大型灌區(qū)是我國重要的商品糧、棉、油生產(chǎn)基地,是國家糧食安全和用水安全的重要保障,是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前,大型灌區(qū)灌溉用水量在1100億m³左右,灌溉畝均水量約422m³。據(jù)2022年最新統(tǒng)計數(shù)據(jù),全國大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量約為1140.7億m³,實際灌溉面積為25792萬畝,耕地灌溉畝均用水量為442m³,農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.536。
1998年,國家啟動實施大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造,有434處灌區(qū)列入《全國大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃》。截至2019年底,434處灌區(qū)累計安排骨干工程改造總投資1441億元，其中中央預(yù)算內(nèi)投資959億元，用于持續(xù)推進(jìn)以節(jié)水為中心的灌區(qū)骨干灌排工程配套改造，完善用水計量設(shè)施，深化灌區(qū)管理體制改革和推進(jìn)灌區(qū)水價綜合改革。
雖然大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程普遍提高了灌排工程安全性能和灌區(qū)輸配水效率、農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力明顯提高，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整加快、灌區(qū)節(jié)水效益，灌溉用水效率大幅提升，灌區(qū)管理體制改革不斷深化，“兩費”得到落實。
但是，我國大型灌區(qū)仍存在灌排設(shè)施老化失修病危、水資源供需矛盾突出用水效率不高、灌區(qū)生態(tài)環(huán)境亟待改善、灌區(qū)信息化建設(shè)滯后、灌區(qū)管理能力和服務(wù)水平不高等突出短板和薄弱環(huán)節(jié)。
問題一：灌排設(shè)施仍存在突出短板和薄弱環(huán)節(jié)
目前，已有設(shè)施老化失修，病險、“卡脖子”等骨干工程問題突出，大型灌區(qū)骨干工程中有60%的渠道、30%的渠系建筑物和70%的排水溝沒有得到系統(tǒng)的改造，骨干工程的完好率約為65%。已實施配套改造的灌區(qū)，主要是對病險、“卡脖子”，等骨干工程進(jìn)行配套改造，有效灌溉面積僅達(dá)到設(shè)計的88%，與高質(zhì)量發(fā)展要求，相比仍有一定差距。
問題二：灌區(qū)功能拓展，水資源供需矛盾突出，用水效率不高
多數(shù)大型灌區(qū)已從單一的灌溉供水功能逐步拓展為灌溉、城鄉(xiāng)生活、工業(yè)、生態(tài)等多功能供水，承擔(dān)著更多的供水重任，但大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)僅為0.505，用水方式仍較為粗放，水資源節(jié)約集約利用水平還不高。
問題三：灌區(qū)生態(tài)環(huán)境亟待改善
灌溉是用水大戶、用地大戶，長期以來形成的重建設(shè)、輕保護(hù)發(fā)展方式，使得水資源短缺地區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化，部分地區(qū)長期大量使用化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等造成的環(huán)境污染仍未得到有效控制。
問題四：灌區(qū)信息化建設(shè)滯后
灌區(qū)信息化起步晚、標(biāo)準(zhǔn)低，只有部分灌區(qū)不同程度開展了信息化建設(shè)。建設(shè)的投資規(guī)模及應(yīng)用程度還較低，尚不能很好地適應(yīng)新時期灌區(qū)調(diào)度、工程及用水等管理需求，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求相比仍有一定差距。用水計量設(shè)施缺乏，目前干支渠道量測水設(shè)施安裝率只有70%，斗口量測水設(shè)施安裝率僅為36%。
問題五：灌區(qū)管理能力和服務(wù)水平仍待提高
大型灌區(qū)已基本完成管理體制改革，但改革配套政策措施落實情況差異較大，目前灌區(qū)“兩費”(公益性人員基本支出和公益性工程維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費)綜合落實率僅為65%、部分灌區(qū)“兩費”持續(xù)得不到落實。農(nóng)業(yè)水價綜合改革不到位，農(nóng)業(yè)灌溉執(zhí)行水價不足運行成本水價的一半，水價調(diào)整難、長期維持低水平，農(nóng)業(yè)水費收取率不足70%。
因此， 為持續(xù)提升農(nóng)業(yè)灌溉用水效率和糧食綜合生產(chǎn)能力，確保國家糧食安全，水利部、國家發(fā)改委近日正式印發(fā)了《“十四五”重大農(nóng)業(yè)節(jié)水供水工程實施方案》，從現(xiàn)有459處大型灌區(qū)中擇優(yōu)遴選出124處灌區(qū)及以后要新建的70座大型灌區(qū)(規(guī)劃灌溉總面積5504萬畝)、584座中型灌區(qū)(規(guī)劃灌溉總面積2684萬畝，其中重點灌區(qū)203座，規(guī)劃灌溉總面積1770萬畝)進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)，全國大型灌區(qū)總量將達(dá)到529座。主要工作目標(biāo)為：灌溉保證率達(dá)到設(shè)計以上水平，骨干灌排設(shè)施完好率達(dá)到90%以上，“兩費”(公益性人員基本支出和公益性工程維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費財政補(bǔ)助，下同)落實率達(dá)到95%以上，灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.55以上，灌區(qū)信息化覆蓋率達(dá)到80%以上
大型灌區(qū)現(xiàn)代化是一個逐步發(fā)展、不斷成熟、全面實現(xiàn)的過程。根據(jù)國家現(xiàn)代化和水利現(xiàn)代化發(fā)展要求，灌區(qū)現(xiàn)代化的內(nèi)涵可以概括為：用人與自然和諧相處、全面系統(tǒng)的現(xiàn)代理念指導(dǎo)灌區(qū)建設(shè)，用先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)工藝、先進(jìn)設(shè)備打造灌區(qū)工程設(shè)施，用現(xiàn)代科技引領(lǐng)灌區(qū)發(fā)展，用現(xiàn)代管理制度、良性管理機(jī)制完善灌區(qū)管理，建立公平、可靠、靈活的供水服務(wù)和有效的防災(zāi)減災(zāi)體系，大幅度提高灌區(qū)水資源利用效率和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，為國家糧食安全、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設(shè)、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和國家現(xiàn)代化提供牢固基礎(chǔ)支撐。
國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”。水利部高度重視智慧水利建設(shè)，將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實施路徑之一，并將智慧水利作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志。
為推進(jìn)大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，貫徹落實水利部黨組關(guān)于智慧水利建設(shè)的有關(guān)決策部署，水利部決定開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作。數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容，是提升灌區(qū)建設(shè)管理水平的有效手段?！?ldquo;十四五”重大農(nóng)業(yè)節(jié)水供水工程實施方案》明確指出，要實現(xiàn)灌區(qū)管理和用水調(diào)度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。2022年全國水利工作會議明確要求，打造一批現(xiàn)代化數(shù)字灌區(qū)。數(shù)字孿生灌區(qū)是以物理灌區(qū)為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對物理灌區(qū)全要素和建設(shè)運行全過程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，與物理灌區(qū)同步仿真運行‘虛實交互、迭代優(yōu)化，實現(xiàn)對物理灌區(qū)的實時監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調(diào)度的新型基礎(chǔ)設(shè)施。
數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試項目作為新興技術(shù)應(yīng)用在水利管理中的重要實踐，數(shù)字孿生技術(shù)本身及其在灌區(qū)的應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，雖然展示了巨大的潛力和優(yōu)勢，但也面臨感知控制手段落后、數(shù)據(jù)采集與共享不足、模型預(yù)測精度較低、持續(xù)運維意識不強(qiáng)等挑戰(zhàn)和問題。
感知控制手段落后:感知設(shè)備不至少、計量方式傳統(tǒng)切精度低，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制，放多少方水，完全依賴操作人員經(jīng)驗，難以實時適量供水。
數(shù)據(jù)采集與共享不足：由于大型灌區(qū)管理面較廣，包括水庫、河道、管道、渠道、泵站、農(nóng)田等場景，設(shè)備設(shè)施技術(shù)類型多，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、系統(tǒng)集成復(fù)雜度高，造成數(shù)據(jù)采集與共享不足。
模型預(yù)測精度較低：數(shù)字孿生模型的難以高度精確反映實體灌區(qū)的運行狀態(tài)，但模型的建立與校驗過程復(fù)雜，模型的精度與實用性可能受限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和算法的優(yōu)化程度。
持續(xù)運維意識不強(qiáng)：數(shù)字孿生灌區(qū)的有效運行依賴于持續(xù)的數(shù)據(jù)輸入和模型維護(hù)，許多項目只重視建設(shè)，忽略了對信息化的運營維護(hù)與持續(xù)更新，建設(shè)效益難以維系。
基于以上背景，研博數(shù)據(jù)以全面實現(xiàn)現(xiàn)代化灌區(qū)為目標(biāo)導(dǎo)向，以《數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)技術(shù)指南(試行)》為設(shè)計依據(jù), 結(jié)合自身技術(shù)特點和實踐經(jīng)驗，推出了具有研博特色的數(shù)字孿生灌區(qū)解決方案。該方案強(qiáng)調(diào)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)與灌區(qū)管理工作的融合，推進(jìn)灌區(qū)數(shù)字化、監(jiān)控自動化、調(diào)度智能化建設(shè)，提高灌區(qū)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案能力，動態(tài)優(yōu)化灌區(qū)水資源調(diào)度，充分發(fā)揮灌區(qū)綜合效益。
研博數(shù)據(jù)數(shù)字孿生灌區(qū)解決方案以水利部《數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)技術(shù)指南》為指導(dǎo)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)水資源精細(xì)化管理、水工程標(biāo)準(zhǔn)化管理、水灌溉科學(xué)化調(diào)度和水旱災(zāi)害防御四方面目標(biāo)。精細(xì)化水資源管理是指實現(xiàn)水量精準(zhǔn)統(tǒng)計，水費計收透明、水權(quán)結(jié)余流轉(zhuǎn)和水量調(diào)度科學(xué);水工程標(biāo)準(zhǔn)化管理是指對灌區(qū)水源工程和灌溉排水工程的運行、維護(hù)及安全管理等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)范化、程序化和科學(xué)化的管理;水灌溉科學(xué)化調(diào)度是指為滿足用水總量和定額管理的調(diào)度需求，提供安全高效的引水、輸配水、退水全渠系在線聯(lián)合調(diào)度方案;水旱災(zāi)害防御是強(qiáng)化灌區(qū)“四預(yù)”措施減輕或避免因水澇或干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來的影響。
數(shù)字孿生灌區(qū)各組成部分建設(shè)內(nèi)容如下：
1、構(gòu)建立體化感知體系
在現(xiàn)有信息采集站的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善灌區(qū)水情、工情、農(nóng)情、氣象等信息采集要素類型，加強(qiáng)人工采集點升級改造、 自動采集點建設(shè)和共享信息接入，形成系統(tǒng)化的監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)，包括“水源—渠首-渠中-渠尾-支渠-田間退水-排水渠”全程水量監(jiān)測站網(wǎng)，“取水-地下水-排水-用水”全程水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)，“取水-提水-輸配水-灌溉”全程工情監(jiān)測站網(wǎng)。同時，充分利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、視頻監(jiān)控、手持終端等新型監(jiān)測手段應(yīng)用，建設(shè)空間更廣、頻率更高的巡查機(jī)制，實現(xiàn)灌區(qū)多維度多時空動態(tài)監(jiān)測。
2、構(gòu)建自動化控制體系
利用自動化控制裝備以及系統(tǒng)，基于控制專網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、運營商專線等通訊技術(shù)，對灌區(qū)內(nèi)關(guān)鍵取水工程、泵站、閘門、閥門、機(jī)井等實現(xiàn)現(xiàn)地手動、遠(yuǎn)程控制和自動化控制，減少人工操作工作量，提高調(diào)配水效率。
3、數(shù)據(jù)資源梳理
依據(jù)一河一檔、一工程一檔案、一渠一檔案、一設(shè)備一檔案的要求，按照“一數(shù)一源一責(zé)”的原則，通過調(diào)查表填報、現(xiàn)場座談、實地踏勘、資料收集等多種方式，開展數(shù)據(jù)匯聚、治理、運維工作，梳理灌區(qū)數(shù)據(jù)資源體系，涵蓋灌區(qū)基本信息、作物種植信息、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、感知信息等，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和外部共享數(shù)據(jù)等多種類數(shù)據(jù)統(tǒng)一集聚的灌區(qū)數(shù)據(jù)庫，同時實現(xiàn)與省、市之間的數(shù)據(jù)共享交換，打通農(nóng)業(yè)農(nóng)村、氣象、國土、電力、灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)壁壘。
在水利部和水利廳共享的相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建設(shè)L3級地理空間數(shù)據(jù)，運用高分衛(wèi)星、無人機(jī)、圖片拍攝、水利工程設(shè)計圖、管網(wǎng)探測等手段，分別建設(shè)灌區(qū)L1,L2,L3級地理空間數(shù)據(jù)。主要包括數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、傾斜攝影影像、激光點云、水下地形、建筑信息模型等數(shù)據(jù)。
4、建設(shè)數(shù)據(jù)引擎
采用研博工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，建成灌區(qū)數(shù)據(jù)引擎，對梳理完成的數(shù)據(jù)資源，通過多元化采集、主體化匯集全部監(jiān)測數(shù)據(jù)，匯集全域數(shù)據(jù)。研博工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺具備大規(guī)模、高可用、高并發(fā)、低時延設(shè)備接入能力，能夠向下實現(xiàn)海量的多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、交互、傳輸、控制及應(yīng)用，向上為模型平臺、知識平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為技術(shù)人員、業(yè)務(wù)人員、管理人員提供行業(yè)場景化的數(shù)據(jù)服務(wù)。研博工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺涵蓋數(shù)據(jù)接入、設(shè)備管理、云邊協(xié)同、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能模塊，系統(tǒng)能夠消除數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)過程中的數(shù)據(jù)采集和共享機(jī)制不健全問題，賦能灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)。
5、建設(shè)灌區(qū)降雨預(yù)報模型
通過對接商業(yè)氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)，購買優(yōu)于5km*5km分辨率未來15天逐小時降雨數(shù)據(jù)和極端天氣預(yù)警數(shù)據(jù)服務(wù)，準(zhǔn)確的，高頻率更新的天氣預(yù)報可以幫助灌區(qū)優(yōu)化灌溉時機(jī)，節(jié)水增效，提前預(yù)警暴雨、暴雪、干旱、冰雹等極端天氣。
6、建立來水預(yù)報模型
根據(jù)灌區(qū)實際情況，對灌區(qū)歷史降雨數(shù)據(jù)、上游來水指標(biāo)、歷史上游來水量、水庫蓄水量、地下水位等進(jìn)行水量匯總分析，實現(xiàn)對灌區(qū)可供水量的預(yù)測。來水預(yù)報模型建設(shè)內(nèi)容包含河道取水?dāng)嗝?、水庫來水預(yù)報模型，模型須具備長、中、短多時間尺度來水預(yù)報能力，且適應(yīng)缺資料或無資料地區(qū)的來水預(yù)報。
7、建立農(nóng)業(yè)灌溉需水預(yù)測模型
用水分區(qū)計量模型構(gòu)建是按照“灌區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-行政村”口徑，根據(jù)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)，測算分析灌區(qū)水權(quán)指標(biāo)、理論控制定額等。同時，匯總計算同灌季同片區(qū)不同年度農(nóng)業(yè)灌溉用水總量及畝均水量，以兩者作為構(gòu)建灌溉需水預(yù)測模型的依據(jù)，從而用于預(yù)測農(nóng)作物需水量。
8、建設(shè)全渠聯(lián)合調(diào)度模型
灌區(qū)傳統(tǒng)輸輸配水控制方式以人工手動單閘操作為主，出水口水量控制不精準(zhǔn)，干渠水位變化引起聯(lián)動導(dǎo)致過灌或欠灌，退水棄水造成水資源浪費。全渠聯(lián)合調(diào)度模型能夠基于最優(yōu)控制理論的前饋反饋耦合控制算法，克服灌區(qū)傳統(tǒng)輸配水控制過程存在的強(qiáng)耦合性、大時滯性、多擾動性和不確定性四大難點，實現(xiàn)多個渠道/區(qū)段并行調(diào)度，多個輸配水計劃串行/并行執(zhí)行，將多個管理所制定的不同時段的多個需配水計劃合并為全渠系當(dāng)前的需配水計劃，并自動生成全渠系閘門調(diào)度方案，實現(xiàn)按需精準(zhǔn)灌溉，提升灌溉用水效率。
9、建設(shè)梯級泵站聯(lián)合調(diào)度模型
梯級泵站聯(lián)合調(diào)度模型由泵組優(yōu)化調(diào)度模型和梯級泵站揚程優(yōu)化模型兩部分組成。泵組優(yōu)化調(diào)度模型是在泵站確定的管路條件下，根據(jù)用戶輸入的目標(biāo)流量或目標(biāo)壓力，以滿足流量平衡和水泵運行健康狀態(tài)約束為前提，尋找可高效率運行的水泵運行組合，使得泵站的總運行能耗最小。梯級泵站揚程優(yōu)化模型在考慮水頭損失的基礎(chǔ)上可以得到總揚程在梯級泵站之間的最優(yōu)分布，使得梯級泵站總效率最大。
10、建設(shè)智能識別模型
需要建立的智能識別模型主要包括遙感識別模型、視頻識別模型和語音識別模型3類。遙感識別模型包括作物種植結(jié)構(gòu)監(jiān)測、作物長勢監(jiān)測、旱情監(jiān)測、灌溉面積提取、水利工程形變監(jiān)測等;視覺識別包括農(nóng)作物病害識別、作物長勢識別、周界入侵檢測、人員下水識別、水面漂浮物識別、自動水尺識別等場景。
11、建設(shè)可視化模型
基于L2和L3數(shù)據(jù)，通過用三維建模工具，建設(shè)自然背景、流場動態(tài)、水利工程、水利機(jī)電設(shè)備等4類可視化模型，為在業(yè)務(wù)應(yīng)用中真實展現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務(wù)場景提供支撐。
12、建設(shè)模擬仿真引擎
針對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、BIM模型等可視化數(shù)據(jù)，采用 “GIS+游戲引擎”融合高性能數(shù)字孿生仿真引擎，在滿足GIS高精度空間分析的同事，實現(xiàn)游戲級別高保真渲染與仿真，為流域數(shù)字孿生虛實映射、高保真模擬仿真提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動，為可視化模型提供模擬仿真的能力。
13、建設(shè)業(yè)務(wù)智能應(yīng)用體系
緊緊圍繞灌區(qū)灌溉管理、調(diào)度管理、計量管理、水費計收管理、提水安全運行管理、工程建設(shè)、水資源四預(yù)管理等相關(guān)科室急需的業(yè)務(wù)功能開展業(yè)務(wù)智能應(yīng)用體系建設(shè)，以實現(xiàn)水資源精細(xì)化管理、水工程標(biāo)準(zhǔn)化管理、水灌溉科學(xué)化調(diào)度和水旱災(zāi)害防御四方面目標(biāo)。灌區(qū)業(yè)務(wù)智能應(yīng)用體系包括水資源管理系統(tǒng)、量水與水量計收系統(tǒng)、微信小程序、智慧泵站加壓系統(tǒng)、水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)、灌區(qū)灌溉管理系統(tǒng)、灌區(qū)在線智慧調(diào)度系統(tǒng)、水旱災(zāi)害防御系統(tǒng)和移動APP。
