数字孪生驱动的长江流域干旱防御平台设计与开发

在全球气候变化的背景下,长江流域发生了多次严重的高温干旱灾害,流域抗旱管理面临着旱情监测告警效率较低、旱灾预报预警精度不高、抗旱预案推演能力不足等瓶颈,迫切需要开展数字化转型。从长江流域抗旱减灾业务管理和“四预”应用需求出发,基于智慧水利和数字孪生建设的总体要求,综合运用WebGL、GIS等技术,建立了干旱防御数字孪生平台,研发了遥感干旱监测评估、干旱专业模型动态加载、旱警水位超限预警、抗旱预案可视化等关键技术,初步实现了“预报-预警-预演-预案”全链条贯通业务应用,切实提升了长江流域抗旱管理智能化、精细化水平,为流域干旱防灾减灾提供了技术支撑。

数字孪生水网建设应着力解决的几个关键问题

数字孪生水网建设涉及多学科交叉、新技术融合,有诸多重点和难点,应着力把握好坚持问题导向、夯实算据基础、优化算法核心、强化算力支撑、着力业务应用、加强网络安全等关键问题。结合数字孪生水网建设先行先试经验,围绕工程安全、供水安全、水质安全,提出了数字孪生水网建设的关键问题及解决思路:围绕建设目标确定建设内容和重点,以问题为导向开展需求分析;打造“天空地”一体化监测感知体系,完善地面监测站网、提升新型监测感知能力、强化数据治理与运用、推进数据资源共享夯实算据基础;完善模型平台,开发知识平台,优化算法核心;建设信创云平台和高性能计算集群,扩充计算资源、升级通信网络强化算力支撑;提升水网智慧调控能力,着力实现业务“四预”;构建网络安全体系,保障网络和数据安全;理清数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程的关系,提升整体效能。

对“水利测雨雷达”的新质生产力研究

高精准降雨监测预报对于支撑水旱灾害防御等水利业务预报、预警、预演、预案“四预”工作至关重要。水利测雨雷达系统主要观测近地面2 km高度范围内大气中的液态水,能够实现无缝隙、精细化监测并生成高精度实况定量降雨产品,具有较为精准的外推1~3 h降雨临近预报能力,是水利新质生产力的典型代表。系统梳理了我国降雨监测发展历程,包括无器具测量、雨量器萌芽、标准化人工雨量器、自动记录式雨量器和现代自动测雨五个阶段。在此基础上,从雨量站业务应用、天气雷达业务应用、气象卫星业务应用角度,分析当前“四预”业务中降雨监测现状与问题,进而梳理了水利测雨雷达发展进程并分析其技术优势,包括:能够实时生成超精细化的网格降雨实况数据,能够实现精细化网格化降雨预报,以及系统运行稳定高效。结合水利测雨雷达在河北省大清河流域以及湖南省捞刀河、浏阳河流域的良好应用成效,指出其作为水利新质生产力在赋能“四预”方面具有应用前景。

基于事件驱动的数字孪生太浦河“四预”业务应用

聚焦太湖流域多目标统筹调度特点,通过多源数据融合汇聚太浦河各类涉水信息,构建符合平原感潮地区特点的太浦河高精度数据底板,优化流域水量水质模型算法,对太浦河防洪及供水业务进行流程再造,建成以事件为驱动的数字孪生太浦河“四预”业务系统。系统在“梅花”“杜苏芮”等台风防御中对太浦闸不同调度方式下洪水变化过程和淹涝情况进行了预演,发挥了重要支撑作用。在上海市抗咸潮保供水工作中,滚动预报重要断面水量水质,强化补水水质安全预警,确保太浦河上游水源地持续稳定供水。

数字孪生水网赋能多业务场景应用与实践

目前,水利部数字孪生流域先行先试工作已经接近尾声。数字孪生太湖地区典型水网工程项目作为江苏省4个先行先试项目之一,包括10个子项,各子项综合考虑太湖地区水网纲、目、结特征,以河、湖、库、城市、圩区为主要试点对象。围绕共建共享的理念,文章从新形势、新思路、新标准、新平台4个方面阐述了数字孪生水网赋能多业务场景应用的方式,包括太湖流域“点—线—面”融合的多层级数据底板、江苏省太湖地区精细化河网模型及服务、“2+N”多场景“四预”业务应用,相关建设成果能够为江苏数字孪生水利建设提供经验,有效支撑未来我国智慧水利体系建设。

城市洪涝灾害预警预报及应急响应平台构建

随着城市防涝和安全治理要求的提升,洪涝风险管理日趋精细化,要求城市在面对突发洪涝事件时能快速响应,而现有的城市洪涝管理系统的信息化和智能化对洪涝灾害防御的支撑力度不够,进一步影响防汛响应工作效率。因此,基于数字孪生、智能模型、物联网、大数据等技术,将“监测感知-模型计算-风险评估-预警匹配-洪涝推演-预案管理-响应调度”为核心技术路线,构建面向数字孪生“四预”的城市洪涝灾害预报预警及应急管理平台。应用结果表明:洪涝预报效率在不同工况下可提速23.88~158.72倍、计算精度提高9.56~19.55倍;提出了“降雨预报+洪涝预警+洪涝演进+调度预案”的全链条智能化城市防洪安全保障体系,洪涝预报及调度响应效率提升400倍,实现了精准预测,提升了调度指挥能力,降低洪涝灾害带来的损失。

基于水安全的涢水流域数字孪生系统应用研究

为了提高涢水流域洪涝灾害防御及综合监管能力,结合数字孪生流域建设要求,通过构建流域L1、L2、L3级数据底板、水利和水文专业模型平台及基于专业与数据融合的知识平台,形成流域洪涝灾害防御“四预”业务系统;同时通过对流域管理现状及管理需求的梳理,形成流域河库智能监管系统。该系统的应用能够全面提升涢水流域洪涝灾害防御及河库监管的现代化、智能化水平,为流域系统治理数字孪生平台建设提供参考案例。

珠江流域水旱灾害防御“四预”系统模型研发及应用

针对珠江流域水旱灾害特点,探讨了水旱灾害防御“四预”业务应用对水利专业模型的需求,梳理了相应关键科学问题和亟需突破的技术难点。介绍了珠江流域水旱灾害防御“四预”系统中研发的水利专业模型及其应用实例,包括通用性一二维水动力模型HydroMPM、珠江河口及河网区风暴潮模型、三维斜压咸潮模型以及水库群多目标联合调度模型。结合智慧水利建设的深入推进,展望了水利专业模型未来的发展方向。

城市雨洪管理与系统应对研究进展

针对气候变化与城市化的快速发展改变了城市降水径流空间分布格局,增加了城市内涝灾害风险,以及目前机理研究深度与应用研究广度存在的问题,从雨洪形成过程系统剖析城市地表、管网产汇流机制与内涝成因,总结城市雨洪管理的工程措施与非工程措施,讨论城市洪涝预报、预警、预演、预案的发展与应用现状。分析结果表明,未来应更深入研究城市产汇流机理及其响应机制,开展考虑城市立体空间的水动力模拟研究,开发更为精细化的内涝模拟模型,发展工程措施与非工程措施相结合的防涝技术,集成预报预警调度为一体的城市雨洪管理智慧化平台,保障城市的水安全。可为深化城市雨洪形成机理的科学认识及采取有效管理手段提供参考。

数字孪生三峡库区建设关键技术研究

数字孪生技术在流域综合管理中的应用仍处于探索阶段,为了推动该技术在水利行业的深入应用,总结了数字孪生三峡库区建设过程中的经验,研究了建设过程中应用的关键技术。通过预报方案体系智建工具、预报调度实时互馈技术、水工程调度规程推理技术、全链条水文智能预报方法等实现了流域智慧模拟预报;提出了基于LBS技术的洪水预报预警信息靶向发布的技术思路,实现发布机构与用户的双向互动智慧化预警服务模式;提出了宏观、中观、微观多尺度,平面二维、立体三维、混合现实全场景的方案分析与展示思想,结合智能化模拟预报、智慧化预警,实现预报调度预演,辅助精准化决策。技术成果在三峡库区防洪安全和淹没影响分析中取得了较好应用效果,可为数字孪生流域建设提供参考借鉴。

珠江抗旱“四预”平台建设与实践

珠江流域降雨时空分布不均,年内、年际之间差异明显,连年旱、连季旱等情况时有发生,加之珠江河口受咸潮上溯影响,粤港澳大湾区城市群供水安全形势严峻。目前流域应对旱情存在预演能力不足、方案预案制定效率低等问题,为进一步提升流域旱情防御能力,按照数字孪生建设相关技术要求并结合珠江流域特点,完善了流域监测数据、河道地形等数据底板,研发了水利模型管理服务技术和方案预案高效生成技术,开发了具有多源旱情动态感知、多模型交互预报、多要素精准预警、多方案模拟预演、多方案预案智能生成等功能的抗旱“四预”平台,成功支撑了2021—2022年珠江流域抗旱保供水工作,有效提升珠江流域旱情应对能力,同时为珠江流域数字孪生建设提供了借鉴和参考。

江西省虎山站“四预”数字孪生系统应用研究

充分运用已有洪水预报与调度模型,叠加可视化模型、三维仿真技术,用于构建江西省虎山水文站“四预”数字孪生系统。该系统通过实时监测和预报数据,对不同降雨条件下实况或未来的站点附近流域洪水淹没进行分析计算,提升洪水预报、预警工作的准确性与直观性,增强洪水预警结果的可靠性,降低洪水可能带来的灾害影响;同时,实现水文站及所在流域洪水全过程动态场景模拟与映射,辅助洪水预报与调度决策。

极端天气背景下黑龙江省森林防灭火工作的思考

综合分析近年来全球极端天气趋势、2021年黑龙江省极端天气成因以及极端天气对黑龙江省林火三要素火源、可燃物、氧气带来的不利影响,从预警预报、物候监测、应急预案、航空消防体系等角度针对性提出黑龙江省应对极端灾害天气的具体措施。

变化环境下城市暴雨洪涝灾害应对机制

遵循以防为主的防灾减灾救灾理念,提出一种集情景预估、预测预报、分级预警、应急预案和防洪预演为一体的城市暴雨洪涝灾害“五预”应对机制。包括:基于气候模式的城市暴雨洪涝灾害情景预估;耦合气象水文的城市暴雨洪涝灾害预测预报;多源信息融合的城市暴雨洪涝灾害分级预警;基于综合集成的城市暴雨洪涝灾害应急预案;基于数字孪生的城市暴雨洪涝灾害防洪预演。其中的关键技术包括:城市洪涝模拟、地球系统模式、滚动气候预测、数值天气预报、三维电子沙盘、综合集成平台和数字孪生城市。构建变化环境下城市暴雨洪涝灾害“五预”应对机制,可为城市防洪减灾决策提供有效支撑。

面向防洪“四预”的数字孪生流域数据底板建设

加快构建具有“四预”(预报、预警、预演、预案)功能的智慧水利体系,是国家智慧水利建设的明确要求,数据底板是“四预”功能的必要支撑。全国多个智慧水利和数字孪生流域先行先试成功案例,发挥各自数据和技术优势,建设完成相应层级的数据底板,为数字孪生流域和防洪“四预”应用提供了支撑。在梳理数据底板相关技术基础上,结合试点工作经验,提出了面向防洪“四预”的数据底板建设框架和主要技术路线,从数据采集整编、多源异构数据汇聚、多维多尺度数据融合、业务信息资源库、底板专题图、专业模型数据标准化、数据资源共享管理平台和可视化技术等方面阐述了主要内容和关键技术路线,探讨了数据底板建设存在的不足和预期,以期为面向防洪“四预”的数字孪生流域数据底板建设提供参考。

防洪“四预”基本技术要求解读

水利业务“四预”是智慧水利建设的重要组成部分,为大力推进智慧水利建设,水利部出台《水利业务“四预”基本技术要求(试行)》。流域防洪是水利“2+N”业务中最为核心关键的业务,防洪“四预”功能也相对成熟,以防洪业务为例,剖析防洪“四预”关系,其中预报是基础、预警是前哨、预演是关键、预案是目的;对预报、预警、预演、预案的技术要求和要点分别进行解读,其中预报要点在延长预见期、提高预报精度、提升作业预报效率,预警的要点是及时将预警信息直达水旱灾害防御工作一线、直达受影响区域社会公众,预演要点在于正向、逆向预演和轻量化展示,预案的要点在可操作性和执行。本文件的解读将为防洪“四预”的建设提供借鉴参考。

以数字孪生流域建设为核心 构建具有“四预”功能智慧水利体系

水利部部务会议日前审议通过《数字孪生水网建设技术导则(试行)》,至此数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等三大水利数字孪生系列顶层设计基本完成。本文介绍了数字孪生流域提出背景,分析了以数字孪生流域为核心建设智慧水利的必然性,阐述了智慧水利建设总体思路、建设目标和主要任务,提出了实现数字孪生流域共建共享的思考。

生态流量监管“四预”业务应用探索

为提高重点河湖生态流量动态监管能力,针对各地服务支撑生态流量监管业务系统与数字孪生流域建设提出的“四统一”不相适应,以及生态流量监测预警、统计分析、流量预测、成因分析、调度方案预演、预警响应等全过程监管能力不足等问题,围绕业务管理需求,提出生态流量监管总体方案及“四预”业务应用总体架构。分析包括数据底板、模型库、知识库等内容的数字孪生平台建设思路,以及基于图数据库的生态流量预警知识图谱构建技术,提出包括监测告警、预测预警、水量调度预演、会商服务等功能的应用系统模块建设思路,梳理生态流量监管“四预”业务流程,可为当前数字孪生流域建设先行先试和水资源管理与调配系统中的生态流量监管业务“四预”能力建设提供参考和借鉴意义。

炼化企业应急响应系统建设探讨

从系统建设角度讨论了炼化企业应急响应系统的目标需求、建设内容、技术方法和系统特点。

城市供水动态预测预警研究与应用

持续稳定良好的供水环境是保证人民生活质量的基础。聚焦当前城镇供水管理分散、抗旱调度预测预判能力薄弱、线下会商效率低等问题,以宁波城镇供水为例,针对该城市供水动态预测预警问题展开了研究。结果表明:采用数字化手段并结合水利专业模型技术,通过供水信息的全面汇聚和共享、“水库-水厂”供需预报预警模型的研究、供水实时调度分析平台的搭建,强化城市供水调度“预报、预警、预演、预案”措施,在实际抗旱供水调度应用过程中,可以实现多方位支撑旱情形势下供水调度的精准分析、可供水持续时间的动态预测,以及对供水调度进行可视化预演,同时可有力地保障区域的供水安全。研究成果可为城市供水调度能力的全面提升提供建设性的指导。