范光伟，王高丹，杨跃，田茂春

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，510611，广州）

2021年，珠江流域降雨持续偏少，主要江河来水偏少3~7成，尤其是东江、韩江已达到1956年以来最枯。珠江河口咸潮比往年来得更早，西江干流水道广昌泵站、联石湾水闸出咸时间较同期提前2-3个月，澳门、珠海等大湾区城市受到咸潮影响，珠江流域抗旱保供水形势严峻。为提升粤港澳大湾区水安全保障能力，更好地支撑流域枯季水量调度，强化流域治理管理，推进数字孪生流域建设，珠江水利委员会珠江水利科学研究院系统梳理了珠江流域抗旱抑咸需求，聚焦强化抗旱“四预”机制，研发建设了珠江抗旱抑咸“四预”系统。

一、珠江抗旱抑咸“四预”系统架构

围绕数字孪生流域建设要求，结合珠江委信息化基础，紧扣抗旱抑咸业务在预报、预警、预演、预案各环节中的算据、算法、算力需求，充分融合物联网、云计算、人工智能、数字孪生等技术，提出“一张数据底板、双库智慧引擎、‘四预’业务模拟分析、流域区域协同”的系统总体架构（图1）。

图1 珠江抗旱抑咸“四预”系统总体架构图

①算力。集成利用已有水利信息基础设施，构建旱情、咸情信息获取、传输、存储、运算和系统稳定运行的安全环境。根据数据处理、模型计算的需求，在现有资源基础上扩展计算资源和存储资源，升级通信网络，建设应急通讯保障体系，提升达到高效、快速、安全、可靠的算力水平。

②算据。汇聚水雨情及咸情感知数据、流域地表三维数据、重点城市供水需求等数据，基于珠江流域一张图构建抗旱专题的流域数据底板，构建珠江流域主要江河及其影响区域预报预警的算据基础。

③算法。基于模型服务平台进行抗旱抑咸水利模型、供水分析智能模型、预演可视化模型的标准化集成和统一管理，建设水库联合调度方案、历史场景、专家经验的水利知识库，为数字孪生流域抗旱业务专题模拟建设高效、精细、准确的算法支撑。

整合流域水资源总量、咸情态势、重点城市取用水量以及经济社会信息等数据，构建枯季水量调度的数字化场景，对供水、蓄水、调度进行在线监测和及时预警，动态展示不同方案的目标节点流量和压制咸潮效果，结合历史预案和抗旱知识库生成调度指令，为科学精细实施珠江枯水期水量调度提供指挥决策依据。

二、系统功能及特点

1.系统功能

①预报。在现有的珠江流域水情信息共享平台和日常洪水预报业务作业流程的基础上，利用水文、气象、计算机技术等多个专业学科建设洪水预报预警系统，提高洪水预报作业效率，实现预报预警业务。

②预警。结合旱情监测指标、目标断面流量、“第一道防线”本地水库蓄水与取水情况，对比分析研判当前供水形势，为区域调度预演、调度决策提供业务支撑。

③预演。“第二、三道防线”水库为下游各取水口的取水提供条件保障，分析取水概率、取水量确保供水水量满足实际生活与生产需要；通过多种调度组合方案分析，预演各方案调度过程和调度效果，形成推荐的调度方案，经抗旱会商集体决策后，可作为当前水量调度的执行方案。

④预案。自动按照优化方案生成调度预案，形成水库调令并进入公文流转流程。将执行的调度方案及其相关的水雨情、会商记录等过程资料存档，形成本次会商过程历史资料库，为未来的调度决策提供丰富算据参考。

2.主要特点

①全面国产化。按照水利部“守住安全底线”要求，系统中间件、平台架构、数据库、水利模型、三维可视化平台等充分考虑国产化环境适配需求设计开发，适应国家信息化发展需要，进行自主安全可控的数字孪生流域试点。

②标准化可扩展。采用大系统设计、分系统建设、模块化链接，具备良好的扩展性，可快速迭代集成其他系统，在标准统一的总体框架下，互联互通数据资源，兼容各类模型模块，分系统逐步建设横向协同、纵向贯通、全面覆盖各项水利业务领域的“2+N”业务应用系统。

③流域区域协同。系统充分发挥流域抗旱调度服务于国家发展战略需求作用，考虑流域经济和水利发展不平衡、水资源分布不均衡等特点，统筹珠江流域、粤港澳大湾区、各省市的不同调度需求，坚持节水优先、空间均衡，构建了珠江流域水资源科学合理调度管理体系，促进粤港澳大湾区供水安全保障及流域经济社会高质量发展。

④促进治水工作创新。系统通过滚动优化调度方案，科学调度流域骨干水库支撑流域抗旱保供水会商决策，进一步完善了珠江流域枯季水量调度预报预警、方案预案、协同联动的工作体系，促进流域抗旱保供水工作业务流程优化、机制体制创新，对形成流域上下联动、同频共振的管理格局具有积极影响。

三、系统关键技术

1.多模型标准化管理的模型服务平台

针对以往业务系统独立建设，水利专业模型与系统深度绑定，难以替换、不能复用、管理维护困难等问题，研发了集模型库、模型管理、服务发布、共享调用等功能于一体的模型服务平台，利于整合共享水利模型资源，充分发挥“智慧使能”功效。

模型服务平台对各模型调用流程以及数据格式进行研究分析，设计满足各模型输入、计算、输出的接口规范，实现模型的统一标准化集成，解决水力模型构建和计算输入输出数据多源异构问题；对模型接口进行Web服务封装及发布，实现快捷、方便的模型共享调用，解决业务系统烟囱式开发造成的模型重复集成、难以共享使用等问题。基于平台统一注册、调用模型，可对模型的初始化、启动计算、输出结果等服务进行查询、调用及调试，通过向应用系统发放AccessKey，保障模型调用请求来源的合法性、安全性；通过统一标准的模型接口和图形可视化方式，实现多模型灵活组合、替换，从而构建新的流域预报调度一体化模型。可通过平台进行模型版本迭代、服务运行监控、计算资源调配、模型性能评估等运行维护管理，为各类专业模型的高速运算、持续优化提供保障。

2.数字孪生流域三维仿真可视化技术

根据数字孪生流域建设要求，基于无插件开源三维引擎，研发了具有自主知识产权的水利三维仿真可视化平台SV3DEngine。以流域一张图为数据支撑，对流域水系、河湖、水库以及地形等进行三维可视化渲染，建立了珠江全流域数字化场景；利用WebGL、LOD技术实现了多维多尺度信息模型数据的大规模加载与渲染，对流域已有的重点防洪城镇倾斜摄影模型、重点水利工程人工建模等数据进行了集成与可视化，同时对BIM、CIM、三维点云等数据进行支持；通过引擎驱动，以GPU Shader技术作为三维特效渲染手段，将监测数据、水文、水动力、调度模型等业务数据进行仿真可视化，实现了对洪水淹没模拟、抗旱调度等四预场景的直观逼真表达，为流域水旱灾害防御调度会商提供预演、预案技术支撑。

四、系统应用成效

系统于2021年12月投入珠江流域枯季水量调度会商支撑，大大提高了监测预警和水量调度的精准性。通过精细调度，西江梧州站平均流量达到2 930 m3/s，大于2 100 m3/s的压咸流量；珠海主要取水口平岗、竹洲头泵站取淡概率提高至73%、89%，中山主要取水口全禄、大丰、稔益水厂取 淡 概 率 提 高 至96.3%、99.3%、99.8%，为珠海、中山等地抢淡蓄水创造了良好时机。

当前，西江流域抗旱保供水“三道防线”成效显著。“第一道防线”珠海现地水库已基本蓄满，在不考虑河道取淡情况下，现有水库蓄水可保障澳门和珠海30多天用水安全；“第二道防线”大藤峡水利枢纽目前保持高水位运行，已做好向下游实施应急调度、压制珠江河口咸潮的准备；“第三道防线”由天生桥一级、光照、龙滩、百色4座水库构成，有效蓄水量134.5亿m3，有效蓄水率提高至62%，为关键期补水调度提供了有力保障。

珠江流域抗旱抑咸“四预”系统提升了珠江流域水资源多目标调度决策水平，也是推动数字孪生流域谋划构建、先行先试的重要一步。面对2021年冬季与2022年春季珠江流域降雨偏少可能性较大、流域旱情仍呈持续纵深发展的严峻形势，系统研发团队将按照水利部“要加强降雨、来水、蓄水、咸潮等监测预报预警，强化信息共享和分析研判”要求，进一步完善系统，为珠江水利高质量发展提供更加强有力的支撑。