基于数字孪生的水库运行管理...究及应用——以茶园水库为例_黄瑞.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：黄瑞（），女，工程师，硕士，主要从事水利信息化及数字孪生流域建设。通讯作者：顾小林（），男，高级工程师，主要从事防洪四预与水资源管理。基于数字孪生的水库运行管理技术研究及应用基于数字孪生的水库运行管理技术研究及应用 以茶园水库为例以茶园水库为例黄 瑞，顾小林，苟胜国，李 意，刘心怡，朱孟兰，任子渊（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 ；贵州省水文水资源局，贵州 贵阳 ）摘要：数字孪生流域建设是推动新阶段水利高质量发展的主要实施路径和重要标志之一。以茶园水库为研究对象，通过地理空间数据获取、和 模型、水下地形模型、高分辨率三维实景模型构建等关键技术，构建了三维地理信息数字底板，耦合水文、水动力、水资源调配等水利专业模型，开发了具备预报、预警、预演、预案“四预”功能的流域防洪系统和水资源管理与调配应用系统。针对系统成果，从数据底板、模型平台、防洪“四预”应用、水资源管理与调配应用方面进行了深入剖析探讨，在“四预”平台基础上，利用长系列水文径流等资料，基于来水、需水预报模型及水资源优化配置模型对茶园水库的水资源进行合理配置，提炼总结出了一套相对完整的数字孪生的水库运行管理方案，为数字孪生清水江试点流域奠定了扎实的基础，可为中小流域数字孪生建设提供先行经验与有益参考。关键词：数字孪生；数据底板；模型平台；防洪“四预”；水资源管理与调配中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.035黄瑞，等：基于数字孪生的水库运行管理技术研究及应用信息与技术 引言随着数字化、信息化、智能化的高速发展，水利建设迎来了新时期，提出了要充分运用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术，建设“”结构的智慧水利，构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的数字孪生流域，以推进水利高质量发展。目前数字孪生已在长江流域，、黄河流域，、淮河流域、海河流域、珠江流域、松辽流域，建设中得到应用，实现了“四预”流域试点的演练与应用，为数字孪生流域建设提供技术示范和经验借鉴。数字孪生流域是智慧水利的核心，也是推动新阶段水利高质量发展的实施路径和重要标志之一，。数字孪生流域是基于数据、模型构建的系统工程，其本质是通过构建三维数字底板，充分利用水文、水动力、泥沙动力学等水利模型，运用人工智能、物联网等新一代信息技术，以数字化的形式在虚拟空间中构建虚拟流域，对现实流域实现数字化映射，实现虚拟流域与现实流域之间的动态信息交互，通过虚拟流域对数据的分析模拟，预测现实流域的具体属性、状态等，从而对现实流域进行实时监测、调控与管理，达到“虚实映射、孪生互动、仿真运行”的效果。流域数字孪生的目标对象包括流域范围内的水库、堤防、蓄滞洪区等重要工程以及河道水文站点、沿岸防洪区域等，涉及多种要素以及各要素的物理变化过程，如：降雨、产流、汇流、预报调度等。据 年全国水利发展统计公报 显示，全国已建成各类水库 座，水库总库容 亿，作为天然河道上拦河筑坝形成的人工湖泊，水库可起防洪、灌溉、供水、发电、旅游、养鱼等作用。水库数量多、库容大、兴利防洪的重要性决定了构建相应数字孪生流域系统的迫切性，利用水情数字孪生系统监测上下游水位及流量，可水库进行合理洪水预报调度，以增加调洪控制的主动性。本文以清水江试点流域中的茶园水库为例，构建了具有“四预”功能的防洪系统、水资源管理与调配系统，为后续清水江数字孪生流域建设奠定了扎实的基础，为水库防洪调度、水资源管理调配提供工程经验及参考。茶园水库概况茶园水库位于长江流域沅江水系马尾河上游谷江河，地理位置东经 ，北纬 。坝址以上集雨面积 ，多年平均气温 ，多年平均相对湿度，多年平均水面蒸发量 。茶园水库是以防洪为主兼顾城市供水的综合利用水库，工程等级为等，工程规模为中型。水库担负着下游都匀市区 多万人口，黔桂铁路、贵新高等级公路、国 道 及 各 类 桥 梁 等 重 要 建 筑 物 防 洪任务。关键技术研究 数据底板数据底板是“四预”功能的必要支撑，是构建河湖映射数字孪生流域平台的基础，是支撑模型平台、知识平台、“四预”平台的数据基底。数据底板包括多尺度的 三 维数 字 高 程 模 型（，）及 数 字 正 射 影 像（，）、水下地形模型、高分辨率三维实景模型、重点水利 工 程 （）模型、重点区域精细化虚拟现实场景、重点区域防洪对象调查等数据，构建多维多时空尺度数据模型，以实现对茶园水库物理流域的数字化映射，成功构建茶园水库数字孪生。除传统的流域信息采集基础措施外，卫星遥感、无人机、无人船等新型信息获取方式也常在构建数据底板中应用。高精度 及 测量作业方法采用无人机机载激光测量，以获取格网间距 的，分辨率 的。高分辨率三维实景模型采用倾斜摄影测量技术，利用无人机飞行平台搭载五镜头倾斜摄影相机系统，获取茶园水库分辨率优于 的多视角影像，利用三维建模软件构建三维实景模型。为实现洪水淹没预演分析，采用 单波束测深系统通过导航软件采集水下点三维坐标，获取茶园水库 水下地形图。为实现水库合理防洪调度，开发调查软件，结合现场调查等方法对茶园水库重点防洪对象进行调查。此外，构建了茶园水库水工建筑物等 模型，实现水利工程主题建筑物空间信息的数字化描述。利用上述数据，结合虚拟现实技术完成了茶园水库库区及周边范围数据底板构建，效果如图和图所示。模型库数字模型是数字孪生的核心，是在数据底板的基础上，为数字孪生流域提供模拟仿真功能，其主要任务是构建水利专业模型，对降雨径流、河道洪水演进等进行模拟预测。防洪“四预”涉及构建水文模型、水动力模型、智能模型等；水资源管理及调配涉及构建来水预测模型、需水预测模型、供需分析及水资源配置等模型。本研究构建的防洪“四预”模型平台主要包括新安江模型、一二维水动力模型、周期均值叠加模型、防洪调度模型等，对茶园水库进行模拟与预报，基于实时信息进行校正，若需进行洪水推演，采用一维、二维水动力模型进行演算；水资源管理与调配系统主要包括来水预报模型、需水预报模型、水资源优化配置模型。年 月绿 色 科 技（）第 期图茶园水库坝体图茶园水库水下地形 数字孪生平台应用实践本研究以茶园水库防洪“四预”及“水资源综合管控”为例，进行数字孪生平台应用实践，融合地理空间要素、库区水下地形、坝体 模型、三维实景模型以及实时水雨工情等物联网数据，集成水文预报、洪水演进、水资源配置等水利专业模型，通过建立虚拟空间与物理世界互为映射的数字孪生体，构建了具有监测、分 析、模 拟、仿 真 等 多 尺 度 融 合 的 数 字 孪 生平台。数字孪生茶园水库防洪“四预”应用 预报预报是利用数字底板中的水雨工情数据及各类水利模型，对数据进行定性分析、定量计算，主要包括洪水预报模块。选择模型平台中新安江模型作为洪水预报模型，经资料整编、参数率定、模型评定等过程，根据 水文情报预报规范 ，最终的模型方案精度评定为乙级。确定模型的最终参数如表所示。将确定参数的模型集成到数字孪生平台中，根据历史降雨、历史流量、未来气象降雨产品等数据，同时耦合实时校正模型，预报未来 的流量和水位。并标明未来最大洪峰、最高水位及其出现的时间。如图为 场次洪水的预报结果。预警预警是综合水雨情监测、工情监测以及预报成果等多 源 信 息，判 断 是 否 发 生 洪 水，并 发 布 警 示 信息。茶园 水 库 的 主 要 任 务 是 防 洪，其 防 洪 库 容 万，是都匀市城市防洪体系中的控制性中型蓄水工程，因此水库防洪预警十分重要。基于预报成果，本研究中以水库预报水位作为预警对象。以汛限水位、正常高水位、设计洪水位、校核洪水位为预警指黄瑞，等：基于数字孪生的水库运行管理技术研究及应用信息与技术表茶园水库新安江模型参数模型参数流域蒸散发折算系数 流域上层张力水蓄水容量 流域下层张力水蓄水容量 流域深层蒸散发系数 流域平均张力水蓄水容量 流域张力水蓄水容量分布曲线指数 流域不透水面积比例 流域平均自由水蓄水容量 流域自由水蓄水容量曲线指数 流域壤中流出流系数 流域地下径流出流系数 壤中流线性水库汇流系数 地下水线性水库汇流系数 河网汇流消退系数 河网汇流滞时 马斯京根法河段平均传播时间 马斯京根法河段流量比重系数 标值，预警未来 内水库水位的险情。当超过汛限水位时为蓝色预警，超过正常高水位时为黄色预警，超过设计洪水位时为橙色预警，超过校核洪水位时为红色预警。预演预演是针对预警信息，综合考虑调度规则、边界条件，设定不同情景目标，进行模拟推演。茶园水库的防洪功能是按都匀市区防洪规划要求对抵御市区 年一遇洪水起拦洪、错峰作用。本研究对茶园水库重点防洪区域进行二维水动力建模，实现动态洪水风险分析，如图所示。预案预案是根据预演反馈结果，考虑工程状况、经济社会发展需要，评估后形成最优方案或计划，同时也可根据实际工作进展进行及时调整。当防汛水情断图 场次洪水预报结果图二维水动力预报的都匀城区洪水预演面的洪水位达到“警戒水位”时，进行预案启动。针对不同的防洪标准，启动对应预案，平台根据已有的防汛应急预案，实现对预案所提出的应急处理模式进行数字化建模，提供直观的预案实施效果展示，应用如图和图所示。数字孪生茶园水库水资源管理与调配应用 来水预报与需水预报通过茶园水库洪水预报、预警工作提供准确实时的数据支撑，通过对水库水工建筑物的数字化，接入实时监测水文数据，实现不同气象条件下的来水量预测分析计算，结合不同用水的需求监测，为实现合理的水资源管理及配置提供客观可行的调度决策支持。来水预报选择模型平台中周期均值叠加作为茶园水库月径流预报模型，以月径流历史资料数据为基础，分 个月逐月构建来水预报模型，根据 水文情报预报规范 ，最终的模型方案平均精度评定为乙级。按来水量经验频率，年茶园水库属于平水年，表为以 年月预报未来 月的月来水量。年 月绿 色 科 技（）第 期图倾斜摄影场景下预案可视化图二维地图场景下预案可视化表 年茶园水库来水量预测万年份月月月月月 月 月 月月月月月年值 需水预测需水量的计算与预测，必须根据不同用水户的特点进行，主要进行生活需水预测、生产需水量以及生态需水预测等。茶园水库的受水区为都匀市主城区和匀东区，总面积 。根据 贵州省行业用水定额 都匀市 年水资源综合规划、年的 都匀市社会经济发展公报，分别预测受水区的生活需水、生产需水、生态需水。预测结果如表所示。供水能力都匀市供水水源主要为茶园水库，其他以一些自备水源为主，该市城市供水覆盖率为 ，主要由九龙湖水厂供应。九龙湖水厂位于都匀市北部，茶园水库旁，首期建设规模为 万，取水水源为茶园水库，年供水能力 万。本研究中，将茶园水库水资源系统概化为由节点、计算单元和有向线段构成的网络图，其水资源系统网络概化图如图所示，茶园水库供水能力见表。黄瑞，等：基于数字孪生的水库运行管理技术研究及应用信息与技术表茶园水库受水区（都匀市主城区和匀东区）总需水预测万项目分区 主城区匀东区 主城区匀东区 主城区匀东区 主城区匀东区生活需水城镇生活需水量 农村生活需水量 小计 生产需水工业需水量 建筑业需水量 三产需水量 小计 生态需水河道内需水量 河道外需水量 小计 总需水量 图都匀市茶园水库水资源系统概化 水资源调配供需分析是水资源合理管理与调配的核心内容之一。通过对不同年份、不同工程状况和不同用水结构区域水资源的供需平衡分析，可以明确本区域水资源供需状况和存在问题，得到本区域是否缺水、哪里缺水、什么时候缺水以及缺多少水等基本情况，根据计算结果可以进一步分析为什么缺水以及实现供需平衡的措施与方法等深层次问题。表茶园水库供水能力万 水库名称月月月月月月月月月 月 月 月茶园水库 本研究以茶园水库为例，采用优化模型，以供水量最大和相对缺水率最小作为指标。按照都匀市主城区及匀东区水资源合理配置模型系统，进行 年都匀市主城区及匀东区现状水平年供需分析计算。结果如图和图以及表和表所示，都匀市 年全市平均满足率为 ，主城区平均满足率为 ，匀东区平均满足率为 。图 年茶园水库供水量最大水位变化