珠江三角洲水资源配置工程鲤鱼洲取水口在通过多方案数字孪生预演后，启动输水隧洞充水 本报通讯员 张白瑜 摄
□本报记者 李海川
云计算、人工智能、大模型等技术与水利业务深度融合，水利专业模型、仿真可视化模型、智能分析模型等算法模型逐步构建……作为新质生产力在水利领域的重要表现，数字孪生水利建设已从积极探索先行先试进入常态化推进和强化应用，加速实现对水的智能感知、精细管理和高效利用。
作为数字孪生水利建设的重要组成部分，数字孪生调水工程建设是加快推进国家水网建设、充分发挥国家水网整体效能的有力支撑。2021年以来，水利部部长李国英多次对数字孪生水利建设进行调研，要求不断提高科学精准安全调度水平。当前，各地水利部门正加快推进跨流域跨区域数字孪生调水工程建设，为调水工程安装“智慧大脑”，实现江河流域水资源科学精准调度。
护航精准科学调度
走进中国南水北调集团中线有限公司总调度中心，墙面中央大屏上输水渠道模型图映入眼帘，南水北调中线一期工程303座控制建筑物、476座排水建筑物、12座隧洞、1座泵站在图上一一映射，闸门、渠道等水情数据实时更新。
南水北调中线一期工程跨越1432公里，且建筑物样式多、交叉建筑物多，面临着多水源、多供水目标，输水调度情况十分复杂。如何实现精准调度，确保一泓清水永续北上？
这离不开数字孪生技术的“加持”。2023—2024年度冰期输水期间，南水北调中线工程累计向沿线供水16.9亿立方米，较水利部同期下达供水计划多3.4亿立方米。
显著的输水成效得益于数字孪生南水北调中线冰期输水业务应用。“公司从2011年起组织开展冰情观测工作，积累了大量冰期输水数据，搭建了坚实的数据底板。”南水北调中线公司信息机电中心主任孙维亚介绍，“我们还建成了统计学、预报和精细模拟两套模型，在水温和冰情预测预报上互为参考、相互验证，不仅可以预测预报未来3至15天各渠段位置的水温、冰情，还可以在水温、岸冰、流冰、冰盖达到临界值时及时预警，针对冰情生成相应预案。”
数字孪生南水北调中线工程入选全国首批数字孪生流域建设先行先试工程。目前，数字孪生南水北调中线一期工程1.0版创新构建了多模态算据汇集、多业务专业模型协同、多芯融合算力平台建设的“四预”功能，形成了跨流域多目标联合调度、长距离明渠输水工程水质保护、冬季输水安全保障等多个智慧应用场景。
作为实体调水工程在数字世界里的“孪生兄弟”，数字孪生调水工程进行全要素、全过程的数字化映射、智能化模拟，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，助力科学调度每一立方米水资源。
浙江省东部区域密布着7000余条河流，浙东水网内控制性工程类型、数量众多，共有8类2000余座。数字孪生技术，为在复杂平原河网地区实现水资源多目标精细化调度提供了有力支撑。
“我们初步建成浙东区域水网天空地一体监测感知体系，依托浙江省统一的政务‘一朵云’资源，部署29台虚拟和实体服务器，实现基础算力统一调度、统筹利用、高效配置、安全可控。同时构建有浙东引水特色的水网专业模型13个，智能识别模型3个，有力支撑浙东引水工程日常业务工作开展和水网运行调度管理。”浙江省钱塘江流域中心浙东引水部主任严雷说。
2023年杭州亚运会期间，浙东引水沿线河网水位始终维持在高水位，水质达到Ⅱ～Ⅲ类，实现了一江碧水护航亚运。
筑牢安全生产防线
2023年12月1日上午，随着“启动充水”一声令下，汩汩西江水涌入输水隧洞，珠江三角洲水资源配置工程西江干流顺德鲤鱼洲取水口顺利启动输水隧洞充水。
“隧洞充水并不是简单的开阀门放水，而是需要经过精确计算和设计，如果充水速度过快，会造成隧洞内空气压缩，对排气阀门造成破坏性冲击。”珠三角供水公司机电部高级经理侯征军说。
与实体工程同步建设、同步投入应用，数字孪生珠三角工程成为全国首个在物理工程正式充水前利用数字孪生工程实现充、排水预演的调水工程。在实体工程开始充水前，通过多方案数字孪生预演，优化充水安全预案，精准预报隧洞内、工作井水位变化趋势及排气情况，为实体工程安全顺利实现通水目标奠定基础。
工程安全、供水安全、水质安全是调水工程调度运行的生命线。数字孪生调水工程实现了工程安全动态综合评估、供水安全滚动保障及水质安全精准模拟，让科学处置“跑”在风险前面。
数字孪生南水北调中线工程构建水质保护业务场景，通过预测预警及时发现水质风险，通过预演模拟水污染事件发展过程和结果，自动生成应急处置预案，为应对水污染事件提供决策支持。
数字孪生珠三角工程通过接入水工安全监测数据，实时监测隧洞内外水压、钢筋应力、缝隙监测值等关键信息，对工程运行过程中管片的应力分布、位移等变化状态进行监测预警，发现超限数据即可直观快速准确定位，有效提升工程安全保障能力。
数字孪生引江济淮工程（安徽段）实现对泵站、水闸、船闸、水情、工程安全等信息的全覆盖感知监控，可实时监测各个枢纽建筑物运行状态和安全状态，一旦发现相关数据超过安全阈值，系统会实时预警。
赋能工程提质增效
智能控制终端精确精准执行调度指令；结合无人机自动巡检，实现自动预警告警；针对不同工况，构建水力模拟预案库，为可能出现的应急事件提供预案……
3月6日，山东胶东调水工程明渠段接到调度输水干线闸泵群、执行分水工况切换的指令。安装于闸站的智能控制终端通过实时控制模型进行边缘计算，自动控制工程运行，滚动修正运行偏差，仅用6小时就完成了原本需要24个小时的工况切换，调度精度达到了分钟级、厘米级，远高于控制目标，同时极大减少了人员的工作强度。
山东胶东调水工程于1989年建成通水，已经运行35个年头，数字孪生水利建设改变了传统的以人工经验为核心的运行管理模式，让这座保障胶东地区用水安全的民生工程焕发生机。
“‘无人值守’是水利工程智能化的重要目标。”山东省调水工程运行维护中心主任马玉扩介绍。山东胶东调水工程首创的“调控智能体”，将传统服务于调度人员的调度执行方式升级为基于边缘计算智能设备的“无人值守”方式，联动无人机巡航系统，形成智能运行控制体系，全面提升调水运行及工程管理效能。
有了数字孪生的赋能，调水工程调度管理的数字化、网络化、智能化水平极大提升，综合效益越发显著——
引洮供水工程通过构建BIM+GIS（建筑信息模型+地理信息系统）可视化模型，结合需水预测、水资源优化调度、退水分析、建筑物健康辅助等水利专业模型，在工程安全的前提下，实现全线供水精准调度和渠系集群控制，与数字孪生项目实施前相比，分配水设施能耗降低60%以上，管理成本降低40%以上，水资源利用率提升20%以上。
数字孪生引江济淮工程（安徽段）实现梯级船闸联合调度，船舶不停船、不靠岸便捷高效过闸。截至2024年5月中旬，航运App（应用程序）注册用户超2800人，调用服务超15万次，服务通行船舶超9700闸次，服务通行船只超3万艘次。
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数字孪生调水工程建设的全面加速，对于不断提升跨流域跨区域水资源调配能力，加快构建国家水网、充分发挥水网运行整体效能意义重大。近两年，结合全国56家先行先试单位的94项数字孪生流域以及两批10个省级先导区数字孪生水网先行先试建设工作的开展，已有15个大中型调水工程开展了数字孪生建设的探索和试点，取得明显成效。目前，水利部在试点基础上，编制完成了《数字孪生调水工程建设技术导则（试行）》，指导全国更多的调水工程开展数字孪生建设。
“我们要充分认识推进数字孪生水利建设是发展水利新质生产力、推动水利高质量发展、保障国家水安全的重要路径，将按照数字孪生水利建设总体要求，全力推进第一批数字孪生调水工程建设，突出需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力要求，聚焦工程安全监管、智能调度、水质保障、智慧运维等核心业务需求，形成一批可借鉴、可推广的典型经验，为全国200多项大中型调水工程数字孪生建设提供支撑，为国家水网调度奠定坚实基础。”水利部调水管理司司长程晓冰说。
