数字孪生，赋能梯级水库联合调度和安全运行丨解读数字孪生周公宅-皎口梯级水库系统
2024-05-09
编者按：智慧水利建设是新时代水利高质量发展的重要实施路径和显著标志之一，而数字孪生正是智慧水利建设的核心与关键。我院承建的全国首批数字孪生流域先行先试试点项目“数字孪生周公宅-皎口梯级水库”于去年年底完工验收，现已成为展示数字孪生水利建设的“浙江经验”的优秀样板。
数字孪生周公宅-皎口梯级水库系统是什么？有人说，它是工程+流域的融合孪生体，镜像水库工程的现实，推演水库工程的未来；有人说，它是理解水库的新工具，深入了解水库设备结构；还有人说，它是水库智慧化管理的新起点，为水库的安全运行和效益发挥提供了“新引擎”。
周公宅、皎口水库是位于宁波市甬江流域鄞江上游的串联水库，地处宁波市历年暴雨中心四明山区，洪水预报调度难度大。如何进行两座水库联合错峰调度、最大化发挥水库的拦洪能力，一直是水利部门面临的重点和难点。2022年5月起，宁波市启动数字孪生周公宅-皎口梯级水库项目，聚焦信息基础设施、数字孪生平台、业务应用及网络安全等四大核心领域，将数字孪生系统打造为水库的“调度专家”“安全医生”与“运行管家”，全面升级与优化水库运行管理水平。
“调度专家”赋能水库防汛调度
数字孪生周公宅-皎口梯级水库系统以防汛防台实际需求为导向，建设鄞江流域产汇流模型、梯级水库联合调度模型和水库下游一二维耦合水动力模型，实现流域上下游基础数据、实时数据、预报数据等全要素信息的同步和共享。
相较于单个水库工程，梯级水库数字孪生系统建设不仅需要考虑每座水库的运行和管理，更要深入考虑梯级间的水流调度、相互影响以及联合防洪、发电等协同管理。围绕两座水库本身的安全和联合调度，数字孪生周公宅-皎口梯级水库系统给出了重塑洪水预报工作业务流程、搭建梯级水库联合调度模型、构建工程间高效共享信息通道等“三位一体”的解决方案。
在洪水预报方面，将传统的各水库独立预报的流程进行重塑，实现两座水库工作人员在同一平台上协同操作、实时计算与快速分析，联合预报调度方案的制定时间从原先的10分钟缩减至目前的1-2分钟，显著提升了洪水预报效率。在水库联合调度、工程信息共享方面，在系统设计之初就搭建梯级水库联合调度模型，开放工程数据共享权限，实现两座水库在孪生世界的“互联互通”。
借助高度仿真的可视化技术，精准预演分析水库涨落、河道涨落、淹没区域及其影响情况首次成为了可能。这不仅有助于研判洪水形势，更能在复杂多变的洪水条件下为水库防汛决策提供有力支撑。
水库洪水预演示意图
自系统试运行以来，成功支撑周公宅和皎口两座水库有效应对2022年的“轩岚诺”和“梅花”、2023年的“杜苏芮”和“卡努”等多场台风暴雨的挑战。尤其在2022年“梅花”台风来袭时，面对降雨量超过50年一遇的极端天气，系统快速生成了多组预报调度方案，通过正向预演，精准模拟了不同方案下水库的涨落情况以及下游的受影响程度。同时，利用逆向推演功能，科学制定水库前期的预泄措施和中期拦蓄洪峰的调度策略。
通过系统的精准演算、比对分析、动态调优，实现兼顾上下游防洪安全的优化调度。据统计，防御“梅花”台风期间，周公宅水库拦蓄洪水量2296万立方米、削峰率60%，皎口水库拦蓄洪水量5707万立方米、削峰率83%，水库联合调度有力保障了甬江下游章水镇、龙观乡、鄞江镇等地6万余群众的生命财产安全。
“梅花”台风期间，利用系统洪水预报功能实现精准预报，指导水库预泄工作。
“安全医生”守护大坝安全无虞
水库大坝是流域防洪工程体系重要组成部分，是保障水安全的“重器”。数字孪生周公宅-皎口梯级水库系统利用高精度模拟仿真引擎1：1构建水库大坝可视化模型和工程安全监测分析模型，全面监控、深入分析水库环境量、变形、渗流、应力应变、地震等安全要素，逐时分析大坝的各项安全指标，直观展示大坝的安全状态。
水库安全监测预警示意图
更为便捷的是，通过一键启动大坝安全体检功能，系统便能自动进行大坝“全面体检”并快速生成详尽的“体检报告单”。借助这份“体检报告单”，管理人员能迅速掌握大坝的安全状况，及时发现潜在风险并采取相应措施，确保水库的稳定运行和下游地区的安全。
“运行管家”精细把控水库设备管理
水库水轮机拆装仿真示意图
依托BIM仿真建模技术，数字孪生周公宅-皎口梯级水库系统实现了对水库重要设备资产的精细管理。结合监测监控数据，实时掌握水库防洪、供水、发电的运行状况，保障水库安全高效运行。同时，利用BIM技术对水轮机、发电机等重要机电设备进行零部件级的拆解，“再现”设备的内部机构和状态。这一技术帮助水库工作人员直观、深入地了解设备的运行原理与机制，为设备的精细管理及维修养护提供重要支持，也大幅提升了水库设备管理的智能化水平。
来源：浙江水利、智慧院
编审：综合部
