数字孪生水网顶层设计与初步实践

国家水网智慧建设与 应用平行论坛 数字孪生水网顶层设计与初步实践 水利部信息中心蔡阳 2023年9月12日 目录 第一部分数字孪生水网顶层设计 第二部分防御海河“23•7”特大洪水的应用实践 —二三四 是什么 定义定位 为什么 形势要求 建什么目标任务 怎么建实施路径 智慧水利——全局性大目标，是水利高质量发展的显著标志，是大方向和趋势。推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的六条路径之一。 建设数字孪生水利——实施措施，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利 工程，构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系。 层层解构 第发 —展 层目 标 智慧水利 第一层：明确发展方向，即智慧水利 数字孪生水利体系 “2+N”业务应用“四预” 第实 二施 层 措 保障体系 施 网络安 数字孪生流域 全体系 第二层：实施措施，即建成具有“四预”功能的数字孪生水利体系 数字孪生水网 第主 三要 层任 务 数字孪生水利工程 第三层：主要任务，即“三个孪生”和”2+N”业务“四预” 数字孪生水网是以物理水网为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知 识为驱动，对物理水网全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水网的实时监控、联合调度、风险防范的新型基础设施。 路径是对物理水网全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、 前瞻预演。特征是与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。目的是实现对物理水网的实时监控、联合调度、风险防范。属于水利业务与信息技术融合的新型基础设施。 预报 基本内涵是以流域为单元，遵循客观规律，在总结分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上，根据业务需求，采用基于机理揭示和规律把握、数理统计和数据挖掘技术等数学模型方法，对水安全要素发展趋势做出 预警 基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值，拓宽预警信息发布渠道，及时把江河洪水、山洪灾害、渍涝灾害、工程灾害、干旱灾害、冰凌灾害、供水危机、水域空间占用、水生态环境危害及相关次生灾害等预警信息 不同预见期（短期、中期、长期等）的定量或定性分析，直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，及时采取 提高预报精度、延长预见期。 预演 基本内涵是在数字孪生流域中对典型历史事件、设计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿真，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，及时发现问题，提出防风险措施，迭代优化方案。 应急处置措施，做好防灾避险准备。 预案 基本内涵是依据预演确定的方案，预案的基本内涵是依据预演确定的方案，制定执行预案，主要包括水利工程运用次序、时机、规则和非工程措施，明确调度机构、权限和责任，以及信息报送流程和方式等，并组织实施。 “预报”是基础，为预警工作赢得先机；“预警”是前哨，为启动预演提供指引； “预演”是关键，及时发现问题，迭代优化方案；“预案”是目的，制定执行预案，并确保预案的可操作性。 党的二十大报告 推进南水北调后续工程高质量发展座谈会明确提出加快构建国家水网 《数字中国建设 整体布局规划》 《国家水网建设规划纲要》 加快建设网络强国、数字中国 2021年5月14日，习近平总书记提出，加快构建的“系统完备、安全可靠，集约高效、绿色智能，循环通畅、调控有序”国家水网。 2023年，中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》提出，构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系 2023年5月25日，中共 中央国务院公布的 《国家水网建设规划纲要》提出，加快智慧发展；建设数字孪生水网 水利现状和需求决定 六条实施路径：一要完善流域防洪工程体系，二要实施国家水网重大工程，三要复苏河湖生态环境，四要推进智慧水利建设，五要建立健全节水制度政策，六要强化体制机制法治管理。 水利是经济社会发展的基础性行业， 面向高质量发展的要求，亟需以技术创新为驱动，推动传统水利的转型升级，提高水利治理的质量和效能。 智慧水利是水利高质量发展的显著标志，并将实施国家水网重大工程和推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的重要实施路径。 “十四五”期间，按照“规划先行、先导推进”的原则： 一是建设数字孪生国家骨干水网。基本建成数字孪生南水北调中线，积极推进数字孪生南水北调东线。 （加快编制数字孪生国家骨干网建设方案，构建覆盖水源、输水、调蓄、供水、排水等全链条，水量、水质、水生物等全要素的监测体系，加强对骨干网供水保障和工程风险隐患的前瞻性分析研判。要率先建成数字孪生南水北调中线工程、数字孪生东线工程数字孪生水利工作现场会） 二是建设数字孪生省级水网。第一批省级先导区数字孪生水网建设取得标志性成果，积极推进第二批省级先导区以及市县级建设。 三是推进一批重要引调水工程、灌区数字孪生建设。 应急事件处置 日常业务管理 安全运行监视 联合调度决策 水资源调配 防洪排涝调度 水生态调度 调度运行应用 网 水网专业智能识别可视化模型模型模型 模型平模场模台模拟型景拟仿真管配仿 引擎理置真 知识平台 水网知识 预报方案 业务规则 历史场景 调度方案 水网对象关联关系 水网知识引擎 知识表示 知识抽取 知识融合 知识推理 知识存储 数据底板 数据数据汇集数据治理数据挖掘数据服务引擎 数据资源 数据模型 络数保 安字障 全孪体 体生系 系平台 信息化基础设施 计算存储监测感知 应用支撑通信网络 调度指挥实体环境远程集控 物理水网 水网引调水工程 自然河湖 工程输配水工程 控制性调蓄工程水系连通工程 管理和影响范围 ... 国家水网建设布局图国家水网建设技术框架图 从行政、规划、工作、技术等层面出台包括数 顶层字孪生水网在内的系列文件，明确了路线图、 设计 时间表、任务书、责任单。 通过重点研发计划、水利部重大科 技术技项目开展数字孪生水网监测感知、 攻关模型平台、仿真推演、网络安全等 相关技术攻关。 在国家骨干水网、省级水网开展数字孪生水网建设先行先试，重点针对数字孪生水网的建设路径、推动机制、资金筹措、调度运行以及关键技术等 先行难点，探索形成一批可借鉴、可推广的典型案例 先试和经验，示范引领数字孪生水网建设。开展南水 北调中线、东线工程，第一批省级水网建设先导区的7个省份和评出后的第二批省级水网建设先导区省、市、县数字孪生水网先行先试。 充分发挥政府资金引导带动作用，扩大地方政府专项债券利用规模，更大力度利用中长期贷款和政策性 推广开发性金融工具推进已建水利工程 建设数字化改造和智能化升级；同步推 进新建水网工程数字孪生建设；逐步构建国家、省、市、县数字孪生水网。 传统监测不满足全要素、全过程数字化场景需要，无法 算据支撑数字孪生流域与物理流算法方面域交互的精准性、同步性、方面 及时性。 水利专业模型研发工作总体处于分散状态，模型水平不高，或者主要依靠国外模型的情况；涉及水网需水及多目标调度模型欠缺；遥感智能识别模型业务化运行存在差距；可视化模型处于空白状态。 算力计算资源，尤其是高性能计 方面算资源严重缺乏，通信网络 尚有差距。 “四预” 方面 预报精度有待提高，预见期也有待延长；工程安全预警准确性不够，预警时间不够长、精准不够、覆盖不广、发布渠道不畅；水网、水量调度预演能力差距大；预案基础薄弱。 目录 第一部分关于数字孪生水网 第二部分防御海河“23•7”特大洪水的应用实践 —二三 雨水情特点数字赋能防洪应用成效 7月28日至8月1日，受台风“杜苏芮”北上与冷空气交绥影响，海河发生流域性特大洪水，本次洪水呈现降水范围广总量大、暴雨时空集中强度大、洪水并发量级大、洪水涨势猛演进快、径流总量大地下水回补多等特点。 降水范围广总量大 降水总量初估494亿立方米、面雨量155.3毫米，超过海河流域“96•8” （327亿立方米）、“12•7”（170亿立方米）、“16•7”（392亿立方 米）、“21•7”（253亿立方米）；但低于“63·8”（624亿立方米） 暴雨时空集中强度大 京津冀地区平均累计降雨量175毫米，超过年平均降雨量的三分之一 北京累计最大点雨量为门头沟清水1014.5毫米，实测最大1小时雨量为丰台千灵 14 山站111.8毫米，超过2012年“7·21”（100.7毫米/小时）、2016年“7·19” （56.8毫米/小时）、2021年“7·12”（65毫米/小时）；河北累计最大点雨量为邢台临城县1003毫米，约为当地年降雨量的2倍 洪水并发量级大 海河流域发生流域性特大洪水，大清河、永定河发生特大洪水，子牙河发生大洪水，北运河、漳卫河发生较大洪水 12小时内（7月30日23时至31日11时）子牙河、永定河、大清河相继发生编号洪水 海河流域5大水系22条河流发生超警以上洪水，其中永定河及支流清水河、妫水河，拒马河支流大石河和白沟河、大清河系南支沙河及唐河支流通天河、滹沱河支流清水河等8条河流发生有实测资料以来最大洪水 洪水涨势猛演进快 卢沟桥枢纽流量1.5小时内流量涨幅高达3620立方米每秒 官厅水库至卢沟桥区间雨峰洪峰间隔仅3小时50分钟 大清河系大石河的漫水河水文站2小时左右流量涨幅高达3860立方米每 秒，漫水河以上区间雨峰洪峰间隔仅2小时20分钟 120 （亿m3） 98.5 100 85.4 80 72.573.874.274.676.4 67.4 72.5 60 60.1 56.2 48.3 62.9 63.7 50.451.752.453 54.6 37.7 46.9 40 42.9 23.1 37.3 31.1 24.0 40.3 20 9.9 14.8 0 02..430.30.81.93.03.53.94.04.14.24.34.44.44.4 6.5 4.7 5.2 7月28日 8月2日 8月7日 累计 8月12日 北京 8月17日 8月22日 8月27日 天津 河北 —雨水情特点 洪水过程径流总量初估约200亿立方米， 径流总量大地下水回补多 远超“96·8”流域性大洪水 截至9月11日，海河流域浅层地下水平均埋深较本次强降雨过程前平均上升1.30米，地下水蓄变量已增加109.1亿立方米；初步估算本次强降水过程地下水蓄变量将增加150亿立方米。 海河平原地下水蓄变量累计变化情况海河平原浅层地下水水位变幅图 二 解决算据不足--多源信息在线融合 加强天空地一体化监测预警，全方位感知暴雨洪水态势。利用气象卫星和测雨雷达进行精细化降雨监测；利用12颗雷达、光学卫星遥感数据、20架次无人机航摄数据、8700多路视频监视点位滚动跟踪洪水演进动态；利用1874个地面监测站、280个地面应急监测点实时监测水情信息。天空地多源监测信息，对海河流域河道行洪、蓄滞洪区运用情况和工程险情等开展了持续跟踪监测，天空地多源信息在线融合应用，为海河洪水防御提供了不同时空尺度不同监测角度的立体信息支撑。 卫星遥感 协调中国资源卫星应用中心以及商业卫星公司等卫星数据资源单位，获取覆 盖8个启用蓄滞洪区的12颗卫星遥感影像共计101景，数据量约600GB 8月1日7时，大清河新盖房分洪道泄流长度约8.5公里 8月1日18时，泄流长度达17.8公里，水头距离东淀蓄滞洪区5.5公里 8月3日10时，东淀蓄滞洪区内水头前进约18公里 8月9日11时，东淀蓄滞洪区大清河以北部分已基本全部蓄水 无人机 20余架次无人机航摄数据， 包括照片49张、视频49个、全景影像17个、DOM12幅、DSM1个、激光点云模型1 个，共129个文件、数据量约81GB数据量。 视频监控 通过水利部视频级联集控平台级联接入北京水利监视点位2044路、河北省8753路视频监视点位。 对白沟河东茨村左堤、滩