數(shù)字孿生技術(shù)在淮河流域智慧防洪體系中的應(yīng)用研究

徐 超，邱夢凌，孫 冶

（淮河水利委員會水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

智慧水利體系建設(shè)已經(jīng)成為我國流域治理工作的重點方向。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展十四個五年計劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》當(dāng)中明確提出了“加快數(shù)字化發(fā)展建設(shè)數(shù)字中國，構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單位提升水情測報和智能調(diào)度能力，為智慧水利建設(shè)明確方向和任務(wù)”。為了切實貫徹智慧水利系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)，就應(yīng)該結(jié)合淮河流域?qū)嶋H情況，科學(xué)合理地引入數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建出智慧淮河流域防洪系統(tǒng)工程，在確保防洪管控智慧化發(fā)展的基礎(chǔ)上，促進(jìn)我國水利工程智慧化建設(shè)發(fā)展，實現(xiàn)水旱災(zāi)害防御預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等具體要求。本文將針對數(shù)字孿生淮河流域智慧防洪體系實踐相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)即借助物理模型、數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感器等，集合多學(xué)科、多物理尺度、多概率等數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析把控，構(gòu)建出模擬仿真體系，并且在虛擬空間當(dāng)中映射，實現(xiàn)對應(yīng)實體裝備生命周期管理過程。數(shù)字孿生技術(shù)具備一定的靈活性，可以應(yīng)用到多個體系、多個領(lǐng)域當(dāng)中，是當(dāng)前國內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域最為先進(jìn)的技術(shù)類型之一。數(shù)字孿生技術(shù)是采用信息技術(shù)，對物理實體特征、功能、組成、性能進(jìn)行數(shù)字化定義和建模的過程。當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在我國社會諸多領(lǐng)域得到積極廣泛的應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)分析、人工智能等諸多信息技術(shù)加持，有效地促進(jìn)了智慧水利事業(yè)發(fā)展。

2 淮河流域智慧防洪體系建設(shè)意義

淮河流域位于我國東部，介于長江與黃河之間，覆蓋270000 平方公里，是我國糧食、能源礦產(chǎn)及制造業(yè)的重要基地。此流域的治理對我國社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具有不可替代的作用。近年來，我國在河道治理工程上取得了顯著進(jìn)步，尤其在大江大河的防洪工程上，建設(shè)和管控水平都得到了顯著提升。但相對而言，小河流域的防洪標(biāo)準(zhǔn)和水平仍有待提高。淮河流域的防洪治理具有重大意義，它不僅能保障農(nóng)作物的穩(wěn)定生產(chǎn)，還能最大限度地減少對人民群眾正常生產(chǎn)生活的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在此背景下，數(shù)字孿生技術(shù)的引入為淮河流域的智慧防洪體系建設(shè)提供了有力支持。結(jié)合云計算、互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崟r搜集和分析雨情、水情等信息，實現(xiàn)洪水的動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。借助新一代智能傳感器和傳輸技術(shù)，結(jié)合流域模型與大數(shù)據(jù)分析，淮河流域的智慧防洪體系得以成功構(gòu)建，從而顯著提升了各地區(qū)的防洪能力，此舉不僅展現(xiàn)了科技在防洪工作中的巨大價值，也為淮河流域的持久穩(wěn)定提供了堅實的技術(shù)保障。

3 數(shù)字孿生淮河流域智慧防洪體系實踐策略

3.1 數(shù)字孿生淮河流域智慧防洪體系建設(shè)框架

淮河流域氣候特點是：冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，多年平均降水量約為920mm，冷暖和旱澇轉(zhuǎn)變急劇。在開展淮河流域智慧防洪體系建設(shè)時，需充分考慮到當(dāng)?shù)貙嶋H降雨量，借助淮河流域降雨數(shù)據(jù)信息搜集，對雨情、水情進(jìn)行采集和分析，制定出明確的淮河流域預(yù)報預(yù)警，并在淮河流域智慧防洪體系平臺當(dāng)中，對提取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析[1]。引入數(shù)字孿生技術(shù)手段，實現(xiàn)“實時汛情監(jiān)視、防洪形勢分析、洪水預(yù)警、防洪調(diào)度、預(yù)警信息響應(yīng)”等一系列防洪管控體系。

3.2 淮河流域智慧防洪體系建設(shè)內(nèi)容

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息搜集

淮河流域智慧防洪體系的核心是獲取基礎(chǔ)信息。通過搜集淮河流域的地理信息、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、歷史洪災(zāi)資料、水文社會信息、建筑結(jié)構(gòu)信息以及小河流域災(zāi)害信息，能夠精準(zhǔn)整合數(shù)據(jù)。因此，要在明確水庫壩址、危險區(qū)域、重點城鎮(zhèn)核心區(qū)的航測任務(wù)的基礎(chǔ)上，依托無人機(jī)遙感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，收集、整理并分析流域內(nèi)數(shù)據(jù)，獲取高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，提取DEM 數(shù)據(jù)，生成攝影圖像，并制作三維模型，為智慧防洪體系的穩(wěn)定運行提供了堅實的數(shù)據(jù)保障[2]。

3.2.2 水雨情信息采集

在淮河流域，應(yīng)設(shè)置明確的雨量站以監(jiān)測降水量變化，并結(jié)合歷史和未來降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取所需的降水徑流信息。同時，應(yīng)增設(shè)適當(dāng)?shù)乃徽荆匝芯勘┯旰樗囊?guī)律，有效控制水文水勢變化。為預(yù)警監(jiān)測雨情數(shù)據(jù)，可引入耦合氣象預(yù)報結(jié)果，利用云圖、雷達(dá)圖等信息進(jìn)行動態(tài)分析[3]。延長洪水可預(yù)見期。重點防洪區(qū)域如村落等地，應(yīng)建立動態(tài)視頻監(jiān)測系統(tǒng)，以掌握不同位置的水位動態(tài)和周邊降水情況。

3.2.3 洪水預(yù)報

淮河流域智慧防洪體系建設(shè)應(yīng)該做好洪水預(yù)報單元建設(shè)，借助合理劃分對流域產(chǎn)生的降水情況進(jìn)行匯總。借助現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，實時動態(tài)化地監(jiān)控淮河流域的水情，將大數(shù)據(jù)信息技術(shù)手段引入洪水預(yù)報當(dāng)中，在歷史數(shù)據(jù)當(dāng)中挖掘具備價值的數(shù)據(jù)信息，并且有效地構(gòu)建出數(shù)據(jù)信息模型庫。此外，還應(yīng)該借助分布式預(yù)警模式手段，科學(xué)合理地對洪水發(fā)生時間、洪水出現(xiàn)過程、洪水量等諸多內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，為排洪、抗洪工作奠定扎實數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)[4]。

3.2.4 洪水風(fēng)險分析

在淮河流域智慧防洪體系中，洪水風(fēng)險分析至關(guān)重要。該分析涵蓋淮河流域的綜合情況的統(tǒng)計調(diào)查，清晰把握淮河流域的水文地質(zhì)、工程分布以及經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境等狀況，以便根據(jù)實際情況動態(tài)分析各區(qū)域的洪水潛在安全隱患。針對沿河村落、集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)等易受洪水災(zāi)害侵?jǐn)_的區(qū)域，需評估其抗洪能力[5]。構(gòu)建暴雨洪水防護(hù)體系，及時發(fā)現(xiàn)潛在洪水風(fēng)險，并根據(jù)實際風(fēng)險情況動態(tài)評估洪水損失，給出有效的洪水警報預(yù)案。同時，利用力學(xué)模型等編制完善的洪水風(fēng)險圖，分析管控洪水水位、水量、水深分布及淹沒時間等信息數(shù)據(jù)，為編制洪水預(yù)警方案提供堅實保障[6]。

圖1 淮河流域智慧防洪體系框架圖

圖2 淮河流域智慧洪水預(yù)報框架

3.2.5 預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)

在淮河流域智慧防洪體系中，應(yīng)急預(yù)案的制定對抗洪防災(zāi)工作至關(guān)重要。因此，要基于降雨數(shù)據(jù)確定降水量和水位預(yù)警級別，并對可能受洪災(zāi)影響的防護(hù)對象進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)水位達(dá)到臨界值時，利用短信、預(yù)警廣播、微信公眾號等多渠道發(fā)布洪災(zāi)預(yù)警，隨即啟動相應(yīng)的應(yīng)急方案[7]。在相關(guān)部門組織下，調(diào)配人員物資，高效組織洪災(zāi)避險和暫停生產(chǎn)等措施，確保人民的生命財產(chǎn)安全，降低洪災(zāi)對生活生產(chǎn)的威脅。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用真正轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)水利工作模式。借助數(shù)字孿生技術(shù)，能夠結(jié)合流域?qū)嶋H情況，搭建起數(shù)字底板、數(shù)字化場景，借助全流域分布式模型，引入超大規(guī)模水文水動力計算、預(yù)警調(diào)度一體化技術(shù)，真正幫助淮河流域?qū)崿F(xiàn)了“四預(yù)”方案，為河流域智慧防洪體系提供技術(shù)支持。水利部門應(yīng)該充分展現(xiàn)出自身引領(lǐng)價值，明確水利向智慧化發(fā)展的必要性與緊迫性，結(jié)合淮河流域防洪治理實際情況，合理應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)手段，促進(jìn)我國河流流域防洪治理工作高質(zhì)量開展。