探索数字孪生技术助力水利工程建设管理的实施途径

引言：

水利工程作为国家基础设施的重要组成部分，其建设管理长期面临环境复杂、数据分散、协同困难等挑战，传统管理模式依赖人工经验和静态数据，难以应对动态变化的气候、地质和水文条件。随着物联网、大数据和人工智能等技术的发展，数字孪生技术应运而生，成为连接物理世界与数字世界的桥梁。国内外已在航空航天、智能制造等领域验证了其高效性与可靠性，但在水利工程中的应用仍处于探索阶段。

1.构建大坝结构数字孪生模型实时监测应力变形状态

数字孪生技术在大坝结构监测中的应用，为水利工程安全管理提供了全新的技术路径，借助构建大坝结构的数字孪生模型，可以实现对坝体应力、变形等关键参数的实时动态监测，从而突破传统人工巡检和单点传感器监测的局限性。数字孪生模型基于多源数据融合技术，将地质勘测数据、结构设计参数、材料性能指标以及实时传感器采集的变形、渗压、温度等信息进行集成，形成高精度的虚拟映射。数字孪生模型的构建需要攻克多学科协同的技术难题，需建立统一的数据标准，确保地质、结构、水文等异构数据的兼容性，其次要开发适应大坝特点的仿真算法，准确模拟混凝土老化、基础沉降等长期效应。该技术的应用价值不仅体现在风险预警方面，还能优化大坝的运行调度方案，例如通过模拟不同水位下的坝体响应，制定更科学的蓄水策略。数字孪生并非要取代传统监测手段，而是通过虚实交互实现优势互补——传感器网络提供实时数据流，数字模型进行深度分析，人工经验则负责最终判断。

2.运用水文动态孪生系统模拟库区泥沙淤积变化趋势

数字孪生技术在水库泥沙淤积管理中的应用，为解决这一长期困扰水利工程的难题提供了创新思路，构建水文动态孪生系统，可以整合流域地形、水文气象、泥沙输移等多维度数据，建立库区水沙运动的数字化镜像。该系统依托计算流体力学和泥沙运动理论，能够模拟不同来水来沙条件下库区淤积形态的时空演变过程，特别是对入库泥沙的输移、沉降和冲刷等关键环节进行高精度仿真。水文动态孪生系统的建设需要解决多尺度建模和不确定性量化等关键技术问题，系统需兼顾全库区宏观淤积格局与重点部位微观冲淤变化的协同模拟，在时间尺度上，则要实现从瞬时洪水事件到多年累积效应的跨周期预测[1]。该系统的应用价值不仅体现在淤积趋势预测方面，还能服务于水库的优化运行，例如通过模拟不同调度方案下的冲淤效果，评估生态泄洪对减少淤积的有效性。数字孪生系统的可靠性依赖于持续的数据同化和模型迭代，需要建立完善的监测-模拟-验证闭环机制。

3.开发闸门调度数字孪生平台优化防洪灌溉决策

数字孪生技术通过构建闸门调度数字孪生平台，可以整合水文监测数据、气象预报信息、渠道网络拓扑和闸门运行状态等多源数据，建立水利枢纽的虚拟映射系统。该平台基于水力学模型和优化算法，能够模拟不同闸门开度组合下的水流传播过程，预测下游水位变化和灌溉区域的水量分配情况。相较于传统的经验调度方式，数字孪生平台的优势在于其实时响应能力，当监测到降雨量或来水量异常时，系统可快速生成多种调度方案，并评估各方案的防洪效果和灌溉效益。

闸门调度数字孪生平台的开发需要攻克多目标优化和系统集成等技术难点，在功能设计上，平台需平衡防洪保安与供水保障的双重需求，通过智能算法寻找风险最小化和效益最大化的最优解，技术实现上要解决水文模型、控制算法与可视化界面的无缝衔接问题。平台的应用价值不仅体现在日常调度决策支持方面，还能服务于水利工程的长期规划，例如通过历史情景回溯和未来气候情景模拟，评估现有闸门系统的适应能力，为工程改造提供科学依据。

4.建立堤防安全孪生系统预警管涌渗漏风险点位

数字孪生技术为管涌渗漏等隐蔽性风险的早期预警提供了创新性解决方案，借助构建堤防安全数字孪生系统，可集成地质勘察数据、堤体结构参数、地下水位监测信息以及分布式光纤传感网络采集的实时渗流数据，建立堤防工程的虚拟映射模型。系统基于渗流力学理论和机器学习算法，能够模拟不同水位工况下堤防内部渗流场的变化规律，通过对比实测数据与理论模型的偏差，精准识别潜在管涌风险区域。堤防安全数字孪生系统的建设需要解决多物理场耦合和不确定性分析等关键技术难题，模型构建层面需综合考虑土体非均质性、各向异性等地质特征对渗流路径的影响，建立基于风险概率的分级响应策略，避免误报漏报。系统的应用价值不仅体现在汛期风险预警方面，还能服务于堤防的常态化管养，例如借助长期监测数据分析堤防渗流特性的演变规律，评估防渗加固措施的有效性，数字孪生系统的可靠性依赖于完善的传感器网络和稳定的数据传输，需要针对不同类型的堤防工程制定差异化的监测方案。

5.部署施工进度数字孪生看板动态跟踪主体工程进展

数字孪生技术在水利工程施工进度管理中的应用，为工程建设的可视化管控提供了创新手段，利用部署施工进度数字孪生看板，能够整合BIM模型、施工计划、资源调配和现场监测等多维数据，构建虚实融合的工程进度管理平台。看板基于4D施工模拟技术，将时间维度融入三维模型，实现对大坝主体、引水隧洞等关键工程部位的施工过程动态推演。相较于传统的甘特图进度管理方式，数字孪生看板的优势在于其具备时空可视化特性，能够直观展现各施工工序的逻辑关系和空间制约，对混凝土浇筑、灌浆作业等关键线路工序进行精准跟踪[2]。

施工进度数字孪生看板的实施需要攻克多源数据融合和进度预测等关键技术，解决不同施工管理系统间的数据接口问题，确保设计变更、材料进场等信息的实时同步，算法模型上要结合水利工程施工特点，开发考虑天气影响、地质条件等不确定因素的进度预测模型。看板的应用价值不仅体现在进度监控方面，还能服务于施工方案的优化比选，例如利用模拟不同施工组织设计下的工期差异，辅助决策最优施工路径，数字孪生看板的效能发挥依赖于施工现场的数字化基础，需要建立规范的数据采集标准和传输机制。

结语：

数字孪生技术为水利工程建设管理带来了革命性的变革机遇，其虚实结合、动态仿真的特性，能够显著提升工程管理的精细化与科学化水平。尽管目前技术应用仍面临数据集成、模型精度和标准化等挑战，但随着技术的不断成熟和行业实践的积累，数字孪生必将成为水利工程高质量发展的关键支撑。进一步深化技术融合、完善标准体系，推动数字孪生在更广泛的水利场景中落地，为水利现代化注入新动能。

参考文献：

[1]冯燕青. 数字孪生技术赋能水利工程建设管理路径 [J]. 智能建筑与智慧城市, 2025, (06): 177-179.

[2]林运东,张龙,刘勇. 数字孪生技术在水利工程运行管理中的分析与探索 [J]. 黑龙江水利科技, 2025, 53 (03): 168-170.