数字孪生河北省南水北调配套工程建设思考.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2022-10-27作者简介：魏会敏（1974），男，河北正定人，高级工程师，主要从事信息自动化研究工作E-mail：数字孪生河北省南水北调配套工程建设思考魏会敏（河北省水务中心 引黄工程事务中心，河北 石家庄 050000）摘要：针对河北省南水北调配套工程信息化现状存在的部分已建监测设备损坏或精度不足、数据资源未进行系统性梳理以及缺少工程安全、工程设备运行管理相关的智能模型建设等问题，在河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程自动化系统建设的基础上，提出数字孪生河北省南水北调配套工程建设思路，即强化数据采集完善孪生平台构建智慧应用辅助科学决策。针对水资源调度、工程安全、供水安全及运行维护等业务需求，完善基础设施、搭建数字孪生平台、开发智能业务应用，以期增强区域知水管水效能，促进受水区经济社会高质量发展。关键词：数字孪生；南水北调工程；建设思路；河北省中图分类号：TV68；TP39文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.099数字孪生是指在信息化系统中建立一个模拟物理实体的仿真世界，根据物理反馈数据进行模拟计算，并反馈给真实的物理实体1。近年来，随着信息技术的发展，多学科融合不断深入，数字孪生应用逐步由其他领域向水利行业延伸，形成了以时空数据为底座、以数学模型为核心、以水利知识为驱动2、以智慧应用为目标的多维多尺度的数字孪生建设路径，通过构建全面的感知体系、互联互通的网络体系、多维多尺度的数字孪生平台及智慧高效的应用体系，实现精确调度、精细管理、精准决策，从而提升流域及工程的管理水平3。河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程总长度2 069 km，供水范围包括京津以南的邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、衡水、沧州7个市92个县（市、区）、26个工业园区的138个供水目标4。本文以河北省南水北调配套工程信息化现状为基础，梳理总结其存在的主要问题，提出数字孪生河北省南水北调配套工程建设思路，从基础设施、数字孪生平台及智能业务应用等方面提出针对性建设策略，以期促进资源整合共享、减少经济损失、提升工程效益，为其他同类或同业务水利工程数字孪生建设提供参考。1信息化现状及存在问题1.1信息化现状河北省南水北调配套工程依托河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程自动化系统建设，从社会公众、普通员工、上级主管等用户角度出发，以工程管理和水量调度为两大业务重点，以采集输水沿线调水信息（水量、水位、水质、工程运行信息等）为基础，以通信、计算机网络系统为平台，以工程监控系统和调度管理应用系统为核心，集成自动化调度与监控、水质监测、工程安全监测与运行维护、综合信息服务、系统运行实体环境等，构建覆盖1个水务集团、4条干渠、7个市级管理处、183个现地站的自动化管理系统，从而形成河北省南水北调配套工程的综合水量调度体系，保障河北省经济社会可持续发展。1.2存在问题随着信息化技术的发展，已建信息化系统已不能完全满足现有系统的建设需求，目前数字孪生河北省南水北调配套工程建设还存在以下不足：部分已建监测设备已损坏或精度达不到建设要求，并且缺乏无人机、高清视频、卫星遥感等新型监测手段；数据资源还未进行系统性梳理，没有形成相应的数据资源目录，缺乏有效的数据筛选手段，数据管理达不到预期效果；借助三维可视化系统建设，河北省南水北调配套工程已完成部分建筑场景的搭建，但仍缺乏大场景及重要区域三维可视化场景的建设，需要按照水利部L1、L2及L3级数据底板的建设进行针对性补充建设；工程已完成水量调度模型的搭建，但是缺少工程安全、工程设备运行管理相关的智能模型建设，无法支撑河北省南水北调配套工程的智能化管理。2数字孪生建设思路河北省南水北调工程数字孪生建设基于工程作用和信息化现状开展，充分利用河北省南水北调配套工程视频监视系统、信息采集系统和计算机网络系统，结合水资源配置调度和保障工程安全的要求，对流量、水质、工程安全监测信息进行完善。在已建数据资源管理平台和应用支撑平台的基础上，按照数字孪生水利工程建设技术导则 的数字孪生平台建设要求，对孪生引擎、数据资源、模型平台和知识平台进行梳理，将水利专题数据库和支撑数据库按照“基础数据、监测数据、业务数据、共享数据及地理空间数据”类别进行资源整合，并在原有数据管理、存储的基础上，进行数据整理、数据挖掘、数据服务等工作。在水量调度模型基础上，补充工程安全分析等模型，形成水利专业模型，并在现有的三维可视化系统的基础上，补充建设河北省南水北调工程全域三维模型，对工程上下游500 m范围内进行倾斜摄影，实现工程精细化管理服务。此外，根据数字孪生平台的建设要求，补充知识平台，用于智慧应用情形演进。对于已有的水量调度、工程管理等系统，按照数字化场景搭建现状进行针对性完善，并补充综合信息服务系统、工程安全“四预”系统、供水安全智能智慧系统、智能化运维管理平台和决策可视化系统，实现工程业务应用全覆盖。最终建成强化数据采集完善孪生平台构建智慧应用辅助科学决策4个维度的数字孪生体系，实现河北省南水北调配套工程感知、管理及决策的全过程智能管控。数字孪生河北省南水北调配套工程建设思路见图1。3数字孪生建设总体架构河北省南水北调配套工程涉及石家庄、保定、廊坊、衡水、沧州、邢台、邯郸7个市以及石津、保沧、廊涿、邢清4条大型输水干渠的180余座现地站，具有覆盖地区广、站点分布散、安全调度与运行管理难度大等特点，本次数字孪生河北省南水北调配套工程建设规划以上述工程特点为基础，通过对工程现状深入分析，针对性从水资源调度、工程安全、供水安全及运行维护等业务角度开展建设。数字孪生河北省南水北调配套工程总体架构包括：实体工程、基础设施、数字孪生平台、智能业务应用、交互层、标准规范体系和信息安全体系，见图2。图1数字孪生河北省南水北调配套工程建设思路 188人 民 黄 河2023年S1（1）完善基础设施建设。主要针对出现问题的已建感知设备及不满足监测要求的设备进行更换，并针对安全调度和智能化运行管理业务补充安全监测设备和智能识别视频监测设备。（2）搭建数字孪生平台。综合数据底板、模型平台、知识平台等搭建数字孪生平台。模型平台主要包括水利专业模型，为业务应用提供算法支撑。知识平台主要通过建立水利知识引擎、河北省南水北调工程调度方案库、专家经验库、历史典型水资源配置调度场景模式库及水资源配置调度规则库，形成工程安全分析、运维等业务应用。（3）建设智能业务应用。在河北省南水北调配套工程已有的业务平台基础上，通过建设综合信息服务系统、水资源调度“四预”系统、工程安全“四预”系统、供水安全智能指挥系统、智能化运维管理系统及决策可视化支持系统，使水资源调度更加科学、合理、高效，工程设备运转更加高效，减少人工运维，提升工程精细化管理水平。4结语数字孪生河北省南水北调配套工程是具有一定信息化基础的工程，遵循“整合资源，集约共享，统筹推进，协同建设”的建设原则，按照利旧、完善和新建3种模式并结合水资源调度、安全调度和运行管理的业务管理要求，完善基础设施、搭建数字孪生平台、建设智能业务。对于数字孪生河北省南水北调配套工程，预期有以下成效：实现及时预报，快速处置，减少经济损失；增强区域知水管水效能，提高经济效益；保障受水区用水安全，支撑受水区经济高质量健康发展；推动河北省南水北调配套工程监管手段的全面创新。参考文献：1 杨俊峰，王红军，冯昊天，等.基于数字孪生模型的设备故障诊断技术 J.设备管理与维修，2021（9）：128-130.2 蔡阳，成建国，曾焱，等.加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系 J.中国水利，2021（20）：2-5.3 霍建伟，李永胜，张军珲，等.数字孪生技术在引调水工程运行管理中的应用 J.小水电，2021（5）：15-17.4 尉晓浩.南水北调配套自动化工程计算机网络系统集成的业务内网设计 J.小水电，2017（2）：32-34，43.【责任编辑栗铭】图2数字孪生河北省南水北调配套工程总体架构（上接第183页）2.3.2钻孔冲洗采用自孔底向孔外大水量敞开冲洗或压力风冲洗，根据不同地质条件采用裂隙冲洗结合钻孔冲洗5。冲洗水压控制在注浆压力的80%，且不超过1 MPa；冲洗风压控制在注浆压力的50%，压力超过0.5 MPa时采用0.5 MPa。2.3.3压水试验选择单点法对孔底段进行简易压水试验，采用自下而上分段注浆时，除在孔底段注浆前可进行一次全孔裂隙冲洗外，其余各段在注浆前一般不进行裂隙冲洗和简易压水试验，以免影响前一段灌注浆液的凝固6。简易压水的压力为灌浆压力的80%，当压力大于1 MPa时采用1 MPa；简易压水试验压水时间为20 min，每5 min测读一次压水流量，其成果以透水率表示7。2.3.4注浆施工采用单浆液注浆时，用单浆液泵灌注，在注浆管上安装自动流量计和压力计记录注浆过程中的流量、压力等，为排泄钻孔内空气，在孔口注浆管上连接一个三通管，在三通管上安装一个排泄阀，既能排除孔内空气，使注浆饱满，也能排除多余回流浆液。采用双浆液注浆时，用双浆泵灌注，水泥浆和水玻璃浆在距注浆孔810 m处用Y形结构混合器混合，水玻璃及水泥浆出浆管上分别安装流量计和控制门以准确控制流量。注浆管进入注浆孔后，与止浆塞导管相连。注浆时，打开混合器注浆阀先注水23 min，使围岩孔隙畅通8，然后注水泥浆约3 min至正常后，迅速将两个吸浆龙头分别放进水泥浆桶和水玻璃桶，实施双液注浆。停止灌注时，先停水玻璃泵，后停水泥浆泵，并用清水清洗管路，以防堵管。注浆完成后，应在适当的时间拔出止浆塞。2.3.5封孔当注浆压力达到规定值时，注入率小于等于1 L/min，继续灌注30 min，即可结束注浆9，采用“导管注浆封孔法”封孔，封孔浆液水灰比为0.51。注浆结束后，安设孔口管，使用水灰比为0.51的浓浆从孔口管注入，自管外孔口管返出，固定孔口管待凝，24 h后清除孔内污水、浮浆，脱空处采用干硬性水泥砂浆封填密实。2.3.6注浆质量检查注浆质量检查应以检查孔压水试验成果为主，注浆检查孔应布置在以下位置：岩体破碎、断层、有塌孔等地质条件不良段；钻孔偏斜过大，注浆情况不正常等对注浆质量有影响部位；注浆过程中，周边各孔注浆量大的部位。采用单点法进行简易压水试验，检查孔数量为注浆孔总数的10%，检查孔应采取钻芯法进行观察，检查时间可安排在注浆结束后3 d或7 d。注浆质量合格标准为：各段的合格率应达到85%，不合格孔段的透水率不超过15%且不集中。参考文献：1 梁峰.长管棚配合小导管辅助施工在新疆某工程浅埋隧洞段的应用 J.广东水利水电，2018（7）：37-39.2 张清.隧道浅埋段岩溶槽谷地表注浆施工方法 J.四川建筑，2008（1）：200-202.3 梁其东.小断面长距离引水隧洞施工综合技术研究 D.济南：山东建筑大学，2016：41-43.4 魏书斋.胶东地区引黄调水工程桂山隧洞工程施工方法研究 D.济南：山东大学，2013：32-36.5 黄仕保.构皮滩水电站第1级升船机基础固结灌浆施工工艺 J.贵州水力发电，2010，24（1）：39-42.6 赵晋乾.山岭公路隧道注浆效果评价及技术指南研究 D.成都：成都理工大学，2010：20-25.7 张才千.某隧洞尾工处理二期固结灌浆施工方案 J.甘肃农业，2013（12）：30-31.8 赵玉印.黄土隧道富水围岩帷幕注浆施工技术 J.四川水泥，2016（10）：38.9 刘辉，秦松强，徐红雷，等.隧道软岩段超前小导管注浆加固技术应用 J.建材与装饰，2016（41）：241-242.【责任编辑张智民】189