林莉：数字孪生丹江口水质安全建设挑战与举措
南水北调工程是我国重大战略性基础设施。习近平总书记在视察南水北调工程时指出，南水北调工程事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉，要从守护生命线的政治高度，切实维护南水北调工程安全、供水安全、水质安全。作为南水北调中线工程水源地、国家一级水源保护区，丹江口水库水质安全保障尤为重要。
丹江口水库水域面积广、深度大，污染来源分散且类型多，水库水质保护治理是一项复杂的系统工程，管理难度极大。基于新一代信息技术构建数字孪生丹江口工程，通过基础感知、智能分析能力建设，提升丹江口水库管理水平，有效提高水源地水质安全保障能力，对于推动国家智慧水网建设、缓解水资源供需矛盾、保障“一泓清水永续北送”具有重要意义。
根据水利部推进数字孪生流域建设总体部署，丹江口水利枢纽被列为水利部《“十四五”智慧水利建设规划》确定的12个数字孪生先行先试重点建设水利工程之一。作为国内首个以水利工程水质安全为业务需求的数字孪生水利工程，开展数字孪生丹江口水质安全建设可为流域和其他水源水库水质安全数字孪生建设提供经验，发挥试点项目的引领示范作用。
1、丹江口水库水质监测管理存在短板
水质监测感知能力有待提升
丹江口库区水质监测站网于2017年建成，由水库管理单位南水北调中线水源有限责任公司负责运行维护。监测任务包括：对陶岔渠首每日开展定点监测，对丹江口库区以及入库河流32个人工断面的每月常规24项监测，对16个库中断面的每月补充5项、透明度及叶绿素a监测，对9个断面的底质监测，对18个断面的每季度水生生物监测，对5个断面的生物残毒监测，对4个断面的2次109项监测，以及7个自动站的每日自动监测。已有监测站网仍存在不足：一是水质监测网络体系需要优化完善，现有点位数量、监测指标和频次有限，缺乏对主要入库河流水质的自动在线监测；二是缺乏对主要入库河流的水文水质同步监测，目前只有汉江、丹江、堵河、老灌河4条入库河流设有水文站，其他河流尚未设置水文站，难以准确核算入库污染负荷；三是数据公开共享协作机制不够成熟，未能实现与其他部门监测数据的有效共享；四是水质垂向分层监测不足，难以全面准确掌握大水深水库的水质垂向分层分布特点，亟须建立常态化垂向水质监测制度。
水质趋势预测和污染预警研判不足
丹江口水库已初步建设了管理平台，具备水环境分析评价等基础模型，但缺少水质演变机理模型，无法有效预测推演未来水质变化趋势，难以满足水质安全预报、预警、预演、预案的“四预”需要。大数据、机理模型、智能算法等新技术在库区应用不够，水质预警能力不足，如遇各类水污染事件及季节性水质问题，无法及时获取相关信息并预测预警，智能模型研发和应用水平有待提升。
水质安全智慧化管理能力不足
目前丹江口水库信息化管理建设尚未实现水库外在（地理空间环境、几何结构、属性要素等）和内在（状态、相态、时态、关系、机理等）的数字化映射，距离实现预报、预警、预演、预案的“四预”功能还有一定差距。目前丹江口水质管理智能化还处于起步阶段，初步具备水质监测数据录入和基础情势分析的功能，但缺乏对突发水污染的预演及应对决策功能，当突发污染事件发生时无法精准模拟预演污染物时空变化过程并提前制定处置预案。
2、面临挑战与机遇
汉江生态经济带国家战略对数字孪生丹江口水质安全提出新挑战
汉江生态经济带作为国家战略水资源保障区，对于长江流域乃至全国的经济社会发展具有重要意义。丹江口水库是汉江流域的控制性工程，其水库水质安全是汉江生态经济带发展的重要保障。数字孪生丹江口水质安全建设，将与数字孪生汉江流域统筹规划、协同开发，共同建设成为汉江流域整体水质安全高质量管理保障体系，增强汉江生态经济带水质风险抵抗能力，为汉江生态经济带高质量发展提供重要支撑。
南水北调后续工程高质量发展对数字孪生丹江口水质安全提出新挑战
为推进南水北调后续工程高质量发展，充分发挥南水北调工程优化水资源配置、保障群众饮水安全、复苏河湖生态环境、畅通南北经济循环的生命线作用，亟须提升南水北调中线水源水质保护的数字化、网络化、智能化水平，建立具备水质监测感知、趋势预测、污染预警、态势预演和应急预案等完备功能的数字孪生丹江口工程，实现南水北调中线水源区水质安全的高质量管理和现代化治理。
水利高质量发展对数字孪生丹江口水质安全提出高要求
国家“十四五”规划纲要明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。水利部统筹发展和安全，指出智慧水利是水利高质量发展的显著标志，要把推进智慧水利建设作为重要抓手和平台，推动水利数字化、网络化、智能化。数字孪生丹江口水质安全建设要按照“需求牵引、应用至上”原则，契合水利行业的应用场景及业务需求。一是要支撑水库不同调度方案下的水质目标、水质安全评估与水质风险影响对比，实现水量水质联合调度；二是要支撑典型洪水情景下营养物质与典型污染物的时空演进推演，耦合洪峰、洪量等水文水动力过程，实现水质安全反馈机制，提高洪水等不利情景下水质预案管理水平；三是通过数字孪生丹江口工程建设与全国数字孪生水网建设，动态掌握水资源利用、生态环境、工程运行管理等信息，加强信息共享和业务协同，为流域统一管理提供技术支持。
现代信息技术发展为数字孪生丹江口水质安全提供新机遇
当前信息技术日新月异，需要充分发挥新一代信息技术的支撑驱动作用，开展新一代信息技术与数字孪生丹江口工程水质安全的融合应用。一是要充分运用无人机、倾斜摄影、遥感、物联网等现代监测技术，创建现代化、智能化、自动化的空—天—地—水监测感知体系，全面感知库区各类水质安全要素，建立重点河段、库区消落带、库内重点断面的数据底板，为数字孪生建设提供充分算据；二是要深入研究流域自然规律，根据数字孪生的要求进行需求调研，优化完善水质评价模型、水质推演机理模型、突发水污染推演模型等专业模型，全方面、智能化地优化数字孪生丹江口工程水质安全模型库，为数字孪生水质安全提供高性能专业算法支撑；三是要基于全国数字孪生流域建设数据底板标准与数据服务要求，构建适用于数字孪生丹江口工程、满足国家数字孪生流域需求的高效、安全、可靠的算力体系。
3、建设思路与任务
指导思想
按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总体要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，开展数字孪生丹江口水质安全高质量建设。
建设目标
针对丹江口水质实时掌控、趋势研判和预警、突发污染应对的管理需求，数字孪生丹江口水质安全建设以完善优化数据底板、模型平台及信息基础设施能力为基础，以研发高精度水动力水质机理模型为核心，打造具有水质在线推演预报、预警分析、安全态势预演、预案比选决策“四预”功能的智能体系，提升科学化、高效化水质安全决策与管理能力，精准服务于中线水源供水水质保障智能管理，提升流域机构水行政管理能力，强力支撑南水北调后续工程高质量发展。
建设原则
总体规划，分步实施
在全面分析评估丹江口水质安全信息化现状基础上进行总体谋划，合理设计总体架构，科学确定目标任务，明确实施路线，按照“整合已建、统筹在建、规范新建、急用先行”思路，科学规划建设内容布局，有序推进建设实施。
需求导向，应用至上
以水质安全业务应用需求为导向，深入调研流域管理机构、水库运管部门等对水质安全的业务管理需求，在此基础上开展功能设计和各模块开发，确保数字孪生丹江口水质安全建设成果得到实际应用。
统筹集约，共建共享
数字孪生丹江口水质安全工程建设统筹存量资源和增量需求，充分整合利用现有内外部信息基础设施和数据资源，初期与现有系统同步运行，后期将其逐步替代。与数字孪生汉江流域设置统一技术标准的架构、接口规范，后期实现流域与水利工程数字孪生的有效集成和共建共享。
建设任务
数字孪生丹江口水质安全融合了监测感知、机理模型、三维仿真等技术，通过多源异构数据、模型集成与多业务融合，建设水质安全模型库、知识库，实现丹江口水库水质监测分析、在线推演、预警分析、态势预演、预案管理等功能。
▲数字孪生丹江口水质安全系统框架
水质安全数据底板
水质安全数据底板汇集丹江口中线水源工程基础数据、地理空间数据（含三维可视化场景）、监测数据、业务管理数据、外部共享数据等，为水质安全业务管理提供数据支撑。通过将现有水质监测数据（包括丹江口水库水质监测站网监测数据以及生态环境部共享的部分国控站监测数据）、水文监测数据（包括汉江等4条主要入库支流水文站水文监测数据、12条无水文站支流入库流量的每月人工监测数据、大坝下泄流量、中线工程调水量、清泉沟引水量、水库水位等）收集整编入库，建设水质安全数据资源中心，实现水质安全数据采集、存储和管理。
水质安全专业分析模型库与知识库
水质安全专业分析模型库包括水环境评价模型、河库水动力水质模型、水质浓度场三维可视化模型等。其中河库水动力水质模型包括水库三维水动力水质模型、河流一维水动力水质模型、突发水污染事故模拟模型等。水质安全知识库主要包括水质预警规则库、水质预演历史场景库、水质预案知识库。通过模型库和知识库的建设，为数字孪生丹江口提供算法支撑，实现数据—计算—业务多层级深度融合。
水质安全业务应用
水质安全业务应用包括水质监测分析和水质“四预”（在线推演、预警分析、态势预演、预案管理）业务，业务管理流程见下图。
▲水质安全业务管理流程图
①监测分析：包括陶岔渠首、库区及入库支流水质监测与统计分析、库区（湾）综合营养评价、入库污染核算等功能。通过集成实时或最新监测信息，结合水环境评价模型，实现常规污染物（总氮、总磷、高锰酸盐指数、氨氮等）、藻类、重金属等监测数据的展示与分析，提供陶岔渠首、库区及主要入库支流水质监测数据统计分析、水质类别实时分析、藻类综合营养评价、入库污染负荷核算和可视化展示，并支持水质监测站管理、监测数据交互、安全预警信息提醒等。
②在线推演：包括库区水质在线推演预测、水质浓度场三维可视化展示以及水质等级分析、垂向跨类分析等智能深度分析功能。通过动态获取坝前水位和16条入库河流的实时流量、水质监测数据，自动调用水动力水质数学模型，开展库区水质在线快速计算，展示库区水体主要水质指标浓度场演进过程，实现水质浓度分布分析、水质类别分析、跨类分析和水质预测。
③预警分析：包括监测告警、预测预警和预警发布等功能。监测告警为根据库区及支流监测断面数据，结合水质预警规则库设置的预警等级与阈值，实现对水质现状的分析展示和超标预警，自动筛选不达标的水质断面和超标指标。预测预警为根据水质在线推演结果，结合预警等级与阈值，对库区及入库河流模拟结果中可能发生的水质污染超标风险进行预测预警。预警发布为根据监测告警及预测预警结果，自动生成预警内容，根据确定的权限和程序进行预警信息发布。
④态势预演：包括历史复演、自定义情景预演、突发水污染预演三大功能。历史复演为通过选定的历史时段自动调取数据库中的监测数据，模拟复现河库水系统对应历史情景下水动力变化与水质指标迁移演变过程，实现典型历史事件下水库水质历史演变客观规律的分析展示。自定义情景预演为通过自由化的情景设置选择不同边界条件输入模型，实现对多情景下各监测站点常规污染物浓度及其在水库、河流中的迁移演变过程的预演；通过接入预测水文信息，实现汛期洪水来临时的水质指标模拟。突发水污染预演为通过调用模型，开展突发水污染事件应急快速模拟，模拟污染团的输移扩散过程，并实现扩散过程的仿真预演，掌握突发污染的影响范围和程度。
⑤预案管理：包括应急加密监测、应急处置评估等功能。应急加密监测主要针对水库污染风险和突发污染事件，基于预置监测点，结合水质预案知识库中加密频次规则，根据态势预演成果自动生成加密监测方案，通过模型与应急监测数据迭代计算，实现方案动态优化。应急处置评估主要针对突发污染事件，设置相关处置方案（如筑坝拦截、投放絮凝剂、应急调度等），并进行处置效果的评估和对比，提出处置方案建议。
5、建设特色与亮点
耦合水文预报和三维水动力水质机理模型，实现水库水质在线动态预测预警与三维仿真展示
研发高效高精度水动力水质机理模型、水质在线动态推演技术、水质浓度场三维仿真技术，通过接入实时监测数据自动开展水质在线演算，立体展示入库污染三维演进过程，可随时了解上游实时来水后水库全域水质状况和变化趋势，支持接入洪水预报成果，实现库区关键水质指标浓度场三维动态模拟及滚动预测预警，并将陶岔渠首水质风险发送至数字孪生流域供水模块，支撑流域水资源调度和供水计划调整。
▲丹江口水库总磷浓度场三维立体仿真展示
实现突发性水污染风险模拟评估及应对预演
通过调用模型，实现库区和入库支流任意位置不同污染类型（如氮磷等常规污染物、重金属等可溶于水污染物、油污等不溶于水污染物）、不同排放方式（如瞬时排放、连续排放）的突发污染场景快速构建及模拟，并自动生成应急加密监测方案，以及评估诸如筑坝拦截、投放絮凝剂、应急调度等处置方案的实施效果，同时将陶岔渠首水质风险发送至数字孪生流域供水模块，支撑供水计划调整，保障应急供水安全。
▲数字孪生丹江口工程水质污染风险信息推送及应急加密监测方案
6、结语
水质安全“四预”建设是数字孪生丹江口工程的重点建设任务之一，是丹江口水质管理保护的重要技术支撑。基于数字孪生丹江口水质安全建设及运行管理需求和具体实践，总结了数字孪生丹江口水质安全建设目标、建设原则、建设任务与特色亮点，可为后续流域和其他水源水库水质安全数字孪生建设实施提供经验借鉴。
