一种基于数字孪生的水库防洪管理方法技术

本发明专利技术提供一种基于数字孪生的水库防洪管理方法，包括建立数字孪生水情分析模型、建立数字孪生可视化展示模型、所述孪生水情分析模型的预报、将所述S3的预报结果发布预警、所述数字孪生可视化展示模型的预演、执行所述S5的预演结果；应用数字孪生模型，支撑预报、预警、预演、预案的功能实现，对水库管理者下游居民群众安全的四预机制建立；传统水库管理者的预警机制主要为透过降雨预报或实时水位预报发布预警工作。发布预警工作。发布预警工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的水库防洪管理方法


[0001]本专利技术涉及水库防洪领域，尤其涉及一种基于数字孪生的水库防洪管理方法。

技术介绍

[0002]水库防洪管理方法和系统是以数字孪生水情分析模型和数字孪生可视化展示模型2个模型为工作核心，支撑“四预”(预报、预警、预演、预案)功能实现。数字孪生水情分析模型是透过降雨、水文、水动力理论耦合建立的算法模型，输入水情数据后，可模拟水库流域的洪水水位小时尺度时间序列，并产制预报结果。数字孪生可视化展示模型是使用1套数据库管理体系和1个WebGIS/WebGL可视化界面组成，1套数据库内容可支撐水库防洪预警、预案管理工作；1个WebGIS/WebGL可视化界面可支撐水库防洪模拟展示预演工作。
[0003]专利技术专利提供了一种基于数字孪生的防洪调度方法，包括如下步骤，S1、构建防洪调度系统的数字孪生体；S2、对防洪调度系统的数字孪生体进行跟踪与更新，获取实时同步的防洪调度系统数字孪生体；S3、基于实时同步的防洪调度系统数字孪生体，利用气象模型和多个水文模型开展气象水文集合预报，预测目标水库未来一周的防洪调度过程，并根据预测结果对防洪形势进行分析研判，提出水库现行调度规则的调整方案。优点是：克服现有防洪调度方法无法全面反映防洪调度的实时信息、气象水文预报有效预见期短和预报精度不高的缺陷，能够准确提供防洪调度过程信息，动态评估防洪风险，以便顺利开展洪涝灾害防御工作。
[0004]专利技术专利提供了一种基于数字孪生技术的跨流域调水工程的调度方法，按照如下步骤进行：步骤1跨流域调水工程受水区各用水户需水精确预测；步骤2基于数字孪生理论的跨流域调水工程关键断面控制指标推求；步骤3调水区多水库联合调度方案精准生成；步骤4跨流域调水工程数据感知，其与虚拟数字环境间的数据实时交互；步骤5系统安全状况预判与未来调度对策生成。该专利技术通过联合使用供水区水库和调输配水管网，达到向各取水厂精准供水的目标；可以精准模拟跨流域调水工程全环节的运行过程，精准预判工程运行中的潜在风险，并生成相应对策与预案，实现突发事故下的应急管理，较常规模拟调度模型具有明显优势。
[0005]上述专利技术专利都将数字孪生应用在了水库防洪工作中，从水库水量调度方面入手。近年来经常发生山洪暴发或水库无预警泄洪造成的人民群众暴露在风险，亦造成多次意外事件。但针对水库管理者和下游居民群众的预报、预警、预演、预案安全机制尚为缺乏，或处理机置太过于传统，或发布预警的领前时间过晚，或预报时间尺度不足以面对不可预知的突发暴雨。
[0006]透过本专利技术在水防洪管理可解决上述问题，可建立更领前预报的工作、可细致化的发布预警、对未来可能面临情况在数字孪生里预演、最后可决策执行合适预案。四预工作的建立不仅仅对水库防洪人员优化管理，也起到下游人民群众起到提前感知避险的安全意识，建立良好的水库防洪管理互动机制，由粗放型管理向集约型管理转变。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于数字孪生的水库防洪管理方法，在水库防洪管理发布时间尺度为小时尺度，对即时不可预知的突发降雨，起到良好的水库防洪管理机制。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种基于数字孪生的水库防洪管理方法，包括以下步骤：
[0010]S1、建立数字孪生水情分析模型；
[0011]S2、建立数字孪生可视化展示模型；
[0012]S3、所述孪生水情分析模型的预报；
[0013]S4、将所述S3的预报结果发布预警；
[0014]S5、所述数字孪生可视化展示模型的预演；
[0015]进一步，所述S1具体为：
[0016]S1.1、收集水库汇水区范围历史降雨观测时间序列、水库下游水位观测时间序列，并对时间序列进行数据分析、校核、补遗；
[0017]S1.2、建立水文模型
[0018]使用产流算法及汇流算法的耦合模型f＝f(R、θ
N
(t))；
[0019]所述产流算法为：
[0020][0021]其中，R为降雨产流量；PE为降雨量；W为土壤含水量；WM为流域平均蓄水容量；WMM为流域最大蓄水容量；b蓄水分布系数，无因次，越小表示包气带蓄水容量分布越均匀；a为蓄水容量曲线，公式为：
[0022][0023]所述汇流算法为：
[0024]θN(t)＝θ(0)
·
Ф(t)
[0025]其中，θ
N
(t)为N级河网的地貌瞬时单位线；θ(0)为初始状态机率向量；t为时间；Ф(t)内部传输机率阵列，表达式为：
[0026]Ф(t)＝eAt
[0027]其中，A为传输率阵列，定义为：
[0028][0029]其中，pij为从i级河网传输到j级河网的机率；λ
i
为i级河网平均滞留时间；
[0030]S1.3、建立水库模型，表达式为：
[0031][0032]其中，为时段平均入库流量；为时段平均出库流量；ΔV为时段始末库容差；Δt为时段长；Z为时段内损失量；
[0033]S1.4、建立水库下游洪水模型
[0034]使用水动力演算法建立，所述水动力演算法内应包含下游河道和洪范区地形高程信息，供水库下游洪水模拟使用；
[0035]所述水动力演算法内的边界条件为水库的出流量模拟时间序列；
[0036]所述水库下游洪水模型通过水动力演算法计算最后会得到水库下游水位模拟时间序列；
[0037]S1.5、数字孪生水情分析模型率定验证
[0038]所述数字孪生水情分析模型率定验证过程，通过调整模型内参数，进行率定验证评价，直到评价结果达到可以接受或极限为止；
[0039]所述率定验证包括相关系数法、效率系数法、洪峰水位到达时间法、洪峰水位误差百分比法。
[0040]进一步，所述S1.2具体为：
[0041]S1.2.1、收集m个水库上游地理信息，通过地形高程分析各个水库流域分水岭得到霍顿河数率X
1,m
、面积率X
2,m
、河流平均长度X
3,m
、河长率X
4,m
，得m个上游地理信息为B
m
＝{X1,X2,X3,X4}；
[0042]S1.2.2、得到l组聚类类别的中心点，包括霍顿河数率中心点c
1,l
、面积率中心点c
2,l
、河流平均长度中心点c
3,l
、河长率中心点c
4,l
，l组聚类类别中心点为C
l
＝{c1,c2,c3,c4}；
[0043]S1.2.3、将C
l
＝{c1,c2,c3,c4}选取第d组类別C
d
＝{c
1,d
,c
2,d
,c
3,d
,c
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的水库防洪管理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立数字孪生水情分析模型；S2、建立数字孪生可视化展示模型；S3、所述孪生水情分析模型的预报；S4、将所述S3的预报结果发布预警；S5、所述数字孪生可视化展示模型的预演；S6、执行所述S5的预演结果。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的水库防洪管理方法，其特征在于，所述S1具体为：S1.1、收集水库汇水区范围历史降雨观测时间序列、水库下游水位观测时间序列，并对时间序列进行数据分析、校核、补遗；S1.2、建立水文模型使用产流算法及汇流算法的耦合模型为f＝f(R、θ
N
(t))；所述产流算法为：其中，R为降雨产流量；PE为降雨量；W为土壤含水量；WM为流域平均蓄水容量；WMM为流域最大蓄水容量；b蓄水分布系数，无因次，越小表示包气带蓄水容量分布越均匀；a为蓄水容量曲线，公式为：所述汇流算法为：其中，θ
N
(t)为N级河网的地貌瞬时单位线；θ(0)为初始状态机率向量；t为时间；Ф(t)内部传输机率阵列，表达式为：其中，A为传输率阵列，定义为：其中，pij为从i级河网传输到j级河网的机率；λ
i
为i级河网平均滞留时间；
S1.3、建立水库模型，表达式为：其中，为时段平均入库流量；为时段平均出库流量；ΔV为时段始末库容差；Δt为时段长；Z为时段内损失量；S1.4、建立水库下游洪水模型使用水动力演算法建立，所述水动力演算法内应包含下游河道和洪范区地形高程信息，供水库下游洪水模拟使用；所述水动力演算法内的边界条件为水库的出流量模拟时间序列；所述水库下游洪水模型通过水动力演算法计算最后会得到水库下游水位模拟时间序列；S1.5、数字孪生水情分析模型率定验证所述数字孪生水情分析模型率定验证过程，通过调整模型内参数，进行率定验证评价，直到评价结果达到可以接受或极限为止；所述率定验证包括相关系数法、效率系数法、洪峰水位到达时间法、洪峰水位误差百分比法。3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的水库防洪管理方法，其特征在于，所述S1.2具体为：S1.2.1、收集m个水库上游地理信息，通过地形高程分析各个水库流域分水岭得到霍顿河数率X
1,m
、面积率X
2,m
、河流平均长度X
3,m
、河长率X
4,m
，得m个上游地理信息为B
m
＝{X1,X2,X3,X4}；S1.2.2、得到l组聚类类别的中心点，包括霍顿河数率中心点c
1,l
、面积率中心点c
2,l
、河流平均长度中心点c
3,l
、河长率中心点c
4,l
，l组聚类类别中心点为C
l
＝{c1,c2,c3,c4}；S1.2.3、将C
l
＝{c1,c2,c3,c4}选取第d组类別C
d
＝{c
1,d
,c
2,d
,c
3,d
,c
4,d
}，d＝1,2,
…
,l，分別输入所述S1.2产流算法及汇流算法的耦合模型f＝f(R、θ
N
(t))；汇流算法的地貌瞬时单位线法选择为3至N级河网，得到S
t,x
＝{(C
d
,f
x
(C
d
)):C
d
∈C
l
}，x＝3,4,
…
,N；并对S
t,x
进行评价，得到N
d
级河网地貌瞬时单位线是最适合该第d组聚类类別为C
d
→
N
d
；S1.2.4、若有新水库上游地理信息，通过地形高程分析新水库流域分水岭得到霍顿河数率Y1、面积率Y2、河流平均长度Y3、河长率Y4为E＝{Y1,Y2,Y3,Y4}；通所述S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅军亚，赵昕，袁德忠，吴琼，朱子园，邓颂霖，李水泉，许弟兵，龙雪峰，邱珩，吉喜林，张家铨，张书文，
申请(专利权)人：象辑科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：