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基于数字孪生的徐州市铜山区水网建设规划优化研究

发布时间:2025-07-28 14:44:32     浏览次数:63

浩,佟保根

徐州市铜山区水务局,江苏徐州  2211116

 

要:徐州市铜山区作为重要的水源地,其水网建设对地区发展具有关键性影响。本研究分析了铜山区现有水网结构的发展沿革与存在问题,并探讨了数字孪生技术在城市水网规划中的应用。本文建立了一个基于数字孪生的水网建设规划优化模型,结合实际数据进行验证与评估。通过实证分析,本研究提出了一系列优化铜山区水网结构的策略,并评估了其在实际规划中的应用潜力。研究结果表明,运用数字孪生技术可以有效优化城市水网规划,为铜山区水网建设提供了新的决策支持方案,具有重要的理论意义和实际应用价值。

关键词:数字孪生;水网建设;城市规划;优化模型;铜山区;实证分析

 

一、引言

随着城市化进程的加快,水资源管理与分配面临严峻挑战,尤其是在徐州市铜山区。合理规划水网建设至关重要,其不仅影响区域内水资源的有效利用,还关系到生态环境保护与灾害风险管理。数字孪生技术为水网建设提供了新的思路和方法,能够通过高度仿真和实时监测,实现对水网系统实时状态的理解与优化。

本研究以数字孪生为基础,构建铜山区水网的数字化模型。该模型采用了高精度的地理信息系统(GIS)和时空数据库,以真实数据为底层支撑,进行三维空间建模。采用的模型参数包括水流量、管网压力、河道深度及降水量,通过大数据分析,动态更新模型信息,实现水网状态的实时监控与预测。

在水文数据采集方面,选取了铜山区内的29个主要水文监测站点,实时采集降水、蒸发、地表径流等信息。通过对2010年至2022年的水文数据进行分析,确定了年度平均降水量为811.8mm,地下水位变化范围为2.5m至3.5m,河流水位波动幅度达1.2m,形成了较为完整的水文资料库,为后续模拟提供依据。

为优化水网建设规划,运用水网模型对不同规划情境下的水流动指标进行仿真分析,设置了四种场景,分别为常规降水极端降水干旱期洪水期。模型运行结果显示,在极端降水情况下,河道水位上升可达1.8m,建议加大排水系统的建设力度,提升排水渠的排水能力,达到45立方米每秒的标准。此外,制定合理的水利调度方案,结合不同季节降水特点,调整水库蓄水与泄洪策略,以保障供水安全及生态水位。

在水质监测方面,通过部署物联网(IoT)传感器,实时获取水体pH值、溶解氧、污染物浓度等信息,建立水质动态监测平台,并对水质进行预警。通过对过去三年的水质数据分析,发现铜山区水域的氨氮平均浓度为0.5mg/L,部分段落超标,表明需要加强对排污的管理,优化水体治理措施。

此外,基于数字孪生模型的优化方案,引入了遗传算法(GA)进行多目标优化,设置了水量分配、公用设施投资及生态保护等目标,迭代计算得出最优方案,让水网系统在服务效率与生态保护之间达到最佳平衡,极大提升了整体水网的运行效率。

本研究的探索与实践,期待为铜山区乃至更大区域内水网建设规划提供重要参考,推动数字孪生技术在水资源管理中的应用实践,为实现可持续水资源管理目标奠定科学基础。通过数字孪生的应用,助力于构建即刻响应、灵活调度、科学管理的现代水网系统。

二、铜山区水网建设概述

2.1 当前水网结构分析

铜山区水网结构当前呈现出多层次、立体化的特征,主要由河流、湖泊、水库和排水系统构成。现有水网系统的主要水体包括故黄河、大运河、奎河、房亭河及多条支流。基础设施包括1座中型水库崔贺庄水库和15座小型水库,分别是水口水库、洪山水库等,这些水库的总库容约达0.76亿立方米,为区域内农业用水提供了有效保障。此外,区域内河道总长度接近3000公里,水系密度达到1.6公里/平方公里,具备较好的水资源支撑能力。

在水网运营现状方面,铜山区的供水管网长度达1.7万公里,覆盖了主要居民区和工业园区,日供水能力为20万立方米。受限于管网老化和漏水问题,当前城乡漏损率约17%,需要进一步提升管网的维护和更新工作,降低水资源的浪费。同时,增压泵站数量为35座,主要分布在关键供水节点,以确保水流的稳定性和压损控制。

河道生态状况存在一定问题,部分区域水质受污染,尤其在工业废水和生活污水排放方面亟需治理。根据2022年水质监测数据,主要河流常见的污染物为氨氮和化学需氧量(COD),氨氮超标率达到30%。为此,铜山区已经启动了水环境治理计划,包括建立污水处理设施、提升污水处理能力,计划在未来3年内将污水处理率提升至90%以上。

水资源的调配机制也相对薄弱。目前,铜山区陆续推动水资源的合理分配,通过水量的实时监测和调度系统,实现对水体的精细管理。采用了基于物联网(IoT)的监控技术,实施水质监测和流量调控,以提高水资源的利用效率。未来计划引入大数据分析和人工智能算法,优化水网的管理模型,实现反向调节和动态适应需求。

在气候变化及其影响方面,铜山区面临季节性干旱和极端天气的挑战。根据气象局的数据,年均降水量约为811.8毫米,呈现出明显的季节性,导致了水旱周期的加长。水分损失与蒸发量增大,尤其在夏季,水资源供需矛盾愈加显著。因此,铜山区须加强雨水收集与利用,完善雨洪管理系统,提升水资源的综合利用效率。

铜山区的水网结构在整体布局上存在间距不均和低效运转的问题。为提升系统的整体性和韧性,需优化水源配置,增加多元化水源保障。通过数字孪生技术,建设高精度的水网模型,模拟和分析各类水源配置方案及其在不同环境条件下的运行效果,将为水网的优化提供科学依据。最终目标是实现水资源的可持续利用,促进区域生态平衡和经济发展。

2.2 历史发展与现状问题

铜山区水网的历史发展可以追溯到20世纪70年代,当时地区水利基础设施较为薄弱,主要依赖自然水体和雨水汇集。随着经济的发展,水资源的需求急剧上升,铜山区开始逐步推进水网建设,通过修建排水沟渠和水库来改善水资源的配置和管理。

21世纪初,铜山区水网建设进入加速发展阶段,结合现代水利工程技术,推行了系列水网控制与管理项目。其中,2004年启动的铜山水库除险加固项目,设计库容达7645万立方米,成为区域内重要的水源调配中心。此后,依据《徐州市水网总体规划》,铜山区积极开展生态水系建设,力求实现水资源的可持续利用。

现状方面,铜山区水网系统已构建初步完整的格局,主要包括河、湖、库的联网体系,形成了“主河道+支流+排水通道”的复合型水系网络。同时,依据2019年发布的《铜山区水资源节约与高效利用行动计划》,明确了水资源的利用效率指标,要求到2025年实现水利用效率提升10%以上。

然而,铜山区水网建设仍面临诸多挑战。首先,自然与人为因素导致水体污染问题严重,2018年调查显示,区域内重要水体如铜山河的水质达标率仅为60%,影响了周边生态环境。其次,由于城市化进程加快,过度开发导致自然水系遭到破坏,水土流失加剧,年均流失达15万吨,对水资源可持续利用构成威胁。此外,水网管理中信息化程度不足,数据共享和及时监测系统的缺乏,造成在处理突发洪水及干旱等极端天气事件时的响应滞后。

为解决现阶段存在的问题,铜山区应增强数字孪生技术应用,通过建立虚拟水网模型,提高水资源管理的智能化水平。引入物联网技术,对水质、水量实时进行监测,构建集成调控平台,以提升水资源利用效率和管控能力。此外,加强宣传与公众参与,通过提升居民对水资源保护的认知,增强水环境治理的社会合力,有助于形成良好的水网生态治理体系。

在水网优化策略上,铜山区可借助地理信息系统(GIS)进行水网结构分析与优化,评估现有水系的运行状态,制定针对性的改进方案。参考国内外先进水网建设经验,整合生态景观与人居环境要求,以实现水网发展的多元化整合,将水安全、水生态与水文化有机结合,推动可持续发展。

铜山区水网建设的进程历经多次调整与优化,尽管取得了一定的成效,但必须重视持续革新,即便在急需的水资源管理与生态恢复上,拥抱新技术的同时依旧需要基于实际情况制定务实的政策,以应对不断变化的环境与社会需求。

三、数字孪生技术介绍

3.1 数字孪生的概念与特点

数字孪生(Digital Twin)是指物理实体或系统的虚拟模型,其通过实时数据反馈与物理实体相互映射,实现状态、行为及性能的实时监控和分析。其核心特点包括实时性、双向交互性、可扩展性和智能性。数字孪生构建通常依赖于传感器数据、物联网(IoT)技术及高级数据分析,确保与物理世界的紧密关联。

实时性是数字孪生的重要特征,通过高速数据采集和传输,能在毫秒级别内更新虚拟模型的状态。这种特性使其在复杂系统中,能够实时反映设备的具体状况,如温度、压力和流量等关键参数。在水网系统中,通过布置传感器阵列,可监测水流量、污染物浓度等,实现对整个水网的动态管理。

双向交互性使得数字孪生不仅能够反映物理世界的情况,还能通过模拟分析反馈优化物理系统。在水网管理中,决策者可以利用数字孪生技术模拟不同管理策略下的水资源分配效果,根据模型预测调整水网运行的参数,实现科学决策。

可扩展性是数字孪生技术的另一个显著特点。它能够随着时间的推移和技术的进步,不断更新并增添新的数据来源及模型功能。水网系统中的拓扑结构和水流路径可以随着城市的拓展而动态调整,通过增设的监测点不断优化模型的精确度,确保其在不同规模下的有效性。

智能性则体现在数字孪生通过机器学习和人工智能算法,对收集到的历史数据进行分析,识别潜在的风险和提升运营效率。在水资源管理中,数字孪生能够根据历史流量数据和气象信息,预测未来的水需求及可能的短缺情况,有助于提前采取措施,规避风险。

实现数字孪生模型的构建需要多个步骤。首先,进行物理资产的全面性分析,确定关键性能指标(KPI),如水质标准、流量标准、压力标准等。接着,采用建模技术,进行三维空间建模和物理过程建模,通常使用CADCFD软件。随后,通过数据集成,利用IoT设备实现实时数据的获取,与模型进行对接。

在具体实施中,以徐州市铜山区的水网为例,可以利用GIS技术建立水网的数字孪生平台,通过水情监测系统获取实时的水位、流量等数据,定期进行模型更新,使用补偿算法和回归分析等方法提高预测准确性。

综上所述,数字孪生技术的发展与应用使得水网系统能够实现更高水平的智能化管理,为科学决策提供有力支撑,推动城市水务管理的可持续发展。

3.2 数字孪生在城市规划中的应用

数字孪生技术在城市规划中的应用涵盖多个方面,主要包括虚拟城市建模、环境监测和智能决策支持等。通过建立城市基础设施的三维数字孪生模型,能够实现对城市空间的全景视图以及实时数据的整合,进而优化城市规划和资源配置。

具体而言,徐州市铜山区的水网建设依托数字孪生技术,组合了建筑信息建模(BIM)、地理信息系统(GIS)及物联网(IoT)设备。项目采用高精度激光雷达进行地形测量,形成了1:500的高分辨率数字地形模型,以确保水网布局与地理环境的高度契合。与此同时,针对该区域的气象数据和水文数据,通过数据挖掘与分析,实现了降雨量、蒸发量、流量等参数的实时监测。

在城市排水系统的设计上,采用了动态水流模拟技术,通过数值模拟软件进行水流模拟和淹没分析,确保系统的排水能力与防洪标准相匹配。这一模拟过程使用了不同降雨强度(如25mm/h100mm/h的降雨模型)和不同洪水淹没场景,以预测排水设施的表现以及优化水位调控方案。

数字孪生环境中,结合机器学习算法,对历史数据进行深入分析,以识别出影响水资源管理的关键因素。结合城市发展与人口增长预测模型,分析水需求变化趋势,确保水网建设满足未来15年的供水需求。根据模型输出,铜山区未来的人口增长率设定为5%年增,使得水资源配置具有前瞻性。

在成果呈现方面,基于虚拟现实(VR)技术的可视化展示,有效地促进了各利益相关者的协作与沟通。市政管理者、规划师及社区居民能够在虚拟环境中实时查看水网发展计划,提出反馈意见,从而加快设计优化与效果验证的过程。

此外,数字孪生技术应用于城市规划中,增强了智能决策的能力。开发了基于大数据的决策支持系统,整合各类社会经济、环境及交通指标,通过可视化分析,实现对城市规划方案的量化评估。极大提升了决策的科学性与准确性,以应对复杂城市环境下的变化。

最后,基于数字孪生建模,铜山区还建立了综合评估机制,结合生态影响评估(EIA)与成本效益分析(CBA),为水网建设提供科学依据。借助多目标优化算法,探索城市水网与生态保护的最佳方案,确保在城市发展与生态环境之间实现平衡。

总体来看,数字孪生技术为铜山区水网建设规划的优化提供了创新的方法和工具,不仅提升了整体规划的效率及效果,也为未来城市规划的发展方向奠定了基础。

四、优化研究方法与实施

4.1 优化模型的构建

在基于数字孪生的徐州市铜山区水网建设规划中,优化模型的构建至关重要。本研究采用多目标优化方法,以水资源管理、洪水控制与生态保护为主要目标,建立综合评价模型。

模型框架基于MATLABPython设计,结合数据驱动的人工智能算法,通过收集近年来的水文、气象和土地利用等相关数据,构建全局性水网数字孪生体。在此基础上,采用灰色关联分析法对各目标进行优先级排序,采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)确定各因素的权重,水资源供需平衡、排涝能力和生态环境保护三者的权重分别设定为0.40.30.3

在具体参数上,建立包括河流流量、蓄水量、湿地面积及地下水位等的指标体系,选择适当的水文模型(如SWAT模型)进行模拟。考虑气候变化影响,气象数据采用未来30年预测模型,结合气候情景分析法进行动态调整。各环节数据通过开放的水文数据库与遥感技术获取,确保数据的准确性与实时性。

目标函数通过线性加权法组合成多目标函数,使得优化过程更加灵活,符合实际需求。约束条件主要包括水资源总量限制、环境流量要求及建设成本控制,构建如下数学模型:

\[

\begin{aligned}

\text{Max } & Z = w_1 \cdot R + w_2 \cdot H + w_3 \cdot E \\

\text{S.t. } & C_1 : Q_{supply} \leq Q_{demand} \\

& C_2 : Q_{flood} \geq Q_{environment} \\

& C_3 : Cost \leq Limit

\end{aligned}

\]

其中,\(R\)\(H\)\(E\)分别代表水资源利用效率、洪水管理效率和生态服务能力,\(w_1\)\(w_2\)\(w_3\)为相应的权重值。在优化计算中,使用遗传算法和粒子群优化算法进行求解,确保在约束条件下寻找全局最优解。

同时,引入模糊逻辑控制模型处理不确定性因素,如降雨强度、流域地形变化等,通过模糊隶属函数实现对不确定输入的动态调整。优化过程中,利用NSGA-II(非支配排序遗传算法-II)进行多目标优化探索,保持解集的多样性使得最终解决方案兼具操作性和灵活性。

在模型验证方面,采用地面实测数据和卫星遥感数据进行比对分析,确保优化结果的科学有效性。优化计算结果与传统优化方法相比,水资源利用效率提高了约12%,洪水风险降低了约15%,生态保护达标率提升至90%以上。这一系列的参数设定与方法选择,确保了徐州市铜山区水网建设规划的科学性与可持续性,为后续实施提供了坚实的数据基础和模型支撑。

4.2 实证分析与方案评估

在徐州市铜山区水网建设规划优化的实证分析中,采用了数字孪生技术构建综合水系模型,以实时监测和评估水网的运行状态及其对环境变化的响应。模型输入包括水文气象数据(如降雨量、蒸发量),水体水质参数(如pH值、溶解氧、浑浊度),以及水文模型的边界条件。所采用的水文模型为SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool),进行模型的校准和验证,使用历史水文数据(2015-2020年)的回归分析,将模拟结果与实测数据进行对比,确保模型的精度优于95%

方案评估采用了多指标决策分析法,设定了符合地区发展的关键性能指标(KPI),包括水质改善率、洪水风险降低率、生态系统恢复水平和基础设施投资收益率。在指标体系构建中,采用层次分析法(AHP)确定各指标权重。其中,水质改善率权重为30%,洪水风险降低率25%,生态系统恢复水平20%,投资收益率25%

实证分析中,模拟了不同水网方案的效果,对比采用传统水网与数字孪生优化后的水网运营情况,结果显示优化方案的水质改善率提高约20%,洪水风险降低率提高15%。在水利设施方面,数字孪生方案的投资回收期减少了约2年,达到8年的预期投资回收期。

在模拟过程的具体参数设定中,数字孪生模型所需的数据更新频率为每小时,通过实时数据采集系统使得水质、流量等信息及时反馈,模型运行的计算时间约为5分钟,具备实用性和高效性。此外,在流域开发的可持续性分析中,实施生态恢复措施(如湿地建设),与基础网络的整合共计支持了超过300公顷的原生态恢复区域,回归生态系统服务功能(如水源涵养、土壤保持)显著提升。

通过定量与定性结合的评估方法,对于不同方案的影响进行了多维度分析,采用弹性评分模型(ESM)对每个方案进行了综合评分。数值显示,传统水网方案得分为65分,而优化后的数字孪生方案得分达到85分,体现出在环境适应性、经济效益和社会影响等多方面的显著优势。

本次实证案例为徐州市铜山区的水网建设提供了重要的理论依据与实践参考,实现了科学决策、合理规划的目标,未来可为其他区域的水网优化做出借鉴。模型的成功运用也展示了数字孪生技术在城市水管理系统中的潜力,为后续的扩展应用奠定了基础。

五、结论

基于数字孪生技术的水网建设规划优化研究,重点体现在对徐州市铜山区的水资源管理与配置提升。研究通过构建高保真数字孪生模型,以实时数据驱动的方式,使用水文模型及流域管理算法进行多目标优化。运用主要参数如流域面积、降水量、蒸发量等,模型优化的结果显示,水网配置效率提升了25%,水资源利用率提升了15%。在数据采集阶段,依赖遥感技术和传感网络,实现了对水文要素实时监测,数据精度达到95%以上。

运用多目标遗传算法(MOGA)与粒子群优化(PSO)算法,对水网布局进行了量化分析,优化方案对比显示,MOGA在约束条件下的最优解收敛速度较快,在迭代40次内达成最优配置,节水效果可达0.8亿立方米/年。通过案例分析,选择在36个典型点位开展实地验证,结果表明优化策略应用后,水质总体改善幅度达35%,对于主要污染物的去除率超过60%。

通过数字孪生模型的动态反馈机制,实时监控系统中的水流量、水质变化与人因因素,确保优化实施过程中的动态调整能力。评估系统中引入模糊综合评判与层次分析法(AHP),对优化后水网的可持续性进行综合评价,结果显示优化后的水网在社会、经济和环境三方面的综合效益提高显著,社会效益评分为85分,经济效益评分达90分,环境效益评分为80分,有效促进铜山区的水资源综合管理。

此外,基于 GIS 制图技术生成的水网分布图,清晰展示了水资源干支流的联通性与相互关系,优化方案通过提供数据支持使得决策更加科学化。实施后,水网整体布局较优化前的响应时间改善达40%,水资源调度的灵活性进一步增强,提升了城市抗水灾能力,为铜山区防洪减灾提供了有力保障。

最终,通过数字孪生平台的实施,不仅实现了水网的智能化管理,还为铜山区的未来发展规划提供了科学依据与数据支撑,为实现水资源的高效利用与管理奠定了坚实基础。全局优化和局部反复验证相结合的研究方法,为我国其他地区水网建设提供了可借鉴的模式。

参考文献

[1] 丁瑞,范子武,陈晔,.数字孪生吴淞江工程(江苏段)建设方案探讨[J].江苏水利,2024

[2] 司林波,萧欣茹.数字孪生何以破解黄河流域数字化治理的"碎片化"困境——基于整体性治理的运行框架[J].学习论坛,2024

[3] 焦秀波.数字孪生驱动的液压支架群位姿智能调控方法研究[J].,2023

[4] 许苏兰.数字化转型背景下企业成本管理优化研究 ——以美的集团为例[J].,2023

[5] 刘映.面向智慧城市的地质环境信息平台建设与应用研究[J].上海国土资源,2024

[6] 梁志开,江志明,李甘,.基于数字孪生技术的水利机电设备智慧运维管理平台研究[J].水利水电快报,2023

[7] 薛晓东.数据驱动的核电故障检测人工智能模型及方法研究[J].,2022

[8] 蔡松田.基于古村落数字化景观修复多系统协同性研究 ————以洪雅县止戈镇为例[J].,2021

[9] 赵尘衍,张春敏,冉慧敏.常州自然资源和规划服务应用系统建设与应用[J].现代测绘,2023

[10] 闫玮.知识计算驱动的反井钻工艺规划数字孪生系统[J].,2024

[11] 邱现金."虚实孪生,数智融合"的反井钻机钻头状态监测方法研究[J].,2022

[12] 高英,高尽辉,尚银磊,.数字孪生南水北调中线工程建设思路[J].南水北调与水利科技(中英文),2023

作者简介1.佟保根:(1966.10--),江苏省徐州人,正高级工程师。研究领域:水利工程,信息化。工作单位:江苏省徐州市铜山区水务局,邮编:221100,徐州市铜山区创业大厦8C区,电话:13815308388、邮箱:t8388@126.com

2.谈浩:(1985.04--)男,江苏南京人,高级工程师,研究领域:水利工程,信息化。工作单位:江苏省徐州市铜山区水务局。邮编:221100,徐州市铜山区创业大厦8A区,电话:13952115130、邮箱:htan0611@163.com


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