2023优秀案例丨数字孪生甬江流域防洪应用

数字孪生甬江流域防洪应用

蔡赞吉   李春雷   江雨田   周  华

宁波市规划设计研究院 

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

宁波市水利水电规划设计研究院有限公司 

宁波弘泰水利信息科技有限公司

2021年11月，水利部印发了《十四五期间推进智慧水利建设实施方案》，提出按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，构建数字孪生流域为核心，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案（以下简称“四预”）功能的智慧水利体系，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。宁波市委书记在调研水利工作时指出，要以数字化改革撬动水利工作系统性重塑，充分运用数字孪生技术，谋划建设一批水利跨场景应用，形成实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理的治水新格局。2022年6月，宁波市委书记在专题研究数字孪生工作时也强调，率先探索建设数字孪生城市，打造现代化先行标志性成果。

1. 案例概述

宁波市资规局会同市水利局、市应急局协同开展工作，聚焦甬江流域防洪，构建以科学预报、精准预警、仿真预演、动态监测为目标，以数字孪生技术为基础的决策辅助系统。案例围绕洪涝灾害防御业务领域，依托宁波城市大脑，结合宁波数字化改革已有成果，共享集成各相关业务部门数据，建设1个数字孪生流域底座与N个智慧化应用，形成“1+N”的总体框架。通过数字孪生、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，实现数字孪生场景化应用、预报调度一体化模拟、“四预”过程智能化决策。案例的总体框架如图1所示。本应用案例经过2022年“轩岚诺”和“梅花”两场台风的试用检验，得到相关领导的一致好评。

2022年4月，数字孪生甬江被列为水利部数字孪生流域建设试点。在水利部、太湖流域管理局、浙江省水利厅的指导和关心下，在宁波市委市政府领导大力支持下，宁波数字孪生流域建设试点任务有序推进。数字孪生甬江流域平台以“四预”体系为导向，结合甬江流域防汛需求，集成区域、流域、多源、多尺度数据信息，应用数字孪生、BIM、流域预报调度模型、GIS分析、大数据融合等技术，进行各种防汛分析、决策、优化与可视化呈现，实现及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案，为防汛防台工作提供智能化、科学化技术支持，进一步提高自然灾害风险研判与决策支持能力。

2. 构建“四预”应用体系

围绕覆盖洪涝灾害事前监测、事发研判、事中救援、事后评估四个阶段，形成业务端、大屏端和移动端。按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以算据、算法、算力建设为支撑，构建“四预”应用体系，体现宏观（二维大场景）与微观（三维小场景）相结合，功能和场景相结合的特点。案例的具体功能模块如图2所示。

（1）综合监测

基于甬江流域数字孪生底板，叠加台风路径、实时雨情、水情、闸泵工情、视频监控、内涝积水等关键防汛信息，实现甬江流域防洪宏观态势全局掌握。可视化孪生基底是基于流域空间地理信息搭建具有沉浸感的虚拟现实环境；多维度态势分析可支持实时态势、历史演变、未来趋势三个时间维度分析。案例平台的综合监测如图3所示。

（2）洪涝预报

基于水文水动力学模型，耦合网格降雨数据和风暴潮预报数据，构建全流域一体化洪涝预报体系，实现甬江流域洪涝风险精细预报。建立预报模型库和多方案预报模式，开发多源信息融合的预报方案优化系统，构建多种方案灵活适应洪水预报需求，实现了多模耦合，智脑中枢、多元驱动，赋能决策、主动防御，防患未然的全新精细化防汛作战格局。案例中的洪涝预报包括预报总览、水位预报、潮位预报、未来降雨，展示如图4所示

（3）洪涝预警

在集成各对象预报数据基础上，总览三江堤防洪水、海塘潮水、水库纳蓄、易涝重要基础设施等风险预警信息，构建“平战结合”洪涝灾害综合风险预警一张图，如图5所示。宏观场景进行风险信息总览，孪生场景有机融合进行精准化映射。

（4）洪涝预演

基于全流域精细化孪生数字底板，对工程调度、干流洪水和城区内涝进行动态仿真预演，提供具象化的决策支撑，实现沙盘推演，调度优选、洪水预演，精细研判、工程孪生，一屏纵览、内涝仿真，精准减灾的决策辅助体系。洪涝预演展示如图6所示。

（5）协同预案

案例根据洪涝水预报结果和预演分析，实时接入“一点一策”系统，确定对应级别的洪涝防治应急预案，细化调度方案，落实各项措施，提高预案方案的指导性和可操作性。案例的协同预案如图7所示。

（6）业务支撑

案例构建专业模型，全面支撑业务应用。锚定智慧化模拟的目标，推进水利专业模型技术攻关，通过构建洪涝业务模型，并基于知识积累和经验提炼，构建专业化、可视化、智能化的知识模型，确保甬江数字孪生流域模拟过程和甬江流域物理过程实现高保真，全面支撑“预报、预警、预演、预案”应用体系，实现物理流域和数字孪生流域在预演中相互印证、融合、完善，为实现精准化决策奠定基础。

3. 关键技术

（1）数据底板数字孪生可视化渲染技术

采用国产化自主研发的图形引擎与虚幻引擎相互融合，集卫星遥感影像、水下地形模型、倾斜实景模型、三维地形模型、数值计算模型、BIM模型等于一体，利用LOD、动态调度、数据压缩等技术，构建一体化三维场景，解决了多源异构数据的无缝融合和TB级海量数据的实时加载与渲染，构建与现实孪生映射的“四预”场景。

（2）基于并行计算与大数据时空分析的城市内涝模型

根据宁波平原河网特点，建立重点区域内涝淹没模型，对城市暴雨洪水造成的内涝淹没进行模拟、分析，构建基于并行计算与大数据时空分析的城市内涝算法。结合水文数据、高精度地形数据、地理空间数据、社会经济数据等多跨数据，耦合水文预报和GIS空间分析技术，形成城市内涝淹没计算、分析、仿真、评估全过程的技术方法，利用并行计算大幅提升效率，城市级30万矢量数据分钟级实时计算分析，提升流域在城市洪涝治理、城市洪涝预警监测、城市洪涝减灾调度等方面的水平。

（3）甬江流域预报调度一体化模型

通过耦合前端感知数据、地理空间数据、水文及水力学模型，全过程智慧化模拟降雨汇流、水库会商、洪水演进及洪水风险，构建多维多时空预报体系。通过规则、指令、典型场景等多种调度选择，形成多个方案组合计算，进行防洪预排预泄调度分析、骨干工程群调蓄调度分析、流域库河联合调度分析，解决流域内重要水库工程影响下的洪水预报和骨干工程调度问题，实现预报调度一体化。

4. 解决的难点痛点

通过“多跨协同、主动孪生”的方式方法，进一步实现流程再造、场景提升，打破部门壁垒，跳出部门职能局限，基于防汛减灾本体事务构建多跨协同、主动孪生的智慧化场景应用，围绕防汛减灾事务形成流程化、主动式、协同化、孪生化的多跨场景智慧应用新格局。

宁波水系多而复杂，水利工程点多、面广、量大、种类多，在发生流域或区域性洪水时，上下游协同调度实现难度大，工程群综合管控能力较为薄弱，为此，宁波市对甬江流域水利工程调度提出了更高的要求。案例进一步完善了水旱灾害防御体系，提升了区域水利工程调度运行管理水平，集约了整合流域预报调度分析能力，加快了水利工程群防洪排涝调度运行响应速度，在区域性防洪排涝、水量调度、河网水质改善方面发挥了综合效益。

案例涉及的技术领域包括水利监测数据采集、预报调度一体化、多源数据融合及空间地理信息网格化计算处理等领域。在预报调度一体化的时效性方面有所突破，结合水文水力学模型实现气象预报自动采集及预报方案实时滚动计算。首次采用高精度城市地理高程信息数据，耦合站点预报水位，进行高精度的内涝并行计算，对以往的技术体系进行了创新。

1. 联排联调、统筹兼顾，构建流域一体化模型

迭代升级甬江流域预报调度一体化模型，聚焦重点库、闸、泵等水利工程，以气象数值预报、近海潮位预报、水利工程实况等为驱动，分析在不同边界条件和调控方案组合下洪涝风险场景；叠加流域内堤防、海塘、水库、山塘、易涝点风险底数，构建水利设施风险快速研判模型。同时依附于不间断的实时水雨工情、短临降雨实现了模型自动和滚动预报。

甬江流域预报调度一体化模型的建成，完美践行了“四预”和横向纵向数据贯通。预报——重要断面水位预报、易涝点积水预报；预警——堤防、海塘、水库、山塘、易涝点实时预警及预报预警；预案——基于预警信息，结合预案，实现提、巡、抢、撤、避等对策措施提醒；预演——分析模拟不同边界和调度组合，通过甬江流域数字孪生模型演示出各致灾场景。决策后的成果同时共享给省厅、应急、资规、县区水利局、社会公众平台等，真正做到“一模计算、一套成果、一键共享、一城同警、一致行动”，为科学调度、合理决策、超前部署提供支撑。

2. 打造实时数据驱动、专业模型驱动、三维引擎驱动的城市内涝动态仿真场景应用

在治理端，基于监测降雨、气象预报降雨、工程调度运行等实时数据驱动，经升级改造的甬江流域洪水模拟数学模型驱动，结合多场景数字孪生三维引擎驱动，实现对宁波市中心城区淹没范围及低洼小区、学校、医院、危化企业、电力设施、通信基站、地下空间等重要保护对象淹没损失的动态仿真模拟，按照时间序列动态仿真淹没过程，结合地面附着物分析淹没发生的时间和影响区域，为防汛应急指挥调度、人员转移、抢险救灾等提供辅助支撑。在服务端，打造“内涝积水实时通”应用场景，上线200余个积水监测点，实时显示城区低洼路段、下穿立交等区域的积水信息。绘制并发布宁波市内涝风险警示图，直观展示可能发生的内涝风险区域分布。同时，与百度、高德等多款地图App共享合作，将实时积水数据和地图导航相结合，为市民在雨天安全出行提供可靠指引。

3. 聚焦多跨协同，开展实践探索，推进体制机制创新和整体智治

一是多元共治提升治理成效。以“共建共享、边建边用”为目标，省市高效沟通、部门通力合作，以系统的建设和应用推广为抓手，共同加快推动基础数据的统一采集、汇聚、更新与共享。二是多级联动推动治理创新。通过建设市、县、乡镇三级政府部门共用的洪涝防御决策调度一体化应用，实现多部门洪涝灾害防治建设成果一体集成，业务一站受理，数据一屏展示。三是多端应用匹配治理需求。面向决策端，构建大屏应用，为主要领导决策提供精准可视化呈现；面向治理端，构建业务应用，为相关部门提供业务支撑；面向服务端，构建移动应用，为公众提供实时汛情信息查询，接收灾情险情上报。

针对甬江流域进行全方位三维数字孪生场景建模、孪生底座基于资规部门约4400km2三维实景、400km2精细模型和380万幢建筑实体上进行构建，叠加水利部门约2000个物联感知点位和新增补充完善的17大中型水闸、15座闸站以及76个城市内涝积水监测点，通过一体化智能化公共数据平台，接入气象、应急、公安等关联数据，对甬江物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。

在实战防御“梅花”台风超保洪水过程中，平台每隔4小时进行洪水预报和风险分析，实现精准预报；预报最高水位为3.70m，与余姚站实测洪峰水位3.67m仅相差0.03m，为防汛决策提供高质量的决策支撑保障。

案例打造甬江流域“四预”研判体系，升级适配于甬江流域的预报调度一体化模型，结合数据底板进行干流洪水演进、城市淹没模拟、内涝积水预演，建立风险隐患清单，自动生成淹没影响、防御建议和抢险救援方案，提高研判效率。在防御“轩岚诺”和“梅花”两场台风过程中，甬江流域数字孪生平台为流域防洪的联调联控、统一部署、预警预报、调度模拟提供了完善的技术支持，甬江流域洪水预演实现预报调度一体化，为区域减灾提供智能化决策支撑。形成“预报、预警、预演、预案”的流域防洪调度模式，具有良好的可复制性及推广性。