基于智慧水利的數字孿生對流域水資源管理的影響探析

徐麗娟

(河北省大清河河務中心,河北 保定 071000)

分洪閘是一種重要的水利工程,可以調節河流水量、防止洪水泛濫、保護下游地區安全,也是流域防洪調度、水資源管理的重要保障。隨著智慧水利技術的演進,數字孿生分洪閘建設成為提升分洪閘智能化水平的優先方案。數字孿生分洪閘可以實時監控物理分洪閘,及時發現問題,優化調度,以實現預報、預警、預演、預案(以下簡稱“四預”)的功能,優化水資源配置,保護生態環境。文章以大清河流域重點建設項目——數字孿生王村分洪閘建設為例,探討數字孿生智慧水利建設及其流域水資源管理的影響。

1 大清河流域與王村分洪閘建設概況

1.1 大清河流域特征概述

大清河流域位于海河流域中部,西起太行山,東至渤海灣,北界永定河,南臨子牙河,跨晉、冀、京、津四省市。流域內有京廣、津浦等鐵路干線和京石、京滬等高速公路,以及華北、大港兩大油田及“陜-京”天然氣管線,戰略意義十分突出。流域屬溫帶大陸性季風氣候區,降雨集中在7～8月份,常以暴雨形式出現,降雨強度大、持續時間長是本流域洪澇災害頻繁的主因,流域內有白洋淀、東淀等多個蓄滯洪區,以及多條分洪、泄洪、調洪的樞紐工程和行洪河道,對防洪調水和灌溉補水起著重要作用。2022年1月水利部出臺《大清河流域綜合規劃》明確指出,大清河流域承載著京津冀協同發展戰略的重要地理意義,亟需對流域內水資源、防洪防澇和水生態等各方面問題和短板進行綜合治理。

1.2 王村分洪閘改擴建工程建設概況

王村分洪閘始建于1955年,位于河北省廊坊市文安縣境內的大清河重要行洪河道趙王新河右堤上,距離上游大清河南支白洋淀出口的棗林莊樞紐僅18 km,初建時為緩解白洋淀泄洪壓力的泄洪閘,棗林莊樞紐建成后改為分洪閘,連接改道之后的趙王新渠,向文安洼蓄滯洪區分洪。該閘建設至今已六十余載,超出50a的報廢期限,經歷1956年和1963年兩次海河特大洪水,在運行中也存在較大的安全隱患。2021年,水利部海河水利委員會批準王村分洪閘的改擴建工程建設,在原壩體的基礎上增強抗震能力、更換啟閉機構、增設自動化控制系統。工程建成后將更好地分減趙王新河洪水,減輕下游東淀的防洪壓力,保障雄安新區起步區和雄縣組團的防洪安全。

2 數字孿生王村分洪閘項目建設總體規劃

數字孿生技術是通過物理世界與數字世界之間的數據交互與信息反饋,實現對物理對象在數字空間中的實時映射與動態仿真。根據王村分洪閘改建項目要求,建設內容主要包括:

1)數字孿生智慧平臺,負責整合各類數據資源、算法模型、業務應用等組件,構建數據交換和業務協同平臺,承載數據共享,業務集成、服務輸出等功能。

2)信息化基礎設施,負責搭建各類信息采集、傳輸、存儲、處理等硬件設備和網絡系統,為數據服務提供支撐。

3)業務應用,負責開發各類滿足用戶需求和場景需求的業務功能模塊,如監測預警、調度指揮、運行維護。

4)網絡安全體系,負責執行各類網絡安全策略和措施,保障數據安全、系統安全、業務安全。

5)保障支撐體系,負責提供各類人力、物力資源和技術支持。項目以保障工程安全為中心,要求具備“四預”能力,實現水閘智能化管理,在完成數據底板、業務數據和信息化基礎設施建設基礎上,再進行數字孿生平臺和業務應用的開發。

3 數字孿生平臺建設方案

數字孿生平臺建設是數字孿生王村分洪閘的核心部分,是對物理分洪閘進行數據采集、模型構建、仿真模擬、智能調度等功能實現的軟件平臺。根據實施方案,數字孿生平臺主要包括以下幾個模塊(如圖1所示)。

圖1 數字孿生平臺建設方案

3.1 數據采集、獲取與存儲模塊

數據采集、獲取與存儲模塊是數字孿生平臺的基礎模塊,負責實現對分洪閘的各類數據的采集、獲取與存儲,進一步形成數據底座。利用現有的LCU、RTU設備,通過在分洪閘及上下游河道安裝各類傳感器,如應力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、流量傳感器,配合無人機、衛星對分洪閘的周邊環境進行定期監測,獲取影響分洪閘運行的地形地貌、植被覆蓋、土壤濕度等數據,從物理分洪閘及其周邊環境中采集庫區水位、下泄流量、閘門開度等實時監測數據,以及水位、流量、降雨量、溫度等水文數據,將數據傳輸到云端服務器或邊緣計算節點存儲,進行數據清理、轉換與校驗。

3.2 模型構建模塊

模型構建模塊是數字孿生平臺的核心模塊,負責根據分洪閘的物理特性和功能要求,建立適合的物理模型、數學模型和仿真模型,并實現模型之間的互聯互通,在GIS、BIM平臺上分別構建高精度三維地形地貌模型與三維工程結構模型,在數值仿真平臺上構建各類數學模型如一維二維水動力學模型、汛期調度優化模型等,并與三維模型進行融合,進行參數標定和模型驗證[1]。目前已完成建設前期王村閘閘址4.5km2范圍內的無人機航測,部分制作完成DOM、DEM模型,制作實景模型和施工圖BIM模型。

3.3 仿真模擬模塊

仿真模擬模塊的功能是根據模型構建模塊提供的模型,結合數據底板和模型底板,對分洪閘的各種工況和場景進行靜態仿真和動態仿真。靜態仿真主要展現分洪閘及其周邊環境的空間結構和屬性特征,通過與數據采集、獲取與存儲模塊的歷史數據交互,對分洪閘在不同工況下的運行狀態進行離線仿真,并將仿真結果與歷史結果對比,以評估分洪閘的運行效果和改進空間,同時將離線仿真結果以圖形、圖表等形式可視化輸出;動態仿真主要展現分洪閘及其周邊環境在不同情景下的運行狀態和變化過程,如正常運行、汛期調度、枯水期保證、應急響應等,并以三維動態圖像可視化展示,實現對分洪閘的虛擬監測和預演。

3.4 智能調度模塊

智能調度模塊負責根據仿真模擬模塊提供的結果,結合水利業務知識庫和人工智能技術如機器學習、深度學習等,實現“四預”功能,對分洪閘的歷史數據和實時數據進行分析和挖掘,提取出有價值的信息和知識,并結合數學模型和優化算法如遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等,對分洪閘在不同工況下的運行方案進行優化求解,得到最優或次優的調度方案。同時,通過機器學習技術自動調整優化算法中的各參數和權重,為分洪閘的運行管理提供智能化的決策支持和優化建議,生成最優或最可行的調度方案,以信息反饋與實現對分洪閘的虛實交互和迭代優化。

4 數字孿生王村分洪閘建設對大清河流域水資源管理的影響

4.1 強化分洪調節能力,提高流域防洪水平

數字孿生平臺可以實現對分洪閘結構安全性和水力特性的實時監測和預警,及時發現并排除各類隱患和故障,保障分洪閘在極端工況下正常運行,避免潰壩等重大事故,提高應對復雜汛情的能力,強化分洪閘的運行效率。利用數字孿生平臺的仿真模擬,在數字孿生平臺建立、訓練對王村分洪閘運行狀態及輸入輸出變量之間的非線性映射關系,可以提高預測精度和泛化能力,減少因數據缺失或不準確導致的誤差和偏差,同時根據仿真模擬結果,估算分洪閘在極端工況下的最高水位和最大流量,分析分洪閘在改擴建后的防洪能力是否符合標準。根據數據制定合理的防洪預案和調度方案,確定分洪閘的開啟和關閉時機,減少人為干預和誤操作。

4.2 優化流域用水調度,提高水資源利用效率

數字孿生平臺可以實現對大清河流域水資源系統的全面感知和智能控制,以優化水資源配置,提高水資源利用效率。具體表現在以下2個方面:①優化流域灌溉區內部水資源配置,實時感知、分析灌溉區內部水量、水質、水時空分布等多維度信息,優化配置灌區內部不同用水部門、不同作物、不同生育期之間的水量,滿足農業用水、工業用水、城鎮生活用水和景觀生態用水等多種需求;②優化流域間水資源配置,協同調度上游來水、下游排水、引調水運用及生態用水等各個環節,優化流域間水資源配置方案,提高流域間水資源利用效率和節約率[2]。

4.3 促進流域用水協同,提升多目標服務水平

通過數字孿生技術,可以實現分洪閘與流域其他水利工程(如水庫、渠道、泵站等)之間的信息互聯互通,形成統一的數字平臺,集成、共享多元數據,多方參與決策,閘區還可以與上游來水單位、下游排水單位、左右岸鄰近區等其他水利部門交換信息,及時了解上下游來排水情況,協調處理可能出現的涉水糾紛或突發事件,實現用排水協同。在未來的全流域數字孿生平臺一體化建設下,大清河流域管理部門可以全面掌握流域間來排水量、來排水質、來排水時空分布等信息,系統評估流域間不同地區、不同行業、不同領域的用排耗污情況,并根據流域間總量控制、強度控制等相關法律規范,制定流域間用排耗污指標分配方案,統一管理,提升多目標服務水平。

4.4 保護流域水環境,提升水資源管理綜合效益

基于數字孿生平臺所提供的數據,在流域管理方面可以綜合考慮各種因素,如氣候變化、社會經濟需求、生態環境保護等,評估不同方案側重下的綜合效益。生態效益具體體現在水質、水量、水生態3個方面:①監測水質,實時掌握水體的水質狀況,發現并處置閘區周邊的工業污染、農業面源污染、生活污染,合理調整分洪閘的開啟時間和開啟程度,控制向下游排放的污染物負荷,確保下游河道水質達標;②保證水量,監控閘區附近流域用排耗水量情況,支持相關用耗節控措施的制定決策;③保護水生態,掌握流域周邊濕地、河岸帶、魚類棲息地等重要生態功能區的狀況,輔助制定合理有效的生態保護修復措施,保障流域物種多樣性[3]。在確保生態效益的基礎上,可以進一步利用數字孿生平臺評估分洪閘項目涉及的防洪安全、供排灌溉、發電效益、航運便利等社會效益和經濟效益,優化調整流域產業結構和發展模式。

5 結 語

數字孿生王村分洪閘建設是基于智慧水利理念和數字孿生技術進行建設的新型水利工程項目,以數據采集、模型建立、仿真模擬、智能調度等功能集成,實現對分洪閘全要素、全過程、全周期的數字化映射與智能化模擬,并與物理流域同步仿真運行、虛實交互。王村分洪閘的數字孿生項目建設將有效提高大清河流域的防洪能力,優化水資源配置,保護生態環境,將為大清河流域水利高質量發展提供經驗和范例,為雄安新區建設和京津冀協同發展作出貢獻。