2024优秀案例丨数字孪生水网（杭嘉湖平原）赋能水利智慧调度

2022年2月，水利部以《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》（水信息〔2022〕79 号），要求各流域机构、省市以及有关水利工程管理单位开展数字孪生流域建设。计划用2年左右时间，在大江大河重点河段、主要支流开展数字孪生流域建设先行先试，在重要水利工程开展数字孪生水利工程建设先行，打造一批可推广可复制的成果和经验，营造以点带面、持续突破、统筹推进的浓厚氛围，引领和带动全国数字孪生流域建设。

针对太湖流域杭嘉湖平原地区感潮河网水位敏感、流向往复不定、调度复杂等特点，按照水利部“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总体要求，运用实景三维、BIM、人工智能等先进技术手段，深度融合水利业务打造了数字孪生底板、模型平台、知识平台和水利智慧调度应用。通过时空仿真、虚实交互的系统设计实现了对平原流域物理水网自然、社会全要素的数字映射和水利工程调度的模拟推演，支撑了流域防洪、水资源配置等重要工作，本案例成功入选水利部《数字孪生流域建设先行先试应用案例推荐名录》。

遵循智慧水利顶层设计，按照“统筹谋划、大系统设计、分系统建设、模块化链接”的原则，以“数字化、智慧化、精准化”为路径，聚焦水灾害防御业务，围绕杭嘉湖平原数字水网、水利工程联合调度、安全运行、综合管理的需求和痛点，以系统目标能落地、系统功能“实用、好用、管用”为方向，开展数字孪生水网（杭嘉湖平原）项目设计与建设（见图1所示）。

图1 数字孪生水网（杭嘉湖平原）技术框架

围绕保障四个安全、落实三条红线、服务四类用水、水利工程科学运行等重点，实现业务重塑、流程再造、多跨协同，以太湖流域杭嘉湖平原现代化水网构建为目标，构建“1+2+N”总体建设框架，即1个数字孪生平台、流域防洪与水资源配置2个核心业务和“N”个水利智慧应用模块。通过建立数字化共享体制机制，推动跨区域的协同联动，通过数字水网、大数据、人工智能、模型云等技术全力推进新技术与业务的深度融合应用，提高应用水平，集成打造全行业共享水利大脑，打造升级版看水一张图、调水一盘棋、管水一平台：

重点侧重于数字孪生平台建设；数字孪生综合应用场景建设，包括水灾害防御、水资源保障、水生态保护等业务应用

1个数字孪生平台：整合已有感知体系，迭代水管理平台，构建数字孪生水网（杭嘉湖平原）数据底板、模型平台、知识平台，全面提升全面感知、分析研判、预报预警三大能力；

2大核心业务应用：水灾害防御“四预”应用、水资源保障应用。

N个水利智慧应用：水生态保护应用、水利规划应用等。

1、数字孪生水网数据底板

1.1构建数字孪生水网（杭嘉湖平原）数据底板

采用多主题电子地图、优于 1m 的高精度遥感影像和 12.5 m分辨率的 DEM（数字高程模型）等数据，构建数字孪生水网（杭嘉湖平原） L1 级数据底板；利用高精度堤顶高程、数字正射影像、水下地形、试点范围788km²分辨率优于5cm 的倾斜摄影等数据，真实反映建筑物、河湖水系、桥梁道路、水利工程地形地貌、地表覆盖情况，构建试点范围 L2级数据底板；完成南排工程海盐塘枢纽、南台头闸、盐官枢纽、长山河枢纽、独山枢纽LOD300级BIM模型制作，构建L3级数据底板。（见图2所示）

图2 数据底板

1.2水利时空数据融合

针对跨部门数据格式不统一、水利要素难对应等问题。本项目对河网水系、闸、泵、堤防和圩区等1.48万条对象开展唯一身份标识，采用一套跨部门互认的“水网对象唯一身份标识码”，实现二三维地理空间数据与自然空间、社会经济、物联感知等多源、多模态数据的“一码多态”融合管理（见图3所示）。共汇聚融合了31.58万条社会经济、360多万条地理实体、1.216亿条水利监测感知等数据。构建跨部门协同更新机制，市水利部门与资规部门签订《嘉兴市地理信息资源协同更新合作协议》，基于地理实体动态更新，保障了底板数据的现势性与准确性。

图3 “一码多态”融合管理

1.3水利时空地图组件

打造水利时空地图组件，基于国产化三维地图引擎，通过WebGL技术和iframe跨域通讯技术构建。依托高性能云服务，整合海量地理基础信息及雨水工情等信息，具备灵活的数据配置和场景定制能力。用户可根据流域防洪、水资源配置等不同场景和应用需求自定义地图底图的样式，配置所需时空数据，快速搭建宏观水网或微观水利工程孪生场景。通过地图通信组件，可调用GIS引擎的图形数据处理、环境模拟、空间分析以及淹涝分析等模型。在赋予从流域到水利工程多级孪生构建能力的同时，提高数据的承载范围和加载效率，并减少开发工作量和建设周期。（见图4所示）

图4 水利时空地图底座

2、数字孪生水网模型平台

建设数字孪生水网（杭嘉湖平原）模型平台，基于数据底板概化河道1146条、总长5350.23km²，建模要素包括：断面8722个、湖泊102个、大小圩区1632片、水闸259座、泵站260座（见图5所示）。与太湖局共建了杭嘉湖平原水网水文水动力模型，开展流域代表站水位预测和流域骨干工程调度预演分析；通过构建SCS水文模型经验算法开展圩区水位分析；通过人工智能算法，循环迭代开展实测水位与预测水位的率定校正；通过构建圩区综合风险评估算法，开展基于整体风险和圩区风险的综合风险指数统计分析。创新性构建了平原水网智能调度模型集，在线滚动迭代率定，实现试点区域40座圩区预报调度分析。该关键技术研究已通过省级科技成果评审，有效支撑了水网圩区对象的水位预测、风险研判、工程联合防洪调度推演、调度预案推荐。

图5 概化水利要素

3、数字孪生水网知识平台

构建面向异构数据（结构化、半结构化、非结构化数据）自增长自演化的知识图谱（知识图谱亦是一种知识库形态）系统构建平台。在水利知识图谱构建过程中，收集整理嘉兴城防水利工程、水利对象基本信息，汇总了百余份圩区控运方案，并在领域专家的指导下，完成嘉兴水利知识本体模型的构建，以及水利知识图谱的构建，其中，面向水利管控的本体模型包括了知识概念12个（概念的属性共73个），概念间关系13种类型。基于本体模型，基于嘉兴市水利局工程运管系统数据接口数据，构建了相应的知识图谱，其中图谱实例数量3287个，实例间关系3582条。同时，基于知识图谱自增长与自演化能力，能够接入后续水利相关数据，持续提升知识图谱的规模和能力。面向水利领域需求，研发了知识引擎，主要包括以下几个部分，本体模型协同编辑、融合LLM（Large Language Model，大规模语言模型）的知识抽取，自增长自演化的图谱构建、面向自然语言的知识检索、多维度可视化展示等。（见图6所示）

图6 知识平台

4、流域防洪与水资源配置综合应用

4.1水灾害防御“四预”智慧调度应用

围绕嘉兴水灾害防御业务，面向本次试点区域（嘉兴市城防大包围、海盐塘沿线、海盐塘周边I级圩区、南台头枢纽），基于L1、L2、L3级数据底板的大场景的GIS数据、试点范围766km2实景三维数据与主要水利工程BIM数据，结合气象预报、实时水雨情和水闸泵站的实时工情数据，构建数字孪生水网精细化场景。以支撑监测、预报、预警、预演、预案等水灾害防御应用，结合各闸泵站周边水系的河网水动力调度模型，基于知识平台历史水灾害防御场景下的调度方案，模拟预演闸泵群开度组合，将预演结果提供给决策者，支撑多水系的联排联调。（见图7所示）

借助三维GIS引擎提供的数据加载、场景管理、空间分析、三维渲染、特效处理等服务能力，构建杭嘉湖骨干河道水位预报预警应用，通过输入降雨条件，可精准预测分析嘉兴14个主要代表水文站未来24小时至72小时水位；生成一张洪水风险图，一份风险识别表，一份处置对策单。构建试点区域水网协同调度预演预案应用，根据预报降雨情况，预演杭嘉湖南排工程、城市防洪工程和圩区工程在控运规则情况下洪涝风险。综合水网整体风险、干河堤防风险、圩区风险，圩区堤防高程、不同农作物耐淹程度、人口数量、重点保护对象等情况，运用数据底板gis引擎能力实现物理工程的同步直观表达、工程运行全过程高保真模拟。通过多次模拟预演，生成优化调度方案，实现水网预排预降和圩区有序调度，并在应用平台下发工程调度建议单。同时，应用可反演历史典型洪水，以历史典型洪水降雨过程结合现有工况，模拟洪水演进过程。

图7 水灾害防御“四预”智慧调度应用

4.2全域水资源保障

构建以二三维实景大场景为核心的全域水资源保障一张图，全面汇集在资源取、供、用、耗、排全业务链的基础数据、监测数据和统计分析数据，抽取嘉兴水资源管理工作重点关注要素。运用实景三维场景中水情数据的动态标绘和态势推演，实现对水资源态势、出入境水量、区域取水、供水格局、用水总量、水环境质量和生态水位的监测预警。为全面掌握嘉兴水资源态势、明晰水资源管理工作的薄弱环节、进一步强化水资源刚性约束、深化改革创新、支撑水资源规划的落实提供数字化管理手段，提高水资源保障能力。（见图8所示）

图8 水资源保障“一张图”

1、水利时空数据“一码多态”管理与跨部门数据协同更新

将“地理实体”的概念引入数字孪生水网数据底板，将嘉兴全域河湖水系、水利工程等水利要素转化成专题实体数据——“水利实体”，基于水利要素基础信息代码构建“水网对象唯一身份标识码”，构建水利时空数据管理模型实现水利要素电子地图、实景三维、BIM、影像等多模态数据的“一码多态”管理。创新建立了跨部门协同共享机制，与多部门合作通过互认的“水网对象唯一身份标识码”将物理水网的“空、天、地、水”业务数据、感知数据数据与水利二三维地理实体进行融合，实现在数字底板上水利时空数据的多维展示与动态更新。

在防御“杜苏芮”台风的过程中，通过数据底板中收集到的气象部门提供的预报信息，按照27日8点至30日8点不同等级降雨预报值（50mm、80mm、100mm、150mm、200mm），在三维场景内进行市域9个主要代表站水位的预报模拟（见图9所示）。在台风登陆后，根据实时感知的水文站数据，当日嘉兴市实际平均雨量为46.3mm。与数字孪生水网模拟的50mm降雨方案预报结果比对发现，大部分代表站的预测误差在5cm以内，其中嘉兴站的预报与实测结果的误差仅为3厘米（见图10所示）。这样高精度的预报结果在今年水利部防御台风“杜苏芮”的会商会上得到了水利部部长的高度赞赏和肯定。

图9 配置预报降雨

图10模拟成果与实际结果

2、平原水网水灾害防御“四预”智慧调度应用

创新构建针对于平原水网的水灾害防御“四预”智慧调度应用，基于预报降雨信息通过模型平台建设的平原水网水文水动力模型和圩区综合风险评估算法对河湖水情、杭嘉湖南排工情、圩区风险进行分析计算，根据模型计算结果，在知识平台中检索优化城防、圩区和南排调度的预案。优化目标是在确保圩区不出现高风险情况的前提下，尽可能减少嘉兴站水位超保持续时间，以最大化保障城区和干河堤防的安全性。

在防御2023年“6·23”强降雨过程中，针对预设的150mm降雨情景，数字孪生水网杭嘉湖平原平台多维度、全方位模拟了强降雨下的河网水位、圩区情况、堤防状况、淹涝情况以及工程调度（见图11所示）。通过多级全过程的推演实现从宏观水网到微观水利工程的精确调度。

图11 预演

最后将优化前后的调度方案进行双屏对比，通过嘉兴代表站水位超保证时长、南排水量、三张风险清单等指标，分析了优化后的调度成效（见图12所示）。最后形成优化调度原则和具体的调度指令，并于6月21日开始，杭嘉湖南排工程、圩区闸泵工程按照优化后的调度方案进行预排预降。截至6月23日，累计预排水量0.8亿m3，有效降低河网水位10—15cm，腾出较大河网库容，堤防风险进一步降低，发挥了水网运行整体效能，增强了水网韧性。

图12 调度预案双屏对比

本案例在水利时空大数据融合、平原水网智能调度取得了显著的社会和经济效益。可形成标准化实施路径，为其他单位开展同类工作提供宝贵的启示和指导，实现数字空间服务的统筹、安全和共建共享，推动智慧城市建设和经济发展。

1、水利时空大数据融合：

社会效益：实现了全市水利空间数据与跨部门共享数据融合与动态更新，提升了建设和应用效益。为流域防洪、水资源配置等领域提供了更准确、可靠的时空数据支持。

经济效益：通过统一安全保障和规范的空间底座，降低了信息集成和共享的成本，提高了决策的精确性和效率。这有助于推动数字经济的发展，促进城市的智慧化建设。

推广价值：标准化的实施路径能够为其他单位开展类似工作提供指导和启示，帮助其构建统一、可持续的数字空间服务体系，最大程度地释放时空大数据的潜力。

2、平原水网智慧调度：

社会效益：建立的模型集为“杭嘉湖－嘉兴－县市－圩区－水利工程”二三维水网孪生模拟系统，提供了细致的调度和优化方案，能够有效降低洪水灾害的风险，保护人民生命财产安全。同时，它也为太湖流域其他地区的防洪减灾提供了有益借鉴和推广的示范。

经济效益：智能调度技术能够最大程度地提高水资源的利用效率，优化水利工程的运行成本，为城市经济发展创造良好的水环境和基础设施条件。

推广价值：本案例突破了圩区协同调度的关键技术，这一经验可以为其他地区的水网系统优化提供启示和参考，推广应用的前景广阔。

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