信息化技术助推水利高质量发展——一家科研机构的智慧探索

新华网武汉5月8日电（刘晓丽）近年来，长江水利委员会长江科学院加速推进水利信息化建设，在“天-空-地-水”多维立体感知技术、智慧水利平台、水利专业模型研究、智慧爆破和大坝数字孪生等方面取得了较大进展，为推动我国智慧水利体系建设迈出了坚实的步伐。

数字孪生让水利更智慧

【资料图】

工作人员坐在电脑前，点击鼠标，稍等片刻，丹江口大坝实时动态数据便显示在大屏上。

通过数字孪生丹江口平台V1.0版本，工作人员可随时开展水质监测分析、在线推演预测、预警分析、态势预演和预案管理业务（“四预”）等应用建设，并基于三维可视展示，及时掌握库区水质状况及未来变化态势，实现水质监测、模型推演预测、态势预演、方案比选和决策全链条贯通。

数字孪生丹江口工程水质安全-水质在线推演画面。新华网发

长江科学院副院长唐文坚介绍，数字孪生丹江口工程是国内首个以水质安全为业务需求主线的数字孪生工程，水质“四预”智慧体系的构建可精准服务于中线水源供水水质管理，为南水北调后续工程高质量发展提供强有力支撑。“数字孪生水利工程关键支撑技术中，比较重要的有‘天-空-地-水’多维立体感知技术和智能模拟分析技术。”唐文坚说。

据介绍，“天-空-地-水”多维立体感知技术依靠卫星遥感、无人机监测、物联网监测、水下测量等手段，从多尺度、多维度开展水利工程监测。智能模拟分析技术在数字化场景的基础上，通过集成耦合多维多时空尺度的水利专业模型、智能分析模型以及仿真可视化模型，构建支撑水利业务全要素“四预”功能的数字孪生水利工程模拟仿真平台，并将其应用在数字孪生流域和工程建设中，以实现各种水安全要素的可视、可预测、可预警。

近年来，围绕“天-空-地-水”多维立体感知技术，长江科学院深入开展了无人机倾斜摄影与三维建模、全要素水文监测智能无人船、空天地一体化水土保持监测及三维建模等设备和技术研发，并在构建数字孪生数据底板中得到广泛应用。

在智能模拟分析技术方面，长江科学院研发了河流泥沙、工程安全、水质预报预警和水资源调配等模型，在长江中下游重要河段、丹江口水库、南水北调中线干渠等水利工程中得到应用，为洪水情势、水生态和水灾害的智能模拟分析提供了强有力的技术支撑。

智慧平台高效支撑水利业务

2009年，福建省三明市宁化县水利局启动了中水、翠郊、安河等重点中型灌区节水配套改造项目。

长江科学院综合运用大数据、物联网、云计算、移动互联等先进技术，深度融合信息技术与水利业务，围绕多元信息采集、资源整合共享、业务协同和智慧应用等主要内容，从基础设施整合优化、资源共享与服务、资源深度开发与利用三个层面扩展和丰富，构造了以信息共享、业务协同和智能应用、社会服务为核心的宁化县智慧水利信息平台。

图为宁化县智慧水利平台画面。新华网发

“精细化、智能化是水利行业发展的大趋势，空间信息技术的飞速发展推动了水利现代化进程。宁化县智慧水利信息平台为宁化县灌区信息化建设提供了有力支撑，为灌区管理体制改革和农业水价综合改革顺利进行提供了保障，为灌区发展现代农业及乡村振兴创造了条件。”长江科学院空间信息所所长郑学东说。

郑学东介绍，长江科学院自2000年开始开展智慧流域相关研究工作。20多年来，形成了新一代信息技术下的水利综合业务信息化建设思路，建立了时空结合的智慧水利综合管理系统，实现了水利业务的全过程管理和服务，推进了智慧水利关键性技术的研究进展。

目前，长江科学院自主研发的精细化与智能化综合管理平台已应用于广州增城区，福建宁化县、沙县等水利业务综合管理以及长江流域水资源应急监测管理、丹江口库区水环境监测管理等工作中，高效支撑了水利业务工作开展。

模型研究解决水利关键技术难题

三峡工程是治理开发长江的关键性工程，三峡水库及长江上游梯级水库具有防洪、发电、航运和枯期向下游补水等综合利用效益。

“泥沙问题直接关系到三峡水库及长江上游梯级水库的寿命、库区淹没、变动回水区航道与港口的演变、通航建筑物与电站的运行、坝下游的河床冲淤演变及其对防洪、航运、灌溉和生态环境的影响，是三峡工程建设和运行中的关键技术问题之一。”长江科学院河流研究所所长金中武说。

三峡水库消落期库尾减淤调度效果图。新华网发

据介绍，上世纪60年代，长江科学院就开始研究水库水沙数学模型和三峡水库下游河道冲刷问题。从70年代的一维不平衡输沙数学模型，到“十一五”期间基于树状河网的三峡水库干支流河道一维非恒定流水沙数学模型，再到“十二五”期间长江上游梯级水库联合调度泥沙数学模型、“十三五”以来的水库一维非恒定水流-泥沙-水质-水温-调度耦合数学模型、三峡水库动库容调洪演算模型等，长江科学院在三峡水库及长江上游梯级水库优化调度研究过程中，相继开发了泥沙调度技术、洪水调度技术、水资源调度技术、水环境水生态调度技术等系列技术。

“十四五”以来，长江科学院在此前研发的长江中下游江湖河网水沙数学模型研究基础上，采用2021年最新河道地形更新了模型，并对长江中下游干流、洞庭湖四口水系水利工程实施前后及两湖区域未来河道冲淤演变进行了预测研究。

“我们在三峡水库及长江上游梯级水库水沙数值模拟与水库调度技术上长期处于国内领先地位，这一系列研究成果为长江防洪与调度和河道治理提供了关键技术支撑，为相关规划的编制及重大水利工程建设中的决策提供了科学依据。”金中武说。

智能建造让水利工程更安全

位于四川省甘孜州雅砻江干流上的两河口水电站，是坝高达295米的高土石坝水电站。

“爆破是水利水电工程、铁道、市政等基础工程建设施工的重要手段，在水电工程级配料开采爆破控制方面，堆石坝的级配料质量直接关系到大坝的填筑质量和坝体运行期的安全。”长江科学院岩土力学与工程重点实验室爆破所总工刘美山说。

针对两河口水电站大坝级配料的爆破开采，长江科学院研发了两河口特高堆石坝级配料爆破开采智能设计与调控关键技术，并开发形成了一套两河口水电站级配料开采爆破智能设计系统。

图为雅砻江两河口水电站水库和下游河道。新华社记者 薛晨摄

此系统将复杂的设计与运算过程交由计算机完成，设计人员只需输入初始信息，计算机可智能输出爆破设计，同时搭载施工信息、管理信息模块，对爆破施工质量和效果进行实时记录，计算机再根据前期试验成果和施工过程中不断补充的数据，实时优化爆破设计。

“通过合理调配炸药能量在岩体中均匀分布，有效控制爆炸能量在岩石破碎过程中的释放，可提高炸药能量利用率及块石分拣分装效率，降低二次破碎及挖运挑拣成本，此技术也在浙江宁海抽水蓄能电站和缙云抽水蓄能电站建设中推广使用。”刘美山说。

据介绍，针对混凝土坝智能建造过程中涉及的大坝工作性态实时跟踪分析及预警问题，长江科学院还研发了混凝土坝真实性态实时反馈仿真技术以及大体积混凝土结构温度场和温度应力三维有限元仿真计算软件包Ckysts1.0，且深入应用于三峡、丹江口大坝加高等多个大型工程的温控防裂及大坝性态分析工作。

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