数字孪生技术让福建水口水电站的防洪更加科学。

核心提示

每年夏季都是水旱灾害防御形势严峻之时，如何守护江河安澜，如何科学调度水资源？

数字孪生技术正成为现代水利治理的新工具，将治水能力从经验依赖升级为智能驱动。它可精准预测洪峰演进路径，为科学防洪、泄洪提供决策依据，用数字为江河安澜打造“铜墙铁壁”。它向着水资源精细化调配延伸，“精打细算”用好每滴水，助力区域用水均衡与可持续发展。

闽江，福建人民的母亲河。为了解闽江“智”水滔滔背后的秘密，在夏季即将来临之际，记者走访了相关单位。


AI赋能，安澜有“数”

闽江干流中段，“华东第一坝”——水口大坝横扼闽江。

在距离水口大坝60多公里远的福建水口发电集团有限公司（以下简称“水口集团”）大楼的22层，闽江正以数字孪生形式呈现在大屏幕上。

水口集团信通中心通信班班长方巍打开闽江流域“智慧能源大脑”，水口水库及集团所辖街面、水东、雍口等主要水库的雨量、日流量、库容、水量利用率等重要指标参数跃然屏上。将页面切换到水电站智能巡检平台、机器人智能巡检集控平台，水口电站大坝、水轮机的运行状态，以及水库的实时水位、发电负荷、水情预报等也都实时可见。

经过两年谋划建设，“数字闽江”已经初见雏形。

“洪水预报是‘数字闽江’最重要的功能之一，今年我们的AI洪水预报模型将会经受台风季汛期的考验。”方巍介绍说。

“福建防汛看闽江，闽江防汛看水口。”闽江流量大、流速快，多年平均年径流量达到584亿立方米，极端天气条件时有较高的洪水风险。水口大坝的坝址以上流域面积有52438平方公里，控制了闽江流域86%的集水面积，总库容26亿立方米，被形容为福州人民头上“一盆水”。

“闽江流域地理环境复杂，洪水预报比较困难。”水库调度班副班长潘辛梅介绍说，水电站水位变动非一时一事，受区间降雨、上游周期来水及发电负荷波动等多重因素影响。

以往，水库的水位控制、负荷调节大多依靠人工经验与传统算法。“但单纯依赖经验判断存在局限，容易造成弃水风险，也可能给水电站的安全运行带来风险。”方巍说，将传统水文学与AI技术结合，AI洪水预报模型实现了混合深度学习，为电站安全科学运行再加上一道“安全网”。

在闽江上游4.2万平方公里的监测区域，系统部署了117个落地雨量监测站点及大量智能监测终端。包括上游断面实测入流、下游断面实测出流等一系列数据的水位、雨量等水文气象信息，不间断汇聚到后台，加上气象网格数据、径流预报数据，形成闽江水情预报“流域一张图”，可预测未来24小时直至10天的径流量。

在实时数据之外，模型深度挖掘近30年的闽江流域气象和水文监测数据，总结相关规律，实现对闽江流域水位、流量、面雨量等水情要素的多维度、深层次分析。

方巍介绍说，目前“数字闽江”运行着5个模型，其中新安江模型、DDRM模型为传统水文学模型，LSTM模型、时空异构模型和AI混合预报模型为人工智能模型。“在强大的数据分析和处理能力支撑下，目前对未来9至24小时洪峰的预报精度达90%以上，达到甲级标准，可助力防洪调度智能化预警和快速响应。”

同时，“数字闽江”还能在闽江三维模型上进行防汛发电智能调度方案预演，完整展现水库调度预腾库、泄洪、拦洪尾的整个过程。“在不断仿真预演中，系统可以快速确定最优方案，实现流域洪水调度虚拟模拟先行、决策调度在后，并提前预警潜在风险，实现流域防洪精准调度和水能利用率提升双翼齐飞。”方巍说。

让水位预测“先知先觉”，就能变“被动响应”为“主动防御”。去年汛期，水口水电站经受住洪峰考验，先后对6个流量超过1万立方米/秒的洪峰进行拦洪削峰，减轻了下游的防汛压力。其中，2024年6月16日14时，最大入库洪峰流量为21300立方米每秒，经科学调度，洪峰安全通过水口水电站。

“智”御枢纽，“绿电”满格

在闽江的闽清县段，高101米、长783米的水口大坝屹立江中，水口水电站是闽江防洪调度和水资源利用的重要枢纽。

记者走进水电站的水轮机层，7台发电机组轰隆作响，一台小巧精致的白色机器人缓慢前行，走到一处固定方位停下，“摇头晃脑”后继续前进，到达下一个地点重复上述动作。这是水口水电站智能巡检机器人的应用场景之一。

“由控制后台向巡检机器人下发命令，巡检机器人接收到任务后，立即开展巡检，并实时向控制后台回传巡检画面和数据，分析设备运行状态，对设备异常情况进行预警。”水口水电站发电处主任刘斌介绍，平时按照设定路线每天巡检一次。

巡检是保障电站机电设备安全运行的重要措施。“以往用人工巡检，有4条线路，8小时需要完成线路检查，读取仪表数据，检查水、油、气等是否泄露等多个任务，可能存在人为误差。”方巍说，“我们探索一种新型巡检方式，通过视觉识别、红外测温等技术，让机器逐步代替人工，全面提升巡检质效。”

目前水口集团部署了1600多路工业视频探头，还有3台机器人在水轮机层进行巡检，实现发电、水工等专业巡检的机器替代。

在水口电站主厂房、大坝等核心区域，巡检点位超过3000个，巡检覆盖率达60%以上，确保关键区域的全面监控。通过深度定制开发，他们研发了模拟表计读数识别、数显、指示灯、漏油漏水等6类水电设备巡检模型。

“不仅算法识别精度均达到85%以上，单次巡检由人工巡视的2小时缩短为5分钟，极大提升了设备巡检的精确度与及时性。”方巍说道。

在水口电站右岸侧的大坝监控中心，水口水电站水工处观测班班长黄鑫只需要打开大坝数字孪生系统，就可以对大坝安全做到全方位的“一屏监控、多元感知”。

在屏幕上，一座几乎原样“复刻”的大坝跃然屏上。“从上游1公里至下游1公里，通过毫米级精度的激光点云测绘、外部倾斜摄影等，构建了高精度的三维仿真模型。作为数字孪生系统的基底，为后续智能监测提供空间数据支撑。”黄鑫边展示边介绍。

该系统配置有贯通大坝的700余个监测仪器，并支持连接水下机器人、无人机、四足机器人等智能设备，在大坝的数字三维底座上，构建起了一道数字化、智能化安全屏障。

大坝周边，大坝三维模型融合水下地形测量数据，直观地展现了上下游水下地形情况。“画面中红色色块就是大坝下游的冲刷区域。”黄鑫表示，这是大坝定检的关注重点，系统集成了冲刷区域最低点高程、多年横纵断面线，通过热力图可以直观呈现，辅助运维人员快速发现水下地形的变化。

在仿真巡检模块，大坝廊道的三维模型十分逼真。工作人员轻点鼠标，便可通过漫游形式快速熟悉廊道情况，并支撑与智能设备联动，实现远程智能化巡检。

大坝本体的安全至关重要，必须实时监测着坝体变形、接缝、渗水等重要参数变化。“我们在系统设置信息点，录入日常检查中发现的主要裂缝、漏水等信息。”黄鑫说，不仅运维人员可以快速查看裂缝长宽深走向以及图像信息，还能与历史检查情况对比，快速掌握裂缝的变化趋势。

成千上万个测点的监测值、通道信息、基础台账等都汇集到内外观测点模块，并完成设备建模。黄鑫说：“相当于在系统中就可以按元器件级进行设备拆解展示，不论是设备运维检修还是新晋员工培训等工作，就变得更加快捷智能。”

在多种科技加持下，水口水电站的7台水轮发电机组稳发稳供，至今已累计为福建电网输送近1700亿千瓦时的清洁能源，以“满格绿电”为福建经济社会高质量发展注入不竭动力。

算法支撑，“云端”调水

不仅要保障水安全，还要用好珍贵的水资源。

在福建省水利厅，记者看到了即将出炉的“数字孪生闽江口区域水网”，正是这套模型为水资源的科学调度筑牢基础。

系统中，闽江口区域水网南部区域——闽江流域和龙江流域逼真地呈现在屏幕上。区域水资源、重要断面日均流量、旱情预测、重要节点水质、沿岸取用水情况等信息，以及区域内的重要工程——平潭及闽江口水资源配置（一闸三线）、福清闽江调水工程、东张水库、东张灌区等的蓄水分析、工程安全监测、实时视频等数据，全部呈现在屏幕中。

“2023年底，闽江口数字孪生水网入选水利部全国数字孪生水网先行先试项目，一期工程预计今年底就能完成建设投用。”福建省水利厅办公室王秀亮告诉记者，项目涉及福州、莆田、平潭沿海的16个县（市、区）。

闽江口区域水网，是我省三大区域网之一，是闽江口城市群的重要水源调配通道。“这片区域水资源丰富，建设该区域水网，目的是利用闽江干流及大樟溪的水资源，实现跨地区、跨流域水资源配置，从而提升水资源对闽江口区域经济的支撑能力，保障平潭、福清、长乐、闽侯、仓山的供水安全。”王秀亮说，通过数字映射、智能模拟、前瞻预演等技术打造的数字孪生水网，不仅能全方位掌握影响区域水资源的各类因素，对水利工程运行实时监测，更能精细化决策调度，让每一滴水发挥更大价值。

打开决策调度模块，区域内的所有水库、水闸、水厂、渠道、泵站等，根据相互间的关系被投射在底图中，不同的颜色反映着它们的水量安全程度。

将鼠标移动到各节点，水库的蓄水实测和预报概况、供水结构、库容曲线、泄流曲线等信息，水厂的逐旬供水情况，灌区的逐旬用水情况，泵站的取水流量过程……都实时呈现。

决策调度，包含日常调度、防洪调度和应急调度等功能。“日常调度是根据上下游水库的容量关系，按照调度方案进行，是传统工作的‘智慧版’；防洪方面，已经建设的‘数字孪生防汛’系统在去年汛期投入使用并发挥了良好作用。”王秀亮强调了数字孪生闽江口区域水网的应急调度功能。

他举例说明：假设代表长乐东区水厂的小球颜色变红，发出枯水警报。系统自动生成精准的月调度、旬调度方案——从大樟溪莒口泵站、闽江竹岐泵站加大送水量，综合考虑三溪口水库蓄量、闽江和大樟溪预报来水量、长乐各水厂用水预测、三溪口水库灌区用水预测等相互关系，提出大樟溪莒口泵站加大送水量、闽江竹岐泵站加大送水量、适当降低灌溉用水量等多套调度方案；并推荐三溪口灌区破坏深度30%（缺水量占需水量的30%）结合莒口泵站和竹岐泵站满负荷送水、水口水库加大下泄、三溪口水库减供备用的调度方案。“不仅让未来一旬的东区水厂‘喝饱水’，也不过度调水、浪费水资源，同时保证周边远航水厂、三溪口灌区等安全用水。”

“配水调度一直是水利上的一个难题。闽江口区域水网涉及工程要素类型很全面，包括跨流域引调水工程、大型调蓄工程、大型灌区干渠、闸泵站工程等，需要多因素综合考虑。除了枯水期，还有突发水污染或供水工程事故时，都需要迅速、科学决策。”他说，有了基于算法支撑的水资源模型，某地是否需要水、需要多少水，可以通过需水预测模型进行科学计算，结合配水调度、水动力仿真等模型的使用，模拟预演供水过程，生成最优配水调度方案。

据介绍，随着引调水工程的建设及数字孪生技术的成熟应用，数字孪生水网的覆盖范围还将逐步扩展至闽江口城市群提质增效水资源配置工程（“一库三线”）及其他关键水网节点，主要包括福清市、永泰县、闽侯县、长乐区、仓山区、福州主城区、莆田市等地，届时，敖江、木兰溪和大樟溪上游等流域的水资源都将在“数字大脑”的调配之中。（记者 张颖 陈旻 通讯员 廖柳青 文/图）


在水口水电站自动巡检的智能机器人

水口水库的数字孪生水库调度系统

正在建设中的数字孪生闽江口区域水网

水口大坝数字孪生系统的仿真巡检模块

水口集团公司数字集控中心

闽江流域“智慧能源大脑”的水电站智能巡检平台、机器人智能巡检集控平台