智慧水利数字孪生黄垒河流域项目建设方案

.整合利用现有水利感知网目前，威海市智慧水利一期项目已对黄垒河流域已有的水文监测与视频监控感知设备和相关数据进行了梳理整合，接入了威海市智慧水利系统，建立了相应数据库和数据访问接口。数字孪生黄垒河系统也将接入威海市智慧水利系统。因此，可通过访问读取数据库方式，利用现有水利感知设备与数据。3.1.2建设完善水利信息网依托威海市现有水利网络资源，充分利用威海市地方电子政务外网，通过租赁专线、光纤、网络VPN信等多种方式，完善黄垒河流域水利信息网，满足雨情、水情、工情、监视视频等各类信息在节点间的及时、高效地传输、交换，保障水利业务应用带宽需求。针对新建的56个视频监测站点，需要建设视频专网，连接这些站点，将视频信号高效传输至水务局、大数据中心有关部门。雨水工情站点、地下水监测井采用4G/5G网络组网，将在线监测数据传输至水务局等有关部门。3.2建设数据底板全面搜集整合基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据。根据流域防洪、水资源管理与调配等业务对地理空间数据的需要，不同区域采用不同精度和类型的数据，构建三级地理空间数据。建立覆盖黄垒河流域的L1级地理空间数据，覆盖黄垒河干流及其主要支流河道、地下水库含水层等重点区域的L2级地理空间数据，覆盖地表水库、地下水库、拦河闸坝、泵站等重点水利工程、设施与设备的L3级地理空间数据。整合L1级数据。在水利部和山东省水利厅共享的相关数据基础上，对黄垒河流域的水利一张图矢量数据、优于2m高分卫星遥感影像、优于30m数字高程模型等数据进行整合，结合河流水系、水利工程、道路、居民点等基础数据，得到覆盖全流域L1级数据底板。建设L2级地理空间数据。L2级数据是在L1级基础上对重点区域进行精细建模。将黄垒河干流及河道两侧堤防及防洪保护区作为重点区域，从测绘、国土等部门共享或通过无人机摄影、倾斜摄影等方式，按照1:2000比例尺，获得全要素（包括水系、道路、行政区划、居民点等要素）DLG数据、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM、高分辨率遥感影像、倾斜摄影影像、激光点云等数据。从水利部门共享或采用实地测量，获取黄垒河干流河道水下地形。需要对40.2km河道（黄垒河干流乳山市段、花家疃水库下游河流、库区周边范围），一般区域两侧各500m，重点区域（如洪水影响区）两侧各2km范围，共100.5km2范围进行倾斜摄影，建设范围如图3.2-1所示。图3.2-1L2级地理空间数据建设范围建设L3级地理空间数据。通过无人机倾斜摄影、三维激光扫描、拍摄图片、水利工程设计图、建筑设施及机电设备的几何属性数据、水文地质数据等，获取重点工程、设施和设备的L3级数据。进而利用这些数据，对重点水利工程进行实体场景建模，生成重点工程、设施和设备的BIM模型。需要获取花家疃水库坝体与附属设施设备、黄垒河3座地下水库截渗墙、含水层与附属设施设备等L3级数据。3.3建设数据引擎数据引擎建设内容包含数据存储、数据集成、数据治理和数据开发四个部分。通过数据引擎的建设，在智慧水利一期形成的数据资源基础上，进一步整合相关水利数据，通过多元化采集、主体化汇集构建全域化原始数据，基于“一数一源、一源多用”原则，汇集全域数据，开展存量和增量数据资源汇集和治理，建成水利数据资源平台。通过“治理融合”、“分析挖掘”，充分发挥数据价值，让数据支撑业务决策，支撑领导决策；通过“多样服务”形式，为技术人员、业务人员、管理人员提供行业场景化的数据服务。3.4建立水利专业模型为服务实现数字孪生流域“四预”应用，项目拟建立防洪、水资源调配与管理、地下水库工程运行管理和河湖健康动态评价4类应用相关专业模型。其中，防洪相关专业模型由洪水预报、一二维水动力学和洪水控制工程防洪调度3种功能的模型组成；水资源调配与管理相关专业模型由来水预报、区域需水预测、地表-地下联合调控和流域多水源配置4种功能的模型组成；地下水库工程运行管理支撑模型由地表-地下补排过程模拟计算、地下水库蓄变量变化趋势分析、地下水可开采量分析、河道-地下水库供水联合调度模型和不同开采条件下地下水位变化趋势预测6种功能的模型组成；河湖健康动态评价相关模型由基于评价单元的基础数据分析、基于动态优选的河湖健康评价体系构建、面向河湖健康评价的非结构信息解译、面向河湖长监督管理的水体健康评价与分析4种功能的模型组成。上述专业模型研发与构建过程主要包括基础数据整理、物理过程机理揭示、边界条件与初始条件确定、模型构建与参数的率定与验证等过程。通过持续改进，在模型交付时，所有模型达到水文情报预报规范（GB/T22482）等相关标准规范规定的精度。在服务期内，随着平台系统的运行，当监测数据增加、边界条件改变、工程新建等情况发生，需第一时间（不超过30日）开展相关模型参数优化、结构调整等工作，使模型达到水文情报预报规范（GB/T22482）等相关标准规范规定的精度。3.4.1防洪相关专业模型为实现入库、区间洪水全方位预报、河道-保护区洪水演进过程全过程模拟和流域防洪多过程控制，项目拟研发构建基于多模型组合的花家疃水库入库洪水和水库至东浪暖挡潮闸区间洪水预报模型共计7套，花家疃水库、巫山水位站下游至入海口河道与两侧保护洪水一二维演进过程模拟模型共计3套，洪水影响分析和避险转移方案制定模型3套，水库、橡胶坝等防洪工程调度模型共计6套，共同服务于流域防洪“四预”业务应用服务。1.洪水预报模型开发水库入库洪水、区间洪水预报模型，解决流域洪水预报手段落后、精度低等问题，满足流域防洪需要，有利于提高黄垒河流域洪涝灾害防御能力。模型具体包括：花家疃水库入库洪水预报模型，花家疃水库、巫山站以下与东浪暖挡潮闸之间区间洪水预报模型，具体建设内容如下表所示。表3.4-1洪水预报模型主要建设内容序号建设内容具体任务1基于新安江模型的花家疃水库洪水预报模型集水面积81km2,场次暴雨洪水数据分析与整理（30场以上洪水）、模型构建、参数率定、模型验证与服务期内模型维护。2基于API模型的花家疃水库洪水预报模型集水面积81km2,场次暴雨洪水分割（30场以上洪水）、模型构建、参数率定与服务期内模型维护。3基于新安江模型的巫山水位站以上洪水预报模型集水面积152km2,场次暴雨洪水推求（30场以上洪水）、模型构建、参数率定与服务期内模型维护。4基于API模型的巫山水位站以上洪水预报模型集水面积152km2,场次暴雨洪水推求（30场以上洪水）、模型构建、参数率定与服务期内模型维护。5基于新安江模型的区间洪水预报模型花家疃水库、巫山水位站以下与东浪暖挡潮闸之间394km2，解决无资料地区模型构建问题，模型构建、参数移植、模型验证服务期内模型维护。6基于API模型的区间洪水预报模型花家疃水库、巫山水位站以下与东浪暖挡潮闸之间394km2，解决无资料地区模型构建问题，模型构建、参数移植、模型验证服务期内模型维护。7多模型组合洪水预报洪水预报结果影响因素提取、数据融合的特征属性建立和多模型洪水预报数据融合算法构建。2.一二维水动力学模型构建开发河道一维和保护区二维水动力学模型，解决河道内洪水和溃堤/漫堤洪水演进过程模拟问题，满足流域防洪需要，有利于提高黄垒河流域洪涝灾害防御能力。模型具体包括：花家疃水库、巫山水位站下游至东浪暖断面河段一维水动力模型，花家疃水库、巫山水位站下游至东浪暖河段两侧防洪保护区二维水动力学模型，模拟溃堤/漫堤洪水的一二维耦合模拟模型。主要建设内容如下表所示。表3.4-2水动力学模型主要建设内容序号建设内容具体任务1河道一维水动力学模型边界条件确定（模型范围从花家疃水库、巫山水位站下游至东浪暖挡潮闸）、地形处理（每隔500米测量一个河道大断面，并整理为模型输入标准格式）、率定验证（采用历史典型场次洪水进行率定验证）和服务期内模型维护。2保护区二维水动力学模型模拟范围确定（花家疃水库、巫山水位站下游至东浪暖挡潮闸断面河道堤防两侧的保护区）、网格剖分、边界条件确定（根据溃堤或漫堤发生位置与类型，设置相应边界条件）、地形处理、率定验证和服务期内模型维护。3溃堤/漫堤洪水一二维耦合模拟模型耦合位置确定（根据工程现状和历史险情，确定溃堤/漫堤位置）、灵活溃口设置与模拟（通过灵活设置溃口，实现对河道任意位置处溃堤洪水过程模拟）、连接方式确定与设置（根据险情位置与类型设置一二维模型耦合形式与条件）、耦合模型建立和服务期内模型维护。3.洪水控制工程防洪调度模型开发黄垒河流域花家疃水库、小观橡胶坝、庙东橡胶坝和东浪暖橡胶坝等洪水控制工程防洪调度模型，解决流域防洪调度问题，满足流域防洪需要，有利于提高黄垒河流域洪水管理水平。模型具体包括：花家疃水库防洪调度模型，小观橡胶坝、庙东橡胶坝和东浪暖橡胶坝调度模型，以及上述水库闸坝的联合调度模型。主要建设内容如下表所示。表3.4-3防洪调度模型主要建设内容序号建设内容具体任务1花家疃水库防洪调度模型泄量控制调度规则建立、水位控制调度规则建立、防洪补偿调度规则建立、实时调度模型开发、人机交互功能开发和服务期内模型维护。2保护区分洪运用模型溃口灵活化设置功能开发、分洪过程控制规则设置、多溃口分洪规则联合优化模型建立与求解和服务期内模型维护。3小观橡胶坝防洪调度模型防洪调度规则建立与模型开发和服务期内模型维护。4庙东拦河闸橡胶坝防洪调度模型防洪调度规则建立与模型开发和服务期内模型维护。5东浪暖橡胶坝防洪调度模型防洪调度规则建立与模型开发和服务期内模型维护。6黄垒河流域水利工程群联合调控模型各工程防洪补偿性分析、联合优化调度模型建立（参数传递、目标函数、约束条件）、联合优化调控模型求解和服务期内模型维护。4．洪水影响分析和避险转移开发洪水淹没损失分析计算模型、风险点与安置点选择模型和人员避险转移路线智能优选模型，解决流域洪水淹没灾情分析和避险转移难题，满足洪灾应急处置需要。需要建设的模型包括黄垒河干流两侧保护区洪水淹没损失分析计算模型、洪水淹没区风险点与安置点实时选定模型和人员避险转移路线智能优选模型，主要建设内容如下表所示。表3.4-4洪水影响分析和避险转移模型主要建设内容序号建设内容具体任务1保护区洪水淹没损失分析计算模型淹没水深分级，淹没损失计算指标选取、淹没损失计算模型构建。2洪水淹没风险点与安置点实时选定模型淹没风险指标与等级划分、构建风险点识别模型、建立安置点识别方法。3人员避险转移路线智能优选模型洪涝路网路阻指标确定（时间长短、危险性、道路状况）、综合路阻权重计算方法构建、多重约束条件下多目标动态最优路径优化模型构建，优化模型求解3.4.2水资源调配与管理相关专业模型为实现黄垒河流域地表水、地下水等多水源联合调配，并将黄垒河纳入威海市水资源统一调配中，切实发挥地下黄垒河地下水库兴利效益，项目拟构建黄垒河流域年月日多尺度降雨预报模型共计5套，威海市生产、生活、生态需水模型共计5套，黄垒河流域地表-地下水联合调控相关模型共计5套和将黄垒河流域、母猪河地下水库和威海市区纳入一体的流域多水源配置模型1套，共同服务于利于水资源调配与管理“四预”应用服务。1.来水预报模型开发地表水库、地下水库、区间和河道关键断面的来水预报模型，解决流域来水预报问题，满足流域水资源管理与调配需要，有利于缓解黄垒河流域及威海市水资源短缺问题。模型具体包括：花家疃水库、巫山水位站、黄垒河区间（花家疃水库、巫山水位站下游至庙东地下水库）等断面的来水预报模型。模型须具备长、中、短多时间尺度来水预报能力，且适应缺资料或无资料地区的来水预报。来水预报模型主要建设内容如下表所示：表3.4-4来水预报模型主要建设内容序号建设内容具体任务1基于人工神经网络的黄垒河流域月尺度降雨预报模型月降雨影响因子分析与筛选、模型输入、输出数据库建立、模型训练与构建和服务期内模型维护。2基于支持向量机的黄垒河流域月尺度降雨预报模型月降雨影响因子分析与筛选、模型输入、输出数据库建立、模型训练与构建和服务期内模型维护。3基于人工神经网络的黄垒河流域年尺度降雨预报模型年降雨影响因子分析与筛选、模型输入、输出数据库建立、模型训练与构建和服务期内模型维护。4基于支持向量机的黄垒河流域年尺度降雨预报模型年降雨影响因子分析与筛选、模型输入、输出数据库建立、模型训练与构建和服务期内模型维护。5多模型组合径流预报径流预报结果影响因素提取、建立数据融合的特征属性、构建多模型洪水预报数据融合算法和服务期内模型维护。6产流预报模型建立产流模型参数与下垫面特性之间的关系（适用于无资料地区产流模拟预报）、下垫面条件数据收集、模型参数设定（解决无资料地区产流模型构建问题）、模型建立与验证和服务期内模型维护。2.区域需水预测模型开发威海市区与黄垒河流域内生产、生活、生态需水预测模型，解决威海市各用户需水预测问题，满足威海市水资源管理需要，有利于提高黄垒河流域与威海市区水资源管理水平。模型具体包括：威海市区城镇生活、第二和第三产业需水预测模型，黄垒河流域内生活和农业需水预测模型。在需水预测中，可根据实际需要将用水户按行业进行分类，主要包括生活、生产、生态，也可细分为城镇生活、农村生活、工业、第三产业及建筑业、农业、生态。本项目需水预测主要采用定额法进行计算。表3.4-5区域需水预报模型主要建设内容序号建设内容具体任务1威海市生活需水预测模型近20年来威海市区人口增长率分析、未来人口变化预测模型建立、需水量预测模型建立和服务期内模型维护。2第一产业需水预测模型农业用水效率变化预测、农业灌溉面积预测、农业需水量预测模型建立和服务期内模型维护。3第二产业需水预测模型近20年来威海市各区工业产值增长率分析、工业万元增加值用水量指标阈值确定、工业需水量预测模型建立和服务期内模型维护。4第三产业需水预测模型近20年来威海市第三产业增加值综合增长率分析、第三产业万元增加值用水量指标阈值确定、第三产业需水量预测模型建立和服务期内模型维护。5生态需水预测模型威海市区绿化面积变化规律分析、威海市区绿化面积预测模型建立、威海市区生态用水预测模型建立和服务期内模型维护。3.地表-地下水联合调控模型开发黄垒河流域地表-地下水联合调控模型，解决流域地表-地下水综合管理问题，满足地下水库运行管理与水资源开发利用需要，有利于提高黄垒河流域水资源综合管理水平。模型具体包括：花家疃水库调度模型、地表地下水相互作用模拟模型黄垒河地下水库地下水模型和黄垒河流域地表-地下水联合调控模型。黄垒河流域地表地下水利工程系统涉及地表水库、地下水库、地下水回补与开采工程等多种类型的水利工程，各个工程间水力联系复杂。对于水力联系复杂、水流运动差异明显的地表-地下水库调控系统，需要建立兼具计算效率与模拟精度的地表地下水系统联合模拟模型。表3.4-6地表-地下水库联合调控模型建设内容序号建设内容具体任务1花家疃水库调度模型面向地表-地下水库联合调控的水库调度规则确定（汛期调度规则、非汛期调度规则），水库调度模型建立和服务期内模型维护。2地下水库地下水模型小观地下水库地下水模型（总库容1114万m3，水文、地质数据整理分析，模型构建与参数率定）；庙东地下水库地下水模型（总库容1945万m3，水文、地质数据整理分析，模型构建与参数率定）；东浪暖地下水库地下水模型（总库容1156万m3，水文、地质数据整理分析，模型构建与参数率定）。以及服务期内上述模型的维护。3地表水地下水相互作用模拟模型地下水回补与开采下的地表水地下水相互作用特征分析、兼具计算效率与模拟精度的建模策略和相互作用模拟模型构建4地表-地下水库联合调控模型各模型耦合计算方法确定（水库泄流、区间来水、河道补给、降雨入渗、地下水回补、地下水开采、地下水水位变化等多过程耦合）、优化目标确定（最小化弃水）、约束条件确定（地表水库水位、河道关键断面安全泄量、水量平衡）、模型求解与结果优选方法和服务期内模型维护。4.流域多水源配置模型开发以米山水库-黄垒河地下水库-母猪河地下水库连通工程为骨干的多水源配置模型，解决多水源高效配置利用问题，满足黄垒河流域与威海市水资源管理与调配需要，缓解威海市水资源短缺形势。多水源配置模型须具备地表水、地下水、雨洪水和外调水等水源统一配置能力。模型具有模拟和优化功能，主要包括水量优化分配和工程优化调度模块。表3.4-7流域多水源配置模型建设内容序号建设内容具体任务1流域多水源配置模型威海市水资源系统概化、地表水库节点确定与建模、地下水库节点确定与建模、供水河段确定与建模、供水水厂确定与建模、需水节点确定与建模、水源顺序划分、用户用水顺序划分、运行规则确定、目标函数确定、约束条件确定、模型求解方法建立、方案优选方法，以及服务期内上述模型的维护。3.4.3地下水库工程运行管理支撑模型目前，黄垒河地下水地下水库工程运行管理尚无系统化的数学模型支撑。为此，需要建设地表-地下补排过程模拟计算模型、地下水库蓄变量变化趋势分析模型、地下水可开采量模型、地下水流场变化模拟模型和不同开采条件下地下水位变化趋势预测模型等5个模型。1.地表-地下补排过程模拟计算模型开发黄垒河地下水库地表-地下补排过程模拟计算模型，满足地下水库补排强度模拟计算需要。模型能利用较少的水文观测资料准确判断黄垒河流域地表-地下水的补排关系，快速计算不同河段地表水与地下水间的水力梯度与补排过程，实现设定情景或实时条件下的地表－地下补排关系和补排强度的计算2.地下水库蓄变量变化趋势分析模型开发黄垒河地下水库蓄变量变化趋势分析模型，潜水含水层地下水埋深控制标准制定模块、、水库剖面特征水位和特征库容计算模块。通过调用水利感知网的库区地下水位实时监测信息，准确计算不同时刻的地下水库库容，实现不同时段不同时段地下水库蓄变量的定量计算，并进行趋势分析。3.地下水可开采量模型开发黄垒河地水库地下水可开采量模型，为地下水库水资源开发利用提供支撑。模型包括地下水库补给量和排泄量计算模块、地下水库库区地下水可开采量计算模块。补排量计算模块可计算不同时期库区地下水补给量及排泄量；库区地下水可开采量计算模块能计算任意时段内含水层中地下水体积变化量和不同频率下的地下水可开采量。4.地下水流场变化模拟模型在地下水库含水层的三维地质模型的基础上，构建地下水流场变化模拟模型，满足黄垒河地下水库地下水流场变化过程模拟需要。模型具备地下水流场模拟模块和地下水流场三维展示两个功能模块，模拟模块可根据河道水位、地下水库地下水水位、降雨量、地下水开采量等监测信息，计算地下水库含水层全域、河床周边及地下水开采井附近的地下水流场，包括水位、流向、流速等要素；展示模块可将模拟结果与地下水库工程数字化场景结合进行三维展示及标记关键控制断面数据，为地下水库工程运行管理的重要依据。5．河道-地下水库供水联合调度模型开发黄垒河道-地下水库联合调度模型，为黄垒河流域向流域外供水方案与调度规则制定提供工具。该模型包括流域时段供水量动态确定模块、供水规则制定模块。供水量动态确定模块可根据米山水库用水需求与母猪河地下水库蓄水状态，实时确定黄垒河流域供水量；供水规则制定模块能通过读取黄垒河地下水库蓄水量与小观橡胶坝、庙东拦河闸和东浪暖挡潮闸前水位等数据，制定小观泵站与东浪暖泵站供水策略，包括各泵站的河道供水量和地下水库供水量。6.不同开采条件下地下水位变化趋势预测模型在地下水库含水层的三维地质模型及地下水流场变化模拟模型的基础上，模型能够通过读取特定时段降雨量、地下水水位、蒸发量等数据，并人工设置地下水开采方案，预测不同开采方案下地下水库蓄变量和地下水位变化趋势，为地下水高效开发利用提供科学指导。3.4.4河湖健康动态评价模型该项目根据《河湖健康评价指南（试行）》等文件，开发流域内黄垒河河道和花家疃水库2个水体的河湖健康动态评价业务，解决河湖长制监督管理运行中水体健康动态评价业务不足的问题，满足黄垒河流域内河湖长制工作需要，助力黄垒河流域河湖长制监督工作开展。黄垒河河湖健康动态评价工作包括以下具体内容：1.基于评价单元的基础数据分析作为进行河湖健康评价的依据文件，《河湖健康评价指南（试行）》规定了水体在进行河湖健康评价时需要将水体划分为评价单元。即河流分为河段，湖泊分为湖区。在划分黄垒河评价单元时，需要根据河流水文特征、河床及河滨带形态、水质状况、水生生物特征以及流域经济社会发展特征的相同性和差异性，同时以河长管辖作为依据，沿河流纵向将河流分为评价河段。在进行湖泊（库区）评价单元时，需要根据其水文、水动力学特征、水质、生物分区特征，以及湖泊水功能区区划特征分区，同时考虑湖长管辖作为依据，进行划分。2.基于动态优选的河湖健康评价体系构建在《河湖健康评价指南（试行）》中，河流健康评价指标规定了19项，包括7项必选指标和12项备选指标；湖泊健康评价指标规定了20项，包括10项必选指标和10项备选指标。在进行黄垒河数字孪生平台建设中，需要根据黄垒河和花家疃水库不同功能需求变化动态选取能表征水体健康内涵的评价指标，利用层次分析法和专家经验法，设置不同评价指标的评价权重。3.面向河湖健康评价的非结构信息解译模型建立在进行河湖健康评价中，需要感知监测数据、监控数据、舆情数据、业务管理数据和地理数据5类信息。在健康信息知识数据中，监测数据和业务管理数据通常为结构化数据，可以作为输入参数直接应用于评价模型。监控数据、舆情数据和地理数据为非结构化数据，因此需要开发模型进行解解译。4.面向河湖长监督管理的水体健康评价与分析模型开发将感知的结构化数据和信息解译结果输入健康评价模型，进行水体健康评价。分别计算评价单元和水体的健康分值，根据《河湖健康评价指南（试行）》的评价分类表，明确各水体的健康状态。并分析影响水体健康状态的影响因素。根据水体长系列健康评价结果，结合河湖长制所辖评价单元和区域范围提出的水体问题清单和责任清单，为河湖长制监管工作提供支撑。3.5建立智能识别模型需要建立的智能识别模型主要包括遥感识别模型、视频识别模型和语音识别模型3类，具体建设内容如下表所示。表3.5-1需要建立的智能模型分类功能类型建设内容与范围遥感识别模型下垫面地表覆下垫面地表覆盖分类模型地表水体识别地表水体范围、面积、水体宽度和长度等视频识别模型堤岸崩塌检测对堤防险工险段的堤岸崩塌进行检测人员下水识别对河面上有人员进行识别垃圾堆放识别对水域岸线的违规垃圾堆放进行识别。水域岸线违建识别对水域岸线中违规搭建的各类建筑物、建筑材料进行识别，并产生预警，判断是否存在违建现象。河道漂浮物检测对河道、湖泊、水库的水面漂浮物聚集区域视频画面进行监控，对漂浮物如垃圾、水葫芦等进行识别。采砂识别对挖掘机、推土机、施工车辆进行识别检测，一旦出现进行提醒上报。语音识别模型公众查询将实时通话录音转为文本，提取关键词进行文本分析和理解，并给予进一步查询引导举报投诉自动识别举报投诉，自动归类意见反馈自动识别意见，提取关键信息3.6建立可视化模型基于L2和L3数据，通过用三维建模工具，建设自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备等4类可视化模型，为在业务应用中真实展现物理流域中各种水利业务场景提供支撑。自然背景可视化模型对黄垒河流域内的河流、建筑、道路、居民点、植被等地物进行三维可视化模拟。流场动态主要包括地表水流、地下水流、降雨场、取水过程、抽水过程等。水利工程包括花家疃水库、黄垒河地下水库工程地下部分、黄垒河堤防等。水利机电设备包括闸门、水泵、启闭机等。表3.6-1可视化模型建设内容分类建设内容与范围自然背景河道三维可视化模型流场动态地表水流、地下水流、降雨场、取水过程、抽水过程水利工程花家疃水库、黄垒河地下水库工程地下部分（地下水库含水层、截渗墙、抽水井、观测井）等三维可视化模型水利机电设备泵站、水泵、闸门、启闭机等三维可视化模型3.7建设模拟仿真引擎面向数字孪生流域建设中对三维可视化、三维渲染和演示特效的需求和专业模型、分析、计算、展示对三维空间分析的大量需求，采用游戏引擎和三维GIS相结合方式，建设数字孪生模拟仿真引擎。引擎应具备数字化业务场景配置、模型管理、模拟仿真、人机交互、空间分析表达、云渲染等功能，可为数字化业务场景搭建、模型管理应用、多种交互方式下的决策支持、三维空间分析应用和孪生特效高效逼真展示等提供基础。1.开发场景配置功能。融合L1~L3级地理空间数据和自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备等精细化的可视化模型，以虚拟现实（VR，VirtualReality）、增强现实（AR，AugmentedReality）和混合现实（MR，MixedReality）等可视化技术，对物理流域进行数字化、可视化、高保真的映射呈现，形成业务场景的静态背景。构建业务展示内容自定义编排及自由组态的功能，解决业务设计工具和可视化开发工具链之间的断裂问题，实现水利场景可视化的快速配置，提升开发效率。2.开发模型管理功能。基于微服务技术架构，构建模型注册发布业务流程，对模型算法进行注册发布，支持模型新增、调用、修改、删除、升级完善、使用权限的定义与配置，实现水利专业模型和智能模型的动态化管理。3.开发模拟仿真功能。融合水利工程、水利机电设备、地表地下水流的实时感知数据，实时更新孪生流域的运行状态，同步仿真、可视化展示物理流域的运行动态。驱动水利专业模型运行，模拟洪水产流-汇流-演进-调度过程、水资源供-用-耗-排过程、地下水补给-排泄-径流过程等物理过程和调度、配置、管理等水利治理活动，利用引擎的实时渲染、动态视觉特效功能，结合模拟生成数据，对流场动态、水利工程与设施设备运行（如闸门开闭、水库泄洪、水库供水等）进行渲染和可视化，模拟仿真物理流域运行过程和水利治理活动。引擎还应实现天气效果、日照变化、材质体现、光影效果、水波变化等基础模拟功能。4.实现人机交互。需要实现面板搭建、视频融合、数据驱动、仿真表达、决策体现等功能；能够通过图形用户界面和接口程序应用，进行点击和展示关键信息，包括数显表、曲线图、饼状图、柱状图等形式，以及视频融合、动画特效、热力值渲染等形式，从而对数据以及算法仿真结果进行表达展示。5.空间分析表达。实现基于GIS引擎分析的结果（如路径分析、叠加分析、淹没分析、缓冲区分析、空间统计、水面面积计算、断面分析等水利行业相关的分析计算等）在平台进行渲染以达到可视目的，为工程水量调度、工程维护、救援路径计算、数据分析、数据统计等提供辅助决策支撑。6.云渲染。数字模拟仿真引擎需要支持云渲染技术，在服务器的云端进行实时渲染，将渲染画面通过视频串流的方式实时传输到终端，供用户使用。用户在终端的操作同时也可实时反馈给云端，达到实时跨平台、跨浏览器的浏览和操作的一致体验。通过云渲染串流的方式，终端无需进行运算和渲染，所以对用户端硬件设备的要求很低。串流仅传输画面，不涉及到模型等数据的传输，所以云渲染的方式对数据的安全保护级别更高。3.8建设知识平台数字孪生黄垒河流域建设的知识平台主要包括水利知识和水利知识引擎。3.8.1水利知识库面向流域防洪和水资源管理与调配两项业务应用，建立以历史场景库、调度规则库、预报调度方案库、专家经验库等主要内容的水利知识。历史场景库用于描述历史事件发展过程及时空特征属性的相关事实。通过对数据表格或文本记录的历史场景数据进行典型时空属性及特征指标的抽取、融合、挖掘和结构化存储，支撑历史场景发生的关键过程及主要应对措施的复盘，对历史场景下的调度执行方案数字化和暴雨、洪水、径流等时空属性及特征指标等进行挖掘，为相似事件的精准决策提供知识化依据。预报调度方案库用于存储特定场景下的预报调度方案等相关知识。根据物理流域特点、水利工程设计参数、影响区域范围等，结合气象预报、水文预报、水文监测、工程安全监测等信息，基于对历史典型洪水预报、来需水预报、水利工程调度过程记录或以文本形式存储的预报调度预案进行知识抽取、融合等处理，形成特定场景下预报模型运行设置和水利工程调度方案等知识，支撑预报调度方案的智能决策。专家经验用于描述特定业务场景决策时的专家经验。通过文字、公式、图形图像等形式固化专家经验，进行抽取、融合、挖掘和结构化处理等，支撑专家经验的有效复用和持续积累。3.8.2水利知识引擎建设具有知识获取、知识存储、知识融合和知识应用4项主要的功能的黄垒河水利知识引擎，为水利知识建立与应用提供支撑。知识获取利用水利机理模型方法和统计模型、监督学习、深度学习等人工智能方法，抽取形成调度规则、预报调度方案、历史场景库等水利知识。知识存储是将抽象化的水利知识，采用数据库、表格等结构化方式，或函数、知识图谱、文本等方式进行表达存储，为知识融合和应用提供基础。知识融合是对异构和碎片化知识进行语义集成的过程，通过发现碎片化以及异构知识之间的关联，获得更完整的知识描述和知识之间的关联关系，实现知识互补和融合。知识应用则是利用形成专业知识，为流域防洪、水资源管理与调配、地下水库调度运行、河湖健康评价等业务应用提供以知识为核心的知识智能服务，提升应用系统的智能化服务能力。表3.8-1知识平台建设内容序号建设内容具体任务1防洪知识库构建黄垒河流域防洪预案库（花家疃水库、庙东拦河闸、小观橡胶坝、东浪暖挡潮闸联合调度预案，人员撤离与转移预案）、知识图谱库（包括不同类型洪水预报方案与发布方式制定、预警信息获取、整理与发布方法、调度方案的优选与非工程措施制定）、历史场景模式库（历史风险时间的全过程处理模式）、业务规则库和专家经验库。并迭代升级，提升预案制定的智慧化水平。2水资源管理与调配知识库构建黄垒河流域水资源管理与调配预案库（米山水库、花家疃水库、黄垒河地下水库工程、母猪河地下水水库工程调度方案，农业、工业、服务业和生态等不同用户供水量调整方案等在内的综合预案）、知识图谱库（包括水库来水、区间来水、地下水库降雨入渗量、河道补给量等不同对象和要素预报方案与发布方式制定、预警信息获取、整理与发布方法、调度方案的优选与非工程措施制定）、历史场景模式库（历史风险时间的全过程处理模式）、业务规则库和专家经验库。并迭代升级，提升预案制定的智慧化水平。3水利知识引擎知识获取（利用机器推理和机器学习将非结构化数据结构化为图谱里的知识）、知识建模（定义黄垒河防洪和水资源管理与调配的知识表示方法、建立防洪和水水资源管理知识图谱的念模型）、知识融合（识别防洪和水资源管理与调配中多源异构知识的关联，利用遥感数据、视频数据和语音数据识别结果补充已有水利知识）、知识推理（开发黄垒河防洪和水资源管理与调配知识计算和推理模型）、知识服务（提升应用系统的智能化服务能力，为常规业务应用和应急事件管理提供知识服务。）黄垒河流域水资源管理与调配预案动态知识图谱构建。利用专家经验、大数据分析和人工智能等方法，研发自主学习模块，从多场景抗旱减灾预案库，提取专业知识，动态构建“来水预测—工程调度—产业结构优化”全过程的水资源管理与调配知识图谱，并迭代升级，提升预案制定的智慧化水平。3.9开发流域防洪应用子系统开发流域防洪应用子系统，满足流域防洪预报、预警、预演与预案需要，有利于提高黄垒河流域洪水管理水平。具体包括：洪水预报功能建设、防洪预警功能建设、防洪预演功能构建和防洪预案功能建设四项内容。3.9.1洪水预报功能建设洪水预报功能主要是利用黄垒河数字孪生平台提供的监测数据、历史数据和专业模型等对流域未来发生的洪水要素时空变化过程进行预测预报。主要包括：水雨情分析处理模块开发、洪水预报方案构建、作业预报模块开发、预报管理模块开发等建设内容。系统详细开发方案如图3.9-2所示。1.水雨情分析处理模块开发水雨情分析处理模块主要具备3个功能：1）水雨情实况跟踪功能。连接实时水雨情数据库，基于L2级底板或GIS地图，查询展示流域过去1小时、3小时、6小时、12小时、24小时或自定义时段内雨量站实测降雨量、降雨等值面、降雨雷达等信息，实时跟踪降雨形势；查询展示过去1小时、3小时、6小时、12小时、24小时或自定义时段内的水位、流量过程，实时跟踪洪水形势；将实时数据与历史最大降水、历史最大流量、历史最高水位、警戒水位、汛限水位、保证水位等进行直观比较，分析展示当前水雨情形势。2）天气分析预报产品接入功能。接入国家、山东省、威海市等气象部门发布的天气预报产品（包括台风），并以图、表、文字等多种表现形式，综合展示流域未来降雨情势，提供临近（0~2h）与短时（2~12h）定量降雨预报结果，预报时段需要小于6h。3）暴雨简报自动生成发布功能。以文字、图片、表格等多种表现形式综合展示当前和未来的水雨情势，内容包括流域当前水雨情和未来降雨总体形势分析以及辖区、流域、水库等防汛关注对象的未来降雨量等。报告在审核后，按照有关规定发布给相关部门与人员。2.洪水预报方案构建模块开发洪水预报方案是模型及其参数和某些预报参数配置的集合。方案构建就是在洪水预报系统中为预报对象定义一个新的预报方案。预报方案主要包括相关图预报方案（指API模型）和水文预报模型预报方案（新安江模型）2类，不同类型预报方案的构建过程也不相同。需要针对这两类预报方案，设计实现“方案构建”功能。能对水库入库洪水、河道洪水、区间洪水等预报对象的洪峰水位（流量）及峰现时间、洪量、流量（水位）过程等预报要素，制定预报方案，使预报精度达到乙级及以上水平。“方案构建”功能应能建立不同预报对象的预报拓扑图，配置预报模型及其参数和预报的输入和控制参数，为作业预报提供基础。3.作业预报模块开发作业预报应包含自动预报、人机交互等预报模式，同时具备未来降雨预报、参数率定、多模型融合、精度评定、多方案比较优选、预报结果图表展示、能考虑专家经验等功能。自动预报模式根据降雨自动启动相关预报对象的预报作业。预报人员能够事先设定用于自动预报的预报方案和参数，在日常作业中预报人员可以根据降雨情况及汛期的不同阶段重新设置预报参数，自动预报能够直接发布到预报成果表中，并区分来自自动预报作业还是人机交互式作业。人机交互式预报能够为预报人员提供便捷的预报资料选取功能，能够由人工选定预报对象、指定预报模型、调整模型参数、调整预报参数、优选预报成果、管理发布成果。未来降雨预报将未来降雨的预测结果应用到洪水预报中。提供未来降雨处理功能，能对未来降雨数值及其时程分配进行合理设置。4.预报管理模块开发预报管理模块实现预报成果发布、预报方案管理与预报成果管理功能。预报成果发布实现洪水预报成果报告自动生成，通过文字、图片、表格等多种表现形式，综合展示当前和未来的洪水情势。成果报告在经过有关部门审核签发后，可按照相关规定报送至相关部门和人员。预报方案管理实现创建预报方案、查询修改预报方案、导入导出预报方案、历史资料整理、水文模型参数率定、降雨径流相关图和单位线的率定等功能。预报成果管理实现对已保存的预报成果的查询、删除、入库操作，实现对同一预报对象不同预报方案或不同预报人员预报结果的对比，预报成果的精度评定且可以查询方案的各洪水场次的精度评定结果。表3.9-1洪水预报功能建设内容序号建设内容具体任务1水雨情分析处理模块开发实现水雨情实况跟踪、天气分析预报产品接入和暴雨简报自动生成发布等主要功能，为掌握流域当前水雨情和未来降雨总体形势提供服务支撑2洪水预报方案构建模块开发制定花家疃水库入库洪水预报方案、巫山水位站以上洪水预报方案、区间洪水预报方案，预报精度达到乙级及以上水平；针对基于API模型和新安江模型预报方案，设计方案构建功能，实现预报拓扑图构建、预报模型及其参数配置、预报输入和控制参数设定等任务3作业预报模块开发设计实现自动预报、人机交互等预报模式，开发未来降雨预报、参数率定、多模型融合、精度评定、多方案比较优选、预报结果图表展示、能考虑专家经验等功能4预报管理模块开发实现预报成果发布、预报方案管理与预报成果管理功能3.9.2防洪预警功能建设防洪预警功能主要是确立预警对象，制定预警指标及其等级阈值，根据预报结果精准定位险情发生位置与范围，及时把预警信息送达工作一线。主要包括：预警对象动态识别功能开发、预警指标与阈值确定、预警机制与预警信息发布平台建立等建设内容。1.预警对象动态识别功能开发开发防洪系统薄弱环节智能识别模块，基于数字孪生平台提供的实时监测数据和智能识别模型，动态分析水库大坝、堤防、闸坝等水利工程安全状态；开发水利工程人工巡查接口，具备语音上报、短信上报、图像上报和视频上报等功能；开发威海市山洪灾害监测预警平台接口，即时获取降雨、流量等洪水要素监测数据和山洪预警信息。开发水库大坝、堤防工程险工段及其可能影响的风险区动态识别功能，根据自动监测信息和人工巡查信息，自动识别流域防洪薄弱环节，进而确定防洪预警对象，包括水库垮坝洪水、河道洪水、漫堤洪水等。2.预警指标与预警阈值确定针对强降雨、江河洪水、山洪灾害等预警任务，考虑水文站点、水库、河道等预警对象，从降雨量、水位、流量等预警要素中，选取具有较好报汛条件、预报能力的要素，建立洪水预警指标体系。考虑洪水量级以及可能造成的危害程度划分预警等级，如红色预警、橙色预警、黄色预警等，并确定预警要素不能预警等级的阈值范围。开发预警指标等级自动识别功能，将预警指标实时监测结果或预报结果与阈值进行对比分析，确定预警对象的预警等级。3.预警信息发布平台建立根据洪水风险要素信息、险情发生位置与影响范围，设计洪水预警信息自动生成模块。开发可通过短信、网站、APP、微信等形式提供预警信息个性化订阅和主动推送等功能的警情发布平台。按照相关规定，及时将通过审核的预警信息，发送给水行政主管部门领导、水利业务管理人员、相关涉水部门和受影响人员。表3.9-2防洪预警功能建设内容序号建设内容具体任务1预警对象动态识别功能开发开发防洪系统薄弱环节智能识别模块、洪水影响对象识别模块和人工巡查接入，为工程安全状态评估和预警对象确定服务2预警指标与阈值确定强降雨预警指标与等级阈值确定、江河洪水预警指标与等级阈值确定、山洪灾害预警指标与等级阈值确定3预警信息发布平台设计预警信息自动生成模块，建立警情信息发布平台，按照规定，及时发送预警信息3.9.3防洪预演功能建设防洪预演功能主要是基于数字孪生流域，对历史已经发生洪水、设计洪水、预测报洪水等水情在各种给定的调度目标、调度方案、边界条件下的演进过程进行模拟仿真，前瞻预演工情、险情和灾情，制定和优化调度方案。包括预演场景配置模块开发、模拟仿真模块开发和方案优化制定模块开发等建设内容。1.预演场景配置模块开发开发预演场景配置模块，实现调度目标、预演节点、边界条件、调度方案等灵活设置。针对水库洪水、河道洪水、山洪灾害等风险事件类型，考虑标准内洪水和超标洪水两种类型，确定保护对象和调度目标，实现调度目标的分类量化确定。依据保护对象和调度目标，确定纳入预演场景的水文站及水库、堤防、闸坝等防洪工程，确定预演节点。边界条件设定包括水情与防洪工程控制运用指标的设定。其中水情包括历史典型洪水、设计洪水、预报洪水等，工程控制运用指标包括水库、河道、堤防、闸坝等防洪控制节点的水位、流量等量化指标。调度方案设定包含从防洪知识库中选择已有调度方案、专家经验重新生成调度方案和迭代优化生成调度方案三种模式，生成初步调度方案。2.模拟仿真模块开发模拟仿真模块根据预演场景配置，从数据底板中获取相关的气象水文资料、社会经济资料、防洪工程资料等；调用驱动数字孪生平台中相关的水利专业模型，实现可能发生的水情下的工情、险情、灾情的前瞻性预演，正向预演洪水风险形势和影响，通过逆向推演分析，及时发现问题，迭代优化调度方案；调用模拟仿真引擎和可视化模型，设计仿真可视化界面，实现预演全过程的可视化模拟，包括洪水演进、洪水淹没、水库调洪、堤防挡水、闸坝运用、分洪行洪等过程的展示，达到二三维全时空、轻量化渲染，实现数字孪生流域模拟过程与流域物理过程高保真。3.方案优化制定模块开发确定防洪效果、洪水影响、洪灾风险评估指标体系，开发洪水调度方案多指标比选与迭代调优功能，利用专家经验和迭代优化，实现多方案比较、优先和调优。在此基础上，考虑当前的雨情、水情、工情、险情等，确定最佳调度方案。针对确定的调度方案，充分考虑可能出现的最不利情况，提早制定风险防范措施，守住安全底线。表3.9-3洪水预报功能建设内容序号建设内容具体任务1预演场景配置模块开发实现从调度目标、预演节点、边界条件、调度方案等方面灵活配置定义预演场景。针对入库洪水、山洪灾害、河道堤防漫堤/溃堤等水灾风险事件，分标准内和超标准洪水两种情况，确定保护对象和调度目标指标。依据调度目标和保护对象，智能选择或人工选择确定纳入预演场景的的水文站及水库、堤防、闸坝等防洪工程。边界条件设定包括水情设定与防洪工程控制运用指标设定。调度方案设定包含从防洪知识库中选择已有调度方案、专家经验重新生成调度方案和迭代优化生成调度方案三种模式。2模拟仿真模块开发开发预演数据调取接口，从数据底板调取预演相关资料；建设多情景模拟计算功能，调用相关的水利专业模型，对不同雨水工情下的“产流-汇流-演进-调度”全过程进行模拟计算，正向预演洪水风险形势和影响，逆向推演分析发现问题、迭代优化调度方案；设计仿真可视化界面，调用模拟仿真引擎与可视化模型，实现预演全过程的可视化模拟。3调度方案制定和优化模块开发确定调度方案评估指标体系，开发洪水调度方案多指标比选与迭代调优功能，利用专家经验和迭代优化，确定最佳调度方案。针对确定的调度方案，充分考虑可能出现的最不利情况，提早制定风险防范措施，守住安全底线。3.9.4防洪预案功能建设防洪预案功能依据预演确定的方案，考虑水利工程最新工况、社会经济发展现状等信息，确定防洪工程运用、人员转移等非工程措施，定防洪预案并组织实施，制提高预案的科学性和可操作性。主要包括人员避险转移方案制定、防洪预案制定和防洪预案管理与发布模块开发等建设内容。1.人员避险转移方案制定开发风险区和安置点智能识别模型，根据预报与预演结果，实时确定需要转移居民的地区和安置点；开发人员避险转移路线确定模型，根据道路淹没情况实时更新转移路线，为居民避险转移优选路径。2.防洪预案制定预案制定主要包括三方面内容：依据预演确定的调度方案，从明确水库、河道、堤防、闸坝等防洪工程运用次序、时机、规则等方面，确定防洪工程调度运用方案；从值班值守、防汛物料设备配置、查险抢险人员配备、技术专家队伍建设和受影响人员避险转移方案等方面制定非工程措施；从落实执行机构、权限和职责、明确信息报送要求等方面明确预案的组织实施。3.防洪预案管理与发布模块开发防洪预案管理实现创建预案、查询修改预案、导入导出预案、历史资料整理、防洪工程调度运用方案修正、人员避险转移方案修正等功能。防洪预案发布可依据防洪预案内容，参考现有防洪预案规范模板，设计防洪预防预案报告自动生成模块，审定后的预案可进行发布。表3.9-4防洪预案功能建设内容序号建设内容具体任务1人员避险转移方案制定开发风险区和安置点智能识别模型和人员避险转移路线确定模型，制定人员避险转移方案。根据人员定位和淹没实况，指挥人员转移。2防洪预案制定从防洪工程调度运用、非工程措施制定、组织实施三个方面，依据预演确定方案，制定防洪预案。3防洪预案管理与发布模块开发实现防洪预案创建、查询、修改、发布、工程调度运用方案与人员避险转移方案修正等功能3.10开发水资源管理与调配应用子系统开发水资源管理与调配应用子系统，满足水资源管理预报、预警、预演与预案需要，有利于提高黄垒河流域与威海市区水资源管理水平。具体包括：水资源预报功能建设、水资源预警功能建设、水资源预演功能构建和水资源预案功能建设四项内容。3.10.1水资源预报功能建设水资源预报功能主要是通过集成多个水利专业模型对流域未来的水资源要素时空变化过程进行预测预报。主要包括雨水工旱情分析处理模块、预报方案构建模块、作业预报模块和预报管理模块等开发内容。1.雨水工旱情分析处理模块开发水雨情分析处理模块主要具备3个功能：1）雨水工情实况跟踪功能。连接实时雨水工情数据库，基于L2级底板或GIS地图，查询展示流域过去1天、1旬、1个月、3个月或自定义时段内雨量站实测降雨量、水库与河道的实测水位、径流、取水口或主要用水户实际取用水量；将实时数据与历史降雨、历史径流、历史取用水数据、最低水位、汛限水位、保证水位、计划用水量等特征指标进行直观比较，分析展示当前雨情、水情、工情和供用水形势。2）旱情分析功能。考虑降水、水库水位、河道水位、地下水水位、缺水量等水文气象要素，采用距平、水位变化率、干旱缺水率等指标，综合评估流域和区域当前旱情，以图表方式，展示旱情发展变化。3）雨水工旱情简报自动生成与发布功能。以文字、图片、表格等多种表现形式，综合展示当前的雨情、水情、工情和旱情。报告在审核后，按照有关规定发布给相关部门与人员。2.来水预报方案构建模块开发来水预报方案是模型及其参数和某些预报参数配置的集合。方案构建就是在预报系统中为预报对象定义一个新的预报方案。预报方案主要包括长中短等时间尺度的降水预报方案和径流预报方案。需要针对这两类预报方案，设计实现方案构建功能，具体包括不同预报对象的预报拓扑图、确定预报模型及其参数、设定预报模型的输入和控制参数等内容。需要针对水库入库、控制断面、区间等预报对象的降水、径流过程等预报要素，利用已建立的不同时间尺度的降水、径流预报模型，制定相应预报方案。3.作业预报模块开发作业预报应包含自动预报、人机交互等预报模式，同时具备参数率定、多模型融合、精度评定、多方案比较优选、预报结果图表展示、专家经验纳入等功能。在自动预报模式中，当系统收集得到下个时段所有降雨预报因子值后，立即按照设定的预报模型与预报参数，自动开始预报未来降雨和径流。人机交互式预报能够为预报人员提供便捷的预报资料选取功能，能够由人工选定预报对象、指定预报模型、调整模型参数、调整预报参数、优选预报成果、管理发布成果。4.预报管理模块开发预报管理模块实现预报成果发布、预报方案管理与预报成果管理功能。预报成果发布实现预报成果报告自动生成，通过文字、图片、表格等多种表现形式，综合展示当前和未来来水情况。成果报告在经过有关部门审核签发后，可按照相关规定报送至相关部门和人员。预报方案管理实现创建预报方案、查询修改预报方案、导入导出预报方案、历史资料整理、模型参数率定、预报因子调整等功能。预报成果管理实现对已保存的预报成果的查询、删除、入库操作，实现对同一预报对象不同预报方案或不同预报人员预报结果的对比，预报成果的精度评定且可以查询方案的各洪水场次的精度评定结果。表3.10-1水资源预报功能建设内容序号建设内容具体任务1雨水工旱情分析处理模块开发实现雨水工情实况跟、旱情分析和雨水工旱情简报自动生成发布等主要功能，为把握流域当前雨情、水情、工情和旱情提供服务支撑2来水预报方案构建模块开发制定花家疃水库、巫山水位站以上区域和区间来水预报方案，为水资源调度提供有价值预报信息；针对长中短等时间尺度的降水预报方案和径流预报方案，设计实现预报方案构建功能，满足预报拓扑图构建、预报模型及其参数配置、预报输入和控制参数设定等需要3作业预报模块开发设计实现自动预报、人机交互等预报模式，开发参数率定、多模型融合、精度评定、多方案比较优选、预报结果图表展示、能考虑专家经验等功能4预报管理模块开发实现预报成果发布、预报方案管理与预报成果管理功能3.10.2水资源预警功能建设水资源预警功能主要是确立预警对象，制定干旱缺水风险预警指标和阈值，根据预报结果精准定位险情发生位置与范围，及时把风险预警信息送达工作一线。主要包括预警对象调查识别、预警指标与阈值确定、预警信息发布功能开发等建设内容。1.预警对象诊断识别基于孪生流域提供的雨情、水情、工情、需水等数据，开发水资源系统来水、蓄水、供水状态异常诊断模块，识别降水偏少、水库来水与蓄水不足、河道水位偏低、地下水水位偏低、供水减少等干旱缺水的风险源，确定干旱缺水影响对象、范围和程度。2.预警指标与阈值确定针对地表水库、地下水库、河道、地下水开采井等工程，考虑降水、来水、蓄水、供水等要素，确定预警指标，如降水、水库入库、水库水位、河道水位、地下水埋深、工程可供水量等，并确定红色、橙色、黄色等不同警级所对应的指标阈值范围。3.预警信息发布功能开发根据旱情现状和发展演变趋势、影响对象、范围和程度，设计预警信息自动生成模块。开发可通过短信、网站、APP、微信等形式提供预警信息个性化订阅和主动推送等功能的警情信息发布平台，按照相关规定，及时向水行政主管部门领导、水利业管理业务人员、相关涉水部门和受影响用户发送预警信息。表3.10-2水资源预警建设内容序号建设内容具体任务1预警对象诊断识别开发水资源系统来水、蓄水、供水状态异常诊断模块，识别干旱缺水的风险源及其影响对象、范围和程度。2预警指标与阈值确定考虑降水、水库入库、水库水位、河道水位、地下水埋深、工程可供水量等要素，确定预警指标、预警等级和指标阈值范围。3预警信息发布平台设计预警信息自动生成模块，建立警情信息发布平台，按照规定，及时发送预警信息。3.10.3水资源预演功能建设水资源预演功能主要是结合水雨情预报信息与水资源调度与配置运行信息，对历史典型枯水、设计枯水、预报来水等不同来水情景在不同调度方案下的“来水-配水-蓄水-供水”全过程、水资源供需和旱情发展变化情况进行预演。包括预演场景配置模块开发、模拟仿真模块开发和方案优化制定模块开发等建设内容。1.预演场景配置模块开发开发预演场景配置模块，实现调度目标、预演节点、边界条件、调度方案等灵活设置。考虑来水丰枯，确定保护对象和调度目标，实现调度目标的分类量化确定。依据保护对象和调度目标，确定纳入预演场景的水文站及地表水库、地下水库、闸坝等供水工程，确定预演节点。边界条件设定包括水情与工程控制运用指标的设定。其中水情包括历史典型干旱、设计枯水年、预报来水等，工程控制运用指标包括地表水库、地下水库、闸坝等工程的水位、供水量、下泄水量等指标。调度方案设定包含从水资源调度知识库中选择已有调度方案、专家经验重新生成调度方案和迭代优化生成调度方案三种模式，生成初步调度方案。2.模拟仿真模块开发模拟仿真模块根据预演场景配置，从数据底板中获取相关的气象水文资料、社会经济资料、工程调度资料等；调用驱动数字孪生平台中相关的水利专业模型，对可能发生的水情下的工情、旱情、灾情的前瞻性预演，正向预演干旱缺水风险形势和影响，通过逆向推演分析，及时发现问题，迭代优化调度方案；调用模拟仿真引擎和可视化模型，设计仿真可视化界面，实现预演全过程的可视化模拟，包括降水偏少、径流偏枯、工程蓄水不足、河道水位偏低、地下水水位偏低、水源供水不足、农业、生态和城乡缺水等旱情发生发展过程的展示，达到二三维全时空、轻量化渲染，实现数字孪生流域模拟过程与流域物理过程高保真。3.方案优化制定模块开发确定调度效益、旱情、缺水影响评估指标体系，开发水资源调度方案多指标比选与迭代调优功能，利用专家经验和迭代优化，实现多方案比较、优先和调优。在此基础上，考虑当前的雨情、水情、工情、旱情等，确定最佳调度方案。针对确定的调度方案，充分考虑可能出现的最不利情况，提早制定防御措施，确保干旱应急调度超前、科学、合理。表3.10-3水资源预演建设内容序号建设内容具体任务1预演场景配置模块开发实现从调度目标、预演节点、边界条件、调度方案等方面灵活配置定义预演场景。针对来水丰枯，开展蓄水调度或抗旱保供调度，确定调度目标指标。依据调度目标，智能选择或人工选择确定纳入预演场景的水文站及水库、堤防、闸坝等防洪工程。边界条件设定包括来水丰枯设定与工程控制运用指标设定。调度方案设定包含从水资源调度知识库中选择已有调度方案、专家经验重新生成调度方案和迭代优化生成调度方案三种模式。2模拟仿真模块开发开发预演数据调取接口，从数据底板调取预演相关资料；建设多情景模拟计算功能，调用相关的水利专业模型，对“来水-配水-蓄水-供水”全过程模拟计算，正向预演干旱缺水风险形势和影响，逆向推演分析发现问题、迭代优化调度方案；设计仿真可视化界面，调用模拟仿真引擎与可视化模型，实现预演全过程的可视化模拟。3调度方案制定和优化模块开发确定调度方案评估指标体系，开发水资源调度方案多指标比选与迭代调优功能，利用专家经验和迭代优化，确定最佳调度方案。针对确定的调度方案，充分考虑可能出现的最不利情况，提早制定防御措施，确保干旱应急调度超前、科学、合理。3.10.4水资源预案功能建设结合流域水利工程运行情况、旱情发展演变趋势、社会经济发展现状等信息，评估流域旱情等级，制定抗旱预案，根据旱情等级确定应急抗旱措施，并组织实施。主要包括流域旱情等级评估模块开发、抗旱预案制定模块开发和抗旱预案管理与发布模块开发等建设内容。1.流域旱情等级评估模块开发参照《威海市防汛抗旱应急预案》《区域旱情等级》（GB/T32135—2015）等文件标准，结合流域实际，考虑气象、农业、水源、城乡供水等方面情况，建立黄垒河流域旱情等级评估指标体系和量化方法，确立Ⅰ级~Ⅳ级干旱等级标准，建立流域干旱等级判别模型。从数据底板和相关数据库中，获取计算旱情等级评估指标的基础数据，实时滚动评估流域干旱等级。2.抗旱预案制定参照《国家防汛抗旱应急预案》《抗旱预案编制导则》（SL590-2013）《威海市防汛抗旱应急预案》等文件标准，对不同等级干旱，从工程调度运行和非工程措施等方面，制定抗旱应急响应措施。在工程调度运行方面，依据预演确定的调度方案，考虑水利工程最新工况、社会经济情况和旱情发展演变趋势，制定现有工程和急备用水源运用次序、时机、规则；从加大节水力度、合理限制用水、抗旱物资设备配置、技术专家队伍建设等方面制定非工程措施；从落实执行机构、权限和职责、明确信息报送要求等方面明确预案的组织实施。3.抗旱预案管理与发布模块开发抗旱预案管理实现创建预案、查询修改预案、导入导出预案、历史资料整理、旱情等级评估指标体系与旱情等级标准修改、抗旱应急响应措施修改等功能。抗旱预案发布可依据现有抗旱预案规范模板，设计抗旱预案报告自动生成模块，审定后的预案可进行发布。表3.10-4水资源预案功能建设内容序号建设内容具体任务1流域旱情等级评估模块开发建立黄垒河流域旱情等级评估指标体系和量化方法，确立Ⅰ级~Ⅳ级干旱等级标准，建立流域干旱等级判别模型，实时滚动评估流域干旱等级。2抗旱预案制定针对不同等级干旱，从工程调度运行和非工程措施等方面，确定抗旱应急响应措施，制定抗旱预案。3抗旱预案管理与发布模块开发实现预案创建、查询、修改、发布、旱情等级评估指标体系与旱情等级标准修改、抗旱应急响应措施修改等功能。3.11开发黄垒河地下水库工程调度管理应用子系统黄垒河地下水库工程调度管理应用子系统主要完成以下功能。3.11.1地下水库工程三维模型建设及可视化展示该模块主要构建黄垒河地下水库库区及工程构筑物的三维模型，同时实现地表-地下的立体化展示。1.地下水库含水层的三维地质动态展示功能建设收集地下水库含水层三维地质建模所需的基础数据，，构建黄垒河地下水库含水层三维可视化基础数据库，并构建数据信息的维护与管理机制，实现地下水库含水层系统三维结构的动态更新和即时服务。利用数据库及地质建模软件平台，建立黄垒河地下水库含水层三维地质模型。2.地下水库工程地下构筑物立体建模收集黄垒河地下水库工程建设资料，包括附属建筑物工程的位置、规模、结构、设计图等信息，据此构建庙东地下截渗墙、小观地下截渗墙和东浪暖地下截渗墙等地下构筑物的BIM模型；收集黄垒河地下水库库区的地下水开采井、观测井信息，具体包括位置、井深、水位、开采量等，构建地下水开采井与观测井三维可视化模型，立体展示地下水要素空间分布。3地下水库工程地表-地下立体化展示开发地下水库工程地表地下立体化展示技术，利用三维建模引擎，将已构建的地下水库含水层三维地质模型、地下水库工程地下构筑物模型与三维可视化模型进行耦合集成，建立黄垒河地下水库工程三维可视化模型，实现黄垒河地下水库地表-地下三维可视化展示。3.11.2地下水库工程运行管理数字化场景建设该模块主要构建黄垒河地下水库工程运行管理数字化场景，实现地下水库工程运行状态实时信息融合展示以及地下水库补排过程同步仿真。1.地下水库运行状态要素的实时信息融合与展示在按需完善黄垒河地下水库水利感知网基础上，收集整理河道水位、橡胶坝等地表工程高度、地下水位、地下水开采量等的历史监测数据，建立地下水库运行状态要素数据库，并开发上述监测数据的实时读取、传输、存储模块，实现历史监测数据与实时监测数据融合，不断更新延长时间序列；构建统计分析模型，实现地下水库运行状态要素的数据查询与实时展示。2.地表-地下补排过程同步仿真建立黄垒河地下水库地质模型，根据地表水库和河道水位实时监测数据和地表-地下水位动态特征，识别地表-地下水的补排关系；构建地表-地下补排过程模拟模型，进一步计算地表水与地下水的补排强度、转化位置等，实现设定情景或实时条件下的地表-地下补排关系及其时空分布的同步仿真。3.地下水库蓄变量变化趋势分析根据黄垒河地下水库工程建设参数、库区水文地质特征及地下水生态环境保护需求，确定潜水含水层地下水埋深的控制标准；根据地下水库库区水文地质剖面地层分布数据及确定的剖面特征水位，计算水库的地下特征库容；通过调用水利感知网的库区地下水位实时监测信息，分析蓄变量变化趋，判别地下水水库埋深控制标准满足情况。3.11.3地下水库工程综合管理该模块主要构建黄垒河地下水库工程管理模型，主要包括地下水可开采量模型、地下水流场变化模拟模型，并预测不同开采条件下地下水位变化趋势。1.地下水可开采量动态确定功能建设收集黄垒河地下水库多年平均降雨量、降雨入渗补给系数、潜水蒸发量、地下水开采量等信息，计算库区地表水补给量及排泄量；考虑地下水水位控制指标，构建地下水库可开采量模型；在多年调节的情况下，计算以地下水采补平衡为目标的地下水最大埋深控制阈值和以生态保护为目标的地下水最小埋深控制阈值，进行地下水多年均衡计算，并得出不同频率下的地下水可开采量。2.地下水流场变化模拟功能建设在地下水库含水层的三维地质模型的基础上，构建地下水流场变化模拟模型；利用地下水水位、降雨量、地下水开采量等监测信息，计算地下水库含水层全域、河床周边及地下水开采井附近的地下水流场，包括水位、流向、流速等要素，并通过地下水库工程数字化场景进行三维展示及关键控制断面数据标记，作为地下水库工程运行管理的重要依据。3.河道-地下水库供水联合调度功能建设构建黄垒河三级地下水库与拦河闸坝的供水联合调度模型，开发黄垒河地下水库可供水量动态确定模型，根据米山水库用水需求与母猪河地下水库蓄水状态，确定黄垒河地下水库供水目标。开发联合供水规则优化模型，制定拦河闸坝、小观泵站与东浪暖泵站供水策略，包括河道供水量和地下水库开采量，为地下水库供水调度提供可靠工具。4.不同开采条件下地下水位趋势预测功能建设利用地下水库含水层的三维地质模型及地下水流场变化模拟模型，综合考虑时段降雨量、地下水水位、蒸发量、河道供水量、地下水开采量等因素，设置地下水开采方案，预测不同开采方案下地下水库蓄变量及地下水位变化趋势，为地下水高效开发利用提供科学指导。表3.11-1黄垒河地下水库工程调度管理应用子系统建设任务序号建设内容具体任务1地下水库工程三维模型建设及可视化展示构建黄垒河地下水库库区（1886km2）及工程构筑物（庙东地下拦蓄坝、小观地下拦蓄坝和东浪暖地下拦蓄坝）的三维模型，同时实现地表-地下的立体化展示。2地下水库工程运行管理数字化场景建设构建黄垒河地下水库工程运行管理数字化场景，实现地下水库工程运行状态实时信息融合展示、地下水库补排过程同步仿真，以及地下水库蓄变量变化趋势分析展示。3河道-地下水库供水联合调度模型构建河道-地下水库供水联合调度模型，主要包括供水量动态确定模型、联合供水策略优化模型，并预测不同需水和蓄水条件下的各级地下水库河道供水量与地下水库供水量。4地下水库工程管理模型构建构建黄垒河地下水库工程管理模型，主要包括地下水可开采量模型、地下水流场变化模拟模型，并预测不同开采条件下地下水位变化趋势。3.12开发黄垒河流域河湖健康动态评价应用子系统本子系统主要是应用相关数据和模型完成黄垒河流域河湖健康动态评价功能。本子系统主要涉及数据底板、专业模型和可视化模型三部分内容。黄垒河河长制监控与动态评价子系统主要完成以下功能。（1）监管信息实时查询在该模块下，可以查询黄垒河流域各水体信息感知的各项内容。信息查询的内容包括其他行业和部门的共享数据、监控设备的感知信息、水文设备采集的流量数据、水质监测设备的检测数据和已有的水体评价结果。通过信息查询可以实时获得各感知设备的现状信息，为河长制监管提供实时信息。（2）历史信息统计追踪根据信息知识设备的历史信息，可以分析影响水体健康状态的突发事件发生次数、时间和位置。并对突发事件进行动态追踪，为河长制监管提供溯源参考。（3）水体河湖健康评价根据其他行业和部门的共享数据、监控设备的感知信息和监控信息进行数据处理。对于非结构化数据进行模型解译，生成结构化数据。根据河湖健康指标，进行数据量化。通过调用河湖健康评价模块对全局或指定水体进行定量评价。根据评价单元的评价结果，进行分类动态可视化。（4）水体河湖健康分析根据历史河湖健康评价数据和河湖健康评价结果，调用河湖健康分析模块，动态生成全局或指定水体的“一河一策”和“一湖一策”。为河湖长制未来工作提供问题清单和责任清单。本项目建设内容如表3.12-1所示。表3.12-1黄垒河流域河湖健康动态评价应用子系统建设内容序号建设内容具体任务1黄垒河流域河湖健康动态评价应用子系统监管信息实时查询，历史信息统计追踪，水体河湖健康评价，水体河湖健康分析;

第四章项目设计方案4.1总体架构及技术路线4.1.1总体架构基于智慧水利顶层设计总体框架，结合黄垒河流域实际，面向水行政主管部门领导、水利业务人员以及工程管理人员在流域防洪、水资源管理调配、黄垒河地下水库工程管理、河长制监管等方面的业务需求，提出了如下图所示，由水利信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、用户、网络安全体系、保障体系等组成总体框架。在水利信息基础设施层，一是完善水利感知网。扩大对物理流域的监测范围，完善监测要素类型和数据内容，为数字孪生流域提供基础算据，主要包括合理新建雨水工情等监测站点，完善传统水监测站网，利用卫星遥感、航空遥感、高清视频、无人机、无船等新型监测手段，完善新型水利监测网。二是完善水利信息网。扩大网络覆盖范围，提高网络带宽，实现各单位之间的全面互联，支持日常通信传输和应急通信服务保障，将数据传输至数字孪生平台数据底板；主要包括水利业务网和水利工控网。三是搭建水利云，以威海市电子政务云为依托，利用电子政务云提供的计算资源与存储资源，布设运营黄垒河数字孪生平台。图4.1-1数字孪生黄垒河建设总体框架在数字孪生平台建设中，一是建立完善层级数据底板。整合水利基础数据、水利监测数据、水利业务管理数据，接入跨行业共享数据，建设3级地理空间数据，形成黄垒河流域多源数据资源池。按照统一的数据标准规范，基于科学的数据模型，以分层分类分级的方式，对多源数据进行汇集治理，提升数据的规范性、可用性，保证数据质量，为模型平台和知识平台提供数据支撑，并向各级部门和有关单位提供数据服务。二是建设模型平台。模型平台由水利专业模型、智能模型、可视化模型和数字仿真引擎组成，在数字空间对流域物理过程与水利治理管理活动进行智慧化模拟，为水利治理管理提供决策支撑。三是建设知识平台。面向业务应用需求，采用水利模型与人工智能相结合方式，建设水利知识引擎，生成以业务规则库、方案预案库、调度运行规则库、历史场景库、专家经验库等为主要内容的水利知识，利用水利知识支撑业务应用创新。在业务应用建设中，一是建设具有“四预”（预报、预警、预演和预案）的功能的流域防洪应用。依据防洪“四预”的基本技术要求，明确黄垒河防洪“四预”具体内容，利用模型平台和知识平台，实现“四预”功能，并在黄垒河汛期进行应用检验。二是建设具有“四预”功能的水资源管理与调配应用。研究探索水资源管理调配“四预”功能的主要内容与实现技术，建设黄垒河流域水资源管理台账，开展水资源动态评价，支撑地表地下水联合调配。三是建设黄垒河地下水库工程调度管理应用。融合黄垒河地下水库工程可视化模型、三维地质结构模型和数据底板，实现黄垒河地下水库工程数字映射，利用模型平台和知识平台，实现地下水库工程同步仿真、虚实交互和智能调度。四是建设黄垒河河湖健康动态评价应用。通过视频、无人机、移动设备、卫星遥感等新型监测设备，利用视频分析、图像识别、遥感解译等智能模型，实现岸线变化与“四乱”问题进行动态监测与主动发现。4.1.2技术路线1.B/S结构B/S结构，即Browser/Server(浏览器/服务器)结构，随着Internet和Intranet技术的兴起，是目前业务系统主流的结构。在这种结构下，用户界面完全通过WWW浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3-tier结构。B/S结构的应