数字孪生技术在水资源管理中的应用

2023年10月17日 10:58

  数字孪生技术的发展,使得数字孪生模型在水资源管理中得到了广泛的应用。文章首先介绍了数字孪生技术的概念和分类,然后从监测、模拟、预测和决策四个方面阐述了数字孪生技术在水资源管理中的应用,最后结合数字孪生技术在我国的发展现状,提出了我国开展数字孪生技术应用的建议。

  一、数字孪生技术的概念和分类

  数字孪生技术是一种新兴的技术,由美国麻省理工学院(MIT)提出。其核心概念是将物理实体在虚拟空间中映射,通过数据收集、模型建立和优化等操作,构建一个虚拟的“数字孪生体”,该“数字孪生体”在虚拟空间中与真实世界中的实体完全一致。数字孪生技术的基本原理是通过数据驱动模型来实现物理实体的复制。

  数字孪生模型包括传感器、传感器数据、仿真软件、智能设备等。从应用场景来看,可以分为基础设施数字孪生模型、工业产品数字孪生模型、生物生命数字孪生模型等。在水资源管理领域,一般指通过传感器收集监测数据,然后建立模型,利用模型进行模拟仿真分析的过程。

  二、监测方面

  水资源管理中,监测是保障数据精准和有效的基础。在监测方面,数字孪生模型可以对水位、流量、水质等信息进行动态监测,并对数据进行快速采集和分析。通过对水位、流量、水质等信息的实时监测,可及时掌握河流水质状况、水生态环境状况以及水量供需状况等。通过对地下水位和水质的实时监测,可及时掌握地下水超采情况以及地下水污染情况等,并对地下水超采区进行科学调整。

  目前,数字孪生模型在水资源管理中的应用主要集中于监测数据的收集和分析方面。下一步应重点关注监测数据的及时采集和传输、监测数据的动态分析及实时反馈,并根据模型预测结果和水资源管理需求对监测数据进行调整,不断提高数字孪生模型在水资源管理中的应用效果。

  三、模拟方面

  在数字孪生模型中,可以模拟水资源系统中的水循环过程、水资源开发利用、水环境变化以及生态过程等,分析水资源系统中各要素的相互作用关系,并对未来水循环进行预测和模拟。通过数字孪生模型,可以获取实时的水循环信息,并通过模型系统进行数据模拟分析。例如,在水库调度过程中,通过数字孪生技术对水库的运行过程进行模拟,可得到水库的水位、库容等信息。再如,在洪水预报过程中,可以利用数字孪生技术对未来洪水进行模拟,确定未来洪水的淹没范围、淹没时间和淹没深度等信息。此外,在城市水系统模拟中也有一定应用。

  四、预测与决策方面

  数字孪生技术可以提供水循环全过程模拟,利用水循环模型和水环境模型,对水文循环进行动态模拟,实现对未来一段时间的水资源利用状况的预测,为水资源管理部门提供决策支持。例如,在预测方面,利用水循环模型和水环境模型,可以实现对未来一段时间内的水资源利用情况进行预测;在决策方面,可实现对水资源管理方案进行优化调整,如调整灌溉规模、调整取水方式、调整产业结构等。如图4所示。

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