湖北宜昌黄柏河：数字孪生建设全力护航“母亲河”
湖北宜昌黄柏河：数字孪生建设全力护航“母亲河”
走进市黄柏河流域管理局调度指挥中心，现代感、科技感、智慧化气息十足。大屏幕上可以看到数字孪生黄柏河系统，该系统综合运用"天空地水工"一体化感知设备，构建了东支流域重点区域全天候、全周期、全要素的实时监测及多目标优化调度体系。水库边，高空"鹰眼"对水库360度全景监控；大坝上，无人机在智能机场安了"家"，负责库区和下游河道的巡查；库区里，大坝安全监测、电站监控等系统守护着流域安澜……
2023年11月，水利部加快构建现代化水库运行管理矩阵，印发指导意见，开展先行先试。全国有65个先行先试区域纳入水利部现代化水库运行管理矩阵试点，黄柏河东支流域是其中之一，也是湖北省唯一。
市黄柏河流域管理局十分重视现代化水库运行管理矩阵建设，今年4月，以数字孪生黄柏河建设为突破口，构建流域防洪安全体系、优化水库群多目标调度、提升工程监测预警能力、精准预演赋能实战见效，全力护航宜昌市"母亲河"。
构建防洪体系：为流域防洪提供多重防线
黄柏河流域面积小、汇流时间短，洪水陡涨陡落，如何提升洪水预报的预见期和精度，以及通过4座水库对洪水进行联合调蓄保证水库及下游防洪安全？通过数字孪生建设，为流域防洪建立起"三道防线"及"四预"体系。
构建流域防洪"三道防线"，引入全流域5km*5km分辨率精细化降雨预报系统，利用41个雨量站和12个水位流量站，结合多维多尺度降雨集成订正、水文预报、洪水演进等专业模型，将洪水预报预见期延长至72h，预报精度达到0.75以上。
创建分级预警体系，通过防洪"四预"应用，分析流域当前防洪形势，针对当前降雨强度及天气预报成果，开展洪水风险分析研判，基于自动预报－调度一体化计算，精准预测各水库入库洪量、洪峰时间及目标水位，针对水雨工情情况开展分级预警，并精准推送到相关责任人。
实现水库防洪科学调度，基于调度规则、目标控制、自定义控制、多目标优化4类调度模型，开展流域水库群联合洪水调度计算，进行河道洪水推演，智能推荐最优调度策略，匹配相应防洪预案，安排风险区居民疏散转移路线。
优化流域调度：充分发挥水库群调蓄能力
黄柏河流域4座水库5座电站有着紧密的水力联系，共同承担着流域防洪、供水、灌溉、生态、发电等综合任务，如何做好梯级水库水电站群联合多目标科学调度，实现工程综合效益最大化，是管理的重难点。通过开发水库群多目标兴利调度应用系统，在保证防洪安全的前提下，围绕供水、生态、发电四大目标，根据长、中、短期来水预测成果，对流域内供水及电网需求，考虑水库、电站、渠道、电网等运行约束，采用发电量最大、供水缺量最小、生态缺量最小的多目标水资源优化调度模型，利用NSGA-II算法及SEABODE方法寻求最终优选方案（集），实现流域不同时间尺度发电、供水计划的编制，耦合实时来水、发电运行统计，实现调度计划的滚动修订，充分发挥水库群调蓄能力，实现工程综合效益最大化。
数字孪生黄柏河一张图
强化智能预警：基于动态监控的工程安全智能分析预警
黄柏河流域4座水库除玄庙观外，其余建成于上世纪60年代末至90年代初，始建年代久远，如何提升工程安全监测预警能力对实现水库现代化管理至关重要。
通过构建水利工程安全动态监控体系，整合已建及新建雨水情、大坝安全、视频监控设备，在人工巡查基础上，结合无人机、视频AI分析等现代化技术，构建全天候、全覆盖的动态监控体系。
打造数据－机理双驱动安全分析模型，运用数理统计分析模型，预测各监测点效应量变化趋势；构建安全监测分析预警模型，拟定全时域安全监控指标；结合有限元仿真分析模型，预演特殊工况下工程整体运行形态；形成工程安全四预应用体系，构建集"工情预测预报" "安全隐患预警" "安全动态预演" "预案处置响应"于一体的工程安全四预应用体系。
同时，采集高精度DOM、DEM、倾斜摄影、水下地形等地理空间类数据，建成了黄柏河流域L2级和工程L3级数据底板，以GIS、BIM、仿真引擎、AR等技术为支撑，融合全景视频、普通视频监控、水雨工监控等数据，构建实时动态、虚实结合、多维联动的实景动态一张图，为管理决策提供直观的人机交互环境。
赋能实战见效：精准预演助力科学调度
随着黄柏河数字孪生平台建设的日趋成熟，在2024年主汛期中经受住了实战检验。7月30日，流域天福庙区域发生强降雨，数字孪生黄柏河流域平台在30日20时发出降雨预报，未来6小时，流域有强降雨过程，其中天福庙库区面雨量将达103mm，预警天福庙水库在31日2时水位将超过汛限水位409m，入库洪水洪峰达700立方米每秒。经紧急会商，对系统生成的多个洪水调度方案进行预演，最终确定天福庙水库在31日1时按500立方米每秒预泄，预计削减下游洪峰200立方米每秒。下游西北口水库入库叠加区间洪水洪峰流量约为1237立方米每秒，水位最高达320m，无须开闸泄洪。根据流域泄洪方案，31日1时准时开启溢洪道1孔闸门泄洪，开度为5m。经事后复盘，天福庙水库入库实际洪峰为693立方米每秒，峰现时间为31日1时40分，本次预报洪峰流量与实际流量接近，峰现时间误差在半小时以内，预报结果与实际过程基本一致。通过精准预测预演与科学调度，水库提前2小时通知下游乡镇做好应急准备与部分区域人员疏散转移，精准确定各闸门启闭时间与开度，最大程度降低下游洪水风险，同时保障了水库安全与后续发电供水效益。
数字孪生黄柏河平台
数字孪生黄柏河系统建设初步实现了流域实时化感知、精细化预报、精准化推演、科学化调度，以及流域内4座水库的现代化矩阵管理，形成了新质生产力，提升了流域及工程综合管理效能，为黄柏河流域的高质量发展奠定了坚实的基础。
黄柏河位于宜昌市西北部，系长江一级支流，在夷陵区黄花镇两河口以上分为东西两支。东支发源于夷陵区樟村坪黑良山，西支发源于夷陵区武郎寨，在两河口以下汇合为干流，于宜昌市葛洲坝三江航道注入长江。流域面积1923.5平方公里，流经远安县、夷陵区和西陵区的9个乡镇，多年平均降水量1150mm，多年平均径流量8.95亿立方米。黄柏河承担着宜昌市200多万人生产生活和100多万亩农田灌溉供水的重任，是宜昌市名副其实的"母亲河"。