中国水科院减灾中心“四预”数字孪生技术支撑海委大清河洪水防御联合演练

为贯彻落实习近平总书记关于防汛救灾工作重要讲话指示批示精神和李克强总理对防汛抗旱工作的重要批示要求，按照水利部安排部署，水利部海河水利委员会于2022年5月26日组织京津冀各级防汛主管部门，开展了大清河洪水防御联合演练。中国水科院减灾中心（水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心）作为本次演练的技术支撑单位，在接到任务后迅速成立专班，克服疫情困难，创新工作机制，用时两个月完成了大清河流域防洪“四预”平台的模型研发和系统开发工作，为本次预演的完满成功提供了强有力技术保障。

图1 中国水科院减灾中心“四预”系统支撑海委大清河洪水防御联合预演

一、多源信息融合，助力数字流域

利用中国水科院减灾中心已有山洪灾害调查评价数据、风险图数据及收集的长序列水历史数据，构建大清河系知识图谱及5-13级包含75个属性的流域数字底板，建立了流域和行政区划双主线，全要素、全拓扑、全编码的数字地图。同时接入了全国山洪灾害站点监测数据、实时站点及雷达测雨数据、网格预报数据、卫星云图数据，为大清河防汛“四预”系统建设提供了坚实基础。

图2 多源数据融合集成，共建大清河防汛“四预”系统

二、高精数据采集，构建数字场景

利用最新遥感影像加工制作了5m分辨率高精度地形数据，结合1：1万地形图，构建了覆盖大清河南、北支的最新高精度数字地形图；利用无人机倾斜摄影技术和三维激光扫描技术获取了枣林庄枢纽、新盖房枢纽、西河闸、独流减河进洪闸、小关分洪口门、任庄子堤埝等重要工程的1.5cm分辨率倾斜摄影数据和内部设施三维点云数据，制作了相对误差5cm的重点工程实景三维数据模型及BIM模型,并结合模型模拟结果，初步实现数字孪生。

图3 高精度三维数据结合模型模拟，推进河系重点工程数字孪生

三、先进模型技术，探索智慧模拟

采用中国水科院减灾中心自主研发的时空变源混合产流模型、IFMS和FHMS二维水动力学模型，创新GPU-CPU异构并行计算加速技术，建立了大清河5大蓄滞洪区、白洋淀雄安新区和南、北两支全域等多个水文水动力耦合模型，实现了大清河全流域洪水精细化模拟和快速实时预报，初步搭建了大清河流域数字流场。

图4 多场景水文水动力耦合模拟，助力大清河数字流场

四、创新“四预”模式，支撑演练流程

结合大清河流域洪水特点，以“数字孪生、数据循环、场景可视、应用协同、智能模拟、精准防御”为目标，依托全流域数学模拟、全要素数字编码、重点工程数字孪生、可视化数字地图、智能化防汛平台、一体化流程仿真等六大支撑技术，为科学化、系统化、精细化、精准化决策提供全方位支撑。

图5 创新“四预”模式，圆满保障演习

中国水科院减灾中心高度重视数字流域建设工作，后续将不断完善数字流域平台，优化专业模型，提高预报预警能力，加强大数据分析和人工智能技术业务化应用，提升防汛智慧化水平，为数字流域智慧化提供解决方案，推动我国数字流域建设。