烟台市水库众多,防洪保安任务重大｡多年来,全市受台风､暴雨等极端天气影响,洪涝灾害频发,经济发展和人民生命财产安全受到严重威胁｡根据水利部《“十四五”智慧水利建设规划》和《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等提出的要求,烟台市智慧水利建设应以“实用､安全”为基本原则,在水利部《智慧水利建设顶层设计》总框架指导下[1],聚焦防洪核心业务,充分利用无人机､卫星遥感､物联网､人工智能､大数据､数字孪生等新技术,建设烟台市基于数字孪生的大中型水库防洪调度“四预”应用系统[2]｡

1、区域概况

烟台全市面积13864.5km2,行政区划涵盖5区､6个县级市及多个功能区｡其多年平均降水量674.7mm,降水过程呈现丰､枯水交替特征｡域内河网较为密集,有1100多条大小河流,河网密度约0.48km/km2,多为山溪性､季节雨源型砂石河,源短流急,河床比降大,防洪难度颇高｡全市可划分出32个流域面积大于50km2的独立流域,这些流域河流总数达1072条,占比92.6%,总长6266.64km,占河流总长93.3%｡现拥有各类水库1062座,总库容18.04亿m3｡

2、需求分析

首先,在防洪治理手段方面,烟台市水库分布广泛､防洪压力大,但管理方式落后､信息化程度较低;急需借助数字孪生､大数据等新一代信息技术,推动防洪业务信息化建设,提升管理效能｡其次,在水利数据管理方面,烟台市存在数据存储量少､数据碎片化､数据共享不足､数据标准化低､数据安全缺乏保障等问题;急需整合水利数据资源,构建完善的数据管理体系,在达成“一数一源”的基础上,增强业务协同与数据融合能力｡最后,在信息化业务方面,对照水利部智慧水利､数字孪生等相关技术大纲与导则要求,烟台市在流域防洪､水库调度的信息化业务应用方面存在缺失;急需强化对大中型水库､河道､闸坝的管控[3],构建数字孪生流域防洪“四预”应用,实现在极端恶劣天气下迅速､精准地制定合理的防洪调度策略,保障区域安全｡

3、总体设计

3.1功能架构

平台秉持“补短板,助监管,提服务,促发展”的理念,以水利“防洪减灾”为核心,依托烟台市现有水利感知体系,借助数字孪生､大数据等前沿技术,基于烟台市政务云和水利专网,整合各类水利业务数据,提升流域防洪及水库调度领域的大数据挖掘能力与智能化管理水平,构建起以水库防洪应用为中心的信息化管理系统｡系统平台由以下子功能系统组成｡

水利数据中台遵循“一数一源,一数多用”准则,精细划分数据生命周期,构建专业数据架构体系,提供科学､规范､精细的大数据综合服务｡

智慧水利一张图以遥感数据为基础,利用智能感知､数据融合与智能应用体系,为其他子功能系统提供多维地图交互､统一空间数据资源管理､智能化空间业务分析等实用功能,实现水利监测､数据支撑､综合监督的一体化管理｡

水灾害防御专题驾驶舱聚焦水旱灾害决策,汇聚洪水形势､监测数据､站点分布及运行状况等信息,以图表形式直观呈现,提供水防御分析与决策支撑服务｡

防洪调度“四预”系统作为防洪应用系统的中心,包含分析､预报､预警､预演､预案5大关键功能模块｡其中,雨水情分析模块可查询､展示与统计分析各流域及水库的雨情､水情､工情与视频监控数据;防洪预报模块能提前预报入库洪水､河道来水及水库纳雨能力等过程;动态预警模块依据设定阈值对监测与预报数据综合剖析并发布预警;防洪预演模块可依据所选预报方案与水库调度目标,仿真计算水库防洪调度与泄洪结果,可视化展示水库泄洪､河道洪水演进及淹没分析等场景,且具备方案对比优选功能;应急预案模块基于预演结果,提供物资分配､人员转移与队伍抢险等非工程措施管理功能,结合应急管理预案,实现应急预案结构化管理｡

3.2技术架构

系统基于B/S架构,采用SOA体系技术路线,满足跨硬件平台部署､适应国产操作系统(如统信UOS､麒麟等)等需求｡运用松耦合体系结构,实现业务､服务与技术相互分离,具有业务驱动服务､服务驱动技术的效果,可有效降低架构体系内各层变动的影响､减少运维困难､提升服务水准｡软件开发遵循企业级服务总线(ESB)技术规范与标准,采用容器化部署方案(如Docker等),进一步优化运维效率｡

4、平台建设

4.1数字底板建设

4.1.1建设范围

数据底板依据水利部《数字孪生流域建设技术大纲》与实际需求展开建设｡其中,数据资源建设包括河湖库及监测站基本属性､空间分布信息､部门属性信息等基础数据;雨情､水情､工情与视频监控等监测数据;省､市级山洪灾害监测预警等已建系统的业务管理数据;区域气象数据､地理空间数据(如高精度DEM､DOM数据,航空影像采集数据,水下地形数据)等跨行业共享数据｡在此基础上定制开发数据模型,通过数据中台实现数据汇聚､治理､挖掘与服务发布[4]｡

4.1.2数据底板融合

DEM数据融合是在保障精度与质量的前提下,依照数字高程数据预处理､地理配准､高程融合､数据分割与合并操作等步骤进行处理｡遥感影像融合需先预处理,再进行图像融合等操作,并兼顾其属性､空间和时间特性｡多源矢量数据融合包括数据预处理､几何与属性特征融合处理以及数据分割与合并等流程[5]｡

4.1.3数据中台建设

数据中台建立以水利业务为基础的统一数据资源目录体系和数据交换体系｡首先,完善数据资源的采集模式､管理模式和使用机制,实现全市水利数据的规范化管理,统一数据标准;其次,对水利业务数据､物联网感知数据等进行数据采集､数据清洗,实现多源数据的整合汇聚,形成统一的数据资产;再次,对数据资产进行监控,控制采集数据质量,分析各类数据血缘关系,摸清平台中各项数据的来源及去向,实现数据生命周期管理;最后,提供统一的数据服务能力,为平台业务应用提供算据支持｡

4.2模型平台建设

模型平台建设流域防洪和水库调度专业模型,为平台业务应用提供算法支撑｡包含流域洪水预报模型､水库防洪调度模型､流域水动力学模型3类｡

4.2.1流域洪水预报模型

构建降雨径流相关图模型(API模型),建模计算对象针对研究区域部分中小水库的入库流量预报｡构建新安江模型,建模计算对象针对研究区域部分河流重点监测站点断面流量预报及部分大中型水库的入库流量预报｡构建无资料地区产汇流模型,建模对象针对部分缺乏水文观测设施和实测数据的山丘区中小河道､小型水库的洪水预报｡

4.2.2水库防洪调度模型

构建水库洪水调度计算模型,根据预报入库洪水过程和水库运行规则推求下泄流量过程和库水位过程｡构建马斯京根河道分段连续演算模型,应用于水库上下游河道汇流演算｡构建纳雨能力分析模型,实现对烟台市大中型水库未来汛期可承载降雨量､降雨量可达水位等的快速分析,评估水库当前水位下剩余防洪库容的防洪能力｡

4.2.3流域水动力学模型

构建河道一维水动力学模型,在考虑对行洪有重要影响的闸坝等水利工程的基础上,计算主要河道洪水演进过程和闸坝过流调度过程｡

构建地表二维水动力学模型,针对主要受洪水淹没影响区域,采用基于非结构网格和有限体积法求解的二维水动力学模型构建地表洪水演进模型｡采用平均15m的网格边进行网格剖分｡实现洪水进入淹没区时漫堤和破堤两种情况的洪水计算｡

构建一二维耦合水动力学模型,通过耦合边界的水力连接条件来实现模型联解,解决河道溃堤及溃堤水流演进问题｡该模型基于CPU和GPU并行架构执行模型计算,可以显著提高模型计算效率｡

4.3智慧水利一张图

智慧水利一张图运用时空地理信息可视化技术,依托卫星遥感底图,对水利基础对象或业务指标的时空分布特征予以渲染与呈现｡开发图层管理功能,可依据需求灵活展示河流､水库等多种图层信息,点击图层即可查看详细内容｡开发综合性专业地图,其水利图层能依据不同业务看板,凭借图层显示､叠加､筛选等功能,实现对河流､水库､堤防､蓄滞洪区､塘坝(山塘)､雨量站､水文站､水质监测站､视频监控点､物资仓库､避灾点､防洪队伍等水利相关要素全面直观的展示与管理｡

4.4水灾害防御专题驾驶舱

水灾害防御专题驾驶舱全方位呈现区域当前洪水风险态势,涵盖气象预报､区域降雨､河道水情以及工程运行等关键功能模块,如图1所示｡

气象预报功能借助气象云图､雷达回波图､台风路径等气象信息,运用图片轮播与动画模拟等手段,展现区域过往及未来一段时间的气象动态走向,提供各行政区划的详细天气预报详情｡

区域降雨功能包含实测降雨分析与预警两部分｡其中,实测降雨分析功能依据实测数据统计累计降雨量,评定雨量等级,统计不同等级雨量站数量与分布;预警功能依据累计或预报降雨量判别暴雨风险,展示风险点分布并统计各风险等级站点的数量｡

河道水情功能分为实测与预警两部分｡其中,实测水情功能依据河道水位数据,对比警戒､保证水位判断风险并统计分析;预警功能依据水位数据判断洪水风险,展示预警分布并提供各站点详情与水位流量过程｡

工程运行功能包括大型水库库容分析､水情分析､纳雨能力分析以及工程视频监控等子项,分别对大型水库库容占比､超汛限等水库数量与分布､纳雨能力不足水库情况进行统计展示,同时呈现工程实时视频监控信息,为水灾害防御的决策过程提供精准､全面的数据与直观的展示｡

图1水灾害防御专题驾驶舱建成效果

4.5防洪调度“四预”系统

4.5.1形势分析

形势分析模块实现防洪形势的精准把控｡其中,水情监测分析功能可精确查询不同站点的时段水情,通过站点查询与时间段选择,能直观展示站点的水位､流量过程曲线,并且依据水情预警以鲜明颜色标记站点,实现水情状况全面掌握｡雨情监测分析功能提供雨量站点实测雨量查询,根据所选时间范围,清晰展示雨量站累计降雨及小时雨量过程,同时底图呈现降雨等值面和网格化降雨数值,全面反映降雨分布与强度｡水库工情分析功能详细展示水库的泄洪闸门运行信息(包括闸门类型､开启数量､开启高度等),为水库泄洪调控提供关键数据支持｡视频监控查看功能与烟台市智慧水安综合管理平台无缝对接,实时展示全市水库､河道､闸坝的监控画面,实现对水利设施运行状态的可视化监测｡

4.5.2洪水预报

洪水预报模块提升预报准确性与效率｡其中,滚动洪水预报功能实现自动洪水预报计算,无需人工设置降雨､预报参数,可从数据中台自动提取实时水位､流量边界条件及历史和预报降雨过程数据,定时调用模型平台服务计算并展示入库洪水､河道来水等预报过程,提高了预报的及时性[6]｡作业预报功能提供流域洪水和水库入库洪水过程的作业预报,可设置雨型､选择典型降雨过程,手动更改预报参数与计算边界条件,实现了洪水预报的灵活配置与计算｡水库纳雨能力预报功能对汛期烟台市大中型水库的未来可承载降雨量､降雨量可达水位等进行计算与展示,为水库提前规划防洪策略提供科学依据｡预报成果管理功能提供预报结果方案的查询､管理,对不同预报方案进行对比､评估与优化,确保预报结果的可靠性与实用性｡

4.5.3动态预警

动态预警模块实现防洪风险的及时预警与发布,如图2所示｡其中,实时告警功能依据实时监测的雨水工情数据,对实测值超出各告警等级阈值的站点､水库等进行告警展示,确保风险信息及时处理｡预报预警功能基于预报的雨水情预警,对预报值超出各预警等级阈值的站点､水库等进行预警展示,实现潜在风险的提前防范｡对于上述功能中出现告警或预警的站点,可在地图中通过高亮展示､颜色标记,并展示各类监测信息不同等级告警的统计数量,使警情信息在地图上直观呈现,便于快速定位与处理｡预警发布功能可根据系统生成的告警和预警信息,调用烟台相关发布平台接口推送各类警情信息,确保信息及时传达至相关部门与人员｡预警设置功能实现预警指标､预警指标等级阈值､预警启动规则､预警降级和消警规则的灵活设置,可适应不同的防洪需求与实际情况｡

4.5.4防洪预演

防洪预演模块为防洪决策提供模拟验证｡其中,水库调度预演功能提供丰富的水库调度计算功能,根据不同水库面临的防洪场景,自动匹配指令调度､水位控制调度､泄流控制调度､规则调度､补偿调度､闸门控制调度､预报预泄调度､回蓄调度等调度方式,计算并生成水库调度方案,实现水库拦蓄水量､削峰率､水雨情信息､调度指令､闸门操作､放水预警等信息的统计与展示,为最优调度方案的选择提供数据支撑｡水库调度方案优选功能依据重要站点水位､重点工程､主要城区河段监测点受灾程度(超警水位､超出历时､水深等),对调度方案的计算成果进行科学评估､比选､推优,确保在实际防洪中采用最合理的调度策略[7]｡预演模拟仿真功能包括泄洪仿真模拟､河道内洪水演进和堤防漫溢､溃决淹没分析功能:泄洪仿真模拟功能可精准模拟不同时刻闸门启闭及洪水流量的动态变化过程[8];河道内洪水演进功能模拟展示河道水位随着时间推移不断变化和行进的过程,并提供断面水位､流量曲线图以及河道纵剖面水位变化的动画效果展示,直观呈现洪水在河道内的演进态势;堤防漫溢､溃决淹没分析功能,可在河道洪水超过保证水位或两岸堤防高度时,依据地面高程进行洪水淹没模拟,并绘制洪水淹没水深图､到达时间图､淹没历时图等实时洪水淹没分析图,为评估洪水灾害范围与程度提供有力工具｡

图2动态预警建成效果

4.5.5应急预案

应急预案模块为应对洪水灾害提供全面的应急处置方案,如图3所示｡其中,应急物资分配功能在地图中展示烟台市防汛救援物资库分布情况,并详细统计展示各类物资数据,支持生成物资仓库调配路线,确保灾害发生时物资能够快速､精准地调配到位｡紧急人员转移功能基于洪水演进分析结果和人口分布热力图,可查看人员安置点转移位置分布,支持查看安置点信息,支持生成人员转移路线图,实现受灾人员安全有序转移｡应急队伍抢险功能在地图中展示抢险队伍分布情况,统计与展示各抢险队伍人员与装备详情,根据灾情与险种编制抢险队伍调度方案,实现抢险队伍的高效调度｡水库预案结构化管理功能将应急组织､应急流程､应急处置方式等内容进行可视化､数字化处理,并与防洪组织结构与人员一张图联动展示,提高应急预案的执行效率与协同性｡

图3应急预案建成效果

5、结语

本文所构建的“四预”应用系统在提升区域防洪能力方面具有重要实践意义｡通过整合多源数据,建立完善的功能体系,实现了从数据采集､分析到决策制定的全流程信息化管理,为应对洪涝灾害提供了高效､精准的手段｡然而,本研究在数据获取方面,仍可能存在部分数据更新不及时､数据质量参差不齐的问题,影响系统的长期稳定运行和决策的准确性｡在模型应用上,模型的精度和适应性还有待进一步优化,尤其是在面对极端复杂的气象和水文条件时,模型的预测能力可能受限｡未来的研究可针对这些问题进一步探索改进,以持续提升智慧水利系统的性能和可靠性,更好地服务于防洪减灾工作｡

参考文献:

[1]李国英.为以中国式现代化全面推进强国建设､民族复兴伟业提供有力的水安全保障[J].水利发展研究,2024,24(3):1-3.

[2]刘家宏,蒋云钟,梅超,等.数字孪生流域研究及建设进展[J].中国水利,2022(20):23-24.

[3]刘国庆,范子武,杨光,等.江苏省数字孪生水网建设总体构想与先试经验[J].中国防汛抗旱,2023,33(8):7-12.

[4]范子武,刘国庆,杨光,等.城市防洪“四预”智能调度系统建设与应用[J].江苏水利,2022(12):5-10.

[5]刘业森,刘昌军,郝苗,等.面向防洪“四预”的数字孪生流域数据底板建设[J].中国防汛抗旱,2022,32(6):6-14.

[6]程海云.推进长江数字孪生流域建设的水文实践与思考[J].中国水利,2022(15):49-50.

[7]黄艳,喻杉,罗斌,等.面向流域水工程防灾联合智能调度的数字孪生长江探索[J].水利学报,2022,53(3):253-269.

[8]王凡,李镇江,武健超.数字孪生工程可视化平台设计[J].水利规划与设计,2024(10):140-144.

文章来源:张旺,朱士建,王高旭.烟台大中型水库数字孪生流域防洪调度“四预”应用研究[J].水利技术监督,2025,(02):72-76.