治水用水護水有了“智慧大腦”

劉潔 陳亮雄

數字孿生三峽

國之重器——三峽工程位于長江的中上游，是長江流域骨干性、控制性工程，在防洪、發電、航運中發揮著重要作用。長江流域與三峽工程密不可分，只有對長江流域與三峽工程進行統籌考慮，才能確保三峽工程持續發揮效益。中國長江三峽集團有限公司、水利部長江水利委員會開展了數字孿生三峽的建設工作，并在防洪精準調度、工程安全管理、排污口監測等方面取得了突破。

在防洪方面，數字孿生三峽通過基于調度規則的正向計算與基于目標的反向計算，實現了水庫群的聯合調度，并考慮到了長江流域的蓄滯洪區與洲灘民垸的復雜情況，可快速做出互饋計算，支持水利部門開展智能調度預演分析，并對調度方案進行精準決策。在工程安全方面，數字孿生三峽通過預報泥沙演進、智能調度減淤、監控庫容沖淤動態等，確保水庫正常運行。同時，通過研發遙感智能解譯模型和空間合規研判算法，對三峽庫區的重點河段智慧巡庫，大大減少了巡庫的時間成本與人力成本，提高了巡庫效率。在排污口監測方面，運用無人機巡航和AI識別等技術手段，實時動態監管三峽庫區排污口的排污情況，并對水中污染物擴散進行模擬與推演，對支流可能發生的水華現象進行預警，幫助水利部門更加迅速、全面地了解流域的水質狀況，及時采取措施，保護水體環境。

數字孿生丹江口

丹江口水庫位于長江最長的支流——漢江的中上游，是我國最早建設的大型水利樞紐工程，也是南水北調中線工程水源地。為保障丹江口水庫的大壩安全、供水安全、水質安全、庫區安全，南水北調中線水源有限責任公司展開了數字孿生丹江口的建設工作。

丹江口水庫的水質情況影響著南水北調工程沿線的北京、天津等14座大、中城市的用水安全。在數字孿生丹江口建設前，若庫區突發水污染，監測人員需要不分晝夜地開展連續性、多斷面采樣。由于庫區面積廣闊且水域流場復雜，水質采樣、送檢耗時耗力，對于未來水質污染擴散情況僅能通過多次、實時監測及長期經驗輔助判斷，精準預判水質污染輸移擴散情況是很困難的。數字孿生丹江口很好地解決了這一難題，在系統中隨機輸入丹江口庫區某入庫支流站點污染物濃度數值，系統通過水質輸移擴散模型，快速推演出該污染物未來7天輸移擴散路徑、在不同深度水域的含量、對陶岔渠首輸水影響等重要結論，及時發出預警并提供指導性預案，保障沿線城市用水安全。

推演水質污染擴散僅是數字孿生丹江口的功能之一。數字孿生丹江口實現了水—庫—壩全息實時映射與“四預”業務智能應用，實現與數字孿生流域信息互聯、業務互饋，在2023年漢江秋汛及水庫汛后蓄水等重要事件和水庫日常運行管理保護等業務中，成功投入實戰并發揮顯著作用。數字孿生丹江口水源工程從防洪保安全、優質水資源、健康水生態、宜居水環境四個方面，打造大壩安全、供水安全、水質安全、庫區安全四大場景，用數字技術智慧把脈，做好安全醫生，書寫水利高質量發展“藍色”答卷。

數字孿生黃河

2023年黃河防洪調度演練現場呈現出一幅獨特的景象：在全景數字孿生平臺上，一條虛擬的“云黃河”生動地展示出極端天氣條件下黃河沿岸潛在的險情分布。通過虛擬的“云黃河”，現場人員可以清晰地看到洪水的演進情況、沿岸居民的受災情況等，顯著提升了防汛會商的效率。這條“云黃河”就是水利部黃河水利委員會建設的數字孿生黃河。

黃河是中華民族的母親河。黃河流域不僅防汛壓力大，還面臨著泥沙淤積、水土保持方面的問題與挑戰。數字孿生黃河緊密圍繞防汛和水資源等業務應用，建設完善10余項治黃應用系統；自主研發應用“智能石頭”、光電測沙儀、小禹防汛機器人等技術產品，為古老的治河難題提供了新的解決辦法。

其中特別值得一提的是其貌不揚的“智能石頭”。黃河沿岸有大量的壩體，壩體石頭的牢固與否直接決定了壩體是否安全。為了避免滔滔不絕的黃河水將壩體的石頭沖走，需要對壩體的狀態進行實時監測，這時候“智能石頭”就派上了用場?！爸悄苁^”由信息處理微型智能芯片和電池組成，把“智能石頭”放在根石堆里，連上傳感器，就成為了水利工作人員打入根石堆的一個小偵察員。只要沿河的壩石、壩體稍有異常，“智能石頭”就會進行錄像抓拍并發出報警信號，一線巡查人員可以第一時間趕到出險現場進行險情處置，確保壩體安全。

數字孿生北江

珠江是中國第三長河，流經云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西6個省份，最終流入南海。珠江流域水能資源蘊藏豐富，是中國經濟最為繁榮的地區之一。北江是珠江的重要支流，流域內暴雨洪水頻發，平均每年發生洪水3～4次，水利工程眾多，安全運行監管面臨很大壓力。為保障流域安全，廣東省水利廳展開了數字孿生北江的建設工作。

數字孿生北江流域耦合包括水庫、蓄滯洪區、水閘、分洪河道、堤防等在內的防洪工程體系與數字孿生技術，實現了“預報預警—工程調度—河道演進—精細模擬—風險研判—預案執行”全流程智能治水，提高了流域防洪協同、統籌水資源調度和工程智慧化管理能力。2023年9月，臺風“?？钡顷懼袊_灣。數字孿生北江系統根據推算得出，受臺風“?？睔堄喹h流的影響，廣州市南部可能產生暴雨，并結合預報降雨與水利工程風險隱患數據，發現了強降雨期間可能存在高風險隱患的堤防、水庫、水閘等水利工程。廣東省水利廳根據系統提供的詳盡風險隱患信息，提前加強了高風險隱患工程的排查與防守，有針對性地提前安排了重點區域的搶險力量，保障人民群眾生命財產安全。

風調雨順是中華民族自古以來的樸素愿望。長江、黃河和珠江流域的數字孿生流域建設的成功實踐表明，如今我們在面對江河泛濫、洪澇肆虐時不再束手無策，而有了多種多樣的技術與手段來防御洪水、利用水資源。在全球數字化浪潮下，數字孿生流域還將有哪些新的突破與應用，讓我們拭目以待！

基金項目：廣東省水利科技創新項目“多領域深度融合水庫智能小站關鍵技術研究”，項目編號：2022-02

作者單位|廣東省水利水電科學研究院