)程以過(guò)程線圖和數(shù)據(jù)列表的形式展現(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生流域建設(shè)是智慧水利建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)，全新的數(shù)字孿生預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)體系的建設(shè)是在充分利用婺源縣原有項(xiàng)目的基礎(chǔ)上對(duì)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效聚合，即通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)如數(shù)字孿生技術(shù)、模型云平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源平臺(tái)的統(tǒng)一門戶訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了上饒市、婺源縣在數(shù)字孿生、可視化、大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)的深度發(fā)展。

本文中提到的樂(lè)安河項(xiàng)目為試點(diǎn)工程建設(shè)，具有技術(shù)攻關(guān)和示范引領(lǐng)的作用，在項(xiàng)目實(shí)施較好的背景下，通過(guò)樂(lè)安河預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)項(xiàng)目可將數(shù)字孿生工程的建設(shè)范圍和涵蓋業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展，形成覆蓋整個(gè)樂(lè)安河流域（婺源）的防洪調(diào)度、水資源管理、河湖管理、水利工程管理等多尺度、多業(yè)務(wù)的應(yīng)用體系，推動(dòng)樂(lè)安河流域（婺源）“2+N”智能應(yīng)用運(yùn)行，加快江西省智慧水利體系形成。

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