數字孿生技術在長距離調水工程運行管理中的應用研究

引言

長距離調水工程在跨流域水資源優化配置、區域經濟發展與生態環境保護中發揮著關鍵作用，但其運行管理面臨著水源地與受水區空間跨度大、運行條件復雜、突發情況多等挑戰。傳統依賴人工經驗的調度方式難以滿足現代化水資源管理的精細化和實時性要求，而數字孿生技術通過構建物理系統的虛擬映射，能夠實現對工程運行狀態的實時監測、預測與優化，為提升調度的科學性與應變能力提供了新途徑。本研究立足于工程實際需求，旨在通過數字孿生技術提升長距離調水工程運行管理的智能化水平，增強水資源調配的安全性與可持續性。

1.數字孿生技術與長距離調水工程概述

數字孿生技術源于制造業和信息物理系統的深度融合理念，通過構建與物理對象高度一致的虛擬模型，實現對真實系統的狀態感知、過程模擬和預測決策。在水利工程領域，這一技術為運行管理模式帶來根本性轉變。長距離調水工程跨越地域廣、輸水線路長、運行工況復雜，涉及多水源聯合調度、多樣地形輸水通道，用戶多樣化水質、水量需求，傳統依賴人工經驗與周期性監測的方式在實時性和精確性上存在不足。數字孿生的虛擬空間可實時接收物聯網傳感器、遙感衛星及在線監測站數據，并與物理系統同步更新，為管理者提供動態工程全貌1。虛擬模型中集成水動力仿真、運行狀態分析與風險評估功能，使調水的每個細節可被量化和預測推演，在復雜氣象、突發水質或緊急調度下提供可視化、可驗證的決策支持。對于長距離調水工程，這種管理方式強化了對輸水通道、泵站、閘門等關鍵節點的實時監控，并優化能耗、水量分配與生態補水，實現供水安全、經濟效益與生態保護的平衡。

2.長距離調水運行管理的數字孿生框架與關鍵技術

2.1數字孿生總體架構與信息化平臺建設

長距離調水工程數字孿生體系以“物理層—虛擬層—數據驅動層”三層架構為核心，構建統一調水管理平臺。物理層通過設備狀態采集，進行環境監測，提供數據可靠性保障；虛擬層構建三維模型與水力模擬，支持協議與數據接入；數據驅動層利用高效計算與分析，同時進行全域運行監控，從而實現調度與應急支持2。在架構實現過程中，引入邊緣節點對源端數據進行預處理，減輕服務器負荷，提升調度精度與系統響應能力，從而支持全天候智能調度和應急管理。數字孿生信息化平臺建設流程具體見圖1。

2.2多源數據融合與實時動態感知技術系統通過LoRa與光纖通信混合組網，實現 15～20km 范圍內低功耗廣域監測與骨干高速數據傳輸，保障水文、水質、氣象及工程運行數據的秒級更新。多源數據融合模塊可整合降雨量、蒸發量、地下水位、水溫、濁度等指標，其中水溫監測精度可達 ±0.2% ，濁度檢測范圍為0～1000NTU，溶解氧在線分析儀在 0～7^°C 水溫條件下保持誤差小于±0.1mg/L^[3] 。感知網絡與虛擬模型同步聯動，實現管道滲漏、泵站異常振動（ 50～500Hz 頻率范圍）等運行風險的實時捕捉，并在事件觸發后3～5s內推送至調度中樞。系統還集成基于激光雷達的岸線變化監測，分辨率可達5cm，可在洪水期和枯水期自動對比變化趨勢，為后續調度策略提供空間地理依據4]。

圖1數字孿生信息化平臺建設流程

2.3水動力仿真與智能調度關鍵算法

水動力仿真采用二維與三維耦合模型，對流速、流量、水位及水質演變過程進行動態預測，計算精度可控制在 0.5mm 水位誤差和 10.05m/s 流速誤差以內。調度算法融合遺傳算法與動態規劃方法，能夠在泵站功率（100～5000A電流范圍）、輸水流量與水質安全之間尋求最優平衡[5。模型運行周期可按2～3個月的調水計劃進行滾動優化，并根據流域降雨預報、風速（ 10～15m/s ）及蒸發量自動修正輸水方案，使水頭損失控制在設計值的 90% 以內，有效延長泵站設備壽命并降低能耗。流量Q與水頭H的關系可用能量方程表示：

其中， Q 為輸水流量（ m³/s ）， H 為水頭損失（m）， K 為管道或泵站系數。為提升實時性，系統在關鍵節點引入基于AI的短期預測模塊，可在1min內完成未來72h的調度預演，為調度員提供多套可選方案，減少人為決策風險。

3.基于數字孿生的長距離調水運行管理應用策略

3.1運行狀態全流程監測與預警機制調水系統以數字孿生虛擬模型為核心，實現全流程監測與閉環預警，將管道、泵站、水庫及輸水渠道實時數據整合在統一平臺。核心節點配備精度±0.3C 的溫濕度傳感器和量程0～2MPa的壓力傳感器，捕捉細微變化，監測網絡秒級采集數據，并結合虛擬模型動態比對，在異常水位或流速波動前數分鐘發出預警，確保及時介入。系統結合歷史曲線進行趨勢比對，通過算法識別潛在異常，監測結果在可視化平臺呈現并與設備檔案關聯，實現精準故障定位。預警觸發后，調度中心可即時下發干預指令并驗證效果，減少誤報漏報，保障工程在高強度運行周期內穩定安全。

3.2能耗優化與水資源利用效率提升

泵站運行調度中，系統通過功率（100～5000W）與輸水流量聯合優化，實現能耗與效率平衡。數字孿生平臺利用實時水位和氣象數據動態修正方案，使輸水水頭損失控制在設計值 90% 以內，多泵站協同啟停策略將高峰用電削減約15% ，保證輸水安全，同時降低成本。平臺根據季節水位與氣象預測優化泵站運行時段，避免高峰長時間大功率抽水。數據分析評估不同輸水路徑和流量組合能耗，生成優先推薦方案。長期運行中，該優化降低能耗和設備疲勞，延長泵站壽命，實現經濟與生態雙重收益。

3.3水質安全保障與應急響應體系建設

水質保障體系依托溶解氧（誤差±0.1mg/L ）和濁度（0～1000NTU）在線監測設備，與數字孿生平臺實時同步水質地圖。監測異常時，系統在3～5秒內生成應急方案并推送相關部門，應急演練顯示可在10分鐘內完成水源切換與輸水路徑調整，降低污染事件對下游供水影響8。平臺將水質趨勢與上游來水特征、水庫蓄水結構關聯分析，提前識別潛在污染源或異常波動；模擬模塊快速演算分流、稀釋或臨時封閉方案，并在可視化界面展示，輔助調度快速決策。預測一響應一反饋閉環顯著提升污染事件處置效率與水質安全保障

4.長距離調水運行管理數字孿生應用案例分析

4.1西遼河春季調度背景與需求分析

西遼河春季調度面臨復雜河道過流狀況和多樣化用水需求。流域內干支流河道地形復雜，存在流量分布不均、關鍵節點過流能力有限等問題，同時河道生態環境對流量和水質變化敏感。春季降水不穩定，地下水補給能力有限，使流域水資源調配難度增加。在水資源利用方面，農業灌溉、城市供水、生態補水和工業取水存在競爭關系，水量需求在空間和時間上均呈現高度波動。流域內關鍵水庫、水閘和泵站的調度能力存在差異，如何在有限水量下協調各類用水需求成為調度管理的核心挑戰。春季調水過程中，需兼顧水資源合理配置、生態保護和防洪安全，保證水量和水質均滿足下游用水及生態需求。

4.2實施流程

在西遼河春季調度[10中，數字孿生與多源監測技術融合，實現水資源調配精準智能，并強化流域生態與水量風險管控。調水流程涵蓋數據整合、模型應用和全方位監測，形成閉環管理，并可根據河段實際情況動態調整，具體如下。

（1）數據整合與模型預演

調水運行階段，通過數字孿生平臺整合16類水利對象基礎數據，同時接入水文、地下水及取用水監測信息，并匯集水資源調度、生態流量管控及取用水管理業務數據，形成專題一張圖。重點河段二維水動力學模型經過50余次精細化模擬，完成調度方案動態預演和歷史復盤，為泵站、水庫及河道調度提供科學依據，實現調水管理從經驗驅動向模型驅動的轉變。模型可動態評估河道過流能力和水頭損失，提前識別潛在風險，為調度優化提供量化依據。

（2）監測網絡構建與應用

“天空地水工”一體化監測網絡在調水運行中發揮核心作用。衛星遙感整合20余顆高分、環境與資源衛星數據，從宏觀視角掌握流域下墊面變化；無人機出動160余架次執行高密度巡航掃描，快速鎖定堵點、卡點與漫散位置；站網監測覆蓋流域內1.7萬余處降水、地表、地下及取用水監測點，并級聯14處重點水庫與水閘的45路高清視頻，實現泄流及閘門狀態實時可視化。多源數據匯聚，使管理者可及時判斷突發事件，同時支持跨部門協作與資源共享。

（3）全流程監控與執行保障

多種監測手段立體互補，形成“天眼俯瞰全局—鷹眼追蹤細節—毛細血管傳感實時信息”的全過程、無死角監測模式。該體系為調水操作提供全流程、精細化執行保障，同時為調度優化和應急響應奠定基礎，確保春季調水在水量配置、生態保護及運行安全方面達到預期目標。通過實時數據支撐，管理者可進行更精確操作，使調水執行與預案設計保持一致，有效降低潛在風險。

4.3成效分析

數字孿生西遼河平臺在春季調度中通過模型驅動和多源監測，實現水資源科學分配與全流程管理，顯著提升調度效率與運行安全，同時增強了調水操作的可追溯性和管理透明度。西遼河春季調度成效具體見表1。

數字孿生平臺在調水全過程中實現了高效指揮和精準控制。調度效率體現在指令快速下發與執行、泵站運行協調優化上。能耗與水頭控制保證了輸水過程的經濟性和安全性。監測與預警體系覆蓋全域，通過多層次感知及時發現河道異常問題，降低潛在風險。生態與安全方面，通過模型驅動對生態流量進行精準補水，確保河道生態功能維持和工程運行穩定。同時，數字化管理方式使操作記錄和數據分析可追溯，提高了調度的透明度和管理效率。跨區域協同調度能力增強，使水資源在不同流域間得到科學分配，推動水利管理模式由經驗驅動向數據賦能轉型，為西遼河流域高質量發展提供堅實支撐，并為未來應對復雜水情提供了可靠參考和優化路徑。

結語

在河北引調水工程管理中的應用[].海河水利，2024（6）：106-111.

數字賦能推動西遼河水利管理邁向智慧化與高效化。展望未來，隨著數字孿生、物聯網、大數據等技術的不斷融合與升級，西遼河流域水資源調度將實現更高精度、更智能化的管理水平。跨區域協同調度能力將進一步增強，生態保護與水資源利用效率同步提升，監測預警體系將更加完善，實現全域實時感知與精準響應。同時，智能分析和決策支撐將推動水利管理由經驗依賴向數據驅動轉型，為流域可持續發展、生態環境改善及應對復雜水情提供長期保障，構建具有前瞻性、韌性與科學化的新型水利管理模式。

表1西遼河春季調度成效

參考文獻

[1]田艷龍，羅國梅，李慧，等.數字孿生

[2]鄔俊杰，程鴻帥，茹興康，等.基于事件驅動的數字孿生調水工程“四預”業務應用[J].水利信息化，2024（4）：1-6，12.

[3]張社榮，張耀飛，王超，等.引調水工程泵站群運行管控數字孿生引擎構建方法[J].清華大學學報（自然科學版），2024，64（7）：1100-1115.

[4]潘志權，閆飛，賈東遠，等.長距離輸水工程數字孿生模型數據融合及編碼技術研究[J].水利與建筑工程學報，2024，22（2）：12-18.

[5]張婕.基于機電數字孿生的水利工程智能運維與故障診斷方法研究[J].水電站機電技術，2024，47（2）：81-83.

[6]孫永平，薛領.典型工程數字孿生建設經驗對數字孿生南水北調工程建設的啟示[J].南水北調與水利科技（中英文），2023，21（6）：1072-1079.

[7]李濤，燕永存，朱霄霄，等.數字孿生技術在臥虎山至錦繡川水庫調水工程中的應用[J].數字技術與應用，2023，41（6）：47-49.

[8]左海陽.基于數字孿生的松遼流域水工程防災聯合調度系統探索[J].中國防汛抗旱，2022，32（12）：41-47.

[9]霍建偉，李永勝，張軍琿，等.數字孿生技術在引調水工程運行管理中的應用J].小水電，2021（5）：15-17.

[10]水利信息中心.[松遼委]從“經驗治水”到“模型驅動”—數字孿生技術精準護航西遼河春季調度B/OL].（2025-04-15）[2025-08-25].http：//xxzx.mwr.gov.cn/zxpd/gdcz/202504/t20250415_1883267.html.

作者單位：青島研博數據信息技術有限公司

作者簡介：陳云鵬，本科，高級工程師，cyp@yanboo.com.cn，研究方向：電子信息。