治水用水护水有了“智慧大脑”

刘洁 陈亮雄

数字孪生三峡

国之重器——三峡工程位于长江的中上游，是长江流域骨干性、控制性工程，在防洪、发电、航运中发挥着重要作用。长江流域与三峡工程密不可分，只有对长江流域与三峡工程进行统筹考虑，才能确保三峡工程持续发挥效益。中国长江三峡集团有限公司、水利部长江水利委员会开展了数字孪生三峡的建设工作，并在防洪精准调度、工程安全管理、排污口监测等方面取得了突破。

在防洪方面，数字孪生三峡通过基于调度规则的正向计算与基于目标的反向計算，实现了水库群的联合调度，并考虑到了长江流域的蓄滞洪区与洲滩民垸的复杂情况，可快速做出互馈计算，支持水利部门开展智能调度预演分析，并对调度方案进行精准决策。在工程安全方面，数字孪生三峡通过预报泥沙演进、智能调度减淤、监控库容冲淤动态等，确保水库正常运行。同时，通过研发遥感智能解译模型和空间合规研判算法，对三峡库区的重点河段智慧巡库，大大减少了巡库的时间成本与人力成本，提高了巡库效率。在排污口监测方面，运用无人机巡航和AI识别等技术手段，实时动态监管三峡库区排污口的排污情况，并对水中污染物扩散进行模拟与推演，对支流可能发生的水华现象进行预警，帮助水利部门更加迅速、全面地了解流域的水质状况，及时采取措施，保护水体环境。

数字孪生丹江口

丹江口水库位于长江最长的支流——汉江的中上游，是我国最早建设的大型水利枢纽工程，也是南水北调中线工程水源地。为保障丹江口水库的大坝安全、供水安全、水质安全、库区安全，南水北调中线水源有限责任公司展开了数字孪生丹江口的建设工作。

丹江口水库的水质情况影响着南水北调工程沿线的北京、天津等14座大、中城市的用水安全。在数字孪生丹江口建设前，若库区突发水污染，监测人员需要不分昼夜地开展连续性、多断面采样。由于库区面积广阔且水域流场复杂，水质采样、送检耗时耗力，对于未来水质污染扩散情况仅能通过多次、实时监测及长期经验辅助判断，精准预判水质污染输移扩散情况是很困难的。数字孪生丹江口很好地解决了这一难题，在系统中随机输入丹江口库区某入库支流站点污染物浓度数值，系统通过水质输移扩散模型，快速推演出该污染物未来7天输移扩散路径、在不同深度水域的含量、对陶岔渠首输水影响等重要结论，及时发出预警并提供指导性预案，保障沿线城市用水安全。

推演水质污染扩散仅是数字孪生丹江口的功能之一。数字孪生丹江口实现了水—库—坝全息实时映射与“四预”业务智能应用，实现与数字孪生流域信息互联、业务互馈，在2023年汉江秋汛及水库汛后蓄水等重要事件和水库日常运行管理保护等业务中，成功投入实战并发挥显著作用。数字孪生丹江口水源工程从防洪保安全、优质水资源、健康水生态、宜居水环境四个方面，打造大坝安全、供水安全、水质安全、库区安全四大场景，用数字技术智慧把脉，做好安全医生，书写水利高质量发展“蓝色”答卷。

数字孪生黄河

2023年黄河防洪调度演练现场呈现出一幅独特的景象：在全景数字孪生平台上，一条虚拟的“云黄河”生动地展示出极端天气条件下黄河沿岸潜在的险情分布。通过虚拟的“云黄河”，现场人员可以清晰地看到洪水的演进情况、沿岸居民的受灾情况等，显著提升了防汛会商的效率。这条“云黄河”就是水利部黄河水利委员会建设的数字孪生黄河。

黄河是中华民族的母亲河。黄河流域不仅防汛压力大，还面临着泥沙淤积、水土保持方面的问题与挑战。数字孪生黄河紧密围绕防汛和水资源等业务应用，建设完善10余项治黄应用系统；自主研发应用“智能石头”、光电测沙仪、小禹防汛机器人等技术产品，为古老的治河难题提供了新的解决办法。

其中特别值得一提的是其貌不扬的“智能石头”。黄河沿岸有大量的坝体，坝体石头的牢固与否直接决定了坝体是否安全。为了避免滔滔不绝的黄河水将坝体的石头冲走，需要对坝体的状态进行实时监测，这时候“智能石头”就派上了用场。“智能石头”由信息处理微型智能芯片和电池组成，把“智能石头”放在根石堆里，连上传感器，就成为了水利工作人员打入根石堆的一个小侦察员。只要沿河的坝石、坝体稍有异常，“智能石头”就会进行录像抓拍并发出报警信号，一线巡查人员可以第一时间赶到出险现场进行险情处置，确保坝体安全。

数字孪生北江

珠江是中国第三长河，流经云南、贵州、广西、广东、湖南、江西6个省份，最终流入南海。珠江流域水能资源蕴藏丰富，是中国经济最为繁荣的地区之一。北江是珠江的重要支流，流域内暴雨洪水频发，平均每年发生洪水3～4次，水利工程众多，安全运行监管面临很大压力。为保障流域安全，广东省水利厅展开了数字孪生北江的建设工作。

数字孪生北江流域耦合包括水库、蓄滞洪区、水闸、分洪河道、堤防等在内的防洪工程体系与数字孪生技术，实现了“预报预警—工程调度—河道演进—精细模拟—风险研判—预案执行”全流程智能治水，提高了流域防洪协同、统筹水资源调度和工程智慧化管理能力。2023年9月，台风“海葵”登陆中国台湾。数字孪生北江系统根据推算得出，受台风“海葵”残余环流的影响，广州市南部可能产生暴雨，并结合预报降雨与水利工程风险隐患数据，发现了强降雨期间可能存在高风险隐患的堤防、水库、水闸等水利工程。广东省水利厅根据系统提供的详尽风险隐患信息，提前加强了高风险隐患工程的排查与防守，有针对性地提前安排了重点区域的抢险力量，保障人民群众生命财产安全。

风调雨顺是中华民族自古以来的朴素愿望。长江、黄河和珠江流域的数字孪生流域建设的成功实践表明，如今我们在面对江河泛滥、洪涝肆虐时不再束手无策，而有了多种多样的技术与手段来防御洪水、利用水资源。在全球数字化浪潮下，数字孪生流域还将有哪些新的突破与应用，让我们拭目以待！

基金项目：广东省水利科技创新项目“多领域深度融合水库智能小站关键技术研究”，项目编号：2022-02

作者单位|广东省水利水电科学研究院