南水北调中线

一、项目背景与业务挑战

南水北调中线工程是缓解京津冀豫等北方地区水资源短缺、优化国家水资源配置的重大战略性水利工程。随着南水北调工程从“沿线城市补充水源”向“国家水网主骨架和大动脉”转变，关键控制性工程的安全运行、应急处置和智能调度能力，成为数字孪生工程建设的重要内容。数字孪生南水北调中线1.0项目正是在水利部数字孪生流域和数字孪生工程建设要求下开展的先行先试项目。

以全面提升用水安全保障能力为目标，中国南水北调集团中线有限公司联合水网智慧科技有限公司牵头构建数字孪生1.0建设，围绕水质应急、冰期输水、输水调度、工程防洪、安全监测等典型业务场景面临的重点、难点问题，以需求为导向，集中优势资源重点突破，解决业务与技术、模型与数据的深度融合应用，以点带面实现全线突破。

二、核心技术

系统建设过程中，基于“事件驱动”理念，以各类监测告警与预报预警信息，驱动多工况下工程、供水及水质安全等预演预案，初步构建涵盖安全监管、智能调度、水质保护、智能运维的“四预”功能体系，实现中线调度运行管理过程中各类常态、应急事件的多部门、多业务、多场景协同决策会商。

在安全监管方面，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，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。

在智能调度方面，系统接入中线全线308座控制性建筑物的水情数据和京石段4座冰情原型观测站的实时监测数据，对供水运行状态进行实时监视预警，对冰情进行告警分析。基于河冰动力学模型对京石段227公里18座巡查站点寒潮场景下水温、冰凌进行预报预警。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，为常态情景下加大供水方案调算以及闸群联调指令制定提供支撑，保障冬季输水安全的基础上提升工程运行效率。

在水质保护方面，系统集成全线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。基于一维水动力水质模型，耦合大数据预测模型，实现中线全线1432公里中9项水质指标未来三天的预报预警。针对北拒马段和穿黄工程段等典型渠段，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，保障中线水质安全。

在智能运维方面，中线以水、机、电结构繁多的惠南庄泵站为试点进行了智能运维的探索。基于泵站设备综合风险分析及劣化分析模型，对泵站关键设备的运行状态实时评估、预测，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，实现在闸门动作过程中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；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。

三、建设成果与实战检验

项目建成后成果丰硕，各类应用成效被中国科技网、中国水利报、中国发展网等32家媒体广泛报道，并成功入选水利部2023年《数字孪生水利建设十大样板名单》。

同时，项目实现了对河南郑州“7·20”特大暴雨洪水“降雨—产流—水库调蓄—洪水演进”的全过程模拟，并完成了工程结构安全复核分析。在海河“23·7”流域性特大洪水应对中，为防止渠道水位快速上涨、避免工程发生次生破坏，调度人员利用非恒定流模型开展多种预案调算，显著提升了应急响应速度。