数字孪生水利构建技术与应用实践方案

数字孪生水利构建技术与应用实践第一部分：第一部分：数字孪生水利构建技术第二部分：第二部分：数字孪生海河的应用实践水利部把建设数字孪生水利作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，通过2022和2023年两年的先行先试工作和技术攻关，总结提炼了构建数字孪生水利的关键技术难题，提出了解决难题的思路方法。数字孪生水利层次关系图新建升级改造数字孪生水利总体架构实施路径建设目标实施路径建设目标按照“规划先行、先导推进”的原则，骨干水网中的数字孪生南水北调中线按照“重点提升、同步新建”的原则，大江大河重要控制性枢纽基本建成数在重点防洪地区实现流域防洪“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，水利工程建设与运行管理、河湖管理、水土保持、农村水利水电等N项业务智能应用水二、数字孪生水利构建技术4.应用方面：强化业务“四预”4.2研发基于超额水量分配的水库群逆1.1“天空地水工”一体化监测感知体系各类监测手段形成的时空、范围、要素、精度、频次等方面互补协同的技术体系：“天”利用光学卫星、SAR卫星、重力卫星、气象卫星以及北斗等技术装备，实现对流域下垫面、河湖水体、洪涝灾害、工程面貌等的大尺度全局监测感知；“空”利用无人机、高塔等设施设备，搭载激光雷达、天气雷达、测雨雷达等监测仪器，实现对水域岸线、蓄滞洪区、山洪灾害易发区等重点区域的地形、雨情等要素的中小尺度高精度动态及时监测感知；“地”指对河湖水体及水利工程以外的水利要素监测方式，主要利用雨量站、蒸发站、地下水测站、土壤墒情站、视频监测站等地面监测设施设备，实现对关键点位雨情、蒸发、地下水位、墒情等要素的精准实时监测感知；“水”利用声、光、电、无人船等监测技术装备，实现对河湖水体的水位、流速、水质、泥沙含量、水下地形、水生生物等水中水下要素的精准自动化监测感知；“工”利用渗压计、光纤光栅、应变计、震动仪、测量机器人、水下机器人等手段，实现对水库大坝、堤防、水闸、隧洞等水利工程内外的渗流渗压、位移形变、应力应变等工情险情要素的实时精细监测感知。1.2雨水情监测预报“三道防线”构建技术扩展第一道防线（卫星云图与测雨雷达）：在“云中雨”监测预报的基础上，耦合流域产汇流水文模型和洪水演进水动力学模型，开展产汇流及洪水演进预报，有效延长洪水预见期；加密第二道防线（雨量站）：在“落地雨”监测预报基础上，对接“第一道防线”监测预报成果，持续率定流域产汇流水文模型和洪水演进水动力学模型参数，实时更新模型输入，迭代优化监测预报结果，在保证洪水预见期的同时，提高洪水预报精准度。合理布设第三道防线（水文站）：对接“第二道防线”监测预报成果，迭代优化洪水演进预报并向下游水文站或断面逐级传递，实现河系滚动传导预报，进一步提高洪水预报精准度。“三道防线”是一个统一整体，各道“防线”相互促进，实现延长洪水预报预见期和提高预报精准度的有效统一。1.3地理空间数据底板构建技术基于激光雷达、倾斜摄影测量、卫星立体测图、影像微分纠正、波束回声探测、建筑信息集成等技术获取流域下垫面影像、水上水下地形、地表形态和建筑信息模型，经数据融合、数据评价等处理，耦合数据模型和数据引擎，构建多时空尺度、多源异构数字孪生水利地理空间数据底板，支撑水文水力学、水环境水生态、河湖岸线管控等模型计算和综合水利信息提取。像像1.4顾及水系连通性的HDEM构建方法统筹考虑堤防、大坝、圩垸、涵洞、倒虹吸、桥梁等涉水建构筑物对水系连通的影响，提出了水利地形HDEM概念，创建了顾及通水建筑物去除、阻水构筑物增补和水下地形嵌刻的局部高程修正的HDEM构建方法，解决了传统DEM在水利领域应用存在水系连通失真问题。水系上下游一贯连通水上水下一体融通部颁技术文件及行业标准P101.5高精度河道地形数据处理技术为满足流域防洪等重点水利业务工作对高精度河道地形数据的应用需求，按照水利专业模型计算的技术指标要求加工处理生成河道断面数据集，采用国家认定的地理信息保密处理技术进行处理后，生成非涉密环境可用的数据成果，对河道管理范围内的陆域地形和水下地形数据成果进行融合处理，形成水下、地上一体化高精度地形融合数据。已有水下地形数据已有水下地形数据河道断面数据集河道断面数据集水下地形非密数据水下地形非密数据河道断面非密数据河道断面非密数据化据高精度河道地形数据处理流程河道地形融合样例1.6水利对象一体化组织技术构建水利数据模型，实现对水利对象的空间特征、关系特征和时间特征的一体化组织。根据行政区划、自然流域、水资源功能区和数值计算等需求，构建水利网格模型，形成一套多元化、精细化、个性化的水利网格化体系，支撑水利业务应用多目标、多层次复杂需求。 P122.1数据知识融合驱动的模型构建技术知识驱动方法与数据驱动方法是指导工程人员研究洪水预报的两大方法论，通过数据知识融合驱动实现对问题全局和局部特征，规则与经验的有机结合，实现预报综合性能的提升。知识与数据驱动方法知识与数据驱动方法u考虑问题整体u机理模型规则描述u问题本质新理论u有限场景下数据样本u经验模型挖掘问题特征u关联关系P132.2遥感GIS一体化技术和AI识别技术利用遥感GIS一体化技术，打造遥感影像生产、解译识别和服务应用一体化流程。影像生产、解译流程可视化编排卫星遥感和人工智能（AI）技术的融合应用，研发了临河房屋等11类河湖主要地物AI识别模型，支撑了全国河湖“清四乱”、妨碍河道行洪突出问题排查整治等专项工作。通过多区域、多传感器、多时相和多地形等维度，分析现有算法模型典型问题，增加模型主干网络算法参数量，提升不同地类的特征融合，优化预测算法架构，通过样本+算法+应用的闭环式迭代优化AI模型，持续提升模型精度和性能。P142.3基于领域大模型的知识引擎构建技术多业务知识库构建。归集形成安全合规的水利领域基础训练数据集，建设高质量的文字、图片、音频、视频等水利领域大模型预训练与调优语料库；建立行业级基础知识库；构建典型业务逻辑推理知识图谱。基于领域大模型的知识引擎构建技术。针对水利业务智能化决策需求，通过研究应用高效并行训练、领域化指令学习对齐，以及百亿参数规模模型的推理压缩和端侧部署技术，构建具有善学习、能交互、会计算、可展示等能力水利大模型，并基于此实现水利知识引擎。P15P163.1全国产化适配技术构建全国产化地理信息应用体系，实现国产GIS平台与安全可靠软硬件适配，成功开展水利系统大规模业务化运行；基于国产密码开展重要数据保护，利用水利部密码基础设施，加强数据全生命周期安全保护，实现数据安全共享应用。全面国产化全面国产化平台服务器服务器4.1业务“四预”构建技术水位预警指示站水位预警指示站专业人员、上级部门等不同预警对象，采用不同的形式与内容。空间上更关注和影响，标定洪水威胁区域；“逆向”推演流域水工程运用次序、运用时机、P174.2研发基于超额水量分配的水库群逆向调度技术基于超额水量分配与轮库补偿迭代理论，采用最优化算法对超额洪量进行时空动态分配，逆向推演出上游水库群的防洪调度方案和安全运行边界条件。开发了黄河小花区间、西江大藤峡-梧州、北江飞来峡-石角、长江三峡-隔河岩-沙市、汉江丹江口-鸭河口-黄庄等多个区域的水库优化调度反算方案。P18P19一、雨水情特点京津冀地区特殊的地貌格局决定了防汛的重要性：位于太行山、燕山山脉前缘，山前到平原过渡带短，河流水系呈扇形分布；源短流急，洪水陡涨陡落，极易在短时间内发生暴雨洪水。2023年7月28日至8月1日，受台风“杜苏芮”北上与冷空气交绥影响，海河发生流域性特大洪水，其中，大清河、永定河发生特大洪水，子牙河发生大洪水。本次洪水呈现降水范围广总量大、暴雨时空集中强度大、洪水并发量级大、洪水涨势猛演进快、径流总量大地下水回补多等五大特点。P20P21二、构建数字孪生海河数字孪生海河数字孪生海河数字孪生海河力基于全国水利一张图构建“数字孪生平台”，2023年6月20日进行了发布。洪水期间积极利用卫星遥感、无人机、视频监控等多种技术手段，强化天空地多源信息融合，夯实“算据”基础；持续完善模型平台，开发知识平台，强化新建升级改造融合X86云和信创云平台，高性能计算集群，做实”算力”支撑。新建升级改造二、构建数字孪生海河完善算据（基础数据）完善算据（基础数据）利用激光雷达、倾斜摄影、多波束等构建海河流域高精度地理空间数据底板。汇聚更新海河流域2214条河流、28处国家蓄滞洪区、155座重点大中型水库、2160公里堤防等基础数据。逐一复核完善海河流域884座水库与测站关系，实现蓄滞洪区范围内堤防、口门、进退洪闸、安全区等8类对象和428路视频监测点关联。开展水库54项重要指标一致性自动比对，分析水位及库容等特征值问题数据，建立与水库管理单位、水库责任人快速校核应急机制。P22二、构建数字孪生海河完善算据（动态数据）完善算据（动态数据）加强天空地一体化监测，全方位感知暴雨洪水态势。交换汇集1874个地面监测站、280个地面应急监测点实时监测水情信息。利用气象卫星和测雨雷达进行精细化降雨监测，发布测雨雷达预警1873次、涉及6100乡镇次，气象卫星预警160次、涉及3096地市次。利用13颗雷达、光学卫星遥感数据、20架次无人机航摄数据、一万多路视频监视点滚动跟踪洪水演进。天空地多源监测信息融合，开展了持续跟踪监测，天空地多源信息在线融合应用。P23二、构建数字孪生海河优化算法优化算法研发水利专业、智能识别和可视化模型。研发了新安江、API、马斯京根等42个模型并实现微服务化部署，依托模型平台前处理工具、模型编排、并行计算等，具备预报方案快速构建、模型参数在线率定、多家模式集合预报、洪水实时动态演进、正反向推演计算等功能。集成海河流域洪水预报方案240套。构建海河流域东淀、永定河等8个蓄滞洪区洪水演进方案。搭建自然背景、流场动态、水利工程、机电设备等可视化模型，在数字场景中实现模拟仿真展示。构建模拟仿真引擎。利用知识图谱构建海河流域9772个自然汇流和人工设施相结合的断面上下游拓扑关系，基于图数据库快速生成任意预报节点拓扑关系概化图，支撑河系洪水预报、库群联合调度和蓄滞洪区洪水演进。建成水利部本级模拟仿真引擎，具备模型注册和发布、模型编排、模型实例化等功能。P24二、构建数字孪生海河提升算力提升算力搭建高速并行计算环境。融合X86云平台和信创云平台。搭建每秒58.3万亿次双精度浮点计算的高性能计算集群，支撑每日2次全国范围内的未来3天逐小时、3公里×3公里短期预报和一次未来5天逐3小时、9公里×9公里中期预报制作以及大清河逐时精细化预报，缩短业务处理时间1.5小时，缩短洪水作业预报时间30分钟。持续优化完善会商调度环境。每日通过视频、蓝信等连线会商5～6次，沟通水库、堰闸等水工程对洪水预报影响，特别是动态掌握蓄滞洪区启用时间、水头演进、滞蓄水量、淹没范围等调度运用状态，为海河流域洪水防御提供算力和会商支撑。高性能计算集群南水北调中线惠南庄视频连线P25预报：加强降雨预报和洪水预报耦合，实现洪水预报由落地雨向空中雨转变，既延长了预见期又提高了精准度。依据预报，7月28日启动洪水防御Ⅲ级应急响应，7月30日把应急响应提升至Ⅱ级。7月27日提前5天研判将启用6个蓄滞洪区，关键期洪水预报精准度明显提升。预警：本次充分利用气象卫星、天气雷达和测雨雷达的监测信息，对未来3小时内可能发生强降雨地区进行自动风险预警。强降水过程期间通过蓝信累计发布各类预警2155次，信息直达一线人员。预演：建立永定河、东淀等8个蓄滞洪区的二维水动力学洪水演进模型，参考卫星遥感、无人机航摄等数据，实时动态调整糙率等模型参数；提前3～4天预测东淀水头演进过程及最大可能淹没范围；提前4天准确研判“不启用清南分洪区”；提前40多天预测东淀、9～10天准确预测永定河、兰沟洼等蓄滞洪区退水时间，为蓄滞洪区科学运用、人员转移、堤防防守等提供了支撑。预案：根据预报预警预演结果，7月28日至8月4日洪水发生发展的关键时刻，制订15个预案，发布6个调令。准调度流域防洪工程体系，河北、天津、河南水利部门根据蓄滞洪区运用预案，指导地方提前转移