航拍黃河小浪底水利樞紐。資料圖片

數字孿生南水北調中線系統(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字孿生系統(tǒng)進行2024年水旱災害防御演練。受訪者供圖

　　通過最新信息技術，將江河湖泊、水利工程實時映射到數字世界，為水利工作提供“智慧大腦”，這一先進的技術手段被稱為“數字孿生水利”。水利部最近發(fā)布的消息顯示，作為發(fā)展水利新質生產力的重要標志，我國數字孿生水利建設已取得階段性成效，由積極探索、先行先試進入全面深化推進和強化應用的新階段。截至目前，我國建成了數百處數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程等新型基礎設施�；�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據底板基本建成，為加快發(fā)展水利新質生產力、推動水利高質量發(fā)展提供了支撐。

　　實現全線水質12項指標未來七天的預報預警

　　數字化平臺護航南水平安北上

　　南水北調中線一期工程起自漢江中上游丹江口水庫，一路北上，抵達北京，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，關系著上億人的用水安全。這樣重大的水利基礎設施如何進行高效管理，確保輸水的每一環(huán)節(jié)都不出現問題？答案便是離不開“數字孿生科技的賦能”。

　　中國南水北調集團中線有限公司信息機電中心數字化處處長鄔俊杰告訴記者，數字孿生南水北調中線是一個支持數據動態(tài)更新、人機交互的數字模型，是用數字化技術再造的中線工程“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、水質安全方面的動態(tài)。

　　就拿對輸水工程至關重要的水質安全來說，隨著中國南水北調集團中線有限公司的工作人員打開系統(tǒng)，點開“水質監(jiān)測”一欄，一張綠色的地圖隨之映入眼簾，全線13座水質自動監(jiān)測站、30個固定監(jiān)測斷面以及丹江口庫區(qū)共享的7個水質自動監(jiān)測站等各種水質指標實時數據清晰在兩側呈現。據水質專員介紹，數字孿生平臺基于專業(yè)的水質預測模型，可以實現全線水質12項指標未來七天的預報預警。針對典型渠段，還可驅動污染物輸移擴散模型進行水污染擴散的復現和預演。“我們只要在平臺輸入污染物相關信息，調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，為我們推薦相應的應急響應預案，有效提升應急處置的速度和精準性。”

　　構建南水北調中線智能調度業(yè)務場景是數字孿生南水北調中線建設的重要任務之一。“我們現在通過這個平臺可以便捷地對渠道輸水能力進行評估，只需要輸入預設的輸水工況和計算區(qū)間，平臺就會調用恒定流模型計算區(qū)間內各斷面的流量和水位，還能根據不同情況下對水位的要求動態(tài)調整調度方案，這項功能對日常調水工作效率提升作用很大。”南水北調中線總調度中心調度生產處處長靳燕國表示，“過去，調度決策往往依賴于人工經驗和歷史數據，而現在數字孿生系統(tǒng)可以模擬不同情景下的調度效果，預演各種復雜工況，幫助我們選擇最佳調度方案。例如，利用一維恒定流仿真預演功能可以實現月輸水調度方案的輔助編制，利用一維非恒定流仿真預演功能可以實現應急事件的方案生成。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月南水北調中線全面助力地方抗旱期間，中線公司通過數字孿生南水北調中線仿真預演系統(tǒng)輔助制定了應急供水調度方案，生成調度遠程指令共計814門次，充分利用了穿黃工程以南渠段現有槽蓄水量。通過緊急快速聯合調度，原本需要7天才能完成的應急水量推進任務只用了不到2天就完成了。

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

　　實現對各河段來水量的分鐘級預判

　　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，現代建設者用大數據、人工智能等新興技術在數字世界里創(chuàng)造出一個數字孿生都江堰，為都江堰灌區(qū)的安瀾貢獻科技力量。

　　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：“都江堰渠首數字孿生”。工作人員只需輕點鼠標，數字孿生平臺便會逐一呈現出綜合概覽、運行監(jiān)控、工程調度三個模塊的內容。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)測數據和計算分析，還可以對汛期的泄洪等操作進行提前模擬演練，制定調度方案。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，有了數字孿生平臺，工作起來會更加有底。數字孿生平臺可實現對各河段來水量的分鐘級預判，在問題發(fā)生之前先發(fā)現問題。在進行調度時，輸入水庫的預估下泄流量，平臺系統(tǒng)會給出各條河流在各個時間段的流量數值，還能根據應急調度預案和指揮中心的調水計劃，自動生成調度方案。可以說，都江堰渠首數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，源于技術的多方賦能。都江堰渠首數字孿生系統(tǒng)以數據底板為基礎，融合都江堰渠首樞紐23處水閘BIM模型、水情監(jiān)測數據、工情監(jiān)測數據等多源數據，充足的數據為都江堰渠首數字孿生系統(tǒng)的智慧運算和分析等提供了堅實基礎。

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

　　不過，要想實現對防汛等重大事件的演練預防，讓數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或模擬調度實際場景，做到更精準決策的重要依托。”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去，經過實時渲染等，就會打造出一個數字化的孿生都江堰渠首。”

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

　　系統(tǒng)計算生成當前最優(yōu)樞紐調度方案

　　黃河防汛更加科學智能

　　數字孿生流域是數字孿生水利建設的一個重要方面。近年來，我國加快構建長江、黃河、淮河等江河數字孿生平臺，為流域內的防洪調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)數據到構建全方位的監(jiān)測網絡體系，強大的數字孿生技術一步步將黃河“搬進”了計算機。

　　在虛擬的數字世界里，數字孿生黃河與現實中的黃河同步運行，各項指數實時更新。這些數據來自于前端密集而高效的監(jiān)測網絡：飛航一體測繪無人船實現常態(tài)化安全巡檢，還能進入水下進行地形測量；自計水尺實時測量黃河水位，智能設備守護壩體安全，衛(wèi)星遙感技術在防汛和流域內河湖管理中廣泛應用；現代化監(jiān)測站網囊括了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，黃河中下游防汛會商預演系統(tǒng)可以預演雨量預報、洪水預報預警、水庫調度及工程險情等內容，為黃河的保護治理賦能。

　　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)黃河的關鍵性工程。過去，黃河的水沙調控是一個難點，如今，小浪底水利樞紐管理中心打造出數字孿生小浪底平臺。依托數字孿生小浪底平臺，科學制定防汛調度和調水調沙運用方案，實現了下泄水量的精準調控。

　　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，數字孿生技術發(fā)揮了重要作用。排沙前，工作人員在數字系統(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、含沙量變化過程進行了推演，并利用系統(tǒng)計算生成了當前最優(yōu)的樞紐調度方案。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進入備用狀態(tài)。數千個監(jiān)測點位實時“上報”河流的水位、含沙量等數值變化，直至7月20日8時，含沙量終于達到預定值，工作人員立即下達指令，3條排沙孔洞順勢打開，順利實現首次排沙。

　　打開數字孿生小浪底操作界面，一個三維立體、細節(jié)清晰的虛擬小浪底映入眼簾。得益于數字孿生技術，工作人員能夠在計算機屏幕上看到現實條件下無法呈現的場景，并獲得相關分析數據和應對方案，來更好應對未來可能出現的險情。據了解，數字孿生小浪底目前已經初步建成防汛調度和工程安全“預報、預警、預演、預案”應用，數字孿生讓黃河防汛更科學、更智能。