南水北调工程水量调度十年

南水北调工程是世界上规模最大、距离最长、受益人口最多、受益范围最广的调水工程,其水量调度的规模和难度空前。南水北调东中线工程通水10年来,开展了卓有成效的水量调度实践,为优化水资源配置、保障群众饮水安全、复苏河湖生态环境、畅通南北经济循环提供了可靠的水资源支撑。从法律法规、体制机制、信息化支撑能力方面,总结了南水北调工程水量调度实践经验和显著成效。基于南水北调工程水源区和受水区的水资源供需格局、后续工程规划建设、运行管理实践新变化,从非常规水源利用、水量精准监测、水价机制完善、低碳运行技术等方面,分析了南水北调工程水量调度新需求。结合国家水网构建、南水北调后续工程高质量发展工作新格局,从复杂水网调度、应急调度能力提升、调度智慧化、工程无人运行等方面,分析了南水北调工程水量调度面临的新问题,为下一阶段南水北调工程水量调度实践提供参考借鉴。

聚焦“三个安全”强化统一调度助力南水北调工程高质量发展

全面分析了南水北调中线一期工程全面建成通水10年来,水利部长江水利委员会通过全面提升运行管理水平、科学实施精确精准调度、不断加强中线水源保护、切实强化流域统一调度等措施,在维护南水北调中线工程安全、供水安全、水质安全等方面的工作成效。南水北调中线一期工程运行管理面临新的风险和挑战,包括南水北调中线工程多目标统筹调度难度日益增大、丹江口水库保护配套制度有待建立完善、风险防控能力有待提升、丹江口库区及其上游流域综合治理及科技支撑亟待加强。结合工作实际,提出了下一步推进南水北调中线工程高质量发展的措施,包括扎实推进南水北调后续工程高质量发展、持续强化中线水源工程安全运行、精准实施丹江口水库供水调度、持续加大丹江口库区及其上游流域水质安全保障力度、稳步提升流域治理管理能力和水平。

基于双调和样条插值和量纲分析的过闸流量计算

过闸流量的精确计算是保障调水工程安全运行的基础,过闸流量计算模型是数字孪生调水工程建设的重要水力模型之一。调度运行中虽积累大量的实时水情数据,但受控制模式和用水需求等因素的影响,实际监测数据多集中于少量的局部范围内,难以获得覆盖范围广且具有代表性的数据,导致过闸流量模型的泛化能力不足。针对上述问题,提出了一种双调和样条插值和量纲分析的过闸流量计算方法,在样本点较少的实际情况下,通过充分利用样本点的位置信息进行数据插补后,利用量纲分析法进行过闸流量计算。以南水北调中线工程岗头节制闸和西黑山节制闸为研究对象,对比分析双调和样条插值和量纲分析方法与单一量纲分析法在过闸流量计算中实测样本与拟合曲线的决定系数、计算精度等。结果表明,相比于单一量纲分析法,在代表性数据缺乏的条件下,基于双调和样条插值和量纲分析的弧形闸门过闸流量计算方法具有较高的计算精度,过闸关系曲线拟合决定系数约提高8%,过闸流量计算结果的绝对误差和相对误差都有所降低。

面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法

针对现有可视化方法难以直观动态呈现三维水质的推演过程的普遍性问题,研究了三维水质模型计算结果与数字孪生场景的集成模式,提出了面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法,实现了三维水质推演过程的直观、准确、流畅、动态呈现。以南水北调中线工程丹江口水库2021年秋汛总磷浓度分布推演为例,采用三维水质模型开展复演分析,将分析结果在数字孪生场景中集成,模拟有机污染物的转移和扩散过程。应用结果表明该方法相较于传统二维平面展示方法具有效果更加直观、信息承载更加丰富的优势,可以在数字孪生场景中动态呈现分层水质指标的推演过程。

南水北调中线输水调度预演系统研发及应用

南水北调中线输水调度仿真预演是精准化调度决策的基础。针对中线输水线路长、控制闸门多、运行工况复杂等调度难点,开发了数字孪生南水北调中线输水调度仿真预演平台,构建了水情数据智能清洗模型、自主学习训练模型、总干渠一维恒定流和非恒定流精准模拟模型、典型建筑物局部三维水力仿真简易模型等,实现对任意设定工况下水力调控方案效果的精准仿真,形成有效的调度预案。预演平台具备较强的灵活性和通用性,方便用户自由模拟不同时空尺度下的各类运行工况,可适应入流和出流等边界条件的变化。系统具有自主学习能力,能够随着监测数据的积累,不断自动完善计算模型参数和结构,提高计算精度。南水北调中线输水调度预演系统为安全高效输水调度提供有力的技术支撑。

滇中引水工程中数字孪生技术的应用研究

为更好地采用信息化手段为滇中引水工程建设及运行管理提供更科学的决策,提出采用数字孪生技术构建智慧滇中引水体系的解决方案。在总结目前滇中引水工程信息化建设的基础上,对标水利工程数字孪生建设要求,搭建滇中引水工程数字孪生系统架构,从信息采集、数据传输、云计算中心和数字孪生平台几个方面全面系统地进行构建,并根据工程实际提出水源泵站、深埋隧洞和运行维护3个数字孪生运用场景。研究结果可有效提高滇中引水工程智能安全的建设管理水平和调水能力,也可供其他引水工程数字孪生建设借鉴。

数字孪生在南水北调中线高质量发展中的应用实践

数字孪生以数字映射、虚实同步、模拟仿真、优化闭环等特性对物理空间对象进行不确定性预测以规避应急事件带来的风险,为工程建设管理提供了一种新的管控模式。南水北调工程是国家水网的主骨架和大动脉,为提升南水北调中线工程安全、供水安全、水质安全保障能力,解决运行管理中汛期交叉断面的防洪问题、水质突发污染事件的应急处置、不同时空尺度输水调度安全以及重要控制建筑物的结构安全等难题,南水北调集团中线公司积极探索数字孪生技术的应用,通过数据治理搭建数据底板,以历史场景库、预报调度规则库、业务规则知识库建立知识平台,以水利机理模型和深度学习技术建立多场景模型平台,构建了南水北调中线数字孪生平台,提升中线程的智能化水平,确保“三个安全”的工作目标实现和高质量发展,为水利行业提供经验和借鉴。

数字引江济淮工程信息化标准规范体系实践与思考

为提高水利工程信息化建设的质量,在国家标准、行业标准、地方标准的基础上,应结合管理部门在建设管理、运营管理和企业管理等方面的需求,构建科学、合理的项目标准规范体系。本文结合数字引江济淮工程立体感知、网络传输、数据资源、应用支撑、业务应用以及安全保障体系、运维保障体系等建设内容,编制由1套规章制度、4类技术标准规范组成的标准规范体系,按照起草、征求意见、送审、审查、报批、标准发布及公开流程,将信息采集系统、网络传输系统、计算机网络及网络安全系统、数据资源管理平台、应用支撑平台、业务应用系统等的硬件和软件集成为具有优良性价比和高度协调一致的有机整体,保障数据资源整合和网络安全,为同类水利工程信息化标准规范体系建设提供参考。

维护南水北调中线水源工程“三个安全”实践与思考

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,维护其工程安全、供水安全、水质安全至关重要。南水北调中线水源有限责任公司通过规划引领、风险防范、数字赋能、加强合作、强化管理等措施,有效开展了维护中线水源工程“三个安全”的实践。新形势下,中线水源工程维护“三个安全”存在诸多挑战,包括库区管理水平尚需提升、入库水量影响因素多、水质安全仍有风险隐患、多方协调管理边界交错、“天空地水工”一体化监测感知能力有待提升等。提出了一系列对策建议:加快构建现代化水库运行管理矩阵;精打细算做好供水计划,全力确保供水安全;不断提升监测感知能力,强化水质安全保障;促进各方形成齐抓共管合作机制;迭代优化数字孪生丹江口成果,以“智慧大脑”护航“三个安全”。

丹江口水库现代化运行管理矩阵构建实践

丹江口水库是南水北调中线工程重要水源地,为切实保障水库工程安全、供水安全和水质安全,依据水利部关于构建现代化水库运行管理矩阵有关技术要求,总结了丹江口水库运行管理现状,分析了新发展阶段丹江口水库支撑南水北调后续工程高质量发展仍然存在的问题与不足,在此基础上提出充分利用标准化管理和数字孪生汉江流域、数字孪生丹江口工程建设成果,推进监管全覆盖、掌握全要素、管控全天候、管理全周期“四全”管理,完善体制、健全机制、强化法治、落实责任制“四制(治)体系”,预报精准化、预警提前化、预演数字化、预案科学化“四预”措施,及时除险、定期体检、强化维护、保障安全“四管”工作等,提出全面构建丹江口水库现代化运行管理矩阵主要建设内容,并结合工程运行管理实践明确了矩阵建设主要工作。

南水北调中线工程交叉河流防洪“四预”应用

为满足南水北调中线工程典型交叉河流防洪管理需求,确保中线工程防洪安全,构建索河交叉河流数据底板,以及洪水预报、洪水演进、风险分析等模型,结合2022和2023年汛期典型降雨洪水对模型参数进行率定,基于2021年郑州“7·20”暴雨对现状索河交叉河流进行预演分析,结果表明索河渡槽槽身存在阻水风险,中线工程安全风险较大。通过对防洪“四预”应用深入研究,实现南水北调中线工程交叉河流降水—产流—汇流—演进的全过程模拟,研究成果可进一步提升南水北调中线工程防灾减灾能力,为沿线交叉河流防洪应用提供参考。

数字孪生在河北引调水工程管理中的应用

从河北省引调水工程运行管理业务现状出发,介绍了数字孪生技术的概念,并对二者的融合进行了理论分析。初步探索并形成了数字孪生技术在引调水工程水量调度管理、运行监视等方面应用的理论体系,并对上述理论体系在河北省引调水工程运行管理中的应用作了介绍。研究表明,在管理平台中融合数字孪生技术,可大幅提升引调水运行管理工作效率和准确性,实现了业务数据在多部门之间的共享与交互,很大程度上提高了河北省引调水工程信息技术水平。

数字孪生驱动的南水北调中线水源工程水质平台设计与开发

南水北调中线水源地面临着水质监测数据自动化程度不高、污染物扩散模拟效率较低、突发性水污染应急能力不足等困难,迫切需要开展数字化转型。基于数字孪生建设的总体要求,综合运用GIS、UE4、WebGL等新一代信息技术,建立了数字孪生水质平台,研发了水质浓度场静态可视化、污染物迁移扩散动态可视化和水质三维分层可视化模型等关键技术,初步实现了水质“四预”功能,切实提升了南水北调中线水源区水环境智能化、精细化管理水平,为推进饮用水水源地水质现代化提档升级提供了技术示范。

输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法

为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化,考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性,提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路;基于渠道分段,提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架。基于有限的观测水位,在框架内应用集合卡尔曼滤波算法,在线估计各渠段的糙率值。结果表明:相比未分段时,2种估计方法可提高模型精度20%~50%,独立估计法误差累积小,适合复杂渠系;而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道。研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新,为建设数字孪生水网提供参考。

典型工程数字孪生建设经验对数字孪生南水北调工程建设的启示

大型调水工程是实现水资源优化配置的关键,也是构建国家水网的基础,具有跨流域覆盖区域广、水工建筑物种类多、运行工况复杂等特点。采用调查研究的方法分别对浙东引水工程、千岛湖配水工程、南水北调东线工程等大型调水工程数字孪生关键内容如数据底板、模型库和知识引擎等建设现状进行调研,根据各自工程特点分析其数字孪生建设的特色,总结上述大型调水工程数字孪生建设的经验。在此基础上分析南水北调后续工程数字孪生建设要求,提出数字孪生南水北调工程建设的若干建议,为南水北调后续数字孪生工程建设提供参考。

基于GIS+BIM的滇中引水工程数字场景构建研究

以云南省滇中引水工程为例,采用GIS+BIM数字化技术,对滇中引水工程数字化场景构建进行探索,旨在为长距离引调水工程的数字孪生底座构建提供可行的技术路径。通过GIS三维模型和BIM模型的构建及模型集成的研究,对比主流的GIS三维建模高精度数据采集和处理技术,介绍三维GIS大场景搭建、工程实景三维模型建立、多类型引水建筑物建模的方法,同时提出工程数字化模型集成的成套技术路线。采用新一代三维驱动引擎,通过投影变换算法实现长距离不同工程坐标系下BIM模型在标准GIS球面场景中的无缝拼接,实现全线模型的集成,从而构建引水工程三维应用的数字化基础,为水利工程数字孪生建设提供参考。

在建大型水利工程数字孪生平台实践与思考

为整体提升在建水利工程智慧化管理能力,通过数字孪生平台建设,赋能建设期工程施工管理、运行期业务应用。在已建信息化系统的基础上,结合数字孪生水利工程建设要求和目标,构建引江济淮工程数字孪生平台总体架构。围绕数据底板、模型平台、知识平台3个方面,搭建真实、全面、准确的水利及水运多领域数据底板,为工程数字化映射、智能化应用提供准确的数据资源;搭建感知、预测、调度、控制、评价功能的模型平台,覆盖中长期、短期、实时多尺度调度需求,以及常规、应急多目标调度场景;搭建以方案库和专家经验库为主的知识平台,将静态、动态知识共同融入“四预”全流程;按照工程建设、运行调度、工程维护等管理业务需求,建设水资源调度、航运调度、工程安全监控等业务系统,为更加合理、有序地推进数字孪生水利工程后续建设提供思路。

已建引水工程数字化建设探索与实践

建设年代久远的引水工程,监测感知和数据共享不足,业务支撑能力欠缺,信息化管理手段有限,难以全面掌控工程运行情况。为提升引水工程运行管理水平,实现高效节能安全运行,需系统全面开展数字化建设。以深圳市引水工程为例,采用统一大数据基础库、综合监测平台、GIS平台的一数一源机制;利用数据融合集成ROMA平台,实现不同业务系统数据交互和业务流转;依据集约建设适度冗余原则,构建实用可靠的业务功能架构体系;通过全面现场调研重点突破协同推进,迭代跨系统供水调度闭环流程;遵循微服务架构规范,提供系统可扩展支持,可为其他系统提供共享服务;基于统一可视化引擎,利用区级共建共享BIM模型库。结果显示:引水工程管理系统的各应用场景能保持数据一致,不同系统、模块之间数据和业务功能可以互通,且涵盖多层级用户需求,工程全景展示立体直观。结果表明:通过以上技术和方法,实现多层级一体化的引水工程相关业务信息化管理,减轻相关人员的工作强度,提高工作效率,提升应急事件应对能力,实现引水工程设施的安全高效运行,为更好地完成引水工程任务提供技术支撑。

南水北调中线电子渠道平台建设

南水北调中线工程输水线路长,沿线分水口门和控制设施多,水力学及调度控制响应是工程设计与运行管理的关键。在收集、整理南水北调中线相关资料的基础上,建立了南水北调中线基础地理、输水线路、控制工程及相关建筑物的综合数据库。采用自主开发的TGIS平台,集成了南水北调中线总干渠一维和局部二维、三维数学模型,在该平台下,能够进行输水能力计算、水力控制响应分析,为工程设计、管理和运行调度提供了基础平台。

数字地质调查系统在以工程环境为重点的区域地质调查中的应用

针对1∶25万阿坝县幅区域地质调查修测中涉及的南水北调西线一期工程区的工程与环境地质调查问题,运用数字地质调查系统对该区域进行了数字填图。对数字地质调查系统运用的可行性、有效性及适用性进行了探讨,初步建立了适宜于以工程与环境为侧重点的数字区域地质调查工作的流程与方法。