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楊帆 高逸瓊 科技日報記者 付麗麗

數(shù)字孿生水網(wǎng)是國家水網(wǎng)建設的重要內(nèi)容，也是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要標志之一。作為數(shù)字孿生水利工程建設先行先試項目之一，數(shù)字孿生南水北調(diào)中線建設涉及線路長、專業(yè)廣、復雜程度高、協(xié)調(diào)難度大，2023年以來，各有關單位通力協(xié)作、密切配合，圍繞安全監(jiān)管、智能調(diào)度、水質(zhì)保護、智能運維等業(yè)務需求，初步建成數(shù)字孿生南水北調(diào)中線一期1.0版。

圖為南水北調(diào)中線穿黃工程。

自中線工程通水以來，中國南水北調(diào)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(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)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(zhì)安全和企業(yè)經(jīng)營管理各業(yè)務領域的信息化體系，積累了大量的監(jiān)測及運行管理數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生建設奠定了良好基礎。

安全監(jiān)管更加精準

數(shù)字孿生，基礎在“數(shù)”。中線工程沿線共計布設安全監(jiān)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(jiān)測站、左排水位監(jiān)測站1200余個，構建了較為完善的工程安全業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全風險發(fā)現(xiàn)、上報、處理、消缺的閉環(huán)管理，形成了大量的基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務管理數(shù)據(jù)。

如何用好這些龐雜豐富的數(shù)據(jù)是關鍵。數(shù)字孿生南水北調(diào)中線一期1.0版在“中線一張圖”基礎上筑牢統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底板，重點關注中線工程安全監(jiān)管以及交叉河道、左排洪水對中線工程的安全影響，系統(tǒng)覆蓋示范段和先行先試段的工程安全監(jiān)測告警信息以及流域的氣象預報信息，基于數(shù)理統(tǒng)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(chǎn)流—水庫調(diào)蓄—洪水演進”全過程模擬，計算突發(fā)暴雨洪水到達南水北調(diào)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(jīng)驗。一線管理人員表示，用算法和數(shù)據(jù)可“再現(xiàn)”洪水，動態(tài)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(diào)度更加智能

數(shù)字孿生，核心在“算”。構建南水北調(diào)中線智能調(diào)度業(yè)務場景是數(shù)字孿生南水北調(diào)中線建設的重要任務之一。數(shù)字孿生系統(tǒng)通過接入全線水情數(shù)據(jù)、冰情實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對供水運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視預警。基于河渠水動力學模型，實現(xiàn)中線總干渠恒定流與非恒定流狀態(tài)的輸水調(diào)度模擬，為常態(tài)情景及應急場景下供水方案調(diào)算以及閘群聯(lián)調(diào)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(nèi)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(diào)度人員介紹：“我們現(xiàn)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(qū)間，平臺會調(diào)用恒定流模型計算區(qū)間內(nèi)各斷面的流量和水位，還能根據(jù)超加大水位的位置對調(diào)度方案進行動態(tài)調(diào)整，這項功能對日常調(diào)水工作效率提升作用很大。”

據(jù)介紹，數(shù)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(nèi)大幅度調(diào)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(diào)度模擬，為閘群聯(lián)調(diào)指令的制定提供了決策支撐。

水質(zhì)保障更加敏捷

數(shù)字孿生，重點在“預”。數(shù)字孿生南水北調(diào)中線建設基于已建的水質(zhì)監(jiān)測-預警-調(diào)控決策支持綜合管理平臺，構建水質(zhì)保護業(yè)務場景，動態(tài)掌握中線水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，實現(xiàn)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(diào)控舉措在數(shù)字化場景中的仿真再現(xiàn)。

數(shù)字孿生平臺集成中線13座水質(zhì)監(jiān)測自動站、30個固定監(jiān)測斷面等各種水質(zhì)指標實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了全線水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測告警。基于一維水動力水質(zhì)模型，耦合大數(shù)據(jù)預測模型，實現(xiàn)全線水質(zhì)9項指標未來七天的預報預警。針對典型渠段，可驅(qū)動突發(fā)污染物輸移擴散模型進行水污染擴散的復現(xiàn)和預演，并推薦應急響應預案。

為更好保障水質(zhì)安全，水質(zhì)專員可利用水質(zhì)保護模塊，輔助開展突發(fā)水污染事件桌面推演。在河南分公司桌面推演現(xiàn)場，接到鄭州管理處事故模擬情況的現(xiàn)場報告后，水質(zhì)專員在平臺輸入污染物相關信息，調(diào)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(zhì)專員說：“通過數(shù)字孿生平臺的構建，實現(xiàn)了示范段內(nèi)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(diào)集團供圖）