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数字孪生水网是国家水网建设的重要内容，也是推动新阶段水利高质量发展的重要标志之一。“作为数字孪生水利工程建设先行先试项目之一，数字孪生南水北调中线建设涉及线路长、专业广、复杂程度高、协调难度大，2023年以来，各有关单位围绕安全监管、智能调度、水质保护、智能运维等业务需求，初步建成数字孪生南水北调中线一期1.0版。”近日，在郑州穿黄工程现场，中国南水北调集团中线有限公司河南分公司副总经理崔浩朋介绍说。
南水北调工程是国家水网主骨架、大动脉，规划分东、中、西三条线路，从长江下游、中游和上游向北方调水，连通长江、淮河、黄河、海河四大流域，构建起“四横三纵、南北调配、东西互济”的水资源配置格局，是世界上规模最大的调水工程。
自南水北调中线工程通水以来，物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术的应用，已形成覆盖工程安全、供水安全、水质安全和企业经营管理各业务领域的信息化体系，积累了大量的监测及运行管理数据，为数字孪生建设奠定了良好基础。
安全监管更加精准
数字孪生，基础在“数”。据悉，中线工程沿线共计布设安全监测仪器设施10万余支（套），安装视频安防摄像机1万余台，布设水位计、超声波流量计、雨情监测站、左排水位监测站1200余个，构建了较为完善的工程安全业务系统，实现安全风险发现、上报、处理、消缺的闭环管理，大量的基础数据、监测数据和业务管理数据由此形成。
如何用好这些庞杂丰富的数据是关键。中国南水北调集团中线有限公司信息机电中心主任孙维亚表示，数字孪生南水北调中线一期1.0版在“中线一张图”基础上筑牢统一的数据底板，重点关注中线工程安全监管以及交叉河道、左排洪水对中线工程的安全影响，系统覆盖示范段和先行先试段的工程安全监测告警信息以及流域的气象预报信息，基于数理统计模型、有限元分析模型及洪水预报、演进模型，初步形成了多模型耦合体系，对各类工程结构安全及洪水风险进行预警，并支持多工况预演、匹配预案。
针对河南郑州“7·20”特大暴雨灾害洪水，数字孪生系统从“降雨—产流—水库调蓄—洪水演进”全过程进行模拟，计算突发暴雨洪水到达南水北调中线工程交叉断面时的水情情况，给出预警提示，并推荐处置措施，还可复盘总结防洪处置经验，有效支撑防洪度汛精准化决策。
输水调度更加智能
数字孪生，核心在“算”。构建南水北调中线智能调度业务场景是数字孪生南水北调中线建设的重要任务之一。
调度人员通过接入全线水情数据、冰情实时监测数据，对供水运行状态进行实时监视预警。基于河渠水动力学模型，实现中线总干渠恒定流与非恒定流状态的输水调度模拟，为常态情景及应急场景下供水方案调算以及闸群联调指令制定提供支撑。基于河冰动力学模型对京石段217公里范围内18座巡查站点寒潮场景下水温、冰凌进行预报预警。
如今，调度人员只需在数字孪生平台上输入预设的输水工况和计算区间，平台就会调用恒定流模型计算区间内各断面的流量和水位，还能根据超加大水位的位置对调度方案进行动态调整，日常调水工作效率大幅提升。
数字孪生平台可以结合智慧化模拟，制定不同工况下预案措施，为供水安全提供智慧化决策支持。
水质保障更加敏捷
数字孪生，重点在“预”。数字孪生南水北调中线建设基于已建的水质监测-预警-调控决策支持综合管理平台，构建水质保护业务场景，动态掌握中线水质监测现状及未来发展趋势，实现以不同渠段、不同污染物为输入的中线工程污染物扩散模拟，以及应急调控举措在数字化场景中的仿真再现。
数字孪生平台集成中线13座水质监测自动站、30个固定监测断面等各种水质指标实时数据，实现了全线水质多参数监测告警。孙维亚告诉记者，基于一维水动力水质模型，耦合大数据预测模型，可以实现全线水质9项指标未来七天的预报预警。针对典型渠段，可驱动突发污染物输移扩散模型进行水污染扩散的复现和预演，并推荐应急响应预案。
在河南分公司桌面推演现场，接到郑州管理处事故模拟情况的现场报告后，水质专员在平台输入污染物相关信息，调用污染物输移扩散模型，即可模拟污染物扩散过程。通过数字孪生平台的构建，实现了示范段内污染物入渠后的污染扩散情况的快速模拟，并迅速给出处置建议，大大提升了应急响应速度。
运行维护更加高效
数字孪生，创新在“用”。通过利用AI、大数据、物联网、地理信息等技术构建智能运维业务场景，数字孪生南水北调中线实现了供电、机电金结等设备运行及风险状态趋势性分析研判，能够主动性、计划性和预防性提出运行维护建议，大大降低设备运行风险，提升设备运行的安全可靠性。
以数字孪生惠南庄泵站为试点，基于泵站设备综合风险分析及劣化分析模型，依托在泵站机组安装的440余个震动传感器、温度传感器、水压传感器、流量计、转速传感器，实时评估、预测关键设备的运行状态，为维护人员提供动态维护建议。基于金属结构风险分析模型，在闸门动作过程中可实现对闸门运行风险实时监测预测。集成视频智能识别模型，辅助日常水位监视，并为惠南庄泵站园区安防管理提供有力支撑。同时，基于泵站经济运行模型，以节能降耗为目标对泵站运行方案进行优化，生成绿色低碳优化方案。
“数字孪生南水北调是一个系统性、长期性的工作，我们计划利用3年时间打造一个完整的数字孪生南水北调中线一期工程。”崔浩朋说。
到2023年年底，初步建成数字孪生南水北调中线一期工程1.0版，实现工程安全、供水安全和水质安全的核心数据互连互通，重点业务场景初步具备“四预”功能。
到2024年年底，系统性地开展数据治理，夯实数据底板，完善信息化基础设施，构建数字孪生南水北调中线平台，进一步补充工程安全示范段应用，进一步迭代优化智能调度、水质保护业务应用，研发智能运维业务应用，初步实现数字孪生南水北调总体框架建设，达到2.0版本。
到2025年年底，完成模型库和知识库的建设任务，完成所有试点应用示范，监测系统完善、调度网络智能、预演决策支持、安全运行可靠的目标基本实现。通过数字孪生南水北调中线工程建设，应用新一代前沿技术，推动水利科技创新发展，孪生赋能工程运行，增强水资源调配、供水安全保障、水污染防护等问题预测研判与管理调控能力，提升风险防范管理水平，增强中线工程调水保障能力，提升水资源配置和高效利用水平。
中青报·中青网记者 高蕾
