楊帆 高逸瓊 科技日報記者 付麗麗
數字孿生水網是國家水網建設的重要內容，也是推動新階段水利高質量發展的重要標志之一。作為數字孿生水利工程建設先行先試項目之一，數字孿生南水北調中線建設涉及線路長、專業廣、復雜程度高、協調難度大，2023年以來，各有關單位通力協作、密切配合，圍繞安全監管、智能調度、水質保護、智能運維等業務需求，初步建成數字孿生南水北調中線一期1.0版。
圖為南水北調中線穿黃工程。
自中線工程通水以來，中國南水北調集團中線有限公司（以下簡稱中線公司）積極推進信息化建設，加快布局物聯網、人工智能、云計算、大數據等新一代信息技術的應用，已形成覆蓋工程安全、供水安全、水質安全和企業經營管理各業務領域的信息化體系，積累了大量的監測及運行管理數據，為數字孿生建設奠定了良好基礎。
安全監管更加精準
數字孿生，基礎在“數”。中線工程沿線共計布設安全監測儀器設施10萬余支（套），安裝視頻安防攝像機1萬余臺，布設水位計、超聲波流量計、雨情監測站、左排水位監測站1200余個，構建了較為完善的工程安全業務系統，實現了安全風險發現、上報、處理、消缺的閉環管理，形成了大量的基礎數據、監測數據和業務管理數據。
如何用好這些龐雜豐富的數據是關鍵。數字孿生南水北調中線一期1.0版在“中線一張圖”基礎上筑牢統一的數據底板，重點關注中線工程安全監管以及交叉河道、左排洪水對中線工程的安全影響，系統覆蓋示范段和先行先試段的工程安全監測告警信息以及流域的氣象預報信息，基于數理統計模型、有限元分析模型及洪水預報、演進模型，初步形成了多模型耦合體系，對各類工程結構安全及洪水風險進行預警，并支持多工況預演、匹配預案。
針對河南鄭州“7·20”特大暴雨災害洪水，開展從“降雨—產流—水庫調蓄—洪水演進”全過程模擬，計算突發暴雨洪水到達南水北調中線工程交叉斷面時的水情情況，給出預警提示，并推薦處置措施，可復盤總結防洪處置經驗。一線管理人員表示，用算法和數據可“再現”洪水，動態識別洪水范圍和速度等演進信息，有效支撐防洪度汛精準化決策。
輸水調度更加智能
數字孿生，核心在“算”。構建南水北調中線智能調度業務場景是數字孿生南水北調中線建設的重要任務之一。數字孿生系統通過接入全線水情數據、冰情實時監測數據，對供水運行狀態進行實時監視預警。基于河渠水動力學模型，實現中線總干渠恒定流與非恒定流狀態的輸水調度模擬，為常態情景及應急場景下供水方案調算以及閘群聯調指令制定提供支撐。基于河冰動力學模型對京石段217公里范圍內18座巡查站點寒潮場景下水溫、冰凌進行預報預警。
中線公司調度人員介紹：“我們現在通過這個平臺可以便捷地對渠道輸水能力進行評估，只需要輸入預設的輸水工況和計算區間，平臺會調用恒定流模型計算區間內各斷面的流量和水位，還能根據超加大水位的位置對調度方案進行動態調整，這項功能對日常調水工作效率提升作用很大。”
據介紹，數字孿生平臺可以結合智慧化模擬，制定不同工況下預案措施，為供水安全提供智慧化決策支持。在應急防汛或其他應急工況中，常常需要在短時間內大幅度調整流量。如今，平臺的非恒定流計算功能可支持開展應急響應狀況下的輸水調度模擬，為閘群聯調指令的制定提供了決策支撐。
水質保障更加敏捷
數字孿生，重點在“預”。數字孿生南水北調中線建設基于已建的水質監測-預警-調控決策支持綜合管理平臺，構建水質保護業務場景，動態掌握中線水質監測現狀及未來發展趨勢，實現以不同渠段、不同污染物為輸入的中線工程污染物擴散模擬，以及應急調控舉措在數字化場景中的仿真再現。
數字孿生平臺集成中線13座水質監測自動站、30個固定監測斷面等各種水質指標實時數據，實現了全線水質多參數監測告警。基于一維水動力水質模型，耦合大數據預測模型，實現全線水質9項指標未來七天的預報預警。針對典型渠段，可驅動突發污染物輸移擴散模型進行水污染擴散的復現和預演，并推薦應急響應預案。
為更好保障水質安全，水質專員可利用水質保護模塊，輔助開展突發水污染事件桌面推演。在河南分公司桌面推演現場，接到鄭州管理處事故模擬情況的現場報告后，水質專員在平臺輸入污染物相關信息，調用污染物輸移擴散模型，即可模擬污染物擴散過程。看著大屏幕上的信息，水質專員說：“通過數字孿生平臺的構建，實現了示范段內污染物入渠后的污染擴散情況的快速模擬，并迅速給出處置建議，大大提升了應急響應速度。”
（中國南水北調集團供圖）
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