航拍黃河小浪底水利樞紐。資料圖片

數(shù)字孿生南水北調(diào)中線系統(tǒng)操作界面。受訪者供圖

都江堰灌區(qū)指揮中心工作人員運用數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行2024年水旱災(zāi)害防御演練。受訪者供圖

　　通過最新信息技術(shù)，將江河湖泊、水利工程實時映射到數(shù)字世界，為水利工作提供“智慧大腦”，這一先進(jìn)的技術(shù)手段被稱為“數(shù)字孿生水利”。水利部最近發(fā)布的消息顯示，作為發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力的重要標(biāo)志，我國數(shù)字孿生水利建設(shè)已取得階段性成效，由積極探索、先行先試進(jìn)入全面深化推進(jìn)和強化應(yīng)用的新階段。截至目前，我國建成了數(shù)百處數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程等新型基礎(chǔ)設(shè)施�；�本形成了“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，55類1600萬個水利對象的全國水利數(shù)據(jù)底板基本建成，為加快發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力、推動水利高質(zhì)量發(fā)展提供了支撐。

　　實現(xiàn)全線水質(zhì)12項指標(biāo)未來七天的預(yù)報預(yù)警

　　數(shù)字化平臺護(hù)航南水平安北上

　　南水北調(diào)中線一期工程起自漢江中上游丹江口水庫，一路北上，抵達(dá)北京，全長1432公里，橫跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，與沿線1200余座橋梁、700余條河流縱橫交錯，關(guān)系著上億人的用水安全。這樣重大的水利基礎(chǔ)設(shè)施如何進(jìn)行高效管理，確保輸水的每一環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)問題？答案便是離不開“數(shù)字孿生科技的賦能”。

　　中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司信息機電中心數(shù)字化處處長鄔俊杰告訴記者，數(shù)字孿生南水北調(diào)中線是一個支持?jǐn)?shù)據(jù)動態(tài)更新、人機交互的數(shù)字模型，是用數(shù)字化技術(shù)再造的中線工程“孿生兄弟”。在這里，工作人員可以清楚了解到中線工程在工程安全、供水安全、水質(zhì)安全方面的動態(tài)。

　　就拿對輸水工程至關(guān)重要的水質(zhì)安全來說，隨著中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司的工作人員打開系統(tǒng)，點開“水質(zhì)監(jiān)測”一欄，一張綠色的地圖隨之映入眼簾，全線13座水質(zhì)自動監(jiān)測站、30個固定監(jiān)測斷面以及丹江口庫區(qū)共享的7個水質(zhì)自動監(jiān)測站等各種水質(zhì)指標(biāo)實時數(shù)據(jù)清晰在兩側(cè)呈現(xiàn)。據(jù)水質(zhì)專員介紹，數(shù)字孿生平臺基于專業(yè)的水質(zhì)預(yù)測模型，可以實現(xiàn)全線水質(zhì)12項指標(biāo)未來七天的預(yù)報預(yù)警。針對典型渠段，還可驅(qū)動污染物輸移擴散模型進(jìn)行水污染擴散的復(fù)現(xiàn)和預(yù)演。“我們只要在平臺輸入污染物相關(guān)信息，調(diào)用污染物輸移擴散模型，就能模擬污染物擴散的過程，同時，系統(tǒng)還會給出處置建議，為我們推薦相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，有效提升應(yīng)急處置的速度和精準(zhǔn)性。”

　　構(gòu)建南水北調(diào)中線智能調(diào)度業(yè)務(wù)場景是數(shù)字孿生南水北調(diào)中線建設(shè)的重要任務(wù)之一。“我們現(xiàn)在通過這個平臺可以便捷地對渠道輸水能力進(jìn)行評估，只需要輸入預(yù)設(shè)的輸水工況和計算區(qū)間，平臺就會調(diào)用恒定流模型計算區(qū)間內(nèi)各斷面的流量和水位，還能根據(jù)不同情況下對水位的要求動態(tài)調(diào)整調(diào)度方案，這項功能對日常調(diào)水工作效率提升作用很大。”南水北調(diào)中線總調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)處處長靳燕國表示，“過去，調(diào)度決策往往依賴于人工經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)可以模擬不同情景下的調(diào)度效果，預(yù)演各種復(fù)雜工況，幫助我們選擇最佳調(diào)度方案。例如，利用一維恒定流仿真預(yù)演功能可以實現(xiàn)月輸水調(diào)度方案的輔助編制，利用一維非恒定流仿真預(yù)演功能可以實現(xiàn)應(yīng)急事件的方案生成。這為工程運行安全、供水能力提升以及工作人員工作效率的提升提供了切實保障。”

　　靳燕國說，在今年6月南水北調(diào)中線全面助力地方抗旱期間，中線公司通過數(shù)字孿生南水北調(diào)中線仿真預(yù)演系統(tǒng)輔助制定了應(yīng)急供水調(diào)度方案，生成調(diào)度遠(yuǎn)程指令共計814門次，充分利用了穿黃工程以南渠段現(xiàn)有槽蓄水量。通過緊急快速聯(lián)合調(diào)度，原本需要7天才能完成的應(yīng)急水量推進(jìn)任務(wù)只用了不到2天就完成了。

　　“隨著數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，讓我們對工程實時水情、工情有了更準(zhǔn)確的把握，減少了工程意外事故的發(fā)生幾率�；�于數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策過程讓我們在面對復(fù)雜情況時更加有信心。”靳燕國表示，目前，投入應(yīng)用的數(shù)字孿生中線還只是1.0版本，正在同步推進(jìn)數(shù)字孿生南水北調(diào)中線2.0版建設(shè)，力爭在今年年底完成并具備試運行條件。

　　實現(xiàn)對各河段來水量的分鐘級預(yù)判

　　都江堰灌區(qū)有了自己的“智慧大腦”

　　四川省都江堰市，奔流的岷江之上，世界著名的水利工程都江堰守護(hù)著成都平原的安寧。千年之前，古人用智慧創(chuàng)造出這一偉大工程；而千年后的今天，現(xiàn)代建設(shè)者用大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)在數(shù)字世界里創(chuàng)造出一個數(shù)字孿生都江堰，為都江堰灌區(qū)的安瀾貢獻(xiàn)科技力量。

　　在都江堰灌區(qū)指揮中心，LED大屏上顯示著幾個醒目的大字：“都江堰渠首數(shù)字孿生”。工作人員只需輕點鼠標(biāo)，數(shù)字孿生平臺便會逐一呈現(xiàn)出綜合概覽、運行監(jiān)控、工程調(diào)度三個模塊的內(nèi)容。通過這一系統(tǒng)，工作人員不僅可以清楚看到岷江和都江堰各個區(qū)域的實時監(jiān)控畫面，以及各類水情監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算分析，還可以對汛期的泄洪等操作進(jìn)行提前模擬演練，制定調(diào)度方案。今年夏天，都江堰渠首遭遇十年來最大一次過境洪峰，正是數(shù)字孿生平臺的模擬推演幫助都江堰工程成功抵御了這次洪峰。

　　都江堰灌區(qū)指揮中心的工作人員表示，有了數(shù)字孿生平臺，工作起來會更加有底。數(shù)字孿生平臺可實現(xiàn)對各河段來水量的分鐘級預(yù)判，在問題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問題。在進(jìn)行調(diào)度時，輸入水庫的預(yù)估下泄流量，平臺系統(tǒng)會給出各條河流在各個時間段的流量數(shù)值，還能根據(jù)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案和指揮中心的調(diào)水計劃，自動生成調(diào)度方案。可以說，都江堰渠首數(shù)字孿生就是都江堰灌區(qū)的“智慧大腦”。

　　之所以有如此強大的功能，源于技術(shù)的多方賦能。都江堰渠首數(shù)字孿生系統(tǒng)以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，融合都江堰渠首樞紐23處水閘BIM模型、水情監(jiān)測數(shù)據(jù)、工情監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，充足的數(shù)據(jù)為都江堰渠首數(shù)字孿生系統(tǒng)的智慧運算和分析等提供了堅實基礎(chǔ)。

　　能夠做到對灌區(qū)的一切情況了如指掌，將灌區(qū)“搬到”數(shù)字世界，得益于都江堰渠首數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)量眾多的前方“眼線”與“觸角”。“數(shù)字孿生的都江堰渠首有著強大的視頻監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，還有一個灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以說是耳聽八方、眼觀六路。”據(jù)都江堰灌區(qū)指揮中心的工作人員介紹，視頻監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)對全灌區(qū)1411臺監(jiān)控攝像頭的實時監(jiān)控畫面進(jìn)行整合，并按照管理單位、渠系、行政區(qū)劃來對這些畫面進(jìn)行分組。點開其中一個畫面，還可以進(jìn)行回放、畫面輪巡等操作，無需到現(xiàn)場，就能了解灌區(qū)的詳細(xì)情況。此外，灌區(qū)還安裝了水位監(jiān)測設(shè)備、流量監(jiān)測設(shè)備、工程安全監(jiān)測設(shè)備等共計一千多臺，這些設(shè)備每天都會傳輸幾十萬條數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，有了這些數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程閘門控制等多維度管理。

　　不過，要想實現(xiàn)對防汛等重大事件的演練預(yù)防，讓數(shù)字孿生都江堰渠首真正具有“智慧”，還要靠人工智能大模型的支持。“我們的系統(tǒng)包括許多智能模型，這些模型是我們能夠在電腦上再現(xiàn)或模擬調(diào)度實際場景，做到更精準(zhǔn)決策的重要依托。”都江堰灌區(qū)指揮中心的工作人員表示，“我們的模型平臺包括了水利專業(yè)模型、可視化仿真模型、智能模型、模型管理系統(tǒng)及仿真引擎。比如說，可視化仿真模型，它里面包含了一些水工建筑物模型、機電設(shè)備模型還有渠首的自然背景、天氣等等，我們就可以用這個來給我們的模擬演練提供一個很接近真實的場景。所有這些模型要素加進(jìn)去，經(jīng)過實時渲染等，就會打造出一個數(shù)字化的孿生都江堰渠首。”

　　記者了解到，目前，國內(nèi)像都江堰渠首數(shù)字孿生這樣的數(shù)字孿生灌區(qū)已在不少地區(qū)建設(shè)成功。“十四五”期間，我國對2500多處大中型灌區(qū)進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)和改造，選擇了49個灌區(qū)推進(jìn)數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試。通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，推動灌溉智慧化水平明顯提升。

　　系統(tǒng)計算生成當(dāng)前最優(yōu)樞紐調(diào)度方案

　　黃河防汛更加科學(xué)智能

　　數(shù)字孿生流域是數(shù)字孿生水利建設(shè)的一個重要方面。近年來，我國加快構(gòu)建長江、黃河、淮河等江河數(shù)字孿生平臺，為流域內(nèi)的防洪調(diào)度管理提供了重要支撐。以我國第二大長河——黃河來說，從收集河流動態(tài)數(shù)據(jù)到構(gòu)建全方位的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，強大的數(shù)字孿生技術(shù)一步步將黃河“搬進(jìn)”了計算機。

　　在虛擬的數(shù)字世界里，數(shù)字孿生黃河與現(xiàn)實中的黃河同步運行，各項指數(shù)實時更新。這些數(shù)據(jù)來自于前端密集而高效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)：飛航一體測繪無人船實現(xiàn)常態(tài)化安全巡檢，還能進(jìn)入水下進(jìn)行地形測量；自計水尺實時測量黃河水位，智能設(shè)備守護(hù)壩體安全，衛(wèi)星遙感技術(shù)在防汛和流域內(nèi)河湖管理中廣泛應(yīng)用；現(xiàn)代化監(jiān)測站網(wǎng)囊括了145處水文站、93處水位站、900處雨量站、17處水土保持監(jiān)測站點……而在黃河水利委員會黃河水量總調(diào)度中心大廳，巨幅電子屏幕上，沿黃�。▍^(qū)）及黃河干流重要水庫、水文站的實時信息以及干流沿線涵、閘的取用水情況等均清晰呈現(xiàn)，黃河中下游防汛會商預(yù)演系統(tǒng)可以預(yù)演雨量預(yù)報、洪水預(yù)報預(yù)警、水庫調(diào)度及工程險情等內(nèi)容，為黃河的保護(hù)治理賦能。

　　小浪底水利樞紐工程地處黃河干流，有著減淤、防洪、防凌、供水灌溉等多項功能，控制著黃河91.2%的徑流量和將近100%的黃河輸沙量，是治理開發(fā)黃河的關(guān)鍵性工程。過去，黃河的水沙調(diào)控是一個難點，如今，小浪底水利樞紐管理中心打造出數(shù)字孿生小浪底平臺。依托數(shù)字孿生小浪底平臺，科學(xué)制定防汛調(diào)度和調(diào)水調(diào)沙運用方案，實現(xiàn)了下泄水量的精準(zhǔn)調(diào)控。

　　今年7月，小浪底水利樞紐啟動本年度首次排沙，這個過程中，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮了重要作用。排沙前，工作人員在數(shù)字系統(tǒng)中對未來3天的水庫水位、出入庫流量變化情況以及水庫出沙時間、含沙量變化過程進(jìn)行了推演，并利用系統(tǒng)計算生成了當(dāng)前最優(yōu)的樞紐調(diào)度方案。按照系統(tǒng)的方案，在洪峰到來之前，小浪底的泄洪排沙孔洞就已經(jīng)進(jìn)入備用狀態(tài)。數(shù)千個監(jiān)測點位實時“上報”河流的水位、含沙量等數(shù)值變化，直至7月20日8時，含沙量終于達(dá)到預(yù)定值，工作人員立即下達(dá)指令，3條排沙孔洞順勢打開，順利實現(xiàn)首次排沙。

　　打開數(shù)字孿生小浪底操作界面，一個三維立體、細(xì)節(jié)清晰的虛擬小浪底映入眼簾。得益于數(shù)字孿生技術(shù)，工作人員能夠在計算機屏幕上看到現(xiàn)實條件下無法呈現(xiàn)的場景，并獲得相關(guān)分析數(shù)據(jù)和應(yīng)對方案，來更好應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的險情。據(jù)了解，數(shù)字孿生小浪底目前已經(jīng)初步建成防汛調(diào)度和工程安全“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”應(yīng)用，數(shù)字孿生讓黃河防汛更科學(xué)、更智能。