数字孪生在防洪抗旱的应用

数字孪生在防洪抗旱的应用

许皓

（安徽省机电排灌总站 安徽 合肥 230001）

摘要：在当前数字技术越来越成熟的时代，数字孪生技术应运而生，并且由于其在数据、模型、服务等方面的巨大优势，被各大领域的专家学者所研究，已经逐渐被应用到各个行业当中。而且，数字孪生理论大大促进了水利行业的应用创新，目前水利行业已经开始摸索数字孪生在防洪抗旱方面的应用并加以实践。本文对数字孪生技术做了简要概述，进而探究数字孪生在防洪抗旱方面的具体应用，以期将数字孪生的技术优势发挥到极致，为防洪抗旱工作献出一份力。

关键词：数字孪生；防洪抗旱；应用

一、数字孪生技术概述

所谓数字孪生，是指具有数据链接的特定物理实体或过程的数字化表达，具体来说，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多尺度、多物理量、多学科、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

二、数字孪生技术在防洪抗旱的应用

依据数字孪生技术的理论，可以在局部河段、水闸、堤防、单独水库以及河道整治工程等方面构建数字孪生体。将虚拟零件组合成虚拟组件，再将这些组件整合入河流的各个运作系统中，进一步再组合成整条河流。创建流域管理的数字孪生模型的话，可以进一步链接更多的水利系统，如流域规划系统、水资源管理系统与水旱灾害防御系统等。并且，数字孪生技术通过数字技术、机器学习和洞察物理世界的行为，可以帮助人们做出更好的管理与决策工作。因而，数字孪生技术逐渐被应用到水利行业中，在防洪抗旱方面的应用具有巨大潜力。“数字黄河”工程便是数字孪生在防洪抗旱方面的一大应用，以下作具体说明。

“数字黄河”是针对现实黄河而言的虚拟对照事物，是数字技术催生出的存在于计算机里黄河。“数字黄河”工程是数字孪生理论与技术在黄河治理的开发与管理上的综合应用。黄河水利科学研究院智慧水利创新团队促成了“数字黄河”工程的实施，他们利用数字孪生技术开展了多项研究，包括关于黄河中下游人工智能预报、洪水演进、水库调度智能适配技术、灾情评估的模型的模拟研究，并将这些模型展示于数字孪生地图上，可以辅助黄河流域管理做出科学决策。

（一）数字孪生技术在防洪抗旱方面的模型构建应用

在“数字黄河”工程中，关于数字孪生在防洪方面的应用主要是构建了五种应用模型：

一是洪水预报模型，主要包括黄河中游三门峡库区洪水预报模型、渭河中下游洪水预报模型、花园口站年最大流量预报模型、小花间分布式水文模型、黄河三花间降雨径流模型。二是冰情预报模型，主要包括宁蒙河段冰情预报神经网络模型、宁蒙河段冰凌预报统计模型、宁蒙河段槽蓄水量计算模型以及黄河下游冰情预报模型。三是气象径流预报模型，主要包括黄河流域长期天气预报模型、黄河流域中期降雨预报模型、伊洛河、沁河径流预测模型。四是洪水泥沙调度模型，主要包括龙羊峡、刘家峡联合防洪调度模型，三门峡、小浪底、陆浑、故县四库防洪调度模型，小浪底水库一维水动力学模型等。五是洪水泥沙演进模型主要包括黄河下游一维非恒定流水沙动力学模型、黄河下游二维水沙演进动力学模型。

在“数字黄河”工程中，关于数字孪生在抗旱方面的应用与水资源的保护有关，主要从水资源的管理与调度、水土保持、水资源保护、流域规划四方面构建模型。

首先，黄河水资源的调度与管理应用模型又分为两种类型，主要包括水资源预报和水量调度这两类模型。其次，在水资源保护方面主要构建的应用模型有黄河下游一维动态水质模型以及小浪底至高村河段水质模型。而在水土保持方面构建的应用模型主要有农地年土壤侵蚀量的经验模型、小流域分布式水动力学模型、陕北中小流域输沙量计算模型等。另外，在流域规划方面构建了大量的应用模型，其中包含水库水文水动力学数学模型、宁蒙河段水文水动力学模型、水库一维水动力学模型、黄河下游一维恒定流水动力学模型、龙潼河段水文水动力学模型、黄河下游水文水动力学模型、水资源经济模型、黄河上游电能计算模型、电力系统电源优化开发模型。

（二）数字孪生在防洪抗旱的宏观应用

在“数字黄河”工程中，除了模型构建技术，数字孪生在防洪抗旱领域还开展了大量的应用实践，实现了以下几种功能:

一是动态感知功能。集成物联网感知和各类水文监测信息，不仅可以收集展示水库、河道整治工程、水文站、堤防的动态信息，还可以实时查询各断面历史冲淤变化情况而进行监测。

二是预报调度功能。平台接入气象预报数据，为实时预报与全链条业务模型提供实时数据输入；通过输入的气象水文数据，内嵌智能算法对黑石关、武陟进行径流预测，基于相似度适配技术进行小浪底水库调度方案推荐，对径流预报结果进行调度计算结果展示。

三是方案预演功能。数字孪生技术可以通过提供方案信息一览表来为防汛决策预案提供数据支撑，还可以通过为黄河下游防洪过程中居民迁安救护预演撤退路线，为防汛预案管理和信息发布提供保障。

四是方案对比功能。平台提供洪水演进方案对比功能，在贮存所有计算方案信息的基础上，进行实时比对与实时分屏展示的细节对比。

五是预警发布功能。数字孪生系统可以滚动播报黄河汛情，并且结合手机短信发布功能，在规定允许的情况下对居民发布紧急通知。

三、总结

数字孪生技术是“互联网+”时代的新兴事物，它的发展反映了人类认识世界观的改变，它为人们发现、认知和更新改造世界提供了新的途径。随着技术的不断进步以及精密设备的研发，数字孪生技术应用的领域会越来越广阔。总而言之，数字孪生技术尚在初步发展阶段，在水利业务中的发展还比较缓慢，其在防洪抗旱方面的应用还需及时拓展，才能在防洪抗旱中发挥更大的价值。

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作者简介:许皓  （1990年8月出生），男，汉族，安徽石台县人，毕业于河海大学，研究生学历，单位:安徽省机电排灌总站，工程师。