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

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
（1） 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，
（2） 构建了 “空天地内水”一体化的精确监测感知体系 ，
（3） 丰富了数据底板，
（4） 研发了多个水利专业模型、智能模型与可视化模型，
（5） 构建了 数字孪生体 ，
（6） 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，
（7） 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

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。

测量机器人自动开窗执行观测任务

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

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。

2023年秋汛库区总磷浓度时空变化模拟及影 响趋势推演

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。