模型驅動下的閩江治水

數字孿生技術讓福建水口水電站的防洪更加科學。

在水口水電站自動巡檢的智慧機器人

水口水庫的數字孿生水庫調度系統

正在建設中的數字孿生閩江口區域水網

水口大壩數字孿生系統的倣真巡檢模組

水口集團公司數字集控中心

閩江流域“智慧能源大腦”的水電站智慧巡檢平臺、機器人智慧巡檢集控平臺

核心提示

　　每年夏季都是水旱災害防禦形勢嚴峻之時，如何守護江河安瀾，如何科學調度水資源？

　　數字孿生技術正成為現代水利治理的新工具，將治水能力從經驗依賴升級為智慧驅動。它可精準預測洪峰演進路徑，為科學防洪、泄洪提供決策依據，用數字為江河安瀾打造“銅墻鐵壁”。它向著水資源精細化調配延伸，“精打細算”用好每滴水，助力區域用水均衡與可持續發展。

　　閩江，福建人民的母親河。為了解閩江“智”水滔滔背後的秘密，在夏季即將來臨之際，記者走訪了相關單位。

AI賦能，安瀾有“數”

　　閩江幹流中段，“華東第一壩”——水口大壩橫扼閩江。

　　在距離水口大壩60多公里遠的福建水口發電集團有限公司（以下簡稱“水口集團”）大樓的22層，閩江正以數字孿生形式呈現在大螢幕上。

　　水口集團信通中心通信班班長方巍打開閩江流域“智慧能源大腦”，水口水庫及集團所轄街面、水東、雍口等主要水庫的雨量、日流量、庫容、水量利用率等重要指標參數躍然屏上。將頁面切換到水電站智慧巡檢平臺、機器人智慧巡檢集控平臺，水口電站大壩、水輪機的運作狀態，以及水庫的實時水位、發電負荷、水情預報等也都實時可見。

　　經過兩年謀劃建設，“數字閩江”已經初見雛形。

　　“洪水預報是‘數字閩江’最重要的功能之一，今年我們的AI洪水預報模型將會經受颱風季汛期的考驗。”方巍介紹説。

　　“福建防汛看閩江，閩江防汛看水口。”閩江流量大、流速快，多年平均年徑流量達到584億立方米，極端天氣條件時有較高的洪水風險。水口大壩的壩址以上流域面積有52438平方公里，控制了閩江流域86%的集水面積，總庫容26億立方米，被形容為福州人民頭上“一盆水”。

　　“閩江流域地理環境複雜，洪水預報比較困難。”水庫調度班副班長潘辛梅介紹説，水電站水位變動非一時一事，受區間降雨、上游週期來水及發電負荷波動等多重因素影響。

　　以往，水庫的水位控制、負荷調節大多依靠人工經驗與傳統演算法。“但單純依賴經驗判斷存在局限，容易造成棄水風險，也可能給水電站的安全運作帶來風險。”方巍説，將傳統水文學與AI技術結合，AI洪水預報模型實現了混合深度學習，為電站安全科學運作再加上一道“安全網”。

　　在閩江上游4.2萬平方公里的監測區域，系統部署了117個落地雨量監測站點及大量智慧監測終端。包括上游斷面實測入流、下游斷面實測出流等一系列數據的水位、雨量等水文氣象信息，不間斷匯聚到後臺，加上氣象網格數據、徑流預報數據，形成閩江水情預報“流域一張圖”，可預測未來24小時直至10天的徑流量。

　　在實時數據之外，模型深度挖掘近30年的閩江流域氣象和水文監測數據，總結相關規律，實現對閩江流域水位、流量、面雨量等水情要素的多維度、深層次分析。

　　方巍介紹説，目前“數字閩江”運作著5個模型，其中新安江模型、DDRM模型為傳統水文學模型，LSTM模型、時空異構模型和AI混合預報模型為人工智慧模型。“在強大的數據分析和處理能力支撐下，目前對未來9至24小時洪峰的預報精度達90%以上，達到甲級標準，可助力防洪調度智慧化預警和快速響應。”

　　同時，“數字閩江”還能在閩江三維模型上進行防汛發電智慧調度方案預演，完整展現水庫調度預騰庫、泄洪、攔洪尾的整個過程。“在不斷倣真預演中，系統可以快速確定最優方案，實現流域洪水調度虛擬模擬先行、決策調度在後，並提前預警潛在風險，實現流域防洪精準調度和水能利用率提升雙翼齊飛。”方巍説。

　　讓水位預測“先知先覺”，就能變“被動響應”為“主動防禦”。去年汛期，水口水電站經受住洪峰考驗，先後對6個流量超過1萬立方米/秒的洪峰進行攔洪削峰，減輕了下游的防汛壓力。其中，2024年6月16日14時，最大入庫洪峰流量為21300立方米每秒，經科學調度，洪峰安全通過水口水電站。

“智”禦樞紐，“綠電”滿格

　　在閩江的閩清縣段，高101米、長783米的水口大壩屹立江中，水口水電站是閩江防洪調度和水資源利用的重要樞紐。

　　記者走進水電站的水輪機層，7台發電機組轟隆作響，一台小巧精緻的白色機器人緩慢前行，走到一處固定方位停下，“搖頭晃腦”後繼續前進，到達下一個地點重復上述動作。這是水口水電站智慧巡檢機器人的應用場景之一。

　　“由控制後臺向巡檢機器人下發命令，巡檢機器人接收到任務後，立即開展巡檢，並實時向控制後臺回傳巡檢畫面和數據，分析設備運作狀態，對設備異常情況進行預警。”水口水電站發電處主任劉斌介紹，平時按照設定路線每天巡檢一次。

　　巡檢是保障電站機電設備安全運作的重要措施。“以往用人工巡檢，有4條線路，8小時需要完成線路檢查，讀取儀錶數據，檢查水、油、氣等是否泄漏等多個任務，可能存在人為誤差。”方巍説，“我們探索一種新型巡檢方式，通過視覺識別、紅外測溫等技術，讓機器逐步代替人工，全面提升巡檢質效。”

　　目前水口集團部署了1600多路工業視頻探頭，還有3台機器人在水輪機層進行巡檢，實現發電、水工等專業巡檢的機器替代。

　　在水口電站主廠房、大壩等核心區域，巡檢點位超過3000個，巡檢覆蓋率達60%以上，確保關鍵區域的全面監控。通過深度定制開發，他們研發了模擬表計讀數識別、數顯、指示燈、漏油漏水等6類水電設備巡檢模型。

　　“不僅演算法識別精度均達到85%以上，單次巡檢由人工巡視的2小時縮短為5分鐘，極大提升了設備巡檢的精確度與及時性。”方巍説道。

　　在水口電站右岸側的大壩監控中心，水口水電站水工處觀測班班長黃鑫只需要打開大壩數字孿生系統，就可以對大壩安全做到全方位的“一屏監控、多元感知”。

　　在螢幕上，一座幾乎原樣“復刻”的大壩躍然屏上。“從上游1公里至下游1公里，通過毫米級精度的鐳射點雲測繪、外部傾斜攝影等，構建了高精度的三維倣真模型。作為數字孿生系統的基底，為後續智慧監測提供空間數據支撐。”黃鑫邊展示邊介紹。

　　該系統配置有貫通大壩的700余個監測儀器，並支援連接水下機器人、無人機、四足機器人等智慧設備，在大壩的數字三維底座上，構建起了一道數字化、智慧化安全屏障。

　　大壩周邊，大壩三維模型融合水下地形測量數據，直觀地展現了上下游水下地形情況。“畫面中紅色色塊就是大壩下游的沖刷區域。”黃鑫表示，這是大壩定檢的關注重點，系統整合了沖刷區域最低點高程、多年橫縱斷面線，通過熱力圖可以直觀呈現，輔助運維人員快速發現水下地形的變化。

　　在倣真巡檢模組，大壩廊道的三維模型十分逼真。工作人員輕點滑鼠，便可通過漫遊形式快速熟悉廊道情況，並支撐與智慧設備聯動，實現遠端智慧化巡檢。

　　大壩本體的安全至關重要，必須實時監測著壩體變形、接縫、滲水等重要參數變化。“我們在系統設置信息點，錄入日常檢查中發現的主要裂縫、漏水等信息。”黃鑫説，不僅運維人員可以快速查看裂縫長寬深走向以及圖像信息，還能與歷史檢查情況對比，快速掌握裂縫的變化趨勢。

　　成千上萬個測點的監測值、通道信息、基礎臺賬等都匯集到內外觀測點模組，並完成設備建模。黃鑫説：“相當於在系統中就可以按元器件級進行設備拆解展示，不論是設備運維檢修還是新晉員工培訓等工作，就變得更加快捷智慧。”

　　在多種科技加持下，水口水電站的7台水輪發電機組穩發穩供，至今已累計為福建電網輸送近1700億千瓦時的清潔能源，以“滿格綠電”為福建經濟社會高品質發展注入不竭動力。

演算法支撐，“雲端”調水

　　不僅要保障水安全，還要用好珍貴的水資源。

　　在福建省水利廳，記者看到了即將出爐的“數字孿生閩江口區域水網”，正是這套模型為水資源的科學調度築牢基礎。

　　系統中，閩江口區域水網南部區域——閩江流域和龍江流域逼真地呈現在螢幕上。區域水資源、重要斷面日均流量、旱情預測、重要節點水質、沿岸取用水情況等信息，以及區域內的重要工程——平潭及閩江口水資源配置（一閘三線）、福清閩江調水工程、東張水庫、東張灌區等的蓄水分析、工程安全監測、實時視頻等數據，全部呈現在螢幕中。

　　“2023年底，閩江口數字孿生水網入選水利部全國數字孿生水網先行先試項目，一期工程預計今年底就能完成建設投用。”福建省水利廳辦公室王秀亮告訴記者，項目涉及福州、莆田、平潭沿海的16個縣（市、區）。

　　閩江口區域水網，是我省三大區域網之一，是閩江口城市群的重要水源調配通道。“這片區域水資源豐富，建設該區域水網，目的是利用閩江幹流及大樟溪的水資源，實現跨地區、跨流域水資源配置，從而提升水資源對閩江口區域經濟的支撐能力，保障平潭、福清、長樂、閩侯、倉山的供水安全。”王秀亮説，通過數字映射、智慧模擬、前瞻預演等技術打造的數字孿生水網，不僅能全方位掌握影響區域水資源的各類因素，對水利工程運作實時監測，更能精細化決策調度，讓每一滴水發揮更大價值。

　　打開決策調度模組，區域內的所有水庫、水閘、水廠、渠道、泵站等，根據相互間的關係被投射在底圖中，不同的顏色反映著它們的水量安全程度。

　　將滑鼠移動到各節點，水庫的蓄水實測和預報概況、供水結構、庫容曲線、泄流曲線等信息，水廠的逐旬供水情況，灌區的逐旬用水情況，泵站的取水流量過程……都實時呈現。

　　決策調度，包含日常調度、防洪調度和應急調度等功能。“日常調度是根據上下游水庫的容量關係，按照調度方案進行，是傳統工作的‘智慧版’；防洪方面，已經建設的‘數字孿生防汛’系統在去年汛期投入使用併發揮了良好作用。”王秀亮強調了數字孿生閩江口區域水網的應急調度功能。

　　他舉例説明：假設代表長樂東區水廠的小球顏色變紅，發出枯水警報。系統自動生成精準的月調度、旬調度方案——從大樟溪莒口泵站、閩江竹岐泵站加大送水量，綜合考慮三溪口水庫蓄量、閩江和大樟溪預報來水量、長樂各水廠用水預測、三溪口水庫灌區用水預測等相互關係，提出大樟溪莒口泵站加大送水量、閩江竹岐泵站加大送水量、適當降低灌溉用水量等多套調度方案；並推薦三溪口灌區破壞深度30%（缺水量佔需水量的30%）結合莒口泵站和竹岐泵站滿負荷送水、水口水庫加大下泄、三溪口水庫減供備用的調度方案。“不僅讓未來一旬的東區水廠‘喝飽水’，也不過度調水、浪費水資源，同時保證周邊遠航水廠、三溪口灌區等安全用水。”

　　“配水調度一直是水利上的一個難題。閩江口區域水網涉及工程要素類型很全面，包括跨流域引調水工程、大型調蓄工程、大型灌區幹渠、閘泵站工程等，需要多因素綜合考慮。除了枯水期，還有突發水污染或供水工程事故時，都需要迅速、科學決策。”他説，有了基於演算法支撐的水資源模型，某地是否需要水、需要多少水，可以通過需水預測模型進行科學計算，結合配水調度、水動力倣真等模型的使用，模擬預演供水過程，生成最優配水調度方案。

　　據介紹，隨著引調水工程的建設及數字孿生技術的成熟應用，數字孿生水網的覆蓋範圍還將逐步擴展至閩江口城市群提質增效水資源配置工程（“一庫三線”）及其他關鍵水網節點，主要包括福清市、永泰縣、閩侯縣、長樂區、倉山區、福州主城區、莆田市等地，屆時，敖江、木蘭溪和大樟溪上游等流域的水資源都將在“數字大腦”的調配之中。（記者 張穎 陳旻 通訊員 廖柳青 文/圖）