我国首个在大型水库满蓄中深度运用的数字孪生工程是如何建成的
作为南水北调中线水源工程运行管理单位，南水北调中线水源有限责任公司近年来扛牢“守好一库碧水”的政治责任，积极推进数字孪生丹江口建设先行先试。
建专班、定制度、出方案……数字孪生建设布局加快构建；搭平台、抓应用、提质效……数字孪生建设任务逐步落实。中线水源公司紧密围绕工程安全、供水安全、水质安全业务需求，开展了“天空地内水”透彻监测感知网、数据底板、孪生平台、智能业务应用、信息化基础设施及网络安全建设，实现了各项业务的“四预”功能。
数字孪生丹江口平台门户
数字孪生丹江口场景
聚焦智慧水利 搭建孪生平台
自2014年南水北调中线工程通水以来，中线水源公司心怀“国之大者”，提前规划布局，积极推进信息化建设，形成覆盖工程安全、供水安全、水质安全和企业经营管理等各业务领域的信息化体系，积累了大量的监测及运行管理数据，为丹江口水库数字孪生建设奠定了良好基础。
围绕推进水利高质量发展目标，聚焦“三个安全”，中线水源公司于2021年年底决策开展数字孪生建设工作；2022年年初，对数字孪生工作进行专项部署，开展数字孪生丹江口工程设计和实施工作。
数字孪生丹江口工程建设集中攻坚
在水利部、长江委的坚强领导和指导下，中线水源公司以数据共建共享模式为依托，调动优势资源力量集智攻关，共同开展数字孪生丹江口工程建设，推进丹江口水库管理向数字化转型。
2023年9月，数字孪生丹江口工程上线试运行。系统充分引入卫星遥感、北斗、AI、5G、测量机器人、物联网、卫星通信等多项新技术，构建了“空天地内水”一体化的精确监测感知体系，丰富了数据底板，研发了多个水利专业模型、智能模型与可视化模型，构建了数字孪生体，实现了大坝、水质、库区、防洪、供水等各个安全的“四预”智能应用，形成了10余项具有自主知识产权的可复制推广的先进技术成果，得到了水利部、长江委等各级领导的高度肯定，经专家组咨询评价，一致认为项目技术成果整体达到国际领先水平。
2023年11月数字孪生丹江口技术成果咨询会现场
运用“智慧大脑” 护航工程安全
2023年10月12日，丹江口水库库区，秋风拂过水面，浪花再次激荡，拍打着右岸170米水位线，标志着丹江口水库时隔两年再次取得汉江秋汛防御与汛后水库满蓄“双胜利”。
在距离丹江口大坝不远处的中线水源公司调度指挥大厅，技术人员正有条不紊地操作着数字孪生丹江口工程系统。轻点鼠标，水库满蓄各项关键数值和实时画面跃然于电脑显示屏上。一分钟内，便能完成一项关于水库170米蓄水大坝安全的数字演算，在风险来临前预判演进过程，提出多种处置方案，指导一线决策，为蓄水安全和工程安全全程保驾护航。
2023年汛期，丹江口水库首次运用数字孪生技术保障库区满蓄高水位条件下的“三个安全”。应用数字孪生丹江口大坝安全建设成果，分析推演蓄水过程中的大坝安全性态，为汉江秋汛防御与汛后蓄水双胜利提供了前瞻性、科学性、安全性决策支持。
重点坝段有限元仿真计算与安全性态分析
与过去大坝安全性态演算需耗时数月进行海量计算相比，现在依靠自主研发的大坝性态仿真模块，不仅有效提升了大坝数字孪生映射的效率，还通过基于监测值局部样本和有限元极限工况仿真的两级预警指标阈值设定方法，有效提升了预警准确性和规范性。
单混凝土坝段多效应量有限元仿真分析
工程安全是水源工程运行管理的工作核心，也是必守的底线。在有序开展人工巡视巡查的基础上，中线水源公司依托安全监测自动化系统，实时关注2392个各类测点，实现了对枢纽建筑物的全覆盖监控，可及时发现并处置安全隐患。过去需要7—10天才能完成一个整周期的大坝安全监测，现在可在两个小时完成观测并自动生成成果报告，紧急情况下重点监测断面可在五分钟内完成一次应急监测。
得益于数字孪生丹江口工程，工作人员只需输入相应边界数值，系统便能快速推演地质灾害演进过程。同时，地质灾害是否发生、何时发生、如何发生以及对周围建筑、道路有何影响等问题都能通过平台得到预判解答。
170米蓄水期间陈家咀滑坡稳定性分析及有限元仿真推演
安上“千里眼” 守护库区水质
作为我国首个在大型水库满蓄中深度运用的数字孪生工程，数字孪生丹江口工程不仅在确保工程安全方面展现强大功能，也在确保供水安全、水质安全等方面发挥着重要作用。
通过分布在库区的11个水质自动监测站、32个人工监测断面以及移动监测车、监测船等监测感知体系，实现对库区水质的全天候监控，并可通过系统实时掌握水质健康状态。
同时，根据丹江口水库复杂的流场特点，数字孪生丹江口工程系统构建了库区三维水动力水质模型，每天零点和十二点自动推演涉及库区1052平方公里的氮、磷等浓度场，以便供水管理部门人员实时掌握库区水质安全态势。
数字孪生丹江口工程建设时刻把“四预”功能的发挥作为检验数字孪生建设成果的主要标准。
在推演突发水污染事件时，只需随机输入丹江口库区某入库支流站点污染物浓度数值，系统即可通过水质输移扩散模型，快速推演出该污染物未来7天输移扩散路径等重要结论，及时发出预警并提供指导性预案。
假设发生翻车事故油污扩散轨迹模拟
在库区水土保持方面，公司运用数字孪生系统模块，针对库区及上游9.52万平方公里开展了水土流失、侵蚀产沙和土壤总氮总磷流失的监测。2023年秋汛期间，库区水土保持模块就9月以来上游降雨产生的水土流失及总磷总氮贡献进行推演，为库区水土保持和水污染防治提供重要决策支撑。
同时，数字孪生丹江口工程水质安全功能融合了监测感知、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，构建水质安全“四预”功能体系，实现丹江口水库水质监测分析、在线推演、态势预演和预案管理等功能。
据介绍，相较于国内其他数字孪生水利技术，技术团队在构建有限元结构仿真分析模型、水质三维仿真模型、水质污染输移扩散模型及滑坡仿真预演模型等方面走在了全国前列，攻克了行业难点。攻关形成的技术成果有2项技术入选水利重点推广指导目录，3项业务应用入选水利典型案例名录，已申报7项专利，多项关键技术已在多个水利工程和流域智慧化建设中推广应用，应用成效显著。系统在汉江秋汛、丹江口水库170米蓄水以及突发水污染事件中实战应用，充分发挥“四预”功能，实现了大坝性态、库岸稳定、水质状况同步在线跟踪与动态推演，精度高、速度快、拟合度好，实现了数字化、网络化与智能化。数字孪生丹江口建设所形成的技术成果、工作模式和管理模式等多个方面具备先进性、引领性与可复制性，能够发挥示范引领作用，具有显著的推广价值。
下一阶段，中线水源公司将持续推进数字孪生丹江口工程迭代升级，强化管理、技术和业务统筹力度，让治水变“智”水，推动智慧水利事业高质量发展。
