數(shù)字孿生技術(shù)在遼寧省水利信息化中的應(yīng)用

劉 鑫，王梓林

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110000）

1 數(shù)字孿生與智慧水利

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)原理與特點(diǎn)

數(shù)字孿生技術(shù)是一種基于計算機(jī)仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過構(gòu)建數(shù)字模型來模擬真實世界中的系統(tǒng)、流程或設(shè)備。其本質(zhì)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。因此，作為一種超越現(xiàn)實的概念，數(shù)字孿生被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。該技術(shù)的核心在于建立數(shù)字模型，該模型需要具備以下幾個方面的特點(diǎn)：①完整性：數(shù)字模型需要完整地反映真實系統(tǒng)的各個方面，包括物理特性、功能特性和行為特性等；②準(zhǔn)確性：數(shù)字模型需要準(zhǔn)確地反映真實系統(tǒng)的狀態(tài)和行為，以便能夠進(jìn)行有效的仿真和測試；③實時性：數(shù)字模型需要能夠?qū)崟r更新，以反映真實系統(tǒng)的變化；④可視化：數(shù)字模型需要能夠以可視化的方式展示出來，方便用戶理解和操作。在水文學(xué)領(lǐng)域中，數(shù)字孿生技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于水文模擬、水資源管理和水災(zāi)預(yù)警等方面。

1.2 基于數(shù)字孿生的智慧水利建設(shè)

智慧水利建設(shè)要求指利用先進(jìn)的信息技術(shù)，實現(xiàn)對水利資源的智能化管理和優(yōu)化利用，其目標(biāo)是通過對水利信息的全面感知、智能分析和決策支持，提高水利資源的利用效率和管理水平，實現(xiàn)水利可持續(xù)發(fā)展。實現(xiàn)該目標(biāo)的核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等，通過這些技術(shù)手段，可以實現(xiàn)對水利信息的實時采集、傳輸、存儲和分析，為水利管理提供更加準(zhǔn)確、全面的信息支持。而數(shù)字孿生是智慧水利建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以融合工程建設(shè)期“人、機(jī)、料、法、環(huán)”數(shù)據(jù)，構(gòu)建工程影響區(qū)域的數(shù)字底板，建設(shè)智慧化監(jiān)管所需的模型平臺，構(gòu)建工程建設(shè)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”智慧體。在智慧水利領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于流域水文模擬、水資源調(diào)度、洪水預(yù)警等方面，幫助水利管理者更好地了解流域內(nèi)的水文過程，制定更加科學(xué)合理的水利政策和措施，提高水利資源的利用效率和效益。例如通過數(shù)字孿生技術(shù)來構(gòu)建流域水文模型，實現(xiàn)對流域內(nèi)水文過程的精細(xì)化模擬和預(yù)測，進(jìn)而為水利管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 遼寧省智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀、問題與發(fā)展趨勢

遼寧省水利信息化發(fā)展取得了顯著成果。在“十三五”期間，全省水利項目實施率達(dá)111%，工程建設(shè)項目單元工程質(zhì)量優(yōu)良率達(dá)70%以上。納入國家172項節(jié)水供水重大水利工程的8項工程全部開工，區(qū)域水資源配置格局進(jìn)一步完善，美麗河湖三年行動計劃進(jìn)一步推進(jìn)，河湖面貌明顯改善。同時，遼寧省也在加強(qiáng)水利監(jiān)管體系，運(yùn)用現(xiàn)代科技手段，從注重事后監(jiān)管向事前、事中、事后監(jiān)督轉(zhuǎn)變，確保水利行業(yè)監(jiān)管得到有效執(zhí)行。

然而，存在的問題也不容忽視。盡管已經(jīng)取得了一定成果，但是仍有一部分工程建設(shè)項目單元工程質(zhì)量未能達(dá)到預(yù)期優(yōu)良率。此外，智慧水利建設(shè)還需要進(jìn)一步推進(jìn)，包括應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)水利規(guī)劃、工程建設(shè)和管理運(yùn)營全過程的智能化。

展望未來2025年，遼寧省計劃初步建成以水旱災(zāi)害防御、水資源優(yōu)化配置、河湖健康、農(nóng)業(yè)農(nóng)村水利、水治理現(xiàn)代化為支撐的智慧水利體系，實現(xiàn)涉水事務(wù)監(jiān)管法治化、規(guī)范化、常態(tài)化、智慧化。主要指標(biāo)包括：洪澇災(zāi)害年均損失率控制在0.55%以下，干旱災(zāi)害年均損失率控制在0.45%以下，5 級及以上重點(diǎn)江河堤防達(dá)標(biāo)率達(dá)到75%，新增水庫總庫容6 億m3；用水總量控制在162億m3以內(nèi)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.593，水利工程新增年供水能力10 億m3，農(nóng)村自來水普及率提高到88%；水土保持率達(dá)到78.61%，重點(diǎn)河湖基本生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率大于90%。

2 數(shù)字孿生技術(shù)的水利信息化應(yīng)用分析

2.1 基于數(shù)字孿生的水利信息系統(tǒng)運(yùn)維

①水壩監(jiān)測：數(shù)字孿生技術(shù)可對水壩的結(jié)構(gòu)、水位、流量等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和分析。通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將水壩實際數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字孿生模型中；通過對數(shù)字孿生模型分析，及時發(fā)現(xiàn)水壩結(jié)構(gòu)變形、滲流等潛在問題，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，以確保水壩安全運(yùn)行。

②水庫調(diào)度：數(shù)字孿生技術(shù)可對水庫水位、流量、水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過對數(shù)字孿生模型的模擬和預(yù)測，制定科學(xué)合理的水庫調(diào)度方案，提高水庫利用效率和安全性。例如在洪水期間，可通過數(shù)字孿生模型預(yù)測洪水演進(jìn)過程，提前采取措施，避免洪水對水庫和周邊地區(qū)造成的影響。

③洪水預(yù)測：數(shù)字孿生技術(shù)可以對洪水形成、發(fā)展和傳播過程進(jìn)行模擬和預(yù)測。通過將地理信息系統(tǒng)（GIS）、氣象數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生模型相結(jié)合，預(yù)測洪水水位、流量和演進(jìn)路徑，提前發(fā)布預(yù)警信息，為決策者提供更加準(zhǔn)確的決策依據(jù)，減少洪水對人民生命財產(chǎn)的威脅。

④水資源管理：數(shù)字孿生技術(shù)可以對水資源的分布、利用和需求進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，通過模型模擬預(yù)測，規(guī)劃科學(xué)合理的水資源管理方案，提高水資源利用效率和可持續(xù)性。例如在水資源短缺地區(qū)，經(jīng)數(shù)字孿生模型優(yōu)化水資源配置，確保居民和農(nóng)業(yè)用水需求。

⑤設(shè)備維護(hù)：通過將設(shè)備的實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生模型中，可以對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障和異常情況，采取相應(yīng)的維護(hù)措施，提高設(shè)備的可靠性和壽命。

2.2 基于數(shù)字孿生的徑流量仿真模擬

①數(shù)字孿生平臺搭建：數(shù)字孿生平臺是數(shù)字孿生技術(shù)核心部分，其將真實世界地理空間數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行整合，通過數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)程序進(jìn)行模擬和分析。該平臺搭建需考慮到數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和傳輸?shù)燃夹g(shù)問題。

②數(shù)字孿生模型設(shè)計：模型設(shè)計是數(shù)字孿生技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其決定數(shù)字孿生系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)計過程需考慮流域地貌、水文地質(zhì)、降雨、蒸發(fā)等多因素影響。

③徑流量模擬：通過建立數(shù)值模型來模擬流域內(nèi)徑流量變化，從而預(yù)測未來徑流過程，模擬結(jié)果可幫助決策者制定科學(xué)的水資源管理和防洪措施。

④模型驗證和校準(zhǔn)：通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證和校準(zhǔn)，夠幫助了解數(shù)字孿生模型的局限性和不足之處，進(jìn)一步完善數(shù)字孿生模型。

2.3 基于數(shù)字孿生的水利工程設(shè)計

數(shù)字孿生在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用，主要是通過建立精確的數(shù)學(xué)模型和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水利工程的模擬、分析和優(yōu)化；進(jìn)而幫助水利設(shè)計師更好地了解工程的水力特性，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率。具體來說，數(shù)字孿生在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：

①建立精確的數(shù)學(xué)模型：通過對歷史水文數(shù)據(jù)分析和處理，建立能夠準(zhǔn)確描述水利工程水力特性的數(shù)學(xué)模型，包括流體動力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)力學(xué)模型等。

②實時監(jiān)測數(shù)據(jù)：通過安裝水位計、流量計等監(jiān)測設(shè)備，實時收集水利工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而用于驗證和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

③模擬分析：利用建立的數(shù)學(xué)模型和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對水利工程的設(shè)計進(jìn)行模擬分析。這可以幫助設(shè)計師提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，優(yōu)化設(shè)計方案。

④優(yōu)化決策：根據(jù)模擬結(jié)果，制定合理的水利工程設(shè)計方案，如調(diào)整閘門的開啟方式、改變渠道的形狀等，以提高工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

在南水北調(diào)東線工程中，為解決水資源短缺問題，需建設(shè)一條長達(dá)1 000 km的輸水渠道。為確保工程安全有效運(yùn)行，水利部門利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化：首先收集過去幾十年的歷史水文數(shù)據(jù)，包括降雨量、蒸發(fā)量、地下水位等；然后，利用這些數(shù)據(jù)建立流體動力學(xué)模型，以描述渠道內(nèi)水流變化規(guī)律；在渠道關(guān)鍵位置安裝水位計、流量計等監(jiān)測設(shè)備，實時收集渠道的水位、流速等數(shù)據(jù)，用以驗證和優(yōu)化流體動力學(xué)模型，提高模擬結(jié)果準(zhǔn)確性；最后他們利用建立的模型和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對渠道設(shè)計進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果顯示，若按照現(xiàn)有設(shè)計方案，渠道在某些地段可能會出現(xiàn)嚴(yán)重淤積問題。因此，提出了一系列優(yōu)化措施，如增加沖沙設(shè)施、改變渠道的形狀等，以期提高渠道的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

在水利領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助我們更好地理解和管理水資源，提高水資源利用效率，降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險。作為一種基于數(shù)字化建模、仿真和預(yù)測的技術(shù)，數(shù)字孿生它通過對物理世界的數(shù)字化映射和虛擬仿真，實現(xiàn)對物理世界的實時監(jiān)測、分析和優(yōu)化，為智慧水利提供了新的思路和方法。智慧水利的應(yīng)用領(lǐng)域包括水資源管理、水環(huán)境監(jiān)測、防洪抗旱、水利工程建設(shè)和管理等方面。通過智慧水利的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對水利資源的高效利用和管理，提高水利工程的安全性和可靠性，保障人民生命財產(chǎn)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)。