濱州市數字水利體系構建與實踐應用

摘要：以水利部智慧水利頂層設計和山東省數字水利總體方案為指引，明確了濱州市“1+2+N”數字水利發展總體框架。結合工作實踐，重點分析了大數據服務平臺和數字孿生平臺建設思路方法。通過資源整合搭建大數據服務平臺，建立了一體化水利感知網絡，形成了信息匯集融合服務的數據中臺，挖掘數據價值繪制了多業務專題圖集。圍繞水利部相關技術導則“四預”要求搭建數字孿生平臺，通過水利專業模型、可視化模型和知識平臺建設，初步具備了智慧模擬仿真能力。聚焦數字化場景建設，重點分析了城市防汛“四預”、數字河湖智能巡查、工程數字監管等應用探索及成效，以期為各地水利數字化發展提供參考借鑒。

關鍵詞：數字水利；數字孿生；資源整合；模型；“四預”；智慧應用

水利部大力推進以數字孿生為核心的智慧水利建設，出臺了一系列規劃標準文件，完成了頂層設計，將水利業務與信息技術深度融合，驅動實現高質量發展。同時，社會經濟邁入新的發展階段，單憑傳統手段已經無法滿足水利行業強監管的要求。物聯網、大數據、人工智能、數字孿生等新一代信息技術飛速發展，為水利管理降本增效、提檔升級提供了新的路徑和手段。濱州市遵循智慧水利頂層設計，在全面調研發展現狀基礎上，學習借鑒先行先試地區成果經驗，推動構建具有本地特色的數字化管理體系，根據業務需求，針對性開展了多個數字孿生智慧應用建設，并取得了一定成效，舉辦了全省數字水利現場會并做了典型發言和培訓展示，在資源整合、防洪“四預”、數字河湖等方面提供了實踐示范和模式借鑒。

1數字水利總體框架

按照“需求牽引、強化整合、共建共用”原則，建設數字化場景，加快數字化轉型，構建形成1個規劃、2個平臺、N個智慧應用的“1+2+N”現代數字水利體系，初步具備預報、預警、預演、預案“四預”功能，提升決策科學化和管理精細化水平。

主要建設目標包括：組織編制1個全市數字水利建設規劃，為今后一段時期數字孿生流域（工程、水網）建設提供指引。建設大數據服務平臺和數字孿生平臺2個平臺，提供數據支撐和孿生能力。圍繞業務需求，建設重點水利工程數字監管系統、數字河湖智能巡查分析系統、城市防汛監管系統等N個智能應用，提升行業智慧化管理水平。

2大數據服務平臺建設

經過多年信息化建設，全市各區縣已建成監測設施共2 000多處，已建成GIS地圖、綜合業務管理、基層防汛預警等各類業務系統平臺總計21個，水利信息化發展擁有了一定基礎。但由于各單位管理需求不同、項目多、階段化建設等因素，信息化建設集約化程度不高，數據監測體系技術路線不統一，數據標準不一致，監測感知數據難以交換共享。為此，濱州市通過資源整合和共享互用，打破條塊分割和數據孤島，打造統一的水利信息管理服務平臺。

2.1信息基礎設施

2.1.1基礎水利感知網

充分整合利用多年信息化建設基礎設施資源，構建起包含600多處監測點位的覆蓋全市的監測網絡，形成了對水位、水質、雨量、地下水、墑情等進行動態感知的較為齊全的信息采集體系。接入各縣市區多品牌視頻終端，共享大數據視頻資源，形成2 500多路視頻監測網絡，為水治理提供視覺智能服務。

2.1.2城區數字孿生基礎設施

根據主城區數字孿生建設需求，強化傳統水利設施自動在線監測，對42處排水閘門進行智能化改造，實現閘門啟閉、開度等工情信息自動化采集。布設100余處汛情監控終端，自動實時獲取雨量、河道水情、道路積水等監測數據。加強新型監測手段應用，在河道沿線建設5座無人機自動起降機場，規劃35條線路，實現無人機自主起降巡航，自動采集巡河數據，并遠程傳輸到數據中心。

2.2數據底板

運用山東省水利“一張圖”成果，在此基礎上進行細化擴展，匯聚濱州市地理空間數據、基礎數據、監測數據、業務管理數據以及外部共享數據。利用地形數據資料、管網數據、河道數據、水工建筑物、水文氣象資料、災害數據、三防預案資料、水利工程預案資料、河道設計資料、社會經濟資料、傾斜攝影測量數據等資料，建設L2級和L3級數據底板。

2.2.1數據匯聚

搭建數據管理平臺，依托全市水利感知網絡，打通17個市、縣已建信息系統間數據交互通道，實現數據匯集流通。共享自規局地理遙感測繪成果、氣象局降雨預報信息、生態環境局河湖水質信息、大數據局視頻和能力平臺信息等各部門涉水數據資源，不斷完善數據類型和數據范圍，建設水利數據資源池。

圍繞主城區數字孿生建設，深入開展排水資產普查，形成城區1 781 km管網臺賬。利用無人機、無人船航測建立5 m網格厘米級數字高程模型，結合傾斜攝影、BIM建模等技術手段，構建市城區170 km2 L2級和重點河道L3級地理空間模型。疊加城區監測感知網絡實時數據和業務管理數據，形成了孿生數據底板。

2.2.2數據治理

對匯集的數據資源進行清洗融合，提升數據規范性和一致性。按照國家標準搭建全市水利數據資源目錄，分門別類形成元數據庫、基礎數據庫、業務數據庫、主題數據庫4大類數據庫。已錄入各類數據220萬條，日均增加2萬多條，非結構化數據616個，為新建業務系統的應用提供支撐。

2.2.3數據挖掘

挖掘數據資源間存在的關系，激活發揮數據價值。以滿足快速決策指揮為原則，完成了全市水旱災害防御、城市防汛等多個專題圖建設。在GIS圖上集成實時水雨情、工情、墑情、視頻監控等關聯信息，通過地圖、圖表等方式展現診斷、趨勢等分析成果，實現綜合信息一屏統攬。

2.2.4數據服務

主要提供對外的數據查詢服務以及對應的數據目錄服務門戶，并根據應用數據產生對應的基礎數據展示以及動態數據結合起來的可視化展現。目前已建立數據服務接口74個［1］。

3數字孿生平臺建設

3.1模型平臺

充分利用城市地表淹沒模型、積水點推演模型、洪水演進模型、排水管網模型、地表水動力模型以及水文專業模型，以城市防汛預報預演、工程安全運行為主要目標，構建城市洪澇模型。

采用InfoWorks ICM、FASFLOOD等模型，構建包含75個排水口、6 300個子匯水區、6 356條管道的一維管網模型，以及40萬個網格化計算單元的二維水動力模型，通過降雨產匯流、洪水演進、管網排水計算，耦合建立濱州市城區洪澇模型。

3.2智能識別及可視化模型

利用AI人工智能模型，對視頻圖像中的漂浮物、排污口排污、黑臭水體、河湖四亂等隱患進行自動識別告警。

基于傾斜攝影、BIM建模等技術，搭建城區、河道、管網、流場動態、水利工程等可視化模型，在水利專業模型計算的驅動下進行可視化建模，實現數字孿生場景下的仿真模擬。

3.3知識平臺

整理匯聚水利相關規劃、方案、文件等300余項，建成了具備查詢搜索、上傳下載的水利知識平臺。同時開發分析功能，對數據變化規律、走勢進行綜合分析，充分挖掘水利數據價值，為精細化管理提供對策建議［2］。

4典型智慧應用建設

4.1城市防汛

定量超前預報。依據省氣象局5 km×5 km小網格未來10天逐3 h精準降雨預報信息，結合專業模型算法與專家經驗，在線擬合未來降雨曲線，對各類水安全要素進行預測預報。

快速直達預警。利用預報數據成果，對城市易澇點、積水點進行數據分析，并基于防洪預演結果生成風險預警信息，指導水利一線工作。

模擬前瞻預演。以模型為驅動，實現物理水網與數字水網間動態實時信息交互和深度融合，對洪澇演進過程進行智慧化模擬，及時發現問題，迭代優化方案。

細化實化預案。依據預演結果，自動生成汛情預案，提供智慧化決策支持，提高城市防汛、河道防洪等綜合調度管理水平。

4.2河湖巡查

建成無人機智慧巡航系統，5座無人機自主起降巡檢。基于AI人工智能識別，實現“無人機自主巡河—數據自動采集—平臺智能分析—隱患預警推送”的全流程智能化應用。依托數字孿生平臺，實現無人機巡查過程中“物理流域”與“虛擬仿真”的全要素數字化映射，做到數字護河。河管員根據無人機隱患預警信息，進行現場核查處置及反饋，構建起“天上巡+地下查”的立體監管體系。

4.3工程監管

以秦臺水庫為示范建立了數字孿生工程監管系統，全面覆蓋水工程管理的“工程信息”“工程檢查”“安全監測”“維修養護”“調度運行”“應急管理”6大模塊，建立閉環管理的標準化流程臺賬。采取共建共用模式，由各縣市區參照標桿，在水利工程數字監管系統開展數字孿生河湖工程建設，實現全市統一監管。

5組織保障體系

5.1組織實施

將數字水利納入全市“1+8+1”重點工作任務，市委督查室牽頭調度督查。市城鄉水務局將數字水利建設列為5大攻堅之一，局黨組定期聽取匯報、研究部署。市縣兩級水務部門均成立數字水利工作專班，并抽調骨干力量集中辦公，確保工作有序開展。

5.2規劃統領

結合濱州實際，組織編制《濱州市數字水利建設規劃》，明確2025、2030、2035年目標任務，各縣市區同步編制實施方案，擘畫數字水利建設藍圖。

5.3資金保障

將數字水利與防汛平臺建設、河湖長制、重點水利工程建設、灌區現代化改造等相結合，有效解決建設資金不足問題，截至目前，全市數字水利建設已累計投入1.1億元。

6結語

濱州市在數字水利方面的有益探索和應用實踐，有效提升了行業精細化管理和綜合智慧化決策水平，推動了水治理體系和治理能力現代化建設。整體規劃編制為今后數字化發展提供了遵循指南，大數據服務平臺實現了基礎設施和數據資源整合共享，數字孿生平臺推進了從支撐保障到驅動引領的深刻轉變。多項數字孿生智慧應用發揮了顯著作用，尤其是城市洪澇模型，在對模型算法和功能不斷調整優化后，模擬3 h降雨計算僅需10 min，準確率達到80%以上。可根據降雨預報，在虛擬世界對洪澇過程進行前瞻性預演，為防洪度汛“把脈問診”。綜合研判智能生成預警信息和調度預案，對不同場景提出針對性措施，實現了“預報、預警、預演、預案”的完整應用，極大增強了防洪科學決策和應對能力，在近期多次迎戰強降雨實戰中發揮了重要作用。下一步，需繼續擴大業務場景應用，加快數字孿生流域（工程、水網）建設，完善系統運行維護體系，不斷提高水利工作智慧化、科學化水平。

參考文獻：

［1］中華人民共和國水利部．數字孿生流域建設技術大綱（試行）［R］．北京：中華人民共和國水利部，2022：123.

［2］李國英．建設數字孿生流域推動新階段水利高質量發展［N］．學習時報，20220629（1）．