福州溪源水庫（受訪單位供圖）

東南網(wǎng)11月20日?qǐng)?bào)道（福建日?qǐng)?bào)記者 陳旻）

核心提示

2021年，水利部發(fā)布《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，指出到2025年，全國將建成包括閩江在內(nèi)的七大江河數(shù)字孿生流域。

作為“數(shù)字中國”與水利建設(shè)的排頭兵，福建率先開啟了探索，福州溪源溪小流域（溪源水庫）、九龍江北溪兩個(gè)數(shù)字孿生項(xiàng)目于2022年啟動(dòng)建設(shè)，入選水利部數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試試點(diǎn)。目前，兩個(gè)項(xiàng)目均已建設(shè)完成，同時(shí)水利部中期評(píng)估均為優(yōu)秀，溪源溪小流域（溪源水庫）數(shù)字孿生試點(diǎn)項(xiàng)目獲選水利部優(yōu)秀案例。

近日，記者來到溪源溪流域、九龍江北溪流域，感受數(shù)字孿生流域項(xiàng)目如何為防洪防汛、水資源調(diào)度提供信息技術(shù)支撐，為智慧水利帶來“可視、可感、可知”的數(shù)字化、可視化應(yīng)用。

智慧測(cè)報(bào)，防洪更及時(shí)

數(shù)字孿生技術(shù)通過計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力，更精準(zhǔn)測(cè)算出可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情

什么是數(shù)字孿生流域？近日，記者走進(jìn)福州市水利局綜合調(diào)度指揮大廳，大屏幕上，虛擬仿真的溪源溪從福州永泰縣赤岸發(fā)源，一路匯集類雷頭溪、大清坑溪、可溪，經(jīng)過一堤、一庫、三河、三站、五閘，從閩侯縣上街鎮(zhèn)倒著自然村入境，至上街鎮(zhèn)馬排村匯入南港。屏幕上還清晰疊加著當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)雨情、水情、氣象預(yù)報(bào)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及各水庫、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的斷面水位、氣象、周邊經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息等數(shù)據(jù)。

溪源溪，福州市閩江下游南港的一條小支流，河長43公里，流域面積208平方公里，是福建省暴雨中心區(qū)，暴雨強(qiáng)度大，洪水暴漲暴落，易突發(fā)山洪。在2005年“龍王”臺(tái)風(fēng)、2007年“圣帕”臺(tái)風(fēng)期間，溪源溪流域曾發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇。此后，溪源溪流域防洪排澇工程體系逐步完工，為流域防洪防澇打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。“溪源溪流域流經(jīng)閩侯上街鎮(zhèn)、福州高新區(qū)，沿途匯集福州大學(xué)城的澇水。”福州市水利局副局長陳異介紹說，該流域防洪減災(zāi)意義重大。

眼前的這套系統(tǒng)，在防御今年9月的“海葵”臺(tái)風(fēng)中發(fā)揮了作用。9月5—7日，受今年第11號(hào)臺(tái)風(fēng)“海葵”的嚴(yán)重影響，溪源溪流域遭遇強(qiáng)降雨。數(shù)字孿生項(xiàng)目雖是試用，但威力初顯。

“預(yù)報(bào)顯示，溪源水庫最大入庫洪峰將達(dá)到每秒1290立方米，最高庫水位99．32米，超汛限水位14．12米，水庫24小時(shí)洪量為2208萬立方米，48小時(shí)洪量為3265萬立方米……達(dá)到百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。”福州溪源溪小流域（溪源水庫）數(shù)字孿生項(xiàng)目承建單位——四創(chuàng)科技有限公司的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人陳煒回憶起當(dāng)時(shí)的情形。

根據(jù)不斷滾動(dòng)的水雨情預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警，9月4日12時(shí)，溪源水庫管理處啟動(dòng)防御臺(tái)風(fēng)、暴雨Ⅲ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)。根據(jù)預(yù)報(bào)的水雨情變化趨勢(shì)，這套數(shù)字孿生系統(tǒng)生成了調(diào)度方案，建議溪源水提早預(yù)泄騰庫，并逐步加大預(yù)泄流量。參考預(yù)案與實(shí)際水情，9月5日零時(shí)，水庫將預(yù)泄流量提高到了泄洪洞的最大允許過流量——每秒93．8立方米。

9月5日5時(shí)，溪源水庫最大入庫洪峰達(dá)1290立方米／秒。結(jié)合滾動(dòng)生成的預(yù)案，溪源水庫及下游流域的各個(gè)閘站展開聯(lián)合調(diào)度。5時(shí)30分起，水庫溢洪道五孔閘全部開閘泄洪，成功削減洪峰1135立方米／秒，削峰率達(dá)88％，最大程度減少了下游洪澇災(zāi)害損失，保障了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

“說明系統(tǒng)可為防洪減災(zāi)提供有力支撐。”陳煒說，隨著在未來實(shí)戰(zhàn)中的進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案將越來越精準(zhǔn)，全面提升溪源溪小流域山洪災(zāi)害防御能力，為江河安瀾筑起一道“數(shù)字屏障”。

“減少臺(tái)風(fēng)和暴雨帶來的溪源溪小流域洪澇災(zāi)害損失，保障溪源溪小流域公眾生命財(cái)產(chǎn)安全，就是數(shù)字孿生項(xiàng)目的主要目的。”陳異說。

上游某條支流上空降下的一場(chǎng)雨，可能對(duì)幾十公里外的城區(qū)產(chǎn)生什么影響？這樣的“蝴蝶效應(yīng)”如何發(fā)生，以往靠的是人工現(xiàn)場(chǎng)查看與歷史經(jīng)驗(yàn)，往往有人力難及之處；而數(shù)字孿生技術(shù)，則通過計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力，更精準(zhǔn)測(cè)算出可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情。

今年5月份舉行的2023年福建省水旱災(zāi)害防御綜合演練中，該項(xiàng)目通過算力，推演出其中的“蝴蝶效應(yīng)”過程。

“根據(jù)預(yù)報(bào)，未來24小時(shí)，溪源溪流域和閩侯上街區(qū)域普降暴雨，平均過程雨量達(dá)300毫米，局部將超過450毫米。預(yù)測(cè)溪源溪流域上游將出現(xiàn)山洪，下游受閩江潮水頂托，大學(xué)新區(qū)可能出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，建議對(duì)溪源溪流域庫、湖、閘、站進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度！”當(dāng)指揮調(diào)度中心接到預(yù)報(bào)，溪源溪小流域（溪源水庫）數(shù)字孿生的“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）應(yīng)用立即作出反應(yīng)——

水庫自動(dòng)預(yù)報(bào)顯示：溪源水庫當(dāng)前水位84．19米，入庫流量690立方米／秒，出庫流量120立方米／秒，根據(jù)預(yù)測(cè)，1個(gè)小時(shí)后即5：00入庫洪峰流量將達(dá)900立方米／秒，超過10年一遇。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水雨情、水庫水位及汛情動(dòng)態(tài)，預(yù)警系統(tǒng)滾動(dòng)開展了洪水預(yù)報(bào)、發(fā)送山洪預(yù)警單。

結(jié)合洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，根據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值，溪源溪流域數(shù)字孿生平臺(tái)對(duì)流域內(nèi)超警水文站點(diǎn)、超汛限水庫、超警／超保河段等存在致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域告警。

參考方案迅速生成：采用“泄洪洞＋壩頂溢流”的組合泄洪方式，泄洪洞的設(shè)計(jì)流量每秒120立方米，根據(jù)下游河道安全過流能力，溪源水庫按每秒300立方米泄洪，錯(cuò)峰疊加區(qū)間洪水，預(yù)計(jì)榕橋水閘水位7．1米，下游行洪安全，不會(huì)出現(xiàn)洪水漫堤。

“模擬了山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、溪源溪流域聯(lián)合調(diào)度等場(chǎng)景，溪源溪流域數(shù)字孿生項(xiàng)目在水旱災(zāi)害防御綜合演練試運(yùn)用中取得良好成效。”福州市水利局副局長陳異說。

自動(dòng)計(jì)量，調(diào)水更精準(zhǔn)

精細(xì)化調(diào)度既能保障下游城市不“渴”，也不浪費(fèi)水源，保障枯水期用水

近日，記者來到福建省九龍江流域中心北溪水閘調(diào)度中心。調(diào)度中心位于九龍江北溪河口、漳州市臺(tái)商投資區(qū)與龍海區(qū)交界處的郭洲頭，管理著九龍江北溪最后一級(jí)控制性水閘工程——北溪水閘，它是九龍江北溪引水工程的龍頭。深秋時(shí)節(jié)，開闊水面上白鷺不時(shí)飛過，這里的水質(zhì)常年優(yōu)良，是廈門原水供應(yīng)的樞紐中心，承擔(dān)著廈門80％的原水供應(yīng)。

“流域降水年內(nèi)分配不均，豐、枯水季節(jié)的徑流量懸殊。”福建省九龍江流域中心副主任林建洪介紹說，枯水期如何合理利用水資源、保障供水安全，成為九龍江流域工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2022年10月，數(shù)字孿生九龍江北溪項(xiàng)目啟動(dòng)建設(shè)，這是全國第一批數(shù)字孿生流域試點(diǎn)中唯一將水資源配置與調(diào)度管理作為重點(diǎn)之一的試點(diǎn)項(xiàng)目。

九龍江流域中心副總工余啟成介紹說，項(xiàng)目平臺(tái)匯聚了82個(gè)水位監(jiān)測(cè)、52個(gè)雨量監(jiān)測(cè)、6個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、3個(gè)藻類監(jiān)測(cè)、32個(gè)流量監(jiān)測(cè)、186個(gè)視頻以及水工程信息等數(shù)據(jù)資源，還要考慮的因素包括萬安、白沙、枋洋等周邊水庫的蓄水情況，廈門、漳州及龍巖市的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)需水情況……

如何對(duì)大量水利工程實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、系統(tǒng)調(diào)度，既能保障下游城市不“渴”，也不浪費(fèi)水源，保障枯水期用水，這樣“燒腦”的精細(xì)化調(diào)度，需要信息化的助力。

經(jīng)過半年建設(shè)，數(shù)字孿生九龍江北溪項(xiàng)目逐步成型。今年4月，“數(shù)字孿生九龍江北溪”項(xiàng)目成功上線了流域防洪、水資源綜合調(diào)度、工程綜合運(yùn)行管理等應(yīng)用場(chǎng)景。

在北溪水閘調(diào)度中心大屏幕上的“水資源調(diào)度與管理系統(tǒng)”，除了北溪引水工程左、中、右三條干渠的實(shí)時(shí)水量，還密布更多的數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)——江東泵站、江東水閘、漳州二水廠、龍海自來水廠、角美水廠……這都是下游的“海量”用水戶，包括生活用水、生產(chǎn)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)排澇等多種用水需求。

一旁的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不停滾動(dòng)：北溪水閘當(dāng)前蓄水量、未來一段時(shí)間的水量增減、預(yù)計(jì)未來10天可供水量，根據(jù)取水戶計(jì)劃用水量，是否存在用水缺口……

“在水資源調(diào)配應(yīng)用上，同樣能實(shí)現(xiàn)‘四預(yù)’功能。”余啟成打開預(yù)報(bào)版塊，上面顯示著北溪流域的水、雨情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與降雨預(yù)測(cè)結(jié)合，自動(dòng)生成流域內(nèi)的來水預(yù)報(bào)。全流域梯級(jí)電站上下游的水位變化，也在實(shí)時(shí)監(jiān)控中，結(jié)合水量、計(jì)劃用水量與不同場(chǎng)景的用水需求，系統(tǒng)就可以自動(dòng)分析供需平衡，計(jì)算出水量缺口。

數(shù)字孿生九龍江北溪項(xiàng)目的承建方、四創(chuàng)科技的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人蘇晉吉向記者模擬演示了調(diào)水過程：假使預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)未來10天下游有100萬立方米的用水缺口，在系統(tǒng)中打開預(yù)演方案，在設(shè)置中輸入“應(yīng)急調(diào)水”，時(shí)間為一天，為北溪水閘站補(bǔ)水100萬立方米，以及選擇“時(shí)間快”的方案需求，點(diǎn)擊“分析”鍵，頃刻間，應(yīng)急調(diào)水簡報(bào)生成，措施為北溪從上游到下游，萬安水庫日均最小出庫流量為每秒10立方米，白沙水庫保持日均最小出庫流量為每秒20立方米，合溪水庫為每秒40立方米，溪仔口水庫為每秒60立方米，華口、小杞水庫為每秒80立方米……

當(dāng)調(diào)度中心確定了較優(yōu)的可行性方案，系統(tǒng)便自動(dòng)生成了“操作票”，下發(fā)至需要調(diào)度的水庫水閘，各水庫就可依令開閘放水，無需像以往人工調(diào)取數(shù)據(jù)、開會(huì)研判后再跨部門協(xié)調(diào)與下達(dá)通知。

“通過‘?dāng)?shù)字大腦’，在防洪、水資源調(diào)度的科學(xué)決策上助我們實(shí)現(xiàn)精細(xì)化決策和科學(xué)化調(diào)度，保障供水安全，更好地為廈門、漳州等地市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)。”林建洪說。

今年夏天的“海葵”及緊隨而來的“蘇拉”臺(tái)風(fēng)是這套數(shù)字孿生技術(shù)真正的試金石。余啟成說，兩個(gè)臺(tái)風(fēng)形成的“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致九龍江北溪流域發(fā)生超過每秒2000立方米的洪水，而依托九龍江北溪模型平臺(tái)的并行計(jì)算，每間隔1小時(shí)，節(jié)點(diǎn)預(yù)報(bào)方案被自主滾動(dòng)構(gòu)建。

“在數(shù)字孿生的助力下，我們提前一天預(yù)判浦南、長泰、北溪水閘等節(jié)點(diǎn)水位及洪峰流量；預(yù)判了北溪干流洪峰到達(dá)北溪水閘的時(shí)間和下游潮水高潮時(shí)間接近，受潮水頂托，閘門泄水能力可能被削弱。”余啟成說，根據(jù)項(xiàng)目的三維場(chǎng)景模擬仿真演示，調(diào)度專家及時(shí)制定、調(diào)整調(diào)度方案，輔助防汛指揮部及時(shí)下達(dá)“全開閘”泄洪指令，并于次日上午下達(dá)了“下閘蓄水”指令。“全開閘泄洪12小時(shí)，抵御九龍江北溪流域超警、超保洪水。”

虛實(shí)融合，開啟“四預(yù)”之門

實(shí)現(xiàn)物理流域與數(shù)字流域之間的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)信息交互與深度融合

“數(shù)字化不僅為了‘好看’，更是為了‘好用’。”福建省水利廳水旱災(zāi)害防御與水文處蔡海鵬表示，傳統(tǒng)水利已難以滿足當(dāng)下經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提出的專業(yè)化、精細(xì)化、智能化管理要求，現(xiàn)代水利需要以流域?yàn)閱卧⒁越铀禐榻?jīng)絡(luò)、以水利工程為節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)代水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

“為防災(zāi)減災(zāi)‘四預(yù)’（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）提供智慧化支撐，是數(shù)字孿生流域的應(yīng)用之一。”蔡海鵬說，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，還有水資源調(diào)配、節(jié)水等許多應(yīng)用，我省選擇溪源溪小流域與九龍江北溪流域試點(diǎn)，除了基礎(chǔ)較好，也是現(xiàn)實(shí)需要。溪源溪小流域的應(yīng)用重點(diǎn)在防洪，九龍江北溪流域的數(shù)字孿生則著重水資源調(diào)配，為下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。“希望通過數(shù)字孿生流域建設(shè)，為我省現(xiàn)代化水利建設(shè)的防災(zāi)減災(zāi)、水資源配置等重要任務(wù)激活‘?dāng)?shù)字引擎’。”

數(shù)字孿生流域，是對(duì)物理流域進(jìn)行全要素、水利治理管理全過程的數(shù)字化映射，實(shí)現(xiàn)物理流域與數(shù)字流域之間的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)信息交互與深度融合。

“數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)，就是流域的物理與水利數(shù)據(jù)構(gòu)成的‘?dāng)?shù)據(jù)底板’，也是系統(tǒng)的‘算據(jù)’。”陳煒介紹說，系統(tǒng)通過水利專業(yè)“算法”，依托“算力”，就可以自動(dòng)計(jì)算分析，生成各類水利應(yīng)用的決策建議方案，助力科學(xué)提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、減少損失或提升效益。

陳煒打開溪源溪數(shù)字孿生流域的預(yù)報(bào)版塊，手動(dòng)輸入溪源水庫近3天的預(yù)報(bào)雨情，須臾之間，水庫的水量預(yù)報(bào)、上下游各處水位、預(yù)警發(fā)布、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域淹沒影響分析、水情預(yù)演、調(diào)度作業(yè)預(yù)案、淹沒地區(qū)的逃生路線……全部自動(dòng)算出，一一呈現(xiàn)在大屏幕上。

反之，在某個(gè)斷面防洪水位上輸入設(shè)定值，系統(tǒng)很快逆推出上下游應(yīng)何時(shí)開放水閘、進(jìn)出水量如何控制，并生成了預(yù)演模型，作業(yè)全流程與結(jié)果一目了然。

2022年，四創(chuàng)科技成為溪源溪小流域（溪源水庫）數(shù)字孿生項(xiàng)目的承建方。

面對(duì)這一全新的課題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)之一放在了數(shù)據(jù)底板的精細(xì)化上。“對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)量、質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，是精準(zhǔn)測(cè)算的基礎(chǔ)，也是項(xiàng)目的一大挑戰(zhàn)。”陳煒說，他和團(tuán)隊(duì)整整兩個(gè)月頂著福州的烈日，沿著溪源溪，在溪源水庫、沿途每個(gè)水閘、每個(gè)村莊實(shí)地調(diào)研，與水工管理人員、老水利人、村民訪談，一一了解哪個(gè)河段容易泛濫，哪個(gè)村莊地塊容易被淹，日常如何管理水利工程，歷史經(jīng)歷過的洪澇數(shù)據(jù)……在地圖上，定出了100多個(gè)斷面水位感知點(diǎn)。

“比如溪源溪的055斷面位于邱陽河，就是在走訪中發(fā)現(xiàn)的重要點(diǎn)位之一。”陳煒說，此處河道變窄、地勢(shì)低，容易發(fā)生淹沒風(fēng)險(xiǎn)；但又緊鄰上街鎮(zhèn)沙埕村與紅峰村交界處，紅峰小學(xué)就在附近，人口密集。團(tuán)隊(duì)在這里設(shè)點(diǎn)，并設(shè)置了安全的斷面水位。基于這個(gè)安全水位，一旦發(fā)生強(qiáng)降雨，系統(tǒng)可以自動(dòng)逆推出上游的水庫和侯官、榕橋兩個(gè)水閘如何調(diào)度，保證邱陽河附近居民的安全。

經(jīng)過水利專家助力，與多次無人機(jī)航拍、傾斜攝影、ＢＩＭ模型、激光點(diǎn)云掃描，團(tuán)隊(duì)終于打造出全流域的高仿真、智能化的水文映射數(shù)字化集成分析展示。“三維地圖上每一道彎、沿岸每一個(gè)村落、每一個(gè)建筑與水利設(shè)施，甚至河岸的植被、河流水質(zhì)，都還原了現(xiàn)實(shí)。”陳煒說。

數(shù)字孿生技術(shù)，猶如給河流裝上“最強(qiáng)大腦”。我省從頂層設(shè)計(jì)上進(jìn)一步完善智慧水利建設(shè)，加快制定《福建省數(shù)字孿生水利（一平臺(tái)）建設(shè)三年行動(dòng)方案》，目標(biāo)是至2025年，逐步建成信息共享、管理高效、服務(wù)優(yōu)質(zhì)、具有“四預(yù)”功能的福建省數(shù)字孿生水利平臺(tái)，做到對(duì)內(nèi)全行業(yè)“一屏管水”、對(duì)外全社會(huì)“一屏看水”，推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展和治理能力提升。

來源：東南臥