数字孪生水网顶层设计与初步实践

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 第一部分数字孪生水网顶层设计 目录 第二部分防御海河“23•7”特大洪水的应用实践 定义定位—定位 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。 第一层：明确发展方向，即智慧水利 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 第三层：主要任务，即“三个孪生”和”2+N”业务“四预” 定义定位—定义 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。 定义定位—定义 预报 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直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，及时采取应急处置措施，做好防灾避险准备。 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不同预见期（短期、中期、长期等）的定量或定性分析，提高预报精度、延长预见期。 预案 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。 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。 形势要求—党中央国务院的决策部署 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 加快建设网络强国、数字中国 形势要求—内在需要 水利现状和需求决定 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。 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。 目标任务 三 “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。 实施路径 通过重点研发计划、水利部重大科技项目开展数字孪生水网监测感知、模型平台、仿真推演、网络安全等相关技术攻关。 从行政、规划、工作、技术等层面出台包括数字孪生水网在内的系列文件，明确了路线图、时间表、任务书、责任单。 顶层设计 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开发性金融工具推进已建水利工程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。 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难点，探索形成一批可借鉴、可推广的典型案例和经验，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。 推广建设 先行先试 实施路径--难点 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。 传统监测不满足全要素、全过程数字化场景需要，无法支撑数字孪生流域与物理流域交互的精准性、同步性、及时性。 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。 计算资源，尤其是高性能计算资源严重缺乏，通信网络尚有差距。 算力方面 第一部分关于数字孪生水网 目录 第二部分防御海河“23•7”特大洪水的应用实践 雨水情特点 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） 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 雨水情特点 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 量级大 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 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 洪水涨势猛演进快 雨水情特点 洪水过程径流总量初估约200亿立方米，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。 径流总量大地下水回补多 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9日11时，东淀蓄滞洪区大清河以北部分已基本全部蓄水 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1日7时，大清河新盖房分洪道泄流长度约8.5公里 8月3日10时，东淀蓄滞洪区内水头前进约18公里 解决算据不足--多源信息在线融合 无人机 对白沟河东茨村左堤、滩里干渠等工程险情，东淀蓄滞洪区、永定河泛区等蓄滞洪区洪水动态，以及涿州市区淹没情况开展了精细化监测。 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。 7月31日，调阅卢沟桥拦河闸和分洪闸监视视频，支撑卢沟桥枢纽下泄流量调度决策 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。 8月1—2日，调阅河北廊坊沿永定河视频监视点，跟踪洪水行进过程，支撑永定河泛区和蓄滞洪区启用决策 解决算据不足--多源信息在线融合 4.水利一张图融合应用 持续优化完善全国水利一张图各类专题应用模块，提升数据服务发布到会商系统调用多源信息、全流程的自动化、规范化水平。 实现影像数据服务即时发布。卫星影像、无人机、视频监视等动态影像数据的实时处理、动态发布；推动服务发布流程流程化、自动化。 实现多源信息融合服务。通过与全国水利一张图基础地理、自然水系、水利工程等多源数据叠加分析和深度融合，支撑全链条洪水过程的推演模拟，为调度预案制定提供近实时、准确的信息，支撑科学决策。 解决算法不足--数字孪生平台应用 加强数字孪生平台应用，为洪水防御提供基础支撑。利用激光雷达、倾斜摄影等构建海河流域高精度数据底板，实时汇聚更新2214条河流、28处国家蓄滞洪区、155座重点大中型水库、2160公里堤防等基础数据，完善蓄滞洪区一张图，搭建每秒58.3万亿次双精度浮点计算的高性能计算集群，为海河流域洪水防御提供了算据算力支撑。 构建了海河流域9772个自然汇流和人工设施相结合的断面上下游拓扑关联关系图谱，为海河流域240个节点的洪水预报方案构建提供了重要支撑。 构建数字孪生模型平台 构建了海河流域一维、二维水动学模型，实现了相应区域7月30日至8月3日强降雨过程洪水演进过程模拟和淹没范围仿真。 解决算法不足--数字孪生平台应用 正式上线蓄滞洪区一张图并接入防汛会商系统，对海河流域28处国家蓄滞洪区蓄洪能力、工程设施、安全设施、监测预警、运用补偿等12类数据进行展示。 开发蓄滞洪区一张图 重点对本次启用的8个蓄滞洪区内24处安全区、33处进/退 洪 口 门开发专题分析功能。 解决算力不足--强化信息化基础设施建设 构建了每秒58.3万亿双精度浮点计算的高性能计算集群 持续优化完善会商调度环境，每日通过视频、蓝信等连线会商5～6次，及时沟通水库、堰闸等水工程对洪水预报的影响，特别是动态掌握蓄滞洪区启用时间、水头演进、滞蓄水量、淹没范围等调度运用状态，为海河流域洪水防御提供算力和会商支撑。 强化算力环境保障 解决“四预”能力不足--延长预见期、提高预报精度 1.预报 加强降雨预报和洪水预报耦合