數(shù)字孿生潭江流域先行先試建設與實踐

董萬鈞 ，王留杰 ，董 波 ，陳黎明 ，胡騰飛 ，牛睿平

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇南京 210012；3.珠江水利綜合技術與網(wǎng)絡信息中心，廣東 廣州 510611；4.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京210012；5.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

為貫徹落實 2022 年全國水利工作會議和水利部推進數(shù)字孿生流域建設工作會議精神，水利部于2022 年 2 月啟動了數(shù)字孿生流域建設先行先試工作，并印發(fā)實施《關于開展數(shù)字孿生流域建設先行先試工作的通知》（水信息〔2022〕79 號），正式啟動數(shù)字孿生流域先行先試工作。

潭江主流全長為 248 km，流域面積為 6 026 km2，在江門市境內(nèi)流域面積為 5 882 km2，占江門市土地總面積的 62%。潭江流域雨量充沛，多年平均降水量為2 095.7 mm，水資源豐富。潭江流域已建成小（二）型以上水庫 421 座（其中大（二）型水庫 3 座，中型水庫19 座，?。ㄒ唬┬退畮?109 座，?。ǘ┬退畮?290 座），控制流域面積 2 006 km2，總庫容為 16.86 億 m3。流域上游是暴雨中心區(qū)，地形以高山峻嶺為主，中下游為平原地區(qū)，地勢低洼。流域降雨時空分布不均，不同程度受臺風暴雨影響，時常出現(xiàn)洪潮疊加的災害情況。

為此，廣東省水利廳結(jié)合工作實際，選取潭江流域作為試點之一開展先行先試，并按照水利部《數(shù)字孿生河流（河段）/水利工程建設先行先試實施方案（編制大綱）》《數(shù)字孿生流域建設技術大綱（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則（試行）》《水利業(yè)務“四預”功能基本技術要求（試行）》編制實施方案[1]，開展數(shù)字孿生潭江流域建設工作，為潭江流域水利工程管理模式優(yōu)化、防洪減災、水環(huán)境水生態(tài)保障能力提升提供現(xiàn)代化信息化的管理手段，促進江門市智慧水利建設和經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展，為廣東省數(shù)字孿生流域建設探路。

1 建設基礎與存在問題

1.1 建設基礎現(xiàn)狀分析

1.1.1 監(jiān)測感知現(xiàn)狀

潭江流域內(nèi)現(xiàn)有水文站 4 個、水位站和潮位站714 個、雨量站 836 個，其中雙橋水文站是江門市唯一的國家基本水文站，測驗項目包括水位、流量、蒸發(fā)量、雨量，已建有固定式定點雷達波及走航式 ADCP 2 種測流系統(tǒng)。

1.1.2 數(shù)據(jù)資源現(xiàn)狀

廣東省水利數(shù)據(jù)中心按照統(tǒng)一的標準規(guī)范對全省水利數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一管理，匯集了 26 類數(shù)據(jù)資源基礎資料數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。目前廣東省水利數(shù)據(jù)中心已存儲約 20 TB 數(shù)據(jù)，業(yè)務庫表涉及 26 類，數(shù)據(jù)記錄超過50 億條，對廣東省相關水利業(yè)務信息共享、業(yè)務協(xié)同發(fā)揮了積極的作用，有效支撐了防汛抗旱業(yè)務工作，避免了條塊分割、數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象的蔓延，能夠為數(shù)字孿生潭江建設提供數(shù)據(jù)支撐。

江門市水利局依托信息系統(tǒng)建設，建立了雨水情、地理信息、山洪災害、汛情發(fā)布系統(tǒng)、檔案系統(tǒng)等數(shù)據(jù)庫，參照國家/省的有關標準、規(guī)范，初步形成江門市統(tǒng)一的水利數(shù)據(jù)庫標準體系。

1.1.3 信息化系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前江門市水利局建有江門市三防水利綜合應用平臺，包括汛情發(fā)布、視頻監(jiān)控、雨水情報送、地理信息、山洪災害監(jiān)測、小型水庫動態(tài)監(jiān)管、三防責任人、江新聯(lián)圍綜合信息、市指揮決策、辦公管理、協(xié)同辦公、江門市水利局網(wǎng)站等水利信息化業(yè)務軟件系統(tǒng)。河長制綜合管理平臺獨立運行，未接入綜合應用平臺中。汛情發(fā)布、視頻監(jiān)控 2 個主要系統(tǒng)介紹如下：

1） 汛情發(fā)布系統(tǒng)。水利相關數(shù)據(jù)由系統(tǒng)開發(fā)單位在水庫動態(tài)系統(tǒng)中抓取，并根據(jù)使用需求進行二次開發(fā)應用；水文相關數(shù)據(jù)由廣東省水利廳推送到市水利局使用，多為水庫數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)主要是降雨數(shù)據(jù)，來自于氣象局，且只有部分氣象站點有數(shù)據(jù)接入。

2） 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。部分地區(qū)已建設視頻監(jiān)控設備，但現(xiàn)有的視頻監(jiān)控設備無法滿足潭江流域防洪（潮）實時調(diào)度的要求。

1.2 建設基礎問題分析

潭江流域數(shù)字孿生建設基礎主要存在以下問題：

1） 流域防洪（潮）水環(huán)境監(jiān)測預警能力不足。目前潭江流域已建的雨水情和水質(zhì)監(jiān)測站點布設數(shù)量少，覆蓋范圍不夠，部分站點穩(wěn)定性和精度較差，整體預警能力不強，尚不能完全提供對全流域多源實時數(shù)據(jù)信息的支持。

2） 業(yè)務工作平臺不統(tǒng)一。江門市已建的水利信息化系統(tǒng)受建設時間、資金來源、部門管理業(yè)務等條件限制，采用不同的系統(tǒng)運行環(huán)境和技術路線，大多呈現(xiàn)服務對象單一及系統(tǒng)相互獨立的情況，資源利用率及管理效能需要進一步提升。

3） 已建系統(tǒng)預警預報能力尚需加強。目前潭江流域已建系統(tǒng)預警發(fā)布功能，僅完成粗略的雨水情的預警發(fā)布，尚缺少模型驅(qū)動的預報系統(tǒng)，各區(qū)（市）無法依據(jù)當前的預警信息作出精細、迅速、科學和有針對性的判斷。

4） 潭江流域綜合預報調(diào)度能力有待加強。潭江流域綜合預報調(diào)度能力主要包括水庫群防洪（潮）調(diào)度和洪水預報 2 個方面。

當前洪水預報主要通過氣象預報和本地水位、雨量數(shù)據(jù)，由各水庫工作人員憑經(jīng)驗預估水庫是否超警戒水位、是否有洪水風險等，難以獲得科學的預報結(jié)果，給水庫群防洪（潮）調(diào)度帶來一定的困難[2]。

當前江門市還不具備水庫群防洪（潮）聯(lián)合調(diào)度能力，主要原因是流域內(nèi)眾多的中小型水庫監(jiān)測設備不足，監(jiān)測手段單一，導致信息獲取不全面，難以憑借已有數(shù)據(jù)進行水庫群的聯(lián)合調(diào)度。

5） 面向?qū)ο蠓漳芰Σ蛔?。潭江流域現(xiàn)有水利相關信息系統(tǒng)的公眾服務能力較弱，公眾服務主要通過江門市水利局門戶網(wǎng)站實現(xiàn)，包括水利資訊、政務公開、政民互動、政務服務等欄目。該門戶網(wǎng)站在信息發(fā)布管理、信息檢索、運行監(jiān)控、相關信息下載等方面的功能不完備，有待完善?，F(xiàn)有移動系統(tǒng)主要以小程序、公眾號等為主，存在面向用戶單一、發(fā)布渠道單一、實時性不強的情況。

總體而言，水利信息化建設水平距離數(shù)字孿生流域建設要求仍有較大差距，在 L2/L3 數(shù)據(jù)底板建設、專業(yè)智能模型運用、“四預”能力建設、工程智慧化管理等方面仍存在短板。

2 建設內(nèi)容

2.1 完善感知站網(wǎng)

針對潭江流域臺風頻發(fā)、洪潮組合等復雜環(huán)境條件，采用視頻、超高頻雷達波、超聲波時差法等測流技術[3]，克服復雜條件下流速、流量自動監(jiān)測難題，完善潭江流域多源感知網(wǎng)絡體系。具體完善措施包括：補充流域內(nèi) 3 座大型水庫、18 座中型水庫、重點支流匯流口斷面、主要河道重點斷面的監(jiān)測感知站點，新建流量監(jiān)測站 73 處、水位監(jiān)測站52 處、水位雨量監(jiān)測站 34 處、雨量監(jiān)測站 6 處、水質(zhì)自動監(jiān)測站 11 處、纜道站 1 處，升級改造大壩安全監(jiān)測系統(tǒng) 3 處和閘門自動化系統(tǒng) 2 處，完善傳統(tǒng)水利監(jiān)測站網(wǎng)；購置多波束水下地形測量設備，開展潭江干流、江新聯(lián)圍骨干河道斷面水下地形測量，完善新型水利監(jiān)測站網(wǎng)。并綜合擬建和現(xiàn)有站點，完善流域水安全、水環(huán)境智能融合的感知網(wǎng)絡體系，共同實現(xiàn)整個流域雨情、水情、工情、水質(zhì)實時且自動化的全方位感知，并部署至江門市政務云平臺。

2.2 建設水利信息網(wǎng)

遵循廣東省數(shù)字政府建設規(guī)劃要求，水利監(jiān)測站點實時數(shù)據(jù)通過有線、無線等通信網(wǎng)絡接入省政務外網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全可靠、低時延的傳輸，建設數(shù)字孿生潭江流域業(yè)務網(wǎng)[4]，并依托省政務外網(wǎng)骨干網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

遵循廣東省數(shù)字政府建設規(guī)劃要求，數(shù)字孿生潭江流域先行先試工作涉及的服務器、存儲等資源集約，使用省政務云 IaaS，PaaS，SaaS 等公共支撐能力，按需向省信息化主管部門提出云資源需求。

2.3 完善數(shù)據(jù)底板

實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)資源的“三個一”（1 套標準、1 個目錄和 1 個辦法）管理，建立數(shù)源權責清晰的水利數(shù)據(jù)更新機制[5]，加強數(shù)據(jù)安全管理，建成標準通用的多維、多時空尺度水利數(shù)據(jù)模型[6]。依托江門市政務數(shù)據(jù)中心和政務云網(wǎng)資源，建設江門市智慧水利數(shù)據(jù)中心，形成以基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時匯聚、業(yè)務數(shù)據(jù)高效協(xié)同、空間數(shù)據(jù)一體貫通、跨行業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通等為特征的江門市數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板，實現(xiàn)水利信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源 100% 編目，共享數(shù)據(jù) 100%掛接。

通過數(shù)據(jù)采集與處理，基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術搭建水利物聯(lián)感知大數(shù)據(jù)資源等平臺，建立完備的信息共享交換機制，開發(fā)與廣東省水利廳和水文、氣象、自然資源等部門信息共享的交換系統(tǒng)，融合現(xiàn)有各市、區(qū)的水利信息化資源，提升流域業(yè)務信息感知、共享融合、綜合信息服務能力，基本建成潭江流域 L1級、流域重點區(qū)域 L2 級、重點工程 L3 級數(shù)據(jù)底板，為智慧水利業(yè)務應用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

2.4 構(gòu)建專業(yè)模型

圍繞潭江流域防洪“四預”核心功能應用，開展數(shù)據(jù)底板建設，基于 Cesium 引擎和三維仿真技術，構(gòu)建二三維一體化平臺，結(jié)合自主研發(fā)的降雨預報、外海風暴增水預報、降雨徑流預報、水庫群聯(lián)合調(diào)度、河道洪水演進及河網(wǎng)水量水質(zhì)耦合等模型，形成多維多要素的流域與各市（區(qū)）統(tǒng)籌兼顧一體化、智能化的預報調(diào)度技術體系，實現(xiàn)流域、區(qū)域、工程多要素多層級水利場景及對象的孿生交互，各模型邏輯關系如圖1 所示。依托模型開展流域降雨洪水及口門潮位集合預報，制定大中型水庫及水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度預案集，并開展各預案洪水災情預評估，支撐水庫群及閘泵群聯(lián)合防洪調(diào)度決策。

圖1 潭江流域綜合預報調(diào)度模型邏輯關系

各專業(yè)模型介紹如下：

1） 降雨預報模型。針對潭江流域開發(fā)定量降水估測（QPE）模型、0～3 h 定量降水預報（QPF）模型，基于廣東省氣象臺精細化格點預報制作平臺制作24～72 h 精細化格點預報方案。

2） 降雨徑流模型。開發(fā)潭江流域分布式/半分布式降雨徑流模型，包括經(jīng)驗預報、新安江、TOPMODEL等模型，滿足流域中下游洪水演進模擬及水庫群防洪調(diào)度需要的水位和流量預報，并實時估算水庫納洪能力。

3） 外海風暴增水模型。針對南中國海西北部近海海域（105&E～115&E，15&N～23&N）開發(fā)了風暴增水數(shù)值模型，預報外海風暴增水對崖門口潮位的 72 h影響過程，為潭江流域中下游洪水演進模擬及水庫群防洪調(diào)度提供邊界。

4） 水庫群防洪（潮）聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。模型設計思路總體如下：明確潭江流域防洪各保護對象對應的優(yōu)化調(diào)度水庫和閘門；數(shù)學表達潭江流域防洪（潮）多樣性的調(diào)度目標、流域上游可供調(diào)度的 18 座大中型水庫調(diào)度的約束條件、6 座閘門調(diào)度及河道的約束條件；應用兩階段方法求解水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，得到側(cè)重不同目標的水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度預案集。在此基礎上，組織開展潭江流域水庫群防洪（潮）聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度預案研判，形成最終的水庫群聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度方案集。

潭江流域防洪保護對象包括恩平、開平城區(qū)，以及包含所有單個保護對象在內(nèi)的全流域。針對不同防洪保護對象，模型自動選定相應的水庫群及閘門參與優(yōu)化調(diào)度。

潭江流域水庫群防洪（潮）聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，既要考慮主要水庫防洪庫容占用情況，又要考慮恩平、開平等防洪保護對象災情的嚴重性。聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型包含以下目標：調(diào)度期內(nèi)、期末水庫防洪庫容占用最小目標，調(diào)度期內(nèi)防洪保護對象水位超警高度及歷時最小，調(diào)度期末河道槽蓄量最小目標，調(diào)度期末河道閘門恢復正常蓄水位目標等。

根據(jù)潭江流域 18 座大中型水庫、6 座水閘現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程，構(gòu)建基于規(guī)程的調(diào)度模型：以用戶指定的起調(diào)水位（默認實時水位）和終調(diào)水位（默認汛限水位）為指導，以調(diào)洪庫容盡可能少占用為原則，服從發(fā)電引水及泄洪設施運用規(guī)定（包括不同溢洪道啟用/關閉時機、不同水位下的最大泄流能力），在滿足水庫、水閘上下游防洪安全的前提下，運用水量平衡原理、水庫水位庫容關系、壩前/閘上水位泄流能力關系，針對壩址預報來水過程開展水庫自動調(diào)洪演算，提供預報時段水庫壩前/閘上水位、庫容、下泄流量等過程信息。在此基礎上，構(gòu)建水庫群防洪優(yōu)化調(diào)度模型，建立模型線性化求解方法，提高求解效率；提出基于非支配等級的自適應約束處理方法，解決復雜約束處理難題，提升復雜梯級高維調(diào)度決策模型的求解收斂速度、可行調(diào)度方案求解成功率。

5） 一/二維洪潮演進模型。為快速響應潭江流域防洪（潮）綜合預報調(diào)度，以一維河網(wǎng)水動力模型為計算核心，構(gòu)建潭江中下游合山水閘、鎮(zhèn)海水庫及大沙河水庫至石咀段一維洪水演進模型，以及恩平、開平主城區(qū)二維洪水演進模型。

結(jié)合潭江流域水庫群錯峰適潮的精細化調(diào)度方案集，為潭江中下游一二維耦合洪水演進模型提供邊界條件，進一步以洪水演進成果為基礎，提前 72 h制作防洪調(diào)度預案，24～72 h 根據(jù)更新的預報信息校正調(diào)度預案，提前 24 h 開展精細化的調(diào)度方案預演，12～24 h 根據(jù)更新的預報信息校正調(diào)度方案，提前12 h 執(zhí)行精細化的調(diào)度方案等，提高流域控制性節(jié)點水文預報的預見期、預報精度及流域防災減災能力，為潭江流域水利工程管理模式優(yōu)化，以及水安全、水環(huán)境、水生態(tài)保障能力提升提供技術支撐。

6） 機器學習模型。主要構(gòu)建了以下 2 種模型：a.面向潭江流域江河調(diào)度和綜合決策等水利業(yè)務需求，以合山水閘至石咀站段為試點，在掌握潭江干流長序列氣象、水文、水位觀測數(shù)據(jù)的基礎上，構(gòu)建合山水閘、大沙河水庫、鎮(zhèn)海水庫的下泄水量，區(qū)間降雨匯流流量，以及潭江外海潮位與干流典型控制站點長沙站、石咀站水位之間的機器學習響應關系模型。b.收集和分析歷史臺風數(shù)據(jù)，利用臺風路徑和風速構(gòu)建相似臺風模型，給出與用戶指定輸入的臺風過程相似的歷史臺風的相似程度，并指出最為相似的臺風。在此基礎上結(jié)合外海風暴潮模型計算出天文潮過程和歷史的實測潮位，得出當前臺風可能造成的風暴增水的級別，為流域洪潮疊加下的洪水情勢研判提供依據(jù)。

2.5 構(gòu)建知識平臺

數(shù)字孿生潭江知識平臺包含潭江流域防洪（潮）知識圖譜庫、洪水預報及水環(huán)境調(diào)度方案庫、歷史場景模式及專家經(jīng)驗庫，以及智能引擎[8]等內(nèi)容，主要構(gòu)建以下 6 個子模塊：

1） 基礎信息子模塊。包含流域主要防洪保護對象、防洪控制斷面、現(xiàn)狀防洪標準等內(nèi)容，確定具有防洪功能水庫的調(diào)度運用方式及特征參數(shù)、河道堤防防洪標準及險工險段等基礎信息。

2） 頂層設計子模塊。包括法律法規(guī)、技術規(guī)范、智慧水利、專業(yè)術語等內(nèi)容，通過點擊對應內(nèi)容可以查閱國家、水利部、廣東省、江門市層面的流域防洪調(diào)度，水環(huán)境保護，水利信息化，智慧水利建設等方面的相關文件內(nèi)容和術語解釋。

3） 歷史場景子模塊。將具有代表性的、不同量級的上中下游區(qū)域性洪水，以及全流域性大洪水作為潭江流域典型洪水，以流域過去發(fā)生的典型洪水場景為主線，將同期的降雨、臺風、洪水串聯(lián)起來，實現(xiàn)歷史典型洪水場景復演。

4） 知識圖譜子模塊。主要包含流域暴雨成因及時空特征，各分區(qū)洪水遭遇類型、時間、頻次特征及組成，干支流河道不同量級洪水的傳播時間，潭江入海口大中小潮漲落歷時及洪潮遭遇時空特征，漲潮/退潮時段不同潮位下潭江中下游防洪控制斷面的最大行洪能力等知識圖譜庫，分為降雨頻率、潮位頻率、風暴增水、經(jīng)驗關系四部分模塊。

5） 智能引擎子模塊。主要結(jié)合人工智能算法對歷史場景數(shù)據(jù)進行機器學習和推理，包括相似降雨、相似臺風和潮位智能預報三部分內(nèi)容，其中：相似降雨和臺風可以通過分析、提取歷史的降雨及臺風數(shù)據(jù)，給出與輸入的降雨和臺風過程相似的場次，結(jié)合同期潭江流域主要站點的水位變化情況，為流域洪潮情勢研判提供經(jīng)驗參考；潮位智能預報通過人工智能算法，輸入或選擇上游的來水過程、外海的潮位過程、重要控制站點的開始水位，快速智能給出未來 72 h的潮位預報，為流域洪潮情勢研判提供經(jīng)驗參考。

6） 業(yè)務規(guī)則子模塊。業(yè)務規(guī)則子模塊通過收集、分析、融合歷史場景，數(shù)據(jù)，調(diào)度及專家經(jīng)驗等，整理并形成流域防洪業(yè)務相關規(guī)則，主要包括預警信號、流域防汛響應級別、水利工程調(diào)度規(guī)程、流域防洪調(diào)度規(guī)則四部分模塊。

2.6 建設業(yè)務應用

數(shù)字孿生潭江業(yè)務應用為流域綜合預報調(diào)度系統(tǒng)，在共享交換與服務平臺的統(tǒng)一支撐下，采用面向服務（SOA）的架構(gòu)思想，依托流域水、雨、工情數(shù)據(jù)融合與信息共享技術，以公共基礎地理服務和水利核心業(yè)務數(shù)據(jù)為基礎，基于 GIS 平臺實現(xiàn)對流域水利綜合信息的時空展示、統(tǒng)計分析、預警發(fā)布的流域一張圖展示、綜合預報、聯(lián)合調(diào)度、決策分析、碧道大屏信息發(fā)布、綜合運維管理、二三維一體化展示交互、移動終端應用等功能。相關應用功能介紹如下：

1） 綜合信息服務。主要包括以下 3 個方面：a.以流域一張圖的方式實現(xiàn)各類信息的集中展示，主要包括各類基礎信息，以及水位、雨情、流量、水質(zhì)、工情工況等信息。b.各類信息的預警管理，提供閾值、綜合、業(yè)務、故障等預警功能。c.各類監(jiān)測、成果信息的綜合查詢統(tǒng)計，具體包括流域一張圖展示、基礎信息服務、綜合在線監(jiān)測、預報成果展示、預警信息管理、業(yè)務信息查詢等功能模塊。

2） 潭江流域水文情勢分析。主要包括流域防洪現(xiàn)狀及工程，潭江流域暴雨、洪水分析成果，潭江流域洪水傳播特征與超額洪量，潭江洪潮遭遇特征、最大行洪能力等的分析。情勢研判示例圖如圖2 所示。

圖2 情勢研判示例

3） 潭江流域預報調(diào)度方案分析。主要包括主要斷面預報方案成果、典型洪水過程模擬成果、單庫現(xiàn)行防洪調(diào)度方案效果、典型洪水調(diào)度方案制定成果、水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度規(guī)則研究成果等。

4） 綜合預報。主要包括降雨、入庫及區(qū)間洪水、外海風暴增水、潭江中下游一二維耦合洪水演進模擬等預報，以及潭江流域暴雨洪水預警、防洪形勢研判分析、水庫群防洪（潮）聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、三區(qū)一市江門水道水系河網(wǎng)排澇、水環(huán)境調(diào)度、決策分析、綜合運維管理、流域二三維一體化模擬交互等。典型業(yè)務系統(tǒng)界面如圖3 所示。

圖3 預案預演決策分析示例

2.7 開展網(wǎng)絡安全建設

基于數(shù)字政府網(wǎng)絡安全防護體系提供的基礎安全服務，重點開展數(shù)據(jù)管理和云上應用等網(wǎng)絡安全建設，具體包括：

1） 數(shù)據(jù)分級分類管理。依托廣東省智慧水利工程建設，建立水利行業(yè)數(shù)據(jù)分類分級防護機制，確定重要數(shù)據(jù)目錄，建立重要數(shù)據(jù)監(jiān)測預警、風險評估、應急處置及安全審查機制，采取容災備份、身份鑒別、訪問控制、密碼保護、安全審計、安全隔離、可信驗證等關鍵技術措施，切實保護重要數(shù)據(jù)全生命周期安全。

2） 云上應用安全保障。優(yōu)先選用 ARM（Advanced RISC Machine）架構(gòu)硬件服務器及國產(chǎn)化操作系統(tǒng)和中間件，補充物聯(lián)網(wǎng)接入安全防護、數(shù)據(jù)安全防護、應用系統(tǒng)漏洞掃描加固、Web 應用安全防護、抗 DDoS（分布式拒絕服務）攻擊、網(wǎng)絡訪問日志審計等云上增值安全服務，健全完善安全情報、日志探查、威脅感知、綜合態(tài)勢、協(xié)同指揮、事件通報、應急處置等安全運行服務。

2.8 共建共享

數(shù)字孿生潭江流域先行先試工作嚴格遵循水利部《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》和省、市級信息系統(tǒng)建設管理相關要求[11]，保障數(shù)字孿生流域建設有序開展，提升建設和應用效益。共建共享主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 數(shù)據(jù)底板方面。依照事權職責分級，江門市水利局負責潭江流域各類水利對象的基礎數(shù)據(jù)維護，向廣東省水利大數(shù)據(jù)平臺匯聚，并逐級匯交到水利部。數(shù)字孿生流域 L1 級地理空間數(shù)據(jù)，從水利部下發(fā)的數(shù)據(jù)中獲取，主要河湖和水利工程管理范圍內(nèi)的L2 和 L3 級地理空間數(shù)據(jù)，由江門市水利局進行整合和建設，同步在廣東省水利大數(shù)據(jù)平臺更新維護。

2） 模型平臺方面。建設的流域?qū)Ｓ媚Ｐ蛯⒆畲蟪潭鹊卣{(diào)用、嵌套和鏈接省級模型平臺建設成果，例如全省水文精細化洪水預報、大中型水庫洪水預報調(diào)度、水文控制站中長期預報等成果，實現(xiàn)模型平臺集約化利用。

3）知識平臺方面。建設的知識服務可向各流域、地市開放共享，也可結(jié)合各地智慧水利建設不斷充實和完善水利知識庫。

3 建設成效

開發(fā)了六大類水利專業(yè)模型，構(gòu)建了具有“四預”功能的預報調(diào)度系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了流域多源監(jiān)測感知與數(shù)據(jù)高效能管理，江河水庫閘壩集中管理、聯(lián)合調(diào)度、科學決策，最大程度地保障了流域內(nèi)防洪（潮）的安全，改善了預報監(jiān)測薄弱環(huán)節(jié)，提升了工程調(diào)度反饋時效性，同時為河湖規(guī)范化管理提供依據(jù)，初步構(gòu)建了流域聯(lián)合調(diào)度平臺。

3.1 成果分析

2022 年，初步完成潭江流域感知體系補充水位、流量、雨量、水汽、視頻、水質(zhì)等站點的建設，實現(xiàn)了潭江流域已有 L1 和 L2 級數(shù)據(jù)成果的整合，實現(xiàn)了流域場景、典型水庫的二三維一體化建模與全景展示，集成了各類水利專業(yè)模型，完成了整體調(diào)度系統(tǒng)軟件平臺的測試。2023 年初進一步完善了潭江流域 L2 級數(shù)據(jù)底板采集，集成數(shù)據(jù)底板、模型平臺與知識平臺構(gòu)建了潭江流域數(shù)字孿生平臺，基本實現(xiàn)了具有“四預”功能的潭江流域防洪業(yè)務應用。截至 2022 年底，潭江流域完成了 44 條重點支流約 780 km 水下地形測量和錦江大型水庫遙感影像采集。建成了數(shù)據(jù)匯集平臺，接入 1 459 個站點，匯集 800 萬余條數(shù)據(jù)。完成了 22 座大中型水庫、6 座水閘、250 km 潭江干流及重點支流綜合調(diào)度模型的開發(fā)，集成了風暴增水、水庫閘壩群防洪（潮）聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度等水文水動力機理模型與相關知識圖譜，初步構(gòu)建了具有“四預”功能的業(yè)務系統(tǒng)平臺。

2022 年，潭江流域全年共經(jīng)歷 22 輪明顯降雨過程，出現(xiàn) 7 次明顯漲水過程，通過水利工程聯(lián)合調(diào)度，共攔洪削峰約 10 億 m3，其中，“龍舟水”、臺風暴雨防御期間，快速構(gòu)建洪潮預報調(diào)度模型投入實戰(zhàn)應用，利用現(xiàn)有和新建潭江流域監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合臺風暴雨、風暴潮預報情況，輸出潭江流域防汛監(jiān)測預警分布圖及防洪調(diào)度指導圖，助力潭江流域水庫、水閘群的聯(lián)合調(diào)度，取得了江門市開平城區(qū)不受淹、規(guī)模水庫水資源不浪費的最佳效益。6—8 月主汛期，為力保開平城區(qū)（長沙街道）減少內(nèi)澇損失，江門市水利局、氣象局、水文局，開平市水利局，恩平市水利局等多個部門開展 4 輪線上研判，聯(lián)合調(diào)度水利工程 11 宗，調(diào)度持續(xù)時長合計 32 d，有效降低了開平城區(qū)的洪水風險。在潭江干流跨縣區(qū)域布設視頻監(jiān)控點，對河面漂浮物、河道垃圾、河流污染等問題進行實時監(jiān)控，推動實現(xiàn)了潭江流域共建、共治、共享的新格局。以 L2 級數(shù)據(jù)底板地圖疊加管理責任紅線為依據(jù)，通過視頻智能分析技術定期滾動輸出漂浮物治理問題臺賬，督促屬地落實治理措施。截至 2022 年底，共發(fā)現(xiàn)河道漂浮物 38 宗，有效整改 37 宗，潭江流域水面漂浮物治理效果正在逐漸顯現(xiàn)。同時，結(jié)合視頻監(jiān)控，江門市還建立了長效機制，將發(fā)現(xiàn)的問題列入全面推行河（湖）長制年度考核中、潭江水資源保護專項資金分配中，不斷壓實各縣（市、區(qū)）治理責任。

項目建設完成后，潭江流域?qū)崿F(xiàn)了氣象、水文、風暴潮監(jiān)測預報的首例綜合應用，通過雨水情監(jiān)測，結(jié)合降雨、外海風暴增水等預報，精準演算出降雨徑流預報和河道洪水演進情況，從而為沿線水庫和水閘調(diào)度提供智能、科學、有效的調(diào)度方案，徹底打破過往依靠專家經(jīng)驗進行粗放調(diào)度的局面。

3.2 效益分析

1） 經(jīng)濟效益。通過收集洪澇災害多發(fā)區(qū)域數(shù)字地形、基礎設施、經(jīng)濟社會等數(shù)據(jù)，完善了流域感知監(jiān)測體系，建設了數(shù)字孿生潭江業(yè)務應用，實現(xiàn)了流域防洪聯(lián)合調(diào)度業(yè)務“四預”功能，項目成果最大限度地發(fā)揮了潭江流域的整體防洪效益，減少了潭江沿岸尤其是恩平、開平城區(qū)洪澇災害損失。同時，在建設過程中通過集約利用江門市數(shù)字政府云平臺資源，有效提升了 IT 基礎設施的利用率，降低了電子政務的總成本，有利于加快全省數(shù)字政府改革建設步伐，加快消除信息孤島，實現(xiàn)業(yè)務應用聯(lián)動。深度開發(fā)信息資源，可實現(xiàn)決策科學化；優(yōu)化水利系統(tǒng)整體工作效率，可降低各項應用成本。

2） 社會效益。項目成果可以避免或減少大洪水或暴潮年份防汛搶險救災給社會正常生產(chǎn)、生活造成的影響，促進人民安居樂業(yè)及各行業(yè)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3） 生態(tài)效益。通過數(shù)字孿生潭江的建設實現(xiàn)對流域重要水利工程的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，可實現(xiàn)流域水環(huán)境的優(yōu)化調(diào)度，維持和改善水生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)語

潭江流域匯聚大型水庫、重要水閘及河段的數(shù)據(jù)底板，結(jié)合水文水動力機理模型及相關知識平臺，實現(xiàn)潭江流域水工程聯(lián)調(diào)聯(lián)控。通過先行先試方案的建設，探索數(shù)字孿生流域建設的關鍵技術，以流域防洪業(yè)務、水資源管理與調(diào)配業(yè)務作為先行先試方案建設業(yè)務，初步構(gòu)建具有“四預”功能的水利智能業(yè)務應用體系，并形成可在流域、各地市及數(shù)字孿生工程建設中復用的技術成果。

后續(xù)將進一步完善數(shù)字孿生平臺中核心業(yè)務功能模塊，優(yōu)化數(shù)據(jù)底板，調(diào)優(yōu)模型算法，集成模型與知識等平臺，形成流域綜合預報調(diào)度一體化技術，初步實現(xiàn)具有“四預”功能的潭江流域防洪業(yè)務應用，提升智慧化決策水平。