数字孪生大沽河流域案例

一、背景概述

大沽河作为青岛的母亲河，青岛段长达120公里，涵盖8条支流、8座中大型水库、19座拦河闸坝，承担着流域防洪安全、水资源调配等重要职能。2018年建成的数字大沽河工程运行7年后，面临设备老化难以使用、数据孤岛难以应用、应用功能难以支撑业务等问题。2024年，我们启动数字孪生流域升级，目标是打造一个能“看懂”河流、能“预测”风险、能“优化”调度的智能平台，实现从“能用”到“好用”的跃迁。

二、建设内容

结合水利部《数字孪生流域建设技术导则》，为大沽河整体搭建“空、天、地、水、工”全覆盖的监测体系，涵盖数据底板、模型平台、知识平台的数字孪生平台，以及以流域防洪“四预”和水资源调度与配置为主的“2+N”智能业务应用。

构建“空、天、地、水、工”监测体系

修复主干、分支光纤断点，升级至全光网增加传输效率，并对沿岸提防监控进行恢复，保证设备在线率95%以上，且故障率降低70%；并建立了“空、天、地、水、工”的流域监测体系，“空”包括接入气象卫星、遥感卫星等服务；“天”包含接入测雨雷达服务、建设无人机等新型设备；“地”包括建设气象站、雨量站等，“水”包含接入河道水文站、水库水位站，建设闸坝水位站等；“工”包含接入大坝位移监测、建设视频AI分析等。构建大沽河全天候、全要素监测感知体系。

构建数字孪生平台数据底板

通过工业物联网统一接入系统对流域内数据进行整合，汇聚高分遥感、倾斜摄影、点位监测等数据，形成L1（流域级）、L2（河道级）、L3（工程级）三级数据底板，覆盖2000多万条数据。并通过清洗、更新、关联分析，打通各市、区水务局、水利局、水文局等多系统数据，实现业务数据“一源多用”。

构建专业模型平台

围绕流域防洪四预和水资源调度配置两个领域，与中国水科院深度合作，共同研发了12个机理模型，同时还归集了水利专业智能识别模型以及闸坝三维建模和120公里河道倾斜摄影等可视化模型。

构建“2+N”智能业务应用

“2”即为流域防洪“四预”管理平台、水资源配置与调度管理平台；“N”为综合驾驶舱、“四乱”管理平台、统一业务门户、巡查养护管理平台、移动APP等多项业务应用。

三、重点功能

全流域态势感知及防洪工程体系

通过接入水务局、水文局等多源数据，建立大沽河流域态势感知功能，集成流域内雨量站、水文站、气象站、水保站、闸坝水位站、提防视频监控、水质监测等多类数据；并梳理大沽河流域内的防洪工程体系，包括：物资仓库、堤防易溃点、漫水桥、提防工程、防洪保护区、水利工程设施、穿提建筑等全要素。

降雨预报及降雨模拟

系统能够获取未来3天逐小时的网格化降雨预报，并按照子流域划分生成面雨量预报，并支持降雨方案创建，支持获取实时降雨预报、降雨方案导入、芝加哥雨型生成等多种降雨方案，支撑洪水复盘、暴雨移植、洪水模拟等多种业务应用。

洪水预报与洪水模拟

系统能够根据实时降雨预报、实时水库水位等生成洪水预报方案，并通过各水库下泄方案自由设定下泄水量，同步生成实时洪水预报，输出每个水库、断面的洪水总量、洪峰流量、峰现时间等主要数据；并支持洪水复盘、暴雨移植等方案生成，通过自由配置降雨方案、水库下泄生成洪水预报方案。

洪水预警分类分级

系统能够根据实时监测信息和预报信息，结合水库和河道总要断面的运用指标，判断预警的等级和类型，触发预警通知、发布、变更、解除等流程，包括14种极端天气预警、实时洪水分析预警、落地雨量预警、河道工情预警等类型。

二维和三维的动态洪水预演

通过洪水预报生成的方案能够进行二维和三维的洪水演进模拟，并支持多水库联合调度模拟、水库溃坝模拟、河道溃堤模拟等多种场景模拟，通过配置洪水预报方案后，生成大沽河120公里的主干道行洪演进模拟效果展示，并对淹没范围和灾损进行分析和统计；通过三维游戏引擎预演能够清楚查看溃坝、溃堤等灾害过程以及洪水演进动态效果。

标准化与动态化防洪预案

系统能够根据未来三天逐小时的洪水预报触发动态防洪预案，也支持洪水复盘、暴雨移植等方案下的动态防洪预案，支持日常防洪工作和演练；并具备标准电子化预案的查看和下载，全面支撑流域防洪工作。

水资源优化配置

系统能够展示大沽河流域未来一年范围内的中长期的降雨预报和来水预报，并对流域内8座中大型水库、19座拦河闸坝进行需水预测分析，根据闸坝水量情况进行优化方案配置，确保水资源的合理调度。

雨洪资源利用

系统具备雨量监测和雨洪预报等功能，通过雨洪方案配置，将一场强降雨或洪水的尾水进行拦蓄，提升水资源蓄量，并根据河道内滩地情况，生成上滩预警通知，保证在不影响滩地农作物的基础上将闸坝蓄水最大化，形成最优调度。

取用水全要素监管

系统将流域内各取用水户、取用水证、取用水口、取用水计量设施等进行分级分类管理，对各用户进行年度、月度取用水指标分解，并根据闸坝蓄水量和取用水许可量进行蓄水调度，确保取用水监管到位。

生态流量预警

根据大沽河当前生态流量考核目标，制定生态流量预警，统计累计过流天数、累计过流量等，并制定不断流调蓄方案，保证生态流量达成考核。

四乱管理

通过AI智能识别能力，赋能无人机、提防闸坝监控，实现“四乱”算法的识别，及时提醒管理人员处理相关事件，结合移动APP的灵活性，帮助用户建立更加规范化，标准化的工程巡查养护流程，包括巡检、异常上报、维修、养护等工作。通过“无人机巡查-重点AI监控-人工现场符合”相结合，建立一套河湖智能巡查管理模式，全面提升流域水环境管理能力和突发事件应急能力。

四、案例总结

通过本次建设，为数字大沽河向数字孪生流域跃迁夯实基础，保障了通信网络、监测设备和运行设备三类基础设施的稳定、高效运行，在此基础上，做到了三个提升，即提升了感知能力、数据管理能力和业务应用能力等。同时，为了更好支撑数字孪生平台建设，提前布局了模型平台和知识平台两大基础能力。为后续数据驱动、业务重构、人工智能+应用提供能力服务，全面助力大沽河流域蜕变为国内创新、先进的数字孪生流域。

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