近年来，长江科学院高度重视智慧水利研究工作，在传统水利专业与信息技术融合发展、专业模型研发、应用系统建设、人才团队建设、信息化基础建设等方面均取得了较大的发展，已形成多项数字孪生关键技术和核心产品，开展了多个数字孪生流域、数字孪生工程示范建设。长江科学院微信公众号分期推出“长江科学院数字孪生技术展示”栏目，展示长江科学院数字孪生核心技术及应用成效。
大型水库三维水质精细化模拟 仿真与“四预”平台技术
一 技术介绍
针对大型水库水源地水质实时掌控、趋势研判预警、突发污染应对的实际管理需求，长江科学院水环境所充分融合监测感知、机理模型、立体仿真等手段，开发了大型水库三维水质精细化模拟仿真与“四预”平台技术。该技术构建了以CK-J3DWQM 三维水动力水质模型V1.0为核心的模型库，集成了国际先进的紊流模型，结合水库磷等关键污染物迁移转化机理，改进水质模型反应动力学模块，可有效模拟河道-水库急缓流交替、库区水动力交换、坝前深水区垂向流等复杂流场及其伴生的污染扩散演进、吸附沉降、界面交换等过程。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
同时开发了基于Service微服务的模型驱动接口，可实现模型标准化、通用化，以及模型与数字孪生系统的紧密式耦合。结合三维仿真技术，可直观立体展示水库水体的污染物浓度场及推进过程，实现水动力和水质浓度场物理真实世界的数字孪生映射。在此基础上，研发了具有水质监测分析、在线推演、预警分析、态势预演、预案管理的水质“四预”功能的水质智能体系，实现库区水质“回溯历史、展示当下、预见未来”，有力支撑丹江口水库等重要饮用水水源地水质保护与管理决策。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
一维模型阶段（2013-2016年）文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
二维模型阶段（2017-2018年）文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
在一维模型的基础上，开发中尺度二维水动力水质模型，可开展水流、温度、浓度场的平面二维计算推演，模拟对象从单一河道扩展到大范围浅水湖库，模拟指标增加了水温、氨氮、高锰酸盐指数、砷、硫酸盐等，已广泛应用于西藏自治区重点水库、江汉平原骨干河湖、武汉市湖泊群等。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
三维模型阶段（2019-2021年）文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
在一维和二维模型的基础上，开发精细化三维模型（CK-J3DWQM 三维水动力水质模型V1.0），能模拟水体全域水流、温度、水质、水生态（藻类）的全三维时空分布及变化趋势，模拟对象扩展到大型深水湖库，模拟指标增加了不同形态的氮、磷污染物（溶解态、颗粒态）、锑和铜等重金属、水生态指标（藻类）等，且引入先进紊流模型，同时开发反应动力学模块，对水质模型的综合衰减模块进行重构和改进，能反映水体中各水质指标的形态转化及各种复杂理化生过程，模型精度和性能得到进一步提高，已应用于丹江口水库、金沙江下游梯级水库等。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
汇集开发的一、二、三维水动力水质模型，开展模型输入输出通用化、标准化改造，开发基于Service微服务的模型驱动接口，实现模型与数字孪生系统的紧密耦合，结合水质浓度场二三维可视化仿真技术，可实现不同江河湖库水体水动力、水温、水质、水生态的实时在线模拟演算和仿真，已成功集成应用于数字孪生丹江口工程、南水北调中线水质预报与预警管理平台、金沙江下游流域生态环境管理信息系统。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
目前，国内水质管理信息化系统缺乏核心水质机理模型和智能算法支撑，无法对各类水质业务数据进行深度挖掘分析，缺乏水质安全在线智能分析及水质四预功能，部分系统采用松耦合方式嵌入模型，但仅支持离线计算，难以支撑实时数据决策的业务场景需求。该技术通过创新研发高效高精度的CK-J3DWQM 三维水动力水质模型V1.0、水质在线动态推演技术、水质浓度场三维仿真技术，首次实现国内水库水质在线动态推演与三维仿真展示。实现实时监测数据接入、模型自动调用、水质在线推演、预测预警分析等多业务协同，可让管理单位随时了解实时监测数据及上游实时来水后整个水库水体的水质状况趋势并及时预警。系统提供情景设置（包括突发水污染事故的地点、量、物质等属性的实时交互输入），自动调用水动力水质机理模型，模拟水库常规水质指标三维浓度分布和变化趋势，及突发性水污染扩散演进全过程，可让管理单位掌握典型情景下（如极端丰水年、枯水年水质事件）水库水质状况，决策制定针对性的应对方案。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
数字孪生丹江口工程水质安全-大洪水情景下丹江口污染演进过程预演文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
该技术已成功应用于数字孪生丹江口工程水质安全业务，实现水质在线推演、预警分析、态势预演、预案管理的水质“四预”功能。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
在线推演通过接入实时监测数据，在线模拟污染物在水库中的动态变化过程，预测未来水质变化，并预判取水口水质趋势；预警分析根据水库的水质监测数据和推演数据，进行超标自动报警，能让管理人员实时掌控取水口、库中、入库河流等的水质风险；态势预演通过调用模型，模拟展现历史总磷升高、大洪水、突发污染等典型情景下水库水体的污染物浓度场及动态过程；预案管理针对水库污染风险和突发污染事件，生成加密监测、筑坝投絮凝剂等方案，并模拟评估预案处置效果。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
（1）强化业务协同。实现了水质监测分析和在线推演、预警分析、态势预演、预案管理功能的全链条贯通。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
（2）创新工作模式。依托水库水质监测站网，系统接入库区和主要入库河流的水质监测数据开展智能分析，自动调用机理模型进行水库全域水质在线动态推演和自动报警，按照定制化模板，自动生成日报、月报和年报，大幅度提高工作效率，实现水质管理工作模式从人工到数字化、智能化的转变。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
（3）提升服务效能。结合实时水文水质监测和水动力水质机理模型与水质在线推演技术，能快速展示库区水质状况并实时更新（1000多平方公里库区8万个计算单元，每次推演时间不超过3分钟），提供变化规律分析、空间差异分析、垂向跨类分析等数据深度挖掘功能，满足水质管理业务实时、精细管理要求。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
（1）有力支撑治江工作。模拟平台已成功应用于治江管理工作，成功预测推演了2022年持续干旱条件下库区水质分布及变化趋势，并对2021年丹江口水库总磷升高事件全过程进行了复演。复演结果还原了磷长时间系列变化过程及变化趋势特征，揭示了2021年秋季汛期洪水、高水位新增淹没区对库区总磷的影响，识别了关键断面的总磷垂向分层分布特征，成果得到长江委节约保护局等相关职能部门的应用。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
（2）数字孪生先行先试取得“双优”佳绩与业主感谢信。水利部数字孪生流域建设先行先试中期评估中，数字孪生丹江口中期评估结果为优秀，牵头申报的“数字孪生丹江口水质安全模型平台与‘四预’业务”案例被评为《数字孪生流域建设先行先试应用案例推荐名录（2022年）》优秀案例。取得的阶段性成效受到长江委、水源公司的充分肯定，收到水源公司发来的感谢信。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
1.论文文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
（1）《中国水利》：数字孪生丹江口水质安全建设挑战与推进举措（2）《水利信息化》：数字孪生丹江口水质安全模型与“四预”平台研发及应用文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/61.html
2.软件著作权
（1）河道地形数据精细化系统, 2022SR0980408, 2022-7-29.
3.发明专利
（1）一种基于聚类分析的污染物识别预警方法及系统, 中国, CN202210026702.1（已受理）
来源：长江科学院科研处
水环境所编辑：信息中心
二 技术研发历程
三 技术优势
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四 应用案例
五 科技成果
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