智慧水利理论体系与数字孪生流域虚拟模型研究成果述要

智慧水利是水利高质量发展的显著标志之一。围绕智慧水利理论体系不完善、流域映射精准度不高、模型精度不高、决策支撑程度低等问题,建立了由智慧流域基础理论、数字孪生流域基础理论和智能水网理论框架组成的智慧水利理论体系,研究了由数字孪生感知节点模型、数字孪生降水遥感模型、数字孪生蒸散发遥感模型、数字孪生土壤水遥感模型、数字孪生水体遥感模型、数字孪生地下水遥感模型、数字孪生水质遥感模型组成的数字孪生流域感知模型,构建了由数字孪生流域水文模型、数字孪生水动力水质模型、数字孪生动态调控模型、数字孪生虚拟仿真模型、数字孪生协同决策模型、数字孪生并行组合模型等组成的数字孪生流域虚拟模型。研究成果可为我国智慧水利建设提供理论基础和技术支撑。

实施水资源刚性约束制度的智慧化管理需求探讨

建立水资源刚性约束制度是提升水资源节约集约利用水平的重要举措,实施水资源刚性约束制度需要加强数字赋能。从水资源刚性约束对象与内容、水资源刚性约束指标及目标、水资源刚性约束措施等方面,分析了实施水资源刚性约束制度的智慧化管理业务需求,提出建立由实体水资源、数字水资源、市场水资源构成的实施水资源刚性约束制度的智慧化管理体系,分析了智慧化管理体系赋能水资源刚性约束制度实施的路径。

遥感降水降尺度高精度校正及不确定性分析方法

为消除降水场同质部分影响,提升统计降水降尺度结果精度,提出了基于贝叶斯高精度曲面建模(Bayes-HASM)算法的遥感降水降尺度高精度校正方法。该方法通过引入模拟精度更高的高精度曲面建模方法,并结合贝叶斯优化算法,实现了模型参数自动优化选择和高精度降尺度校正,解决了现有降尺度残差校正方法存在的误差和多尺度问题。结果表明:贝叶斯优化使高精度曲面建模的不确定性显著减少;经过Bayes-HASM残差校正后,降尺度结果的散点分布更加接近1∶1线,年、季、月和旬尺度的精度指标均得到了显著的改善,CC和IA指标提高至0.9左右,RMSE下降明显,RB也显著改善。本方法能显著降低模型的不确定性并起到消除降水场同质部分影响的作用,有效提升降水降尺度结果精度。

黄河北干流水沙时空变化特征及协调性分析

为了解黄河北干流河段径流和输沙的时空变化规律及趋势,基于2002—2021年黄河北干流水沙数据,采用Mann-Kendall检验、突变点检验、小波分析、水沙关系协调性分析等方法,对黄河北干流河段的头道拐、龙门、潼关3个水文站2002—2021年的水沙时空变化特征进行了分析。结果表明:黄河北干流河段的输沙年内不均匀程度和集中度均大于径流,并且年内特征变化更加显著;各站径流集中期主要出现在9月,而输沙集中期主要在8月和9月;流域内水沙变化的显著突变年份多发生在2005年和2017年,可能与近年大型水利工程的调控影响相关;3个水文站水沙序列主要时间尺度对应的周期分别为13、10、9 a;黄河北干流的水沙不协调性在2008年之前主要表现为水少沙多,而在2008年之后则表现为水多沙少,其中头道拐的来沙系数始终小于0.009,一直处于水多沙少的状态。总体上,研究期内黄河北干流河段径流量在不断上升,而输沙量明显减少,且随着时间的推移水多沙少的趋势愈发显著。

数字孪生流域的基础模型、演化路径与评判准则

从数字孪生流域的底层构建逻辑、发展演化路径、成熟度评判准则等方面,将数字孪生理论技术与流域治理管理相结合开展了如下研究:①提出了由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据和孪生流域知识组成的数字孪生流域基础模型;②研究了数字孪生流域演化路径,包括流域数字感知、流域数字映射、流域数字认知、流域数字模型、流域数字投影、流域数字孪生;③研究了数字孪生流域评判准则,包括要素能透彻感知、映射能高度逼真、状态能精准预测、推演能拟实假设、现象能合理解释、虚实能动态交互;④提出了数字孪生流域建设应关注的重点。研究成果可为推动数字孪生流域(水网、水利工程、灌区)的科学建设、有序运行和健康发展提供指导和借鉴。

以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究

标准是引领和支撑智慧水利规划设计、建设运行、迭代升级的重要抓手。在分析智慧水利概念达成共识、数字孪生水利研究与实施、智慧水利业务应用保障等智慧水利标准需求的基础上,设计了智慧水利标准体系形成的基本原则,分析了水利部提出智慧水利框架的演变过程,提出了一套由基础共性标准、信息化基础设施标准、数字孪生平台标准、业务应用标准、网络安全标准、建设与运行标准等构成的以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系,最后展望了智慧水利标准发展路径。期望本文建立的标准体系能够为我国智慧水利标准的系统研究、全面推进和科学制定提供参考,同时为智慧水利科学规范建设和健康有序发展提供支撑。

基于自适应网格的急流条件下污染物输运高效高精度模拟

为了高效准确模拟急流条件下突发水污染事件中污染物的输运规律,基于自适应网格技术构建了Godunov格式有限体积模型。模型利用自适应结构网格离散二维浅水控制方程,对水位梯度或污染物浓度梯度较大的区域进行精细网格划分,同时细化干湿边界区域网格。模型采用MUSCL-Hancock方法求解二维浅水控制方程,使模型具有时空二阶精度;利用HLLC格式近似Riemann解计算界面通量,对界面两侧的Riemann变量进行非负重构和局部底部高程修正以确保模型计算的和谐性和稳定性。算例验证表明:自适应网格技术可以自动识别水位梯度或污染物浓度梯度较大的区域以及干湿边界区域并细化该区域网格,保证模型模拟精度的基础上,提升模型模拟效率;该模型能够准确高效地模拟急流条件下污染物的输运过程,适用于突发水污染事件的评估、预警和应急管理。

影响滦河流域降水空间分布的多元环境因子作用机制

为定量评估环境因子对降水空间分布的影响,实现统计降尺度环境因子的科学选取,针对现有方法存在无法避免线性假设、无法保证多自变量共线性免疫和无法有效探索因子间交互作用对降水分布影响的问题,采用地理探测器的定量分析方法,以滦河流域为研究对象,从因子探测、交互探测和生态探测3个方面探究了环境因子及其交互作用对降水空间分布的影响。结果表明:因子探测中,在年、季、月和旬时间尺度上,经度、纬度、坡度、坡向、NDVI、高程的影响力均超过1%,能够直接影响降水的分布,其中纬度、经度和高程对降水分布的影响最为显著;交互探测中,除2月高程-坡度及7月上旬NDVI-经度外,其余交互作用均达到增强的效果,且所有因子交互结果的影响力均超过10%,相较于单因子有较大幅度的提升;生态探测中,不同环境因子对降水分布的影响差异显著。

国家智慧水网建设思路与对策——基于数字化转型与国产化自主双轮驱动的视角

为将新一代信息技术与水网工程全生命周期管控相结合,分析国家智慧水网建设面临的机遇与挑战,设计国家智慧水网发展目标和建设路径,提出国家智慧水网建设的总体方向、基本思路和技术对策,统筹数字化发展与网络安全底线。在国家水网工程建设已上升为国家战略的大背景下,构建国家智慧水网体系对于提升水网工程的数字化、网络化和智能化水平具有重要意义。

数字孪生流域:未来流域治理管理的新基建新范式

数字孪生流域是数字孪生地球的重要组成部分,厘清数字孪生流域理论定义和内涵是研究和建设数字孪生流域的前提和基础,对流域智慧化治理管理具有重要意义。本文基于数字孪生理论技术,开展了以下研究:(1)给出了数字孪生流域的定义,认为数字孪生流域是以服务流域全生命周期管理的全量数据和领域知识驱动物理流域和虚拟流域交互映射、共智进化、虚实融合的新基建新范式,并辨析了与传统建模仿真的区别。(2)数字孪生流域内涵是通过“由实入虚”、“以虚映实”和“由虚控实”实现物理流域对象的全生命周期管控,特征包括高度保真、演化自治、实时同步、闭环互动和共生进化。(3)数字孪生流域基本模型由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据和孪生流域知识组成,其核心能力包括物理流域感知操控、全要素数字化表达、实景可视动态呈现、流域数据融合供给、流域知识融合供给、流域模拟仿真推演及孪生自主学习优化。(4)提出数字孪生流域要解决的关键科学问题和关键技术体系,并从感知网、数据网、知识网、模型网及服务网展望了数字孪生流域发展方向,阐述了数字孪生流域的赋能领域。本文旨在通过数字孪生流域理论新型研究范式为数字孪生流域技术应用落地提供理论指导,对未来智慧流域研究和数字技术在流域治理管理中的应用提供有益的启发与借鉴。

长江上游流域降水结构时空演变特性

为研究气候变化和人类活动背景下的长江上游流域降水结构时空分布特性,利用长江上游流域67个气象站点1961—2005年45年的日降水资料,分析了各种不同历时连续降水的时空演变特征。通过Trend Free Pre-Whitening方法消除降水时间序列中的自相关成分,利用非参数的Mann-Kendall法检验了降水结构的变化趋势。结果表明:①长江上游流域及各分区各历时降水发生率随降水历时增加呈指数递减趋势,贡献率先增加后降低,以短历时降水为主;②长江上游短历时(1 d和2 d)降水贡献率发生突变的时间在1976年,长历时(6 d和10 d)降水发生率发生突变的时间为1984年,贡献率发生突变的时间为1999年;③长江上游短历时降水集中出现的次数增加,降水强度增大,降水量占总降水量的比例较大,而长历时降水出现频次降低,降水量占总降水量比例下降,其中岷沱江流域、大渡河流域、长江干流区间通过了显著性检验。

虚拟流域环境中河道演变的整体自动建模及可视化分析

将三维虚拟仿真技术和科学计算可视化技术相结合应用于河道泥沙冲淤分布规律分析中,提出了基于虚拟现实技术的泥沙冲淤过程三维可视化技术框架并构建了相应系统。提出并研究了河道边界自动识别、河道演变过程数据模型的自适应生成、动态河道与大范围场景的无缝嵌套建模、多层细节层次与无缝拼接、时空过程可视化与控制显示模式、动态河道的交互、基于局部插值的断面提取等系统中使用的关键技术。以三峡坝区河道为例,研发了三峡坝区河道演变时空过程可视化表达系统,证明了提出方法的实用性和可行性。

基于可变集和云模型的河湖水系连通方案优选决策方法

河湖水系连通工程方案优选是一个具有确定性的评价指标和评价标准与具有不确定性评价因子及其权重变化相结合的分析过程,所涉及的资源准则类、经济准则类、社会准则类、环境准则类、工程准则类等各评价指标具有中介过渡性,导致不同的多属性决策方法得到的结果具有不确定性,需对这些决策方法进行稳定性评价。根据可变集的对立统一数学定理,提出河湖水系连通方案优选决策可变集原理与方法,并提出了基于云模型的可变集决策结果灵敏度分析方法。以浙北引水工程中的新安江方案(S1)、富春江方案(S2)和太湖-富春江方案(S3)为例,分综合评价和不同准则评价两种情况评价分析了3种方案的排序,同时分析了单一指标变化和多个指标权重变化下的可变模型评价结果鲁棒性。结果表明:利用级别特征值和相对差异度来分析多准则综合评价结果,说明S3优于S1和S2;从指标灵敏度分析看,可变模型(α=1,p=1)和(α=2,p=1)综合评价的方案排序稳定性较好;从权重灵敏度分析看,4种参数组合的可变模型综合评价的方案排序容易受指标权重变化的影响,尤其是S2和S3;结合综合评价和不同准则评价的指标灵敏度和指标权重灵敏度分析来看,评价结果受指标体系的影响,说明该方法需要结合不同研究对象进行具体分析后选择合适的评价方法。

流域虚拟仿真中水沙模拟时空过程三维可视化

将计算机图形学领域的粒子系统引入数字流域研究,研发了基于通用网格的水沙模拟时空过程三维可视化系统。该系统建立数据结构描述粒子信息和计算或者虚拟网格单元信息传递关系;采用网格控制粒子随机生成;提出局部搜索定位方法来快速确定粒子位置;通过反距离加权平方插值提取水流信息;利用自适应龙格-库塔方法实现粒子的动态变化;设计了附有更多水流属性的水体粒子;研究了流场变化过程中粒子分布不均的问题。将上述方法应用于三峡与葛洲坝间河道水流的动态可视化模拟,验证了该系统的有效性和实用性。

三峡库区洪水演进三维可视化仿真研究

介绍了三峡库区洪水演进三维可视化仿真系统的开发。探讨了基于高精度、大范围DEM数据的断面控制点提取方法,采用网格逼近的方法生成了三维河道地形,与大尺度流域三维场景形成嵌套结构;在与一维水动力学模型集成的基础上,提出了基于断面的河道边界搜索算法,采用动态纹理技术和纹理坐标求解实现了大范围水面动态模拟;开发了三维场景中手动和自动漫游方式、实时信息查询以及淹没过程分析模块。所研制的系统使流域洪水演进模拟具有真实自然的可视化效果,可有效地模拟流域洪水的三维演进过程。

洞庭湖防洪预警三维虚拟仿真系统平台研究

开发了洞庭湖防洪预警三维虚拟仿真平台,将整个洞庭湖区及周边场景在计算机中虚拟展现。系统开发中应用大范围DEM数据、遥感影像数据、航拍数据和水系、道路、堤岸等矢量数据及实景图片资料,采用地形自动建模软件Terra Vista和地物建模软件Creator完成了大范围地形地物的建模,并对洞庭湖水系精细建模后,与大范围场景形成嵌套建模结构。建立了三维可视化平台,探讨了系统开发中的关键技术,如场景模拟控制、图层读取显示、水体自适应建模等技术,实现了场景的三维可视化及漫游、1954和1998年历史洪水在三维场景下淹没范围的显示以及重点垸和蓄洪垸的显示;并对蓄洪垸内洪水的动态演进过程进行了模拟,能实时显示蓄水量。该系统可提高防洪决策的科学性和效率,为洞庭湖区的规划设计以及防洪调度提供了真实友好的虚拟平台。

双套环测定土壤渗透系数数值模拟分析

针对双套环测定土壤渗透系数试验过程中的主要问题,建立了双套环渗透试验的数学模型,运用数值模拟方法分析了环内水头、外内环半径比、内径和插深4个主要因素对测量精度的影响规律,提出了运用双套环测定不同质地土壤渗透系数时不同水头作用下的修正公式和最优试验方案。

流域水量调控非恒定流数值计算模型

中国逐步建成由渠道、水库、闸门、泵站等以及与自然水系组成的较为完备水资源调配工程体系,但是如何分析这些工程联控与水流运动特性的相互作用机制成为研究重点和难点.在分析了闸堰、倒虹吸、水泵、渡槽、隧道和涵洞等建筑物调控机制的基础上,详细推导了与非恒定流计算模型无缝耦合的流域水量调控建筑物的计算模式,提出并建立了耦合多类型建筑物作用下的流域水量调控非恒定流数值计算模型,能连续模拟复杂水系系统中边界条件变化情景下的水位和流量时空过程.该模型对经典算例中的树状或环状河网及闸堰调控作用的水流过程进行了模拟,结果表明具有较好稳定性和较高精度,能够应用于水资源调度、水力过渡过程研究等方面.

虚拟环境中水文数据时空展布和三维等值线生成算法研究

为实现海量数据的信息快速挖掘和直观表达,提出了基于数字流域仿真平台的水文数据三维可视化方法.该方法利用顾及地形特征生成的流域离散点作为数字流域仿真平台与观测数据和分布式水文模拟结果集成的基础;研究了流域水文数据时空展布和三维等值线生成算法与分区透明度和颜色值相结合增加视觉敏感性来虚拟表达水文时空信息;并引入计算机动画技术实现水文数据时空演变过程.最后将以上算法与数字流域仿真平台集成应用于长江上游降雨过程的动态三维可视化系统的构建,取得了良好效果.

三峡库区河道泥沙冲淤过程动态仿真研究

泥沙冲淤过程模拟的三维可视化不仅能改善泥沙过程信息的视觉效果,更有助于发现泥沙运动的宏观规律,并为过程模拟数据的深层次分析奠定基础。主要提出了基于高精度、大范围DEM数据的断面控制点提取方法,采用网格逼近的方法生成了三维河道地形;与大尺度流域三维场景形成嵌套结构;研究了大范围河道泥沙动态仿真中的LOD和无缝拼接技术,并采用伪彩色技术表现河道冲淤时空分布,开发了纵横断面冲淤分析模块。该研究能够直观地分析泥沙冲淤变化规律,能够为水利工程规划和设计、河道和航道整治提供决策支持。