数字孪生潭江流域先行先试建设与实践.pdf
《数字孪生潭江流域先行先试建设与实践.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数字孪生潭江流域先行先试建设与实践.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第4期2023年8 月D0I:10.19364/j.1674-9405.2023.04.004水利信息化Water Resources Informatization数字李生潭江流域先行先试建设与实践NO.4Aug.2023董万钧12,王留杰”,董波2 4,陈黎明”,胡腾飞”,牛睿平1.2(1.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京2 10 0 12;2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心,江苏南京2 10 0 12;3.珠江水利综合技术与网络信息中心,广东广州510 6 11;4.江苏南水科技有限公司,江苏南京210012:5.南京水利科学研究院,江苏南京2 10 0 2 9)摘要:为提
2、高潭江流域水利工程防洪调度能力,开展数字李生潭江流域建设。数字李生潭江面向流域防洪调度需求,围绕“四预”核心功能,以2 2 座大中型水库、7 座梯级闸陂为精细化调度目标,建设数据底板、模型平台、业务应用等,构建流域L1级数据底板,流域重点区域及工程L2级数据底板,开发六大类水利专业模型,构建具有“四预”功能的预报调度系统平台,实现流域多源监测感知与数据高效能管理,江河水库闸坝集中管理、联合调度、科学决策,最大程度保障流域内防洪(潮)的安全,完善预报监测薄弱环节,提升工程调度反馈时效性,同时为河湖规范化管理提供依据。项目成果在2 0 2 2 年“龙舟水”、台风暴雨防御期间投入实战,助力潭江流域水
3、库、水闸群的联合调度,取得防洪不受淹、水资源不浪费的最佳效益。关键词:数字李生;先行先试;联合调度;流域防洪;潭江流域中图分类号:TP391.98;P3 3 80引言为贯彻落实2 0 2 2 年全国水利工作会议和水利部推进数字李生流域建设工作会议精神,水利部于2022年2 月启动了数字李生流域建设先行先试工作,并印发实施关于开展数字李生流域建设先行先试工作的通知(水信息(2 0 2 2)7 9 号),正式启动数字李生流域先行先试工作。潭江主流全长为2 48 km,流域面积为6 0 2 6 km,在江门市境内流域面积为58 8 2 km,占江门市土地总面积的6 2%。潭江流域雨量充沛,多年平均降
4、水量为2095.7mm,水资源丰富。潭江流域已建成小(二)型以上水库42 1座(其中大(二)型水库3 座,中型水库19座,小(一)型水库10 9 座,小(二)型水库2 9 0 座),控制流域面积2 0 0 6 km,总库容为16.8 6 亿m。流域上游是暴雨中心区,地形以高山峻岭为主,中下游为平原地区,地势低洼。流域降雨时空分布不均,不同程度受台风暴雨影响,时常出现洪潮叠加的灾害情况。为此,广东省水利厅结合工作实际,选取潭江流域作为试点之一开展先行先试,并按照水利部数字收稿日期:2 0 2 3-0 2-10基金项目:江苏省水利科技项目(2 0 2 2 0 58):广东省水利科技创新项目(2 0
5、 2 1-0 8)作者简介:董万钧(19 7 7 一),男,江苏高邮人,高级工程师,研究方向为水利信息化、工程自动化。E-mil:d o n g w a n j u n n s y.c o m.c n通信作者:董波(19 8 7 一),男,江苏徐州人,硕士,高级工程师,研究方向为安全监测、水工结构。E-mail:d o n g b o n s y.c o m.c n文献标识码:A文章编号:16 7 4-9 40 5(2 0 2 3)0 4-0 0 2 0-0 8李生河流(河段)/水利工程建设先行先试实施方案(编制大纲)数字李生流域建设技术大纲(试行)数字李生水利工程建设技术导则(试行)水利业务
6、“四预”功能基本技术要求(试行)编制实施方案,开展数字李生潭江流域建设工作,为潭江流域水利工程管理模式优化、防洪减灾、水环境水生态保障能力提升提供现代化信息化的管理手段,促进江门市智慧水利建设和经济社会高质量发展,为广东省数字李生流域建设探路。1建设基础与存在问题1.1建设基础现状分析1.1.11监测感知现状潭江流域内现有水文站4个、水位站和潮位站714个、雨量站8 3 6 个,其中双桥水文站是江门市唯一的国家基本水文站,测验项目包括水位、流量、蒸发量、雨量,已建有固定式定点雷达波及走航式ADCP2种测流系统。1.1.2数据资源现状广东省水利数据中心按照统一的标准规范对全省第4期水利数据资源进
7、行统一管理,汇集了2 6 类数据资源基础资料数据和元数据。目前广东省水利数据中心已存储约2 0 TB数据,业务库表涉及2 6 类,数据记录超过50亿条,对广东省相关水利业务信息共享、业务协同发挥了积极的作用,有效支撑了防汛抗旱业务工作,避免了条块分割、数据孤岛现象的蔓延,能够为数字李生潭江建设提供数据支撑。江门市水利局依托信息系统建设,建立了雨水情、地理信息、山洪灾害、汛情发布系统、档案系统等数据库,参照国家/省的有关标准、规范,初步形成江门市统一的水利数据库标准体系。1.1.3信息化系统现状目前江门市水利局建有江门市三防水利综合应用平台,包括汛情发布、视频监控、雨水情报送、地理信息、山洪灾害
8、监测、小型水库动态监管、三防责任人、江新联围综合信息、市指挥决策、办公管理、协同办公、江门市水利局网站等水利信息化业务软件系统。河长制综合管理平台独立运行,未接入综合应用平台中。汛情发布、视频监控2 个主要系统介绍如下:1)汛情发布系统。水利相关数据由系统开发单位在水库动态系统中抓取,并根据使用需求进行二次开发应用;水文相关数据由广东省水利厅推送到市水利局使用,多为水库数据;气象数据主要是降雨数据,来自于气象局,且只有部分气象站点有数据接入。2)视频监控系统。部分地区已建设视频监控设备,但现有的视频监控设备无法满足潭江流域防洪(潮)实时调度的要求。1.2建设基础问题分析潭江流域数字李生建设基础
9、主要存在以下问题:1)流域防洪(潮)水环境监测预警能力不足。目前潭江流域已建的雨水情和水质监测站点布设数量少,覆盖范围不够,部分站点稳定性和精度较差,整体预警能力不强,尚不能完全提供对全流域多源实时数据信息的支持。2)业务工作平台不统一。江门市已建的水利信息化系统受建设时间、资金来源、部门管理业务等条件限制,采用不同的系统运行环境和技术路线,大多呈现服务对象单一及系统相互独立的情况,资源利用率及管理效能需要进一步提升。3)已建系统预警预报能力尚需加强。目前潭江流域已建系统预警发布功能,仅完成粗略的雨水情的预警发布,尚缺少模型驱动的预报系统,各区(市)无法依据当前的预警信息作出精细、迅速、科学和
10、有针董万钧等:数字李生潭江流域先行先试建设与实践理等方面仍存在短板。2建设内容2.1完善感知站网针对潭江流域台风频发、洪潮组合等复杂环境条件,采用视频、超高频雷达波、超声波时差法等测流技术3 ,克服复杂条件下流速、流量自动监测难题,完善潭江流域多源感知网络体系。具体完善措施包括:补充流域内3 座大型水库、18 座中型水库、重点支流汇流口断面、主要河道重点断面的监测感知站点,新建流量监测站7 3 处、水位监测站52 处、水位雨量监测站3 4处、雨量监测站6 处、水质自动监测站11处、缆道站1处,升级改造大坝安全监测系统3 处和闸门自动化系统2 处,完善传统水利监测站网;购置多波束水下地形测量设备
11、,开展潭江干流、江新联围骨干河道断面水下地形测量,完善新型水利监测站网。并综合拟建和现有站点,完善流域水安全、水环境智能融合的感知网络体系,共同实现整个流域雨情、水情、工情、水质实时且自动化的全方位感知,并部署至江门市政务云平台。21对性的判断。4)潭江流域综合预报调度能力有待加强。潭江流域综合预报调度能力主要包括水库群防洪(潮)调度和洪水预报2 个方面。当前洪水预报主要通过气象预报和本地水位、雨量数据,由各水库工作人员凭经验预估水库是否超警戒水位、是否有洪水风险等,难以获得科学的预报结果,给水库群防洪(潮)调度带来一定的困难2 。当前江门市还不具备水库群防洪(潮)联合调度能力,主要原因是流域
12、内众多的中小型水库监测设备不足,监测手段单一,导致信息获取不全面,难以凭借已有数据进行水库群的联合调度。5)面向对象服务能力不足。潭江流域现有水利相关信息系统的公众服务能力较弱,公众服务主要通过江门市水利局门户网站实现,包括水利资讯、政务公开、政民互动、政务服务等栏目。该门户网站在信息发布管理、信息检索、运行监控、相关信息下载等方面的功能不完备,有待完善。现有移动系统主要以小程序、公众号等为主,存在面向用户单一、发布渠道单一、实时性不强的情况。总体而言,水利信息化建设水平距离数字李生流域建设要求仍有较大差距,在L2/L3数据底板建设、专业智能模型运用、“四预”能力建设、工程智慧化管222.2建
13、设水利信息网遵循广东省数字政府建设规划要求,水利监测站点实时数据通过有线、无线等通信网络接入省政务外网,实现数据的安全可靠、低时延的传输,建设数字李生潭江流域业务网4,并依托省政务外网骨干网实现数据的互联互通。遵循广东省数字政府建设规划要求,数字李生潭江流域先行先试工作涉及的服务器、存储等资源集约,使用省政务云IaaS,Pa a S,Sa a S等公共支撑能力,按需向省信息化主管部门提出云资源需求。2.3完善数据底板实现水利数据资源的“三个一”(1套标准、1个目录和1个办法)管理,建立数源权责清晰的水利数据更新机制5,加强数据安全管理,建成标准通用的多维、多时空尺度水利数据模型6 。依托江门市
14、政务数据中心和政务云网资源,建设江门市智慧水利数据中心,形成以基础数据统一管理、监测数据实时汇聚、业务数据高效协同、空间数据一体贯通、跨行业数据互联互通等为特征的江门市数字李生数据底板,实现水利信息系统数据资源10 0%编目,共享数据10 0%挂接。通过数据采集与处理,基于物联网与大数据技术搭建水利物联感知大数据资源等平台,建立完备的信息共享交换机制,开发与广东省水利厅和水文、气象、自然资源等部门信息共享的交换系统,融合现有各市、区的水利信息化资源,提升流域业务信息感知、共享融合、综合信息服务能力,基本建成潭江流域L1水利信息化级、流域重点区域L2级、重点工程L3级数据底板,为智慧水利业务应用
15、提供基础数据支撑。2.4构建专业模型围绕潭江流域防洪“四预”核心功能应用,开展数据底板建设,基于Cesium引擎和三维仿真技术,构建二三维一体化平台,结合自主研发的降雨预报、外海风暴增水预报、降雨径流预报、水库群联合调度、河道洪水演进及河网水量水质耦合等模型,形成多维多要素的流域与各市(区)统筹兼顾一体化、智能化的预报调度技术体系,实现流域、区域、工程多要素多层级水利场景及对象的李生交互,各模型逻辑关系如图1所示。依托模型开展流域降雨洪水及口门潮位集合预报,制定大中型水库及水库群联合防洪调度预案集,并开展各预案洪水灾情预评估,支撑水库群及闸泵群联合防洪调度决策。各专业模型介绍如下:1)降雨预报
16、模型。针对潭江流域开发定量降水估测(QPE)模型、0 3 h定量降水预报(QPF)模型,基于广东省气象台精细化格点预报制作平台制作247 2 h 精细化格点预报方案。2)降雨径流模型。开发潭江流域分布式/半分布式降雨径流模型,包括经验预报、新安江、TOPMODEL等模型,满足流域中下游洪水演进模拟及水库群防洪调度需要的水位和流量预报,并实时估算水库纳洪能力。3)外海风暴增水模型。针对南中国海西北部近海海域(10 5E115E,15N2 3 N)开发了风暴增潭江干流水质模型区间2023(4)江新联围水质模型区间江新联围经验预报水动力模型模型潭江干流水动力模型降雨预报降雨模型潮位新安江入库水库水闸
17、联合模型区间调度模型水闸调度TOPMODEL模型图1潭江流域综合预报调度模型逻辑关系出库区间镇海、大沙河出库合山水闸出流潮位外海风暴潮模型合山至石咀水动力模型石咀潮位数据分析模型潮位第4期董万钧等:数字李生潭江流域先行先试建设与实践23水数值模型,预报外海风暴增水对崖门口潮位的7 2 h影响过程,为潭江流域中下游洪水演进模拟及水库群防洪调度提供边界。4)水库群防洪(潮)联合优化调度模型。模型设计思路总体如下:明确潭江流域防洪各保护对象对应的优化调度水库和闸门;数学表达潭江流域防洪(潮)多样性的调度目标、流域上游可供调度的18 座大中型水库调度的约束条件、6 座闸门调度及河道的约束条件;应用两阶
18、段方法求解水库群联合优化调度模型,得到侧重不同目标的水库群联合优化调度预案集。在此基础上,组织开展潭江流域水库群防洪(潮)联合优化调度预案研判,形成最终的水库群联合防洪优化调度方案集。潭江流域防洪保护对象包括恩平、开平城区,以及包含所有单个保护对象在内的全流域。针对不同防洪保护对象,模型自动选定相应的水库群及闸门参与优化调度。潭江流域水库群防洪(潮)联合优化调度模型,既要考虑主要水库防洪库容占用情况,又要考虑恩平、开平等防洪保护对象灾情的严重性。联合优化调度模型包含以下目标:调度期内、期末水库防洪库容占用最小目标,调度期内防洪保护对象水位超警高度及历时最小,调度期末河道槽蓄量最小目标,调度期末
19、河道闸门恢复正常蓄水位目标等。根据潭江流域18 座大中型水库、6 座水闸现行调度规程,构建基于规程的调度模型:以用户指定的起调水位(默认实时水位)和终调水位(默认汛限水位)为指导,以调洪库容尽可能少占用为原则,服从发电引水及泄洪设施运用规定(包括不同溢洪道启用/关闭时机、不同水位下的最大泄流能力),在满足水库、水闸上下游防洪安全的前提下,运用水量平衡原理、水库水位库容关系、坝前/闸上水位泄流能力关系,针对坝址预报来水过程开展水库自动调洪演算,提供预报时段水库坝前/闸上水位、库容、下泄流量等过程信息。在此基础上,构建水库群防洪优化调度模型,建立模型线性化求解方法,提高求解效率;提出基于非支配等级
20、的自适应约束处理方法,解决复杂约束处理难题,提升复杂梯级高维调度决策模型的求解收敛速度、可行调度方案求解成功率。5)一/二维洪潮演进模型。为快速响应潭江流域防洪(潮)综合预报调度,以一维河网水动力模型为计算核心,构建潭江中下游合山水闸、镇海水库及大沙河水库至石咀段一维洪水演进模型,以及恩平、开平主城区二维洪水演进模型。结合潭江流域水库群错峰适潮的精细化调度方案集,为潭江中下游一二维耦合洪水演进模型提供边界条件,进一步以洪水演进成果为基础,提前7 2 h制作防洪调度预案,2 47 2 h根据更新的预报信息校正调度预案,提前2 4h开展精细化的调度方案预演,122 4h 根据更新的预报信息校正调度
21、方案,提前12h执行精细化的调度方案等,提高流域控制性节点水文预报的预见期、预报精度及流域防灾减灾能力,为潭江流域水利工程管理模式优化,以及水安全、水环境、水生态保障能力提升提供技术支撑。6)机器学习模型。主要构建了以下2 种模型:a.面向潭江流域江河调度和综合决策等水利业务需求,以合山水闸至石咀站段为试点,在掌握潭江干流长序列气象、水文、水位观测数据的基础上,构建合山水闸、大沙河水库、镇海水库的下泄水量,区间降雨汇流流量,以及潭江外海潮位与干流典型控制站点长沙站、石咀站水位之间的机器学习响应关系模型。b.收集和分析历史台风数据,利用台风路径和风速构建相似台风模型,给出与用户指定输入的台风过程
22、相似的历史台风的相似程度,并指出最为相似的台风。在此基础上结合外海风暴潮模型计算出天文潮过程和历史的实测潮位,得出当前台风可能造成的风暴增水的级别,为流域洪潮叠加下的洪水情势研判提供依据。2.5构建知识平台数字李生潭江知识平台包含潭江流域防洪(潮)知识图谱库、洪水预报及水环境调度方案库、历史场景模式及专家经验库,以及智能引擎8 等内容,主要构建以下6 个子模块:1)基础信息子模块。包含流域主要防洪保护对象、防洪控制断面、现状防洪标准等内容,确定具有防洪功能水库的调度运用方式及特征参数、河道堤防防洪标准及险工险段等基础信息。2)顶层设计子模块。包括法律法规、技术规范、智慧水利、专业术语等内容,通
23、过点击对应内容可以查阅国家、水利部、广东省、江门市层面的流域防洪调度,水环境保护,水利信息化,智慧水利建设等方面的相关文件内容和术语解释。3)历史场景子模块。将具有代表性的、不同量级的上中下游区域性洪水,以及全流域性大洪水作为潭江流域典型洪水,以流域过去发生的典型洪水场景为主线,将同期的降雨、台风、洪水串联起来,实现历24史典型洪水场景复演。4)知识图谱子模块。主要包含流域暴雨成因及时空特征,各分区洪水遭遇类型、时间、频次特征及组成,干支流河道不同量级洪水的传播时间,潭江入海口大中小潮涨落历时及洪潮遭遇时空特征,涨潮/退潮时段不同潮位下潭江中下游防洪控制断面的最大行洪能力等知识图谱库,分为降雨
24、频率、潮位频率、风暴增水、经验关系四部分模块。5)智能引擎子模块。主要结合人工智能算法对历史场景数据进行机器学习和推理,包括相似降雨、相似台风和潮位智能预报三部分内容,其中:相似降雨和台风可以通过分析、提取历史的降雨及台风数据,给出与输入的降雨和台风过程相似的场次,结合同期潭江流域主要站点的水位变化情况,为流域洪潮情势研判提供经验参考;潮位智能预报通过人工智能算法,输入或选择上游的来水过程、外海的潮位过程、重要控制站点的开始水位,快速智能给出未来7 2 h的潮位预报,为流域洪潮情势研判提供经验参考。6)业务规则子模块。业务规则子模块通过收集、分析、融合历史场景,数据,调度及专家经验等,整理并形
25、成流域防洪业务相关规则,主要包括预警信号、流域防汛响应级别、水利工程调度规程、流域防洪调度规则四部分模块。2.6建设业务应用数字李生潭江业务应用为流域综合预报调度系统,在共享交换与服务平台的统一支撑下,采用面向服务(SOA)的架构思想,依托流域水、雨、工情数据融合与信息共享技术,以公共基础地理服务和水利核水利信息化心业务数据为基础,基于GIS平台实现对流域水利综合信息的时空展示、统计分析、预警发布的流域一张图展示、综合预报、联合调度、决策分析、碧道大屏信息发布、综合运维管理、二三维一体化展示交互、移动终端应用等功能。相关应用功能介绍如下:1)综合信息服务。主要包括以下3 个方面:a.以流域一张
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数字 孪生 江流 先行 建设 实践
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。