基于智慧水利的数字孪生对流域水资源管理的影响探析

徐丽娟

(河北省大清河河务中心,河北 保定 071000)

分洪闸是一种重要的水利工程,可以调节河流水量、防止洪水泛滥、保护下游地区安全,也是流域防洪调度、水资源管理的重要保障。随着智慧水利技术的演进,数字孪生分洪闸建设成为提升分洪闸智能化水平的优先方案。数字孪生分洪闸可以实时监控物理分洪闸,及时发现问题,优化调度,以实现预报、预警、预演、预案(以下简称“四预”)的功能,优化水资源配置,保护生态环境。文章以大清河流域重点建设项目——数字孪生王村分洪闸建设为例,探讨数字孪生智慧水利建设及其流域水资源管理的影响。

1 大清河流域与王村分洪闸建设概况

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,东至渤海湾,北界永定河,南临子牙河,跨晋、冀、京、津四省市。流域内有京广、津浦等铁路干线和京石、京沪等高速公路,以及华北、大港两大油田及“陕-京”天然气管线,战略意义十分突出。流域属温带大陆性季风气候区,降雨集中在7～8月份,常以暴雨形式出现,降雨强度大、持续时间长是本流域洪涝灾害频繁的主因,流域内有白洋淀、东淀等多个蓄滞洪区,以及多条分洪、泄洪、调洪的枢纽工程和行洪河道,对防洪调水和灌溉补水起着重要作用。2022年1月水利部出台《大清河流域综合规划》明确指出,大清河流域承载着京津冀协同发展战略的重要地理意义,亟需对流域内水资源、防洪防涝和水生态等各方面问题和短板进行综合治理。

1.2 王村分洪闸改扩建工程建设概况

王村分洪闸始建于1955年,位于河北省廊坊市文安县境内的大清河重要行洪河道赵王新河右堤上,距离上游大清河南支白洋淀出口的枣林庄枢纽仅18 km,初建时为缓解白洋淀泄洪压力的泄洪闸,枣林庄枢纽建成后改为分洪闸,连接改道之后的赵王新渠,向文安洼蓄滞洪区分洪。该闸建设至今已六十余载,超出50a的报废期限,经历1956年和1963年两次海河特大洪水,在运行中也存在较大的安全隐患。2021年,水利部海河水利委员会批准王村分洪闸的改扩建工程建设,在原坝体的基础上增强抗震能力、更换启闭机构、增设自动化控制系统。工程建成后将更好地分减赵王新河洪水,减轻下游东淀的防洪压力,保障雄安新区起步区和雄县组团的防洪安全。

2 数字孪生王村分洪闸项目建设总体规划

数字孪生技术是通过物理世界与数字世界之间的数据交互与信息反馈,实现对物理对象在数字空间中的实时映射与动态仿真。根据王村分洪闸改建项目要求,建设内容主要包括:

1)数字孪生智慧平台,负责整合各类数据资源、算法模型、业务应用等组件,构建数据交换和业务协同平台,承载数据共享,业务集成、服务输出等功能。

2)信息化基础设施,负责搭建各类信息采集、传输、存储、处理等硬件设备和网络系统,为数据服务提供支撑。

3)业务应用,负责开发各类满足用户需求和场景需求的业务功能模块,如监测预警、调度指挥、运行维护。

4)网络安全体系,负责执行各类网络安全策略和措施,保障数据安全、系统安全、业务安全。

5)保障支撑体系,负责提供各类人力、物力资源和技术支持。项目以保障工程安全为中心,要求具备“四预”能力,实现水闸智能化管理,在完成数据底板、业务数据和信息化基础设施建设基础上,再进行数字孪生平台和业务应用的开发。

3 数字孪生平台建设方案

数字孪生平台建设是数字孪生王村分洪闸的核心部分,是对物理分洪闸进行数据采集、模型构建、仿真模拟、智能调度等功能实现的软件平台。根据实施方案,数字孪生平台主要包括以下几个模块(如图1所示)。

图1 数字孪生平台建设方案

3.1 数据采集、获取与存储模块

数据采集、获取与存储模块是数字孪生平台的基础模块,负责实现对分洪闸的各类数据的采集、获取与存储,进一步形成数据底座。利用现有的LCU、RTU设备,通过在分洪闸及上下游河道安装各类传感器,如应力传感器、位移传感器、温度传感器、水位传感器、流量传感器,配合无人机、卫星对分洪闸的周边环境进行定期监测,获取影响分洪闸运行的地形地貌、植被覆盖、土壤湿度等数据,从物理分洪闸及其周边环境中采集库区水位、下泄流量、闸门开度等实时监测数据,以及水位、流量、降雨量、温度等水文数据,将数据传输到云端服务器或边缘计算节点存储,进行数据清理、转换与校验。

3.2 模型构建模块

模型构建模块是数字孪生平台的核心模块,负责根据分洪闸的物理特性和功能要求,建立适合的物理模型、数学模型和仿真模型,并实现模型之间的互联互通,在GIS、BIM平台上分别构建高精度三维地形地貌模型与三维工程结构模型,在数值仿真平台上构建各类数学模型如一维二维水动力学模型、汛期调度优化模型等,并与三维模型进行融合,进行参数标定和模型验证[1]。目前已完成建设前期王村闸闸址4.5km2范围内的无人机航测,部分制作完成DOM、DEM模型,制作实景模型和施工图BIM模型。

3.3 仿真模拟模块

仿真模拟模块的功能是根据模型构建模块提供的模型,结合数据底板和模型底板,对分洪闸的各种工况和场景进行静态仿真和动态仿真。静态仿真主要展现分洪闸及其周边环境的空间结构和属性特征,通过与数据采集、获取与存储模块的历史数据交互,对分洪闸在不同工况下的运行状态进行离线仿真,并将仿真结果与历史结果对比,以评估分洪闸的运行效果和改进空间,同时将离线仿真结果以图形、图表等形式可视化输出;动态仿真主要展现分洪闸及其周边环境在不同情景下的运行状态和变化过程,如正常运行、汛期调度、枯水期保证、应急响应等,并以三维动态图像可视化展示,实现对分洪闸的虚拟监测和预演。

3.4 智能调度模块

智能调度模块负责根据仿真模拟模块提供的结果,结合水利业务知识库和人工智能技术如机器学习、深度学习等,实现“四预”功能,对分洪闸的历史数据和实时数据进行分析和挖掘,提取出有价值的信息和知识,并结合数学模型和优化算法如遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等,对分洪闸在不同工况下的运行方案进行优化求解,得到最优或次优的调度方案。同时,通过机器学习技术自动调整优化算法中的各参数和权重,为分洪闸的运行管理提供智能化的决策支持和优化建议,生成最优或最可行的调度方案,以信息反馈与实现对分洪闸的虚实交互和迭代优化。

4 数字孪生王村分洪闸建设对大清河流域水资源管理的影响

4.1 强化分洪调节能力,提高流域防洪水平

数字孪生平台可以实现对分洪闸结构安全性和水力特性的实时监测和预警,及时发现并排除各类隐患和故障,保障分洪闸在极端工况下正常运行,避免溃坝等重大事故,提高应对复杂汛情的能力,强化分洪闸的运行效率。利用数字孪生平台的仿真模拟,在数字孪生平台建立、训练对王村分洪闸运行状态及输入输出变量之间的非线性映射关系,可以提高预测精度和泛化能力,减少因数据缺失或不准确导致的误差和偏差,同时根据仿真模拟结果,估算分洪闸在极端工况下的最高水位和最大流量,分析分洪闸在改扩建后的防洪能力是否符合标准。根据数据制定合理的防洪预案和调度方案,确定分洪闸的开启和关闭时机,减少人为干预和误操作。

4.2 优化流域用水调度,提高水资源利用效率

数字孪生平台可以实现对大清河流域水资源系统的全面感知和智能控制,以优化水资源配置,提高水资源利用效率。具体表现在以下2个方面:①优化流域灌溉区内部水资源配置,实时感知、分析灌溉区内部水量、水质、水时空分布等多维度信息,优化配置灌区内部不同用水部门、不同作物、不同生育期之间的水量,满足农业用水、工业用水、城镇生活用水和景观生态用水等多种需求;②优化流域间水资源配置,协同调度上游来水、下游排水、引调水运用及生态用水等各个环节,优化流域间水资源配置方案,提高流域间水资源利用效率和节约率[2]。

4.3 促进流域用水协同,提升多目标服务水平

通过数字孪生技术,可以实现分洪闸与流域其他水利工程(如水库、渠道、泵站等)之间的信息互联互通,形成统一的数字平台,集成、共享多元数据,多方参与决策,闸区还可以与上游来水单位、下游排水单位、左右岸邻近区等其他水利部门交换信息,及时了解上下游来排水情况,协调处理可能出现的涉水纠纷或突发事件,实现用排水协同。在未来的全流域数字孪生平台一体化建设下,大清河流域管理部门可以全面掌握流域间来排水量、来排水质、来排水时空分布等信息,系统评估流域间不同地区、不同行业、不同领域的用排耗污情况,并根据流域间总量控制、强度控制等相关法律规范,制定流域间用排耗污指标分配方案,统一管理,提升多目标服务水平。

4.4 保护流域水环境,提升水资源管理综合效益

基于数字孪生平台所提供的数据,在流域管理方面可以综合考虑各种因素,如气候变化、社会经济需求、生态环境保护等,评估不同方案侧重下的综合效益。生态效益具体体现在水质、水量、水生态3个方面:①监测水质,实时掌握水体的水质状况,发现并处置闸区周边的工业污染、农业面源污染、生活污染,合理调整分洪闸的开启时间和开启程度,控制向下游排放的污染物负荷,确保下游河道水质达标;②保证水量,监控闸区附近流域用排耗水量情况,支持相关用耗节控措施的制定决策;③保护水生态,掌握流域周边湿地、河岸带、鱼类栖息地等重要生态功能区的状况,辅助制定合理有效的生态保护修复措施,保障流域物种多样性[3]。在确保生态效益的基础上,可以进一步利用数字孪生平台评估分洪闸项目涉及的防洪安全、供排灌溉、发电效益、航运便利等社会效益和经济效益,优化调整流域产业结构和发展模式。

5 结 语

数字孪生王村分洪闸建设是基于智慧水利理念和数字孪生技术进行建设的新型水利工程项目,以数据采集、模型建立、仿真模拟、智能调度等功能集成,实现对分洪闸全要素、全过程、全周期的数字化映射与智能化模拟,并与物理流域同步仿真运行、虚实交互。王村分洪闸的数字孪生项目建设将有效提高大清河流域的防洪能力,优化水资源配置,保护生态环境,将为大清河流域水利高质量发展提供经验和范例,为雄安新区建设和京津冀协同发展作出贡献。