肇源县数字孪生灌区先行先试技术框架与建设布局

崔丽安

（黑龙江省农村水利水电保障中心，哈尔滨 150040）

关键字：数字孪生灌；先行先试；信息化监测；信息化管理；四预能力

0 引 言

数字孪生灌区建设作为新阶段水利高质量发展的重要内容，是深化智慧水利建设的重要一环，将通过数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，实现灌区“供水可靠、调度灵活、用水精准、防灾有力、管理智能”，对我国农业现代化、农业强国建设具有重要战略意义。数字孪生灌区建设包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用平台、网络安全体系、运行维护体系等方面。从数字孪生灌区的定位看，重点是提升灌区用水管理的精准决策能力，建设重点是算据、算法和算力方面的协同提升。灌区基于地形条件和管理需求，利用3S、物联网、人工智能、5G 等现代信息技术，汇集多种类型的传感终端，构建灌区涉水信息的透彻感知体系。同时，灌区应按照基础数据、地理空间数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据的分类方式，依据统一数据标准对多源异构数据进行调整，全面建设灌区数据底板。2022 年12 月，水利部办公厅下发《关于开展数字孪生灌区先行先试工作的通知》，肇源县中心灌区入选数字孪生灌区先行先试名单。

1 中心灌区基本情况

肇源县中心灌区是以松花江干流及其支流八家河为主要水源的提水灌区，是肇源县最大的提水灌区。中心灌区始建于1958 年，根据最新第三次土地调查成果，确定灌区总国土面积2.66 万hm2，灌区西起八家河，东到莲花排干，北邻安肇新河，南至松花江干流左岸堤防。地理坐标为E124°24'18″ ～125°56'40″，N 45°28'10″ ～45°34'2″ 之间。灌区设计灌溉面积1.12 万hm2，现状有效灌溉面积 1 万hm2，灌区控制范围为肇源县松干左岸沿江区，包括二站镇、和平乡、古恰镇和肇源镇 4 个乡镇。灌区内布置总干渠 1 条，干渠 2 条，均为已有渠道，分别为总干渠、东干渠、西干渠。自 2012 年至今，中心灌区内共计实施 7 次节水改造和高标准农田建设项目，共计完成 0.85 万hm2高标准农田建设。于 2019 年制定并实施农业水价综合改革方案，完成灌区供水成本核算，水源重点取水口已实现信息化计量，制定了灌区专管、群管工程分界点计量设施建设方案。灌区经过多次设计和建设，已具有一定的规模，对当地农业生产和经济发展具有重要支撑作用。

中心灌区管理单位为肇源县灌排中心，隶属于县水务局，属公益一类，按副科级事业单位管理，使用县中心灌区排灌管理站机构规格。经费形式为财政全额预算拨款。核定事业编制 85 名，内设机构 9 个（均为股级），分别为：办公室、调配股、机电维修股、工程维护股、中心站、聚宝山站、永利站、八家河站、立陡山站。肇源县中心灌区在《2018年肇源县中心灌区农业水价综合改革奖补项目》中配套建设了信息化监测设施，实现量水设施应配尽配率达 40%，初步实现灌区重点渠道水情的信息化监测，一定程度上提高灌区用水管理水平。主要建成了 10 处水情监测站点，其中 4 处全自动监测，6处半自动监测；2 处田间墒情监测站。

2 建设任务

中心灌区开展数字孪生灌区先行先试建设是我省数字孪生灌区工程试点，本次以中心灌区已建信息化为基础，在中心总干渠、东干渠、西干渠及所属支渠建立水情监测系统，并升级改造已建水情半自动监测站点，实现骨干渠系水情监测的信息化覆盖；为灌区泵站、强排站、排水站建立雨量监测系统并与气象单位实现数据共享，提高灌区防汛预警信息化监测能力；选取灌区田间典型区域、建立土壤墒情监测系统结合遥感影像采集，实时掌握区域内农情信息；对骨干渠系及重点建筑物建立视频监视系统，实现灌区工情实时监控；通过水情、雨情、墒情、气象等信息化建设，提高灌区骨干渠系立体感知体系的能力；对灌区骨干渠系及重点节制闸建立闸门远程控制系统，加强灌区自动控制体系的应用。对骨干渠系自建通信光缆，完善灌区管理站基础信息建设，建立中心灌区信息管理中心，灌区管理人员可通过信息管理中心实时掌握渠道及建筑物的相关监测监控信息，并对灌区重点建筑物实现远程控制，提高灌区支撑保障体系能力；加强灌区数据底板、模型平台、知识平台建设，搭建数字孪生平台；完善灌区智能业务应用系统，提高实现灌区水资源调配和四预能力，全面提升灌区标准化、规范化、精细化管理水平[1-3]。

3 建设目标

第一阶段，利用《黑龙江省肇源县数字孪生灌区先行先试建设项目》信息化投资，结合灌区实际管理情况，率先开展中心灌区数字孪生灌区建设先行先试建设工作，初步打造符合灌区管理需求的信息基础设施平台、数字孪生平台和灌区智能业务应用平台，以及安全可靠的网络安全和运行维护体系。实现中心灌区总干渠至东干渠二站节制闸区域内配水调度与仿真模拟等关键业务的智能化应用。在促进业务协同、创新工作模式、提升服务效能方面不断取得突破，实现水工情可读、场景可视、水量可测、设施可遥控、环境可监控、率先实现灌区的数字化管理，为中心灌区开展数字孪生灌区先行先试建设打下坚实基础。

第二阶段，中心灌区将进一步提高数字孪生先行先试的建设内容，逐步完善信息基础设施平台、数字孪生平台和智能业务应用平台，形成可推广、可复制的应用成果，以点带面，示范引领全省数字孪生灌区建设有力有序有效推进，科技赋能，智慧先行，通过后续资金不断投入，结合第一阶段建设成功实现智慧化管理。为新阶段灌区高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

4 建设布局

4.1 总体思路

中心灌区将从“点、线、面”三个层面推动中心灌区管理标准化、规范化工作，通过数字孪生灌区建设，实现灌区业务功能从现实场景到虚拟模拟再到现实的全过程。全方位夯实“算力、算据、算法”等基础建设，利用前瞻性的信息技术手段，实现数据纵横汇聚、业务智能驱动和管理场景模拟的建设目标。

1）点：以中心灌区灌排中心作为数字孪生灌区的信息管理中心，灌区管理人员通过信息管理中心，集中管理灌区各类监测监控设施，并通过会商室实现灌区业务的综合展示。

2）线：以中心灌区总干渠、东干渠、西干渠作为数字孪生灌区建设内容基础，实现灌区水情监测基本覆盖、泵站雨量监测覆盖、典型区域农情监测、重点建筑物远程控制和视频监视。

3）面：以灌区智能业务应用系统为核心，对灌区信息采集、工程管理、水费计收、配水调度等业务应用，利用智能业务应用平台模拟和推演灌区配水调度等业务工作。实现具有灌区集中管理、决策支持、分级使用、综合展示等功能于一体的现代化管理模式。

4.2 实施范围

中心灌区实施范围以骨干渠系为主，设计灌溉面积 1.12 万hm2，灌区有效灌溉面积 1 万hm2，骨干渠系基础设施良好、建筑物及标准断面量水基本配套到位，并通过《黑龙江省肇源县中心灌区2023 年续建配套与节水改造项目》进一步完善灌区骨干渠系工程。此次设计总干渠、东干渠、西干渠及其支渠分水闸建立水情监测、工情监测、农情监测和雨情监测；对中心灌区骨干渠系进水闸、分水闸和重点节制闸建立工情监测和自动控制，并对总干渠至东干渠二战节制闸为数字孪生灌区建设典型区域。

4.3 技术架构

中心灌区数字孪生灌区建设采用“三横二纵”的总体思路，其中“三横”指，基础设施平台、数字孪生平台、智能业务应用平台。“两纵”指网络安全体系、运行维护体系.

4.3.1 信息化基础设施平台

主要包括立体感知体系、自动控制系统、支撑保障体系，为灌区数据采集、传输存储、分析计算、应用支撑、运行管理等提供基础支撑和算力保障。

立体感知：中心灌区围绕灌区骨干渠道及重点建筑物开展，结合灌区管理现状及信息化现状，采用空、天、地等多样化的监测手段。

自动控制：采用自动控制技术实现闸门的现地、远程、自动控制功能。达到灌溉、排水、供水、防洪、水资源等优化调度的目标，实现自动优化处理、集中控制、有人值班、无人值守。

支撑保障：以网络安全、运行维护为保障，搭建应用支撑平台、通信网络、计算存储、调度中心等多维并重的支撑保障体系。

4.3.2 数字孪生平台

主要包括数据底板、模型库、知识库等。数据底板为模型库和知识库提供算据；模型库和知识库为灌区智能业务应用平台提供算法。其中，数据底板包括基础数据，监测数据，业务管理数据，地理空间数据及外部共享数据，模型库包括来水预报、作物需水、配水调度、水动力仿真等推演模型，知识库包括知识引擎、知识图谱、预报调度方案、专家经验和灌区业务规则库等。

4.3.3 智能业务应用平台

主要包括灌区管理一张图系统、灌区信息采集处理系统、灌区工程管理系统、灌区水费计收管理系统、移动智能终端应用、灌区数字化工程运行管理系统、灌区三维数字化仿真展示软件、灌区配水调度场景化模拟预演等主要业务模块。

4.3.4 网络安全体系

包括组织管理、安全技术、安全运营、监督检查、数据安全等。在满足国家法律法规和标准体系的前提下通过技术措施和管理措施的安全设计。

4.3.5 运行维护体系

包括管理制度、运维保障、标准规范等。通过梳理运维管理需求、规范运维流程，建设一套科学有效的、融合组织、制度、流程、技术的统一运维管理体系，为数字孪生灌区的深化应用和应用效益提升提供可靠保障。

4.4 投资估算

肇源县中心灌区数字孪生灌区先行先试建设总投资为：5401.82 万元，其中信息化建筑工程 301万元，机电设备采购及安装工程 4565.51 万元，独立费用 535.32 元。设计按两个阶段实施，第一阶段总投资为 2073.58 万元；第二阶段总投资 2792.93万元。

5 结 语

项目完成后，肇源县中心灌区能进行水资源科学调度、能够最大限度的用好水资源，最大限度保护好环境生态。灌区内智能业务应用平台能推动水利科技创新提升、提高水利资源综合效益、减轻水灾害损失、提高生态效益，充分发挥工程综合效益。项目完成的输水工程监测站网、自动控制网、水利信息网，解决以往灌区工程监测信息和水利信息存储方式简单，查找麻烦，缺少备案的问题，保证工程运行管理、水资源调度等工作的标准化、规范化进行，在未来的灌区管理工作中发挥重要作用。通过项目建设完善了网络安全体系，加强数据安全保护，全面保障数字孪生水利工程系统安全和数据安全，通过黑龙江省肇源县中心灌区数字孪生灌区先行先试工作，总结提炼，最终形成可推广、可复制的建设成果，同时为黑龙江省在水利数字孪生建设方面作出试点全省推广。