數(shù)字孿生賈魯河在工程施工期防洪度汛中的應(yīng)用

劉子涵，李延峰，呂鵬舉，趙倩倩

（河南省水文水資源中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

2021 年 7 月，受臺(tái)風(fēng)“煙花”和副熱帶高壓氣流影響，以鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁等河南中北部區(qū)域?yàn)橹行牡牡貐^(qū)遭遇罕見強(qiáng)降雨，洪水造成了重大生命財(cái)產(chǎn)損失，暴露出河道防御體系的瓶頸和洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理不足等問題[1-2]。數(shù)字孿生是以虛擬模型映射物理實(shí)體的方式，對(duì)難以實(shí)現(xiàn)或成本較高的實(shí)體和現(xiàn)象進(jìn)行模擬和預(yù)測，為水利行業(yè)管理提供了便捷的技術(shù)手段。2021 年 12 月，水利部開啟了系統(tǒng)推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)的篇章，于 2022 年印發(fā)了數(shù)字孿生流域建設(shè)相關(guān)管理辦法、技術(shù)大綱、導(dǎo)則、技術(shù)要求等文件[3-4]。數(shù)字孿生流域應(yīng)用已初具成果，在數(shù)字黃河建設(shè)的基礎(chǔ)上，黃河防汛工作實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)感知、預(yù)報(bào)調(diào)度、方案預(yù)演、方案對(duì)比、預(yù)警發(fā)布等功能[5]。

洪水淹沒分析常用的模型有基于物理原理或數(shù)學(xué)分析的水文學(xué)模型和針對(duì)水體流動(dòng)規(guī)律求解基本方程的水動(dòng)力模型，多模型的聯(lián)合可用于流域水問題模擬，消除使用單一模型的缺陷[6]。田學(xué)民等[7]對(duì)馬斯京根法進(jìn)行擴(kuò)展，在渭河流域下游實(shí)現(xiàn)多級(jí)多支、干河道洪水演進(jìn)。運(yùn)用 MIKE 系列軟件進(jìn)行流域洪水預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)校正、橋梁壅水特性分析，河道河勢及水域流場形態(tài)變化影響分析[8-11]。苑希民等[12]結(jié)合模糊和層次 2 種分析法，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體等方面分析并劃分了京津冀洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。李彥萍等[13]從平均降雨量、匯流累積量、坡度等7個(gè)方面繪制了道路洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖，服務(wù)于洪澇災(zāi)害預(yù)警和救援。

為保障水利工程安全度汛，可結(jié)合水庫洪水調(diào)節(jié)險(xiǎn)情分析制定不同量級(jí)防洪預(yù)案[14]，在張家港市通江口門太字圩港閘站改建施工中，基于 MIKE 11構(gòu)建水文數(shù)字模型，對(duì)比不同度汛方案對(duì)城市防洪排澇的影響[15]。目前洪水預(yù)演多數(shù)集中于工程運(yùn)行期，對(duì)施工營地、攔河建筑物和保通道路等施工期特有的風(fēng)險(xiǎn)分析缺乏針對(duì)性，施工期信息管理系統(tǒng)多集中在項(xiàng)目進(jìn)度投資、質(zhì)量管理、資料管理、視頻監(jiān)控等方面，尚未與數(shù)字孿生技術(shù)充分融合。因此，本研究采用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)洪水預(yù)演情景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警和預(yù)案制定，以保障賈魯河在綜合治理工程施工期安全度汛。

1 工程概況

賈魯河綜合治理工程是河南省 2021 年“7·20”洪水災(zāi)后重建的標(biāo)志性工程，工程全長為 148.6 km，起于鄭州市中牟縣隴海鐵路，止于賈魯河入沙潁河口，于 2022 年2 月全面開工建設(shè)。2022 年汛期前，賈魯河綜合治理工程施工度汛形勢嚴(yán)峻，存在主河槽尚未護(hù)砌，左右岸堤防部分跨河橋梁處存在缺口，閘門仍不具備控泄和防洪水倒灌能力，沿線部分橋梁填方引道阻水嚴(yán)重，部分施工營地地勢低洼，上下游圍堰、臨時(shí)堆土尚未完全清理，導(dǎo)流明渠過流能力有限等問題。通過構(gòu)建數(shù)字孿生賈魯河平臺(tái)，智慧化模擬防洪預(yù)報(bào)調(diào)度，既為工程本身安全度汛提供決策支持，又能結(jié)合工程現(xiàn)狀在流域防洪中發(fā)揮作用。

2 技術(shù)框架

數(shù)字孿生賈魯河依托河南省水利一張圖進(jìn)行建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等，總體架構(gòu)如圖1 所示。其中，數(shù)據(jù)底板是通過對(duì)流域范圍內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行航測，獲取數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）和三維實(shí)景數(shù)據(jù)，結(jié)合重點(diǎn)建筑單體建筑信息模型（BIM）構(gòu)建，與前端監(jiān)測感知數(shù)據(jù)融合形成流域數(shù)據(jù)底板。模型平臺(tái)建設(shè)是在賈魯河流域數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水利專業(yè)模型和智能模型，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字空間對(duì)流域防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的智慧化模擬。知識(shí)平臺(tái)建設(shè)包含預(yù)報(bào)方案庫、調(diào)度方案庫、預(yù)警規(guī)則庫、業(yè)務(wù)規(guī)則庫、專家經(jīng)驗(yàn)庫及水利知識(shí)引擎等，實(shí)現(xiàn)各類預(yù)案、規(guī)則及經(jīng)驗(yàn)的管理和應(yīng)用。在防洪應(yīng)用方面，數(shù)字孿生賈魯河平臺(tái)從洪水模擬、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、應(yīng)對(duì)措施等方面支撐在建工程安全度汛。

圖1 數(shù)字孿生賈魯河防洪度汛應(yīng)用總體架構(gòu)圖

根據(jù)河南省氣象局發(fā)布的信息，預(yù)測 2022 年河南省淮北地區(qū)較往年平均降雨量偏多 20%～40%。針對(duì)流域水文條件，設(shè)定了 3 種預(yù)演情景，分別為流域降雨量級(jí)超 100 a 一遇、約 50 a 一遇、約 20 a 一遇情景，如表1 所示。根據(jù)模擬結(jié)果提取洪水要素及各類風(fēng)險(xiǎn)因子關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行量化分析，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)類型、影響范圍的劃定，并據(jù)此制定在建工程防洪度汛措施和應(yīng)急預(yù)案。

表1 3 種預(yù)演情景設(shè)置

3 防洪度汛應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)底板

工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)狀資料、流域水文資料、鄭州“7·20”暴雨洪水資料、地理空間數(shù)據(jù)和共享的河南省氣象預(yù)警信息共同構(gòu)成數(shù)字孿生賈魯河的算據(jù)。通過無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載激光雷達(dá)掃描、無人船水下地形測量等方式采集地理空間數(shù)據(jù)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)資料，獲得賈魯河施工現(xiàn)狀的高精度地形數(shù)據(jù)，并進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建高保真數(shù)字化場景，數(shù)據(jù)底板建設(shè)如圖2 所示。共完成流域范圍內(nèi)約 520 km2的無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載激光雷達(dá)掃描，獲取了賈魯河、雙洎河、索須河等主要河流水庫的地形數(shù)據(jù)，航測成果包含 DOM，DEM 和三維實(shí)景模型；測量了 47 處主要河流重點(diǎn)斷面，獲取了河道斷面數(shù)據(jù)；收集和整理了流域范圍內(nèi)河道、閘站、水利工程、行政區(qū)劃、用地、市政等相關(guān)矢量數(shù)據(jù)，建設(shè)了賈魯河流域一張圖；構(gòu)建了重點(diǎn)水工建筑 BIM 模型，包括賈魯河攔河閘、河道及堤防、排水涵閘、公路橋、鐵路橋、翻板閘、橡膠壩等建筑物，以及鄭州市全市區(qū)低精度建筑模型；搭建了上游常莊尖崗水庫、中游后曹閘段、下游擺渡口閘段等典型場景。

圖2 數(shù)據(jù)底板建設(shè)

3.2 水利模型

基于數(shù)據(jù)底板提供的數(shù)據(jù)，采用實(shí)測降雨洪水資料時(shí)空分析、產(chǎn)匯流模型計(jì)算、一/二維水動(dòng)力等水利專業(yè)模型分析方法，對(duì) 3 種洪水預(yù)演情景下常莊水庫潰壩、賈魯河河道洪水、瓦灰郭防洪保留區(qū)、堤里小清河丈八溝匯合口和賈魯河兩側(cè)堤外內(nèi)澇情況進(jìn)行模擬。以 DEM 和 DOM 為基礎(chǔ)，通過排水通道分析，將整個(gè)賈魯河流域劃分為 88 個(gè)子流域，并針對(duì)不同子流域類型（山區(qū)、平原區(qū)、城區(qū)）分別構(gòu)建單獨(dú)的產(chǎn)匯流模型。

3.2.1 一維水動(dòng)力模型

上游河道采用一維水動(dòng)力模型，控制方程為圣維南方程組：

式中：Q為流量；A為斷面面積；x為河道沿程坐標(biāo)；t為時(shí)間；q為旁側(cè)入流流量；α為修正系數(shù)；g為重力加速度；Z為水位；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

3.2.2 二維水動(dòng)力模型

下游淹沒范圍計(jì)算采用二維水動(dòng)力模型，控制方程為

式中：h為水深；Qx和Qy分別為x和y方向的單寬流量：Vx和Vy分別為x和y方向的流速，Qx=Vxh；Qy=Vyh；J0x和J0y分別為x和y方向底坡，和Jfy分別為x和y方向摩阻坡降，為糙率；q為連續(xù)方程中的源匯項(xiàng)。

為實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的連續(xù)性，二維水動(dòng)力模型的上邊界采用一維水動(dòng)力模型水位及流量計(jì)算結(jié)果，二維水動(dòng)力模型的計(jì)算結(jié)果傳遞給一維水動(dòng)力模型參與下一時(shí)段運(yùn)算。洪水預(yù)演情景如圖3～5 所示。

圖3 后曹閘洪水預(yù)演情景

圖4 常莊水庫洪水預(yù)演情景

圖5 丈八溝匯合口洪水預(yù)演情景

3.3 風(fēng)險(xiǎn)分類

根據(jù)水庫潰決及洪水在河道內(nèi)淹沒演進(jìn)、閘站調(diào)度洪水模擬、河道流態(tài)模擬、河道沖刷淤積模擬，以及洪水進(jìn)入防洪保留區(qū)的洪水演進(jìn)，積水對(duì)外坡腳的浸泡風(fēng)險(xiǎn)等模擬結(jié)果，結(jié)合各類風(fēng)險(xiǎn)因子的關(guān)鍵指標(biāo)，分析工程現(xiàn)狀存在的漫堤、淹沒、沖刷、洪水倒灌、橋梁阻水、堤外積水共 6 類風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)分析方法如表2 所示，形成不同預(yù)演情景和風(fēng)險(xiǎn)類型下的具體風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置。

表2 施工期工程風(fēng)險(xiǎn)類型及風(fēng)險(xiǎn)分析方法

4 結(jié)果與分析

4.1 洪水預(yù)演結(jié)果

賈魯河中牟水文站位于賈魯河綜合治理工程起點(diǎn)上游 2.47 km 處，實(shí)測數(shù)據(jù)豐富，因此選用中牟水文站斷面以下進(jìn)行洪水預(yù)演和風(fēng)險(xiǎn)分析。模擬流域降雨量級(jí)超 100 a 一遇、約 50 a 一遇、約 20 a 一遇等3 種預(yù)演場景結(jié)果顯示，隨著流域降雨量級(jí)增大，施工期風(fēng)險(xiǎn)類型和數(shù)量也相應(yīng)增加，不同預(yù)演場景的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量及分布如表3所示，施工期風(fēng)險(xiǎn)圖如圖6 所示。

圖6 施工期風(fēng)險(xiǎn)圖

表3 施工期風(fēng)險(xiǎn)匯總表

預(yù)演結(jié)果如下：

1） 對(duì)于預(yù)演情景 1，發(fā)生流域降雨量級(jí)超 100 a一遇時(shí)，中牟水文站以下 3 d 降雨量為 304 mm，工程將面臨 6 類風(fēng)險(xiǎn)，共約有 134 處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，工程總體風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)部位采取防范措施，避免人員傷亡和減少洪澇災(zāi)害損失。

2） 對(duì)于預(yù)演情景 2，發(fā)生流域降雨量級(jí)約50 a一遇時(shí)，中牟水文站以下3 d 降雨量為 210 mm，工程將面臨 5 類風(fēng)險(xiǎn)，共約有 79 處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，工程安全存在風(fēng)險(xiǎn)，此情景在汛期發(fā)生的概率較大，應(yīng)根據(jù)影響程度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)部位提前采取防范措施。

3） 對(duì)于預(yù)演情景 3，發(fā)生流域降雨量級(jí)約 20 a一遇時(shí)，中牟水文站以下 3 d 降雨量為 150 mm，工程將面臨 4 類風(fēng)險(xiǎn)，共約有 38 處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，在汛期發(fā)生的概率非常大，應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)部位加強(qiáng)防范。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

通過分析中牟水文站以下預(yù)演結(jié)果，堤外積水風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量最多，約占 3 種預(yù)演場景風(fēng)險(xiǎn)總數(shù)的 50.00%～58.96%。漫堤風(fēng)險(xiǎn)僅當(dāng)流域降雨量級(jí)超 100 a 一遇時(shí)發(fā)生，施工營地和堤防預(yù)留缺口即使在預(yù)演場景 3下也易淹沒，橋梁阻水風(fēng)險(xiǎn)在 3 種場景下數(shù)量沒有變化。各類風(fēng)險(xiǎn)分析如下：

1） 漫堤風(fēng)險(xiǎn)。圖7 為賈魯河“7·20”洪水模擬水位結(jié)果。分析圖7 可知：擺渡口閘上，洪峰水位為62.80 m，堤防高程為 63.05 m，僅余 0.25 m 安全超高，存在漫堤風(fēng)險(xiǎn)；李河口閘、彭店閘現(xiàn)狀尚不具備控泄能力，閘下泄洪峰流量為 1 450 m3/s，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)流量500～970 m3/s 的治理標(biāo)準(zhǔn)，雙洎河彭店閘下游左右岸堤防出現(xiàn)洪水漫溢，最大淹沒水深達(dá) 0.85 m。

圖7 賈魯河“7·20”洪水模擬水位結(jié)果

2） 淹沒風(fēng)險(xiǎn)。后曹閘施工營地高程為 70.56 m，本次模擬最高洪水位為 71.49 m，高于營地 0.93 m，存在淹沒風(fēng)險(xiǎn)；因賈魯河沿線保留多座橋梁，施工期間在橋梁處堤防設(shè)置缺口，以保障道路通行，橋面低于壩頂高程，洪水在缺口處漫溢存在倒灌淹沒風(fēng)險(xiǎn)，其中賈魯河西華縣教育大道處缺口洪水位比橋面、路面高 0.34 m。

3） 沖刷風(fēng)險(xiǎn)。在建筑物方面，后曹閘中墩處最大流速為 2.36 m/s，右側(cè)邊墩處最大流速為 1.98 m/s，左側(cè)邊墩處最大流速為 1.31 m/s，存在沖刷風(fēng)險(xiǎn)。后曹閘導(dǎo)流明渠上下游附近流速較大，達(dá)到 1.55 m/s，存在沖刷風(fēng)險(xiǎn)；在堤防方面，賈魯河西華縣附近彎道及河道橋梁處存在沖刷風(fēng)險(xiǎn)。

4） 洪水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)支流與賈魯河發(fā)生同頻洪水時(shí)，雖然不會(huì)發(fā)生賈魯河洪水倒灌，但受賈魯河水位頂托影響，堤里小清河、丈八溝和康溝河等匯合口位置存在漫溢風(fēng)險(xiǎn)。

5） 橋梁阻水風(fēng)險(xiǎn)。賈魯河沿線保留多座橋梁，橋梁阻水導(dǎo)致河道洪水位壅高，有效過水面減小，行洪能力減弱。預(yù)演結(jié)果中，于家橋（樁號(hào) 126 + 235）處上下游水位差為 0.12 m，S102 尉州大橋（樁號(hào)104 + 200）上下游水位差為 0.10 m，李店—胡辛莊橋（樁號(hào) 130 + 225）處上下游水位差為 0.08 m。水位的壅高使橋梁周邊堤防漫決風(fēng)險(xiǎn)增加，橋梁壅水漫過橋頂后，易出現(xiàn)橋墩塌陷，對(duì)橋身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有影響。

6） 堤外積水風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)狀排澇閘未建設(shè)的情況下，預(yù)演場景 1 中賈魯河干流左右岸堤防外坡腳存在79 處積水點(diǎn)，坡腳長時(shí)間浸泡會(huì)影響堤防穩(wěn)定。

通過模擬遭遇不同降雨量級(jí)時(shí)的洪水演進(jìn)情況和風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)預(yù)演結(jié)果編制了《賈魯河綜合治理工程 2022 年超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急預(yù)案》。同時(shí)，數(shù)字孿生賈魯河建設(shè)集成“四預(yù)”功能的巡查平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)汛期沿賈魯河巡查時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)上報(bào)水位數(shù)據(jù)和定位信息，自動(dòng)演算洪峰到達(dá)下游時(shí)間，并向相關(guān)防汛值班人員發(fā)送預(yù)警信息。

5 結(jié)語

針對(duì)水利工程施工期科學(xué)分析防汛度汛風(fēng)險(xiǎn)和制定預(yù)案的需求，基于數(shù)字孿生技術(shù)，建立以 DEM，DOM，BIM 及三維實(shí)景模型等地理信息數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)底板，結(jié)合水利專業(yè)模型構(gòu)建洪水預(yù)演模型，以流域降雨量級(jí)超 100 a 一遇、約 50 a 一遇、約 20 a一遇等 3 類預(yù)演情景進(jìn)行模擬，依據(jù)模擬結(jié)果量化分析各類風(fēng)險(xiǎn)，制定在建工程防洪度汛措施，編制應(yīng)急預(yù)案。

應(yīng)急預(yù)案經(jīng)河南省水利廳批準(zhǔn)，作為 2022 年汛期賈魯河防洪度汛的指導(dǎo)性文件，以及防汛人員、物資和設(shè)備部署，防汛演練，督導(dǎo)檢查的依據(jù)，通過與地方政府建立聯(lián)保機(jī)制，賈魯河綜合治理工程在 2022 年汛期中有 3 次洪水過程被控制在河道內(nèi)。數(shù)字孿生賈魯河通過共建共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的融合、共享、集約，避免重復(fù)建設(shè)，節(jié)約開支。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)采集、融合、集成、審核發(fā)布后，形成賈魯河流域 2022年DOM，DEM，DLG，BIM 和三維實(shí)景模型等 7 項(xiàng)資源目錄。河南省水利一張圖調(diào)用賈魯河流域基礎(chǔ)底圖、數(shù)據(jù)底板和模型模擬結(jié)果等數(shù)據(jù)，對(duì)工程運(yùn)行管理起到了支撐作用。隨著數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的深入，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)預(yù)期、實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)等有了進(jìn)一步認(rèn)知，在實(shí)際建設(shè)過程中應(yīng)借助試點(diǎn)項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)，在流域防洪精細(xì)化管理中發(fā)揮積極作用。

隨著施工進(jìn)度不斷推進(jìn)，施工期水利工程的地理空間屬性、水域流場和防洪能力處于動(dòng)態(tài)變化中。為修正模型，建立節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)狀間的偏差，提高施工期水利工程防洪預(yù)演的現(xiàn)勢性。在后續(xù)的研究中，可考慮在數(shù)字孿生流域建設(shè)中融合施工進(jìn)度仿真動(dòng)態(tài)糾偏方法[16]，制定施工進(jìn)度控制計(jì)劃，模擬預(yù)測當(dāng)前施工條件下進(jìn)度發(fā)展趨勢，追蹤實(shí)際施工與控制節(jié)點(diǎn)間的差距，若存在滯后，則更新數(shù)據(jù)底板和模型計(jì)算方法，以滿足施工期水利工程防洪度汛決策支撐需求。