来源：中国水利报 转载时间：2025-04-29 12:40:26
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中国水利报 2025年04月25日 第5802期 第4版
□魏晓雯 刘宇源 杜亚波 张金堂
乌鲁瓦提水利风景区 张金堂 摄
位于新疆南部的塔克拉玛干沙漠，看上去浩瀚无垠。和田绿洲，就镶嵌在茫茫黄沙南缘与崇山峻岭之间。
和田地区总面积24.78万平方公里，山地占33.3%，沙漠戈壁占63%，绿洲仅占3.7%，属干旱荒漠性气候，年均降水量35毫米，年均蒸发量高达2480毫米。在极度干旱的和田地区，有座水库无人不知，它就是乌鲁瓦提水利枢纽。
“和田地区几条河流都是典型的冰川融雪型河流，水资源呈现出时空分布十分不均的特征，以喀拉喀什河为例，汛期来水量能占到全年来水总量的72.8%，且主要集中在夏季。”乌鲁瓦提水利枢纽管理中心（以下简称管理中心）水库管理站副站长罗兴说，乌鲁瓦提水利枢纽是喀拉喀什河流域的控制性工程，是南疆第一座高山水库，1995年开工建设，建成后有效改善了和田地区“春旱”“冬枯”和夏季洪水泛滥的局面，极大改善了下游农业生产条件和百万群众的用水现状。
二十多年来，乌鲁瓦提水利枢纽这座为和田地区民族团结与社会经济稳定发展提供水资源保证的决定性工程，持续发挥着防洪、灌溉、发电、生态等综合效益，支撑着绿洲经济的蓬勃发展。乌鲁瓦提——维吾尔语意为“伟大的父亲”，也是和田人民向这座水库表达的最高礼赞。
进入高质量发展阶段，水资源对于新疆典型干旱地区经济社会发展的制约更加凸显。如何更好地发挥工程作用？乌鲁瓦提选择向数字化转型要答案。
2022年4月，乌鲁瓦提水利枢纽成为水利部首批数字孪生水利工程建设试点。管理中心完成“数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽先行先试建设实施方案”的编制和水利部审核备案，开启了建设的序幕。中水北方勘测设计研究有限责任公司（以下简称中水北方公司）凭借其在智慧水利建设领域的深厚积淀，在公开招标中脱颖而出，承接平台及应用集成建设实施工作。
就这样，30年前为全国高山土石坝水库建设蹚出前路的乌鲁瓦提，在今天再次扛起了蹚路的重任，并圆满完成先行先试任务。数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽建设实现了精细化调度、智慧化管理，智慧水利带来的综合效益已逐步显现。
蹚路——
建设新疆首座数字孪生水利工程
作为南疆第一座高山水库，乌鲁瓦提水利枢纽工程在建设期间通过科技攻关和技术创新，解决了许多关键技术问题，为我国土石坝的发展应用作出了突出贡献，工程获得了中国建设工程鲁班奖（国家优质工程）、大禹水利科学技术奖、中国土木工程詹天佑奖，入选“百年百项杰出土木工程”和“人民治水·百年功绩”治水工程……一项项纪录、荣誉，标注着乌鲁瓦提曾经的“高度”。
就是这样一座标杆工程，在推进水库数字化转型的过程中，也一度面临着诸多难题。
“乌鲁瓦提水利枢纽工程信息化建设基础较薄弱，在数字孪生平台建设的过程中，我们按照水利部提出的‘需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力’的要求，结合实际、不贪大求全，着重解决前端感知能力提升、水利信息基础设施建设、数据底板和BIM（建筑信息模型）构建、数字孪生应用服务及网络安全和国产化建设等方面的问题。”管理中心运行与管理科科长许玉忠说。
在毫无经验借鉴的情况下，建成一座数字孪生工程谈何容易！
乌鲁瓦提水利枢纽工程“坝高、山高、水位高”，属典型的“头上一盆水”，工程地处喜马拉雅地震带，地震较为多发。变形监测需要工作人员爬到峭壁上进行人工观测，无法做到实时掌握大坝状态，怎么办？
“要对大坝表面和边坡变形监测进行GNSS和测量机器人自动化改造，由原来人工定期测量转变为实时在线自动测量，提升对大坝运行状况的实时感知能力。建设地震监测系统，通过有限元模型及动力弹塑性分析、工程结构地震反应快速仿真分析、地震前后监测数据对比分析等实现地震风险感知和评估系统，助力决策人员及时掌握工程安全现状，保障工程安全运行。”
适用新疆特点的专业模型研究仍处于探索阶段，且上游水文雨量测站少、历史数据资料不全、融雪性洪水及演进规律掌握不多，怎么办？
“挺进无人区建设更远的水情测站，接入水情及视频监控，可视化研判河道水情。同时坚持实事求是，不能照搬照抄，通过数据对比分析，总结上游测站不同流量条件下入库洪水流量及到达时间规律，建立经验模型与传统模型预报结合，延长预见期，弥补模型预报的不足，达到更好实用效果。”
两年的试点建设期内，管理中心工作人员和中水北方公司的专家，围绕建设现状系统梳理制约瓶颈，列出问题清单、找出解决方案。一声声追问的背后，体现着双方合力打通难点堵点的决心。
通过实地勘查、走访、研讨，管理中心逐渐摸准建设脉络、开出破局良方。随着问题的接续解决，数字孪生乌鲁瓦提建设迎来一个个重要进展。
——前端感知能力有效提升。升级完善上游3个水文测站，新建253公里的赛图拉测站，提升水雨情监测预警的可靠性，新建泥沙在线监测和闸井前泥位监测站点各1处，AI水位识别1处，热成像识别2处，警戒识别2处，结构化识别33处，视频监控点303处。建设大坝及边坡表面变形GNSS和测量机器人监测，建设地震监测系统，配备无人机提升立体监测能力。
——水利信息基础设施不断夯实。完成2个标准化模块机房建设，为水利信息化应用提供稳定可靠的物理环境。建设调度会商中心，满足全中心信息化业务日常应用、成果展示、视频会议、综合调度会商等功能需求。建设高性能GPU计算、应用计算、数据库服务器等算力资源，提升数字孪生应用存储和计算渲染能力。升级至上级水利信息网，满足数字孪生业务数据共享，并连接水利部数字孪生共享平台，实现三级网络共享。
——数据底板和BIM接续构建。从上游托满水文站至下游喀河渠首，采用卫星遥感、倾斜摄影、无人船等技术，获取“四预”（预报、预警、预演、预案）大场景、工程管理保护范围及水工建筑物区域的L1、L2、L3数据底板及水下地形数据。BIM建设完成土建、金属结构、水利机械、电气设备、监测设备等模型组件6.4万余个。建设工程全要素基础数据库、监测数据库、业务管理、地理空间数据库，搭建数字孪生场景基础。
——数字孪生应用服务能力全面加强。建设态势感知应用，实现枢纽工程实体与三维模型的同步映射、仿真交互，搭建整套三维可视化场景，展现工程全貌，一屏总览掌握运行态势。建设防洪调度、工程安全和视频AI智能应用，满足防洪及水资源优化调度的精细化要求，及时掌握工程安全性态现状，提升全天候监控能力，对重点区域及早发现异常，实现识别预警，保障工程安全运行。
——网络安全和国产化建设有序开展。参考高标准等级保护要求，配备网络安全设备，初步建立了安全管理制度，开展等级保护测评整改工作，有效保障数字孪生应用安全、数据安全。数字孪生建设服务器等软硬件，除GPU资源外均为国产信创产品，提升网络数据安全管控能力，减少后期重复投资。
数字孪生试点建设3年来，从无到有，乌鲁瓦提工程在数字空间中拔地而起，为和田地区水利高质量发展提供了坚实的支撑。
见效——
数字技术全面赋能“2﹢N”水利工作
“数字孪生技术的加持，大大提升了工程运行及水资源管理信息化、智慧化水平。”许玉忠介绍，数字孪生平台利用BIM、GIS（地理信息系统）、物联网、大数据、人工智能等先进技术，对水利工程全天候、全周期仿真映射，围绕“四预”措施，在态势感知、防洪调度、工程安全、视频智能AI等应用方面实现了突破。
看防洪调度和工程安全，已初步具备“四预”功能——
在数字孪生平台上，地理空间数据与BIM模型、实时及历史监测数据等多源数据融合实现实体工程和孪生工程实时映射，三维可视场景直观展现入库洪水预报、洪水调度方案预演和优化，给出应急处置预案，高效辅助防洪调度决策。应用北斗导航及测量机器人精准定位，对大坝及边坡表面变形实现毫米级自动化实时监测，通过内外观400余个监测点多维感知分析，让管理人员对工程安全状况时刻“心中有底”，用底线思维统筹汛期和工情，更大限度发挥工程在防洪及水资源调度中的作用。
2024年汛期，乌鲁瓦提工程上游出现多次洪水过程。2024年8月7日4时，喀拉喀什河出现超保证流量1100立方米每秒，7时最大入库洪峰1210立方米每秒，在上级的指导下，经模型预报和上游测站入库预报研判，掌握洪水主要过程，对水库水位和防洪库容预期变化已做到心中有底，结合塔河干流连续多日超警戒流量，为减轻塔河干流防洪压力，自8月6日维持下泄流量290立方米每秒直至8日20时，充分发挥了工程拦洪削峰错峰作用，最大削峰率76%，期间累计拦蓄洪量1.01亿立方米。水库下泄流量远小于下游河道警戒流量680立方米每秒，有效减轻喀河下游及塔河干流的防洪压力，避免下游群众受到洪水的威胁。
看水资源管理，逐步实现调度利用更科学、更精准——
在灌溉、排沙减淤、发电等工作中，工作人员结合数字孪生平台开展来水预报、预警、预演，综合研判选择合适时机开展，避免了以往完全依赖人工经验的局限性。数字孪生乌鲁瓦提通过对2024年及多年来水、供水、水位控制等情况进行统计分析，按供水需求及时调整供水服务，“精打细算”用好水资源。2024年农业灌溉供水量17.89亿立方米，超额完成了15.76亿立方米的年度供水任务。春灌期间水库累计灌溉供水5.07亿立方米，其中水库增供水量9914万立方米，较计划供水量3.6亿立方米多供1.47亿立方米。冬灌期间水库累计灌溉供水1.34亿立方米，其中水库增供3401万立方米，较计划引水多供水0.48亿立方米。冬小麦灌溉次数提高至5次，为灌区应灌尽灌，应保尽保，粮食安全和农民增收提供有力的保障服务。
同时，喀拉喀什河汛期泥沙含量大，水库需开展低水位排沙工作。在没有数字孪生应用时，对来水情况的预见期短，选择合适的大流量洪水时机降低水位运行较为困难。而借助数字孪生平台可更好把握上游洪水情况，研判选择洪峰到来的时机开展冲沙排沙，2024年完成排沙1215.9万立方米，排沙减淤效果明显，有效增加了水库的兴利库容，切实提高了水库供水保障能力。
“数字孪生水利工程的建设成果，也进一步推动了工程运行管理的标准化水平。”管理中心党委书记李蔚介绍，2024年2月，乌鲁瓦提水利枢纽通过水利部评价，成为新疆首座水利部认定的标准化管理工程，数字孪生工程建设与标准化建设相互促进、融合，有效改变过去粗放的管理模式，提升水利工程精细管理、精准调度水平。体会到水利高质量发展带来的好处，数字孪生建设在应用和发展中也在不断深化，统筹发展和安全，坚持问题导向与系统观念，强化数字赋能与创新引领，结合构建现代化水库运行管理矩阵新的需求持续建设，进一步提升水旱灾害防御能力、水资源优化配置与工程安全管理能力，全面提升工程运行管理信息化、现代化水平。2024年10月8日，在新疆数字孪生水利建设推进会上，数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽建设作为典型作交流发言，为全新疆数字孪生水利建设提供了宝贵的先行先试经验。
迭代——
持续将数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽用好用活
在先行先试已有成果的基础上，数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽正结合需求，进一步完善“天空地水工”多维监测手段，提升前端感知能力，强化预报预警能力，加强系统功能与业务的深度融合，在水利枢纽运行管理中发挥更实用、更有效的作用。
——继续完善前端感知设备设施。建设无人机巡检系统，实现工程及河道自动智能巡检，安防技防立体巡查，重要设施及重点位置热成像诊断，地形及淤积激光点云成像、三维建模等，结合水库特点可抛投应急救援设施，提升工程立体感知能力和应急救援能力。建设水下机器人系统实现水下裂缝与破损检查、泄洪过流部位状态评估、淤积物覆盖评估、闸门部件检查、辅助打捞与应急作业、基础设施维护等。建设泄洪视频智能预警广播系统，对水库下游泄流实时状况进行智能预警，从而实现水库险情预警信息快速、智能化传递。建设卫星应急通信设施，保障“三断”条件下提供应急通信。
——集成完善水利专业模型及“四预”应用。集成前期的溃坝模型建设成果，展现不同典型下泄流量条件下的下游洪水淹没影响过程，对应急预案进行集成对比展示、统计分析，指导应急处置。建设数据驱动的大坝安全监控模型和机理驱动的大坝运行性态跟踪有限元分析计算模型，完善工程安全性态研判。建设水库大坝安全风险智能预警，通过汛情分级动态预警体系及工情分级动态预警体系，实现预警要素动态识别、预警指标与分级阈值确定、预警机制与预警信息发布。建设洪水演进正向推演和逆向推演，研发预演系统，进而驱动应急预案数字化。构建知识库、应用、移动App等多个功能模块，支撑水利工程智慧化生产运营，提高工程日常工作信息化管理能力和综合决策能力。
——完善网络安全防护。从技术防范和安全管理等方面对网络安全防护体系进行升级增强，提高数字孪生平台的网络安全防护能力，进而提升服务经济社会高质量发展的水安全保障能力。
在数字孪生技术的加持下，乌鲁瓦提这个承载着和田百万儿女希望和梦想的“伟大的父亲”，正在数字化转型征程中阔步迈进。
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