陳成勇,潘 旭,周成寬

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

水利部黨組將智慧水利作為“十四五”規(guī)劃的重點任務和水利高質量發(fā)展的顯著標志。把“推進智慧水利建設”作為推動新階段水利高質量發(fā)展的六條實施路徑之一。提出構建數(shù)字孿生流域、助力全國智慧水利建設[1]。建設數(shù)字孿生水文的目的是為了提升國家水安全保障能力,順應以流域為單元、強化流域治理管理、適應信息技術發(fā)展的需要,并為構建智慧水利運管體系提供理論和技術上的支撐。數(shù)字孿生水文是水文部門推進數(shù)字水利建設的重要探索,數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)測和控制,可以提高物理實體的效率和質量,降低運營成本,同時可以為科學研究和決策提供有力的支持。該技術已經廣泛應用于工業(yè)制造、航空航天、城市規(guī)劃等領域。山東省水利廳高度重視數(shù)字水利建設的推進工作,今年省水文中心已將數(shù)字孿生水文建設列為重點改革內容。

1 基本概念

數(shù)字孿生技術是一種新興的數(shù)字化技術,基于物理實體的數(shù)字化模型,實現(xiàn)對物理實體的仿真和優(yōu)化。其基本原理是將物理實體的形態(tài)、結構、特性、行為等信息通過傳感器和其他數(shù)據(jù)采集技術實時收集,然后利用計算機技術進行數(shù)據(jù)處理、建模和仿真,最終生成一份與物理實體相對應的數(shù)字化模型,即數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生水文建設是指利用數(shù)字孿生技術和水文學理論相結合,將現(xiàn)實世界的水文系統(tǒng)和水利管理活動進行數(shù)字化映射和智能化模擬形成虛擬模型,并使用傳感器和其他數(shù)據(jù)源收集實時數(shù)據(jù)來實現(xiàn)與物理流域的同步仿真、虛實交互、迭代優(yōu)化,從而實現(xiàn)對水資源管理、水文預測、水環(huán)境保護、水文災害預警和防治等領域進行全面的仿真分析和評估,優(yōu)化水文系統(tǒng)的設計和運行,包括水文過程、水文響應、水質變化、水文災害等多個方面。

2 理論基礎

水文學是數(shù)字孿生水文建設的基礎學科,其理論和方法為數(shù)字孿生水文建設提供了基礎和支撐。水文學理論主要涉及水文循環(huán)過程、水文數(shù)據(jù)采集、水文模型建立、水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和水文評價和規(guī)劃等方面,而數(shù)字孿生水文建設則將這些理論與數(shù)字孿生技術相結合,進一步提高了水文學的應用價值和效果。

數(shù)字孿生水文建設的另一個理論基礎是大數(shù)據(jù)和人工智能技術。數(shù)字孿生水文建設需要大量的數(shù)據(jù)支持,包括水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等,而大數(shù)據(jù)技術可以對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析。人工智能技術可以實現(xiàn)對水文數(shù)據(jù)的智能處理和分析,包括數(shù)據(jù)挖掘、預測和優(yōu)化等方面,為數(shù)字孿生水文建設提供了強有力的技術支持。

數(shù)字孿生技術應用于水文領域,可以實現(xiàn)對水文系統(tǒng)的數(shù)字化建模和實時監(jiān)測,進而實現(xiàn)對水文循環(huán)全過程的精細化控制和管理。

3 主要架構

數(shù)字孿生水文建設的構架圖是一個多層次、多模塊的系統(tǒng),數(shù)字孿生水文主要架構,見圖1。通過各種技術手段實現(xiàn)對水文系統(tǒng)的模擬、監(jiān)測、優(yōu)化和決策支持,為水資源管理和智慧水利建設提供科學依據(jù)和決策支持,其構架通常包括以下幾個主要組成部分:

圖1 數(shù)字孿生水文主要架構

數(shù)字孿生水文建設的核心是建立水文系統(tǒng)的虛擬模型,包括地表水、地下水、大氣降水等方面。該模型可以基于現(xiàn)有的水文監(jiān)測設施數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù),使用物理模型、統(tǒng)計模型和機器學習等方法來建立。

數(shù)字孿生水文建設需要實時收集和傳輸水文數(shù)據(jù),包括水位、流量、降雨量、蒸發(fā)量、輸沙量、水質數(shù)據(jù)等等,以更新水文系統(tǒng)模型。數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)可以使用傳感器、遙感技術、水文站和自動監(jiān)測站等設備來實現(xiàn)。

水文數(shù)據(jù)需要進行處理、分析和存儲,以便后續(xù)使用。數(shù)據(jù)管理和處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析等方面,可以使用數(shù)據(jù)庫、云計算、人工智能和數(shù)據(jù)挖掘等技術來實現(xiàn)。

水文系統(tǒng)模型需要不斷地運行和優(yōu)化,以保證模型的準確性和穩(wěn)定性。模型運行和優(yōu)化系統(tǒng)可以使用模型仿真、實踐比對、參數(shù)調整和預測分析等方法來實現(xiàn)。

數(shù)字孿生水文建設的最終目的是為水資源管理者和水文工程師提供決策支持。決策支持系統(tǒng)可以基于水文系統(tǒng)模型和分析結果,提供各種決策方案和預測結果,幫助用戶進行決策和規(guī)劃。

4 數(shù)字孿生水文建設的價值和重要性

數(shù)字孿生技術可以對水文學系統(tǒng)進行精確的建模和模擬,包括水文循環(huán)過程、水質分布、水生態(tài)系統(tǒng)等多個方面,為水資源管理和保護提供重要的支持和決策依據(jù)。例如,數(shù)字孿生技術可以對水文系統(tǒng)進行可視化模擬,幫助管理者更好地理解水資源的分布、變化和利用情況,從而優(yōu)化水資源的配置和管理,提高水資源利用效率和水環(huán)境保護水平。

數(shù)字孿生技術可以通過對水文系統(tǒng)進行精確的模擬和預測,提高水災害預防和應對的效率和準確性。例如,數(shù)字孿生技術可以對不同的水文情景進行模擬,預測可能發(fā)生的洪水、干旱、滑坡等災害情況,幫助管理者及時采取措施進行預防和應對,減少災害損失。

數(shù)字孿生技術的應用可以促進水文學科技的創(chuàng)新和發(fā)展,推動學科發(fā)展走向數(shù)字化、智能化、高效化的方向。例如,數(shù)字孿生技術可以對水文學領域的數(shù)據(jù)進行大規(guī)模的分析和挖掘,探索新的數(shù)據(jù)特征和規(guī)律,發(fā)現(xiàn)新的水文學問題和挑戰(zhàn),從而推進學科的創(chuàng)新和發(fā)展。

5 數(shù)字孿生技術在水文學領域的應用

通過實踐案例分析數(shù)字孿生水文建設的應用與效果,為今后的水資源管理和水文災害防治提供參考。

5.1 北京市自來水集團數(shù)字孿生水處理廠

通過數(shù)字孿生技術對自來水處理廠的運營進行優(yōu)化和提升,對自來水處理廠的模型進行數(shù)字化建模,實現(xiàn)對水質、水量、水壓、水溫等多個參數(shù)的實時監(jiān)測和控制,實現(xiàn)自來水生產的智能化和高效化。該項目的實施,使得自來水處理廠的能耗、化學品使用和運營成本均有了大幅降低,同時提升了水質和供水服務的質量和可靠性。

5.2 數(shù)字孿生沂沭泗水系(江蘇部分)水文預報模型共享服務

擴展定制流域水文水動力模型,升級完善洪水預報模塊,補充旱情綜合監(jiān)測預測等功能,實現(xiàn)流域“四預”,集成“降水-產流-匯流-演進”全過程模型,實現(xiàn)氣象水文、水文水力學耦合預報及預報調度一體化。通過自主研發(fā)模型引擎,構建一套擁有完全自主知識產權、核心技術安全可控、具備沂沭泗流域特色的水文預報模型體系,并提供便捷的模型協(xié)調研發(fā)和應用服務[3]。

5.3 流域有示范作用數(shù)字孿生小清河智能防洪應用項目

綜合應用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、水利模型、遙感、GIS、BIM、模擬仿真等技術,探索構建具有“四預”功能的流域防洪智慧體系,建設數(shù)據(jù)中臺、知識圖譜,全面匯聚數(shù)據(jù)底板,基本構建了小清河流域“一張圖”和數(shù)字流域可視化平臺,實現(xiàn)與部、省、市平臺的數(shù)據(jù)共享,為強化小清河流域治理管理工作提供了有力支撐,在險情診斷、防洪形勢研判、防汛決策與行動支持中發(fā)揮了重要作用。

5.4 數(shù)字孿生歐陽海灌區(qū)水利工程項目

通過數(shù)字孿生歐陽海水利工程數(shù)據(jù)底板的打造,構建歐陽海灌區(qū)數(shù)字孿生體,通過多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)字化映射、模型耦合等技術,以解決灌區(qū)管理痛點和難點為導向,在數(shù)字孿生體的基礎上實現(xiàn)水資源配置與管理和防洪調度,著力提升灌區(qū)管理工作效率和服務能力,降低水旱災害損失、保障糧食安全,形成灌區(qū)建設可復制可推廣標準,適用于大中型灌區(qū)數(shù)字孿生建設領域防洪場景下的水庫及渠道閘門調控、抗旱場景下的水資源優(yōu)化調配以及強降雨情景下的工程安全管理。

未來,數(shù)字孿生水文建設在水資源管理和保護、水文學科技的創(chuàng)新和發(fā)展方面都有著廣泛的應用和效果。這些實踐案例也表明了數(shù)字孿生技術的巨大潛力和未來發(fā)展前景。

6 數(shù)字孿生水文建設的挑戰(zhàn)與展望

6.1 面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)采集和質量問題:數(shù)字孿生水文建設的有效性和準確性,取決于所使用的數(shù)據(jù)質量和數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍。但實際應用中,由于數(shù)據(jù)采集的困難、采集方法的不一致以及數(shù)據(jù)質量的問題等因素,會影響到模型的準確性和可靠性。

1)模型建立和驗證問題:數(shù)字孿生水文建設模型的建立和驗證需要借助大量的水文數(shù)據(jù)和模型,但是由于水文系統(tǒng)的復雜性和不確定性,模型的建立和驗證也面臨著一定的困難。

2)技術應用和推廣問題:數(shù)字孿生水文建設技術的應用需要依賴于專業(yè)的技術人才和高端的設備和軟件,而實際應用過程中,人才和設備的短缺、技術推廣的難度和成本等問題也是制約技術應用和推廣的主要因素。

6.2 未來的展望

對未來,數(shù)字孿生水文建設技術仍然面臨著一些挑戰(zhàn),但是在技術的不斷創(chuàng)新和完善下,數(shù)字孿生水文建設的應用前景依然十分廣闊。

進一步完善和優(yōu)化數(shù)字孿生水文建設技術,提高技術的可靠性、準確性和精度,提升模型的實時性和動態(tài)性,增加技術的應用范圍和可擴展性。加強數(shù)字孿生水文建設與其他相關技術的結合,如物聯(lián)網、云計算、人工智能等,形成多技術、多角度的綜合應用,提高技術的全面性和效益。深化數(shù)字孿生水文建設技術在水資源管理、水環(huán)境保護、水災防治等方面的應用,為水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的保護提供更好的支撐和保障。

推進數(shù)字孿生水文建設技術在國內和國際的應用和推廣,提高技術的認知度和普及度,促進技術的產業(yè)化和商業(yè)化,推動數(shù)字經濟和智慧城市建設的發(fā)展。推動數(shù)據(jù)共享和開放,使得更多的水文數(shù)據(jù)可以被數(shù)字孿生水文建設所利用。這需要政府、企業(yè)和學術界的合作與支持。加強數(shù)字孿生水文建設模型的精度和可靠性,提高數(shù)字孿生技術的應用水平,使其能夠更好地服務于水資源管理、環(huán)境保護和防災減災等方面。

發(fā)展數(shù)字孿生水文建設的自動化和智能化技術,以提高模型的計算效率和準確度。這可以通過深度學習、人工智能等新技術的應用來實現(xiàn)。加強數(shù)字孿生水文建設的實踐與案例積累,不斷完善數(shù)字孿生水文建設模型和技術的應用場景,以更好地解決實際問題。推動數(shù)字孿生水文建設的標準化和規(guī)范化,制定數(shù)字孿生水文建設的技術標準和規(guī)范,促進數(shù)字孿生水文建設的應用和推廣。

綜上所述,數(shù)字孿生水文建設具有重要的價值和意義,對于水資源管理和保護、水災害預防和應對、水文學科技創(chuàng)新等方面都有著重要的作用,未來數(shù)字孿生技術的不斷創(chuàng)新和應用將進一步推動水文學領域的發(fā)展和進步。山東省水文中心將堅持需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、能力提升的要求,從場景構建、水文映射、 “四預”目標等方面出發(fā),搭建框架、建立標準,推動數(shù)字孿生技術在山東水文的實踐中更好地發(fā)揮作用。