茨淮新河数字孪生灌区建设探索

高 升

（安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 蚌埠 233010）

0 引言

国家“十四五”规划纲要指出，要构建智慧水利体系，以流域为单元提升水利测报和智能调度能力。水利部高度重视智慧水利建设，将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一。要求以数字孪生技术为基础，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的水利现代化管理体系，推进传统水利工程向新型水利基础设施转型。2022 年启动大中型灌区数字孪生灌区先行先试建设，尝试采用数字孪生实现智慧灌区建设，有效简化了日常管理流程，提高了水资源利用效率，推动了灌区高质量发展。

1 建设背景

茨淮新河是安徽省淮北平原一条大型人工河道，于1978 年建成投入运行，全长134.2km，流域面积6960km2。茨淮新河灌区是以该河作为水源工程的大型灌区，设计灌溉面积201 万亩，主要利用河道上的插花、阚疃、上桥三座节制闸拦蓄径流作为灌溉水源，经沿河两岸70 余座泵（闸）站抽（引）水至农田；当拦蓄灌溉水量不足时，再经上桥、阚疃抽水站抽提淮河水补给。

为贯彻落实习近平总书记“十六字”治水思路，响应水利部推动数字孪生灌区建设的重要举措，茨淮新河灌区积极探索数字孪生建设思路，拟以物理灌区为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理灌区全要素和运行全过程进行数字化映射、智能化模拟，实现与物理灌区同步仿真运行、虚实交互、迭代优化等，提升灌区用水管理的精准决策能力，提高灌区算据、算法和算力方面的协同性。

2 需求分析

2.1 提升灌区水安全保障能力的需求

在水利高质量发展新阶段，茨淮新河灌区应积极推进数字孪生建设。通过系统化梳理灌区管理决策业务，利用最新的水利信息化技术，对全灌区不同区域、不同要素进行动态感知、全面监测，提高灌区水旱灾害防御决策与管理的智能化、精准化、高效化能力，实现灌区水安全风险从被动应对向主动防控转变，提升水安全保障能力。

2.2 提高灌区水旱灾害防御能力的需求

现阶段灌区种植结构和功能已从传统单纯性灌溉供水，拓展到工业、城乡生活和生态供水等。因茨淮新河流域地处南北气候过渡带，受异常气候影响较大，干旱频现，再加之漫灌造成水资源严重浪费，灌溉补给提水需求量大。从上桥抽水站历年抗旱提水量（图1）可以看出，近年来灌区年提水量大幅增加，其中2019 年提水量达7.5 亿m3。如仅对灌区灌排工程进行基建式升级改造，无法从根本上解决灌区当前水资源短缺问题，只有通过数字孪生建设，有效提升灌区水资源利用效率，提高灌区水旱灾害防御能力。

图1 上桥抽水站历年抗旱提水量柱状图

2.3 茨淮新河灌区特殊管理模式的需求

茨淮新河灌区是流域管理和区域管理相结合的管理模式，隶属安徽省水利厅的茨淮新河工程管理局仅负责上桥枢纽工程管理和茨淮新河水资源统一调度，其余枢纽工程、沿河泵（闸）站和渠系建筑物均由所在市、县（区）负责管理。因灌区管理体制的独特性，无法借鉴或复制先行先试灌区的数字孪生建设成果，必须自行探索构建适合自身管理体制机制的数字孪生体系。

3 数字孪生灌区建设信息化基础设施

3.1 灌区已初步建成通信调度信息化系统

目前，茨淮新河灌区建有水雨情监测站点128 处、泵站监控系统6 座、泵（闸）站视频监控点136 处；共享省水利厅水雨情数据信息55 处；开发了灌区一张图、水利工程运行管理、水旱灾害防御和工程档案管理等业务应用模块，构建了茨淮新河灌区工程信息感知网、工程调度信息骨干网、灌区调度平台及灌区业务应用平台，初步建成了包括量测水监测系统、泵（闸）站监控系统、视频监控系统、通信网络及网络信息安全、应用软件的通信调度信息化系统。

3.2 灌区信息化系统启动升级改造

2023 年7 月，灌区信息化系统启动升级改造，计划增建水雨情监测站点28 处，提升灌区感知和运程监控能力；租用和铺设专用光缆等完善网络通信系统；升级和整合四级枢纽自动化系统，并利用物联网、大数据、云计算等技术，升级信息化基础设施、数据底板和应用支撑平台，完善网络安全体系和保障体系，构建灌区数字孪生基础性框架，网络总拓扑图如图2 所示。

图2 茨淮新河灌区通讯调度信息化系统网络总拓扑图

4 建设思路

4.1 明确建设目标

茨淮新河灌区数字孪生系统主要用户是四级枢纽及各县（区）工程运行管理单位，旨在提升灌区内水工程运行、水旱灾害防御、水资源配置决策支持能力。其业务目标是依托数字孪生建设，利用基础信息及监测数据，结合茨淮新河流域相关情况，在虚拟世界中模拟和再现灌区相关要素的关联关系及动态变化，实现域内来水模拟预测、智能化分析及决策方案的智能推送，提高灌区蓄、调、抽、引水调度过程的智能化决策能力，全面提升灌区工程运行效率、智慧化管理水平和安全综合保障能力。

4.2 准确把握建设原则和设计思路

为确保灌区数字孪生建设达到预期目标，应坚持“继承性发展和分阶段实施”的总体思路，遵循“顶层设计、整合已建、筹划新建、资源共享”原则，围绕灌区水旱灾害防御、水资源配置的业务需求和目标，充分利用已建的灌区信息化系统成果，统筹当前信息化升级改造内容，谋划构建一个与茨淮新河灌区相匹配的虚拟空间，包括信息基础设施、数据底板、公共平台、应用支撑平台等内容的数字孪生灌区。实现灌区实时状态与控制管理的镜像模拟，提高整个灌区智慧化管理和精准化决策水平。

4.3 制定适合本灌区管理现状的建设方案

数字孪生灌区建设应结合本灌区管理现状，根据现有信息基础设施，深入分析业务现状、问题，制定出一套有利于强化业务薄弱环节、优化重塑的业务流程，促进新信息技术与灌区水旱灾害防御、水资源配置业务深度融合的建设方案，构建较完善的信息基础设施体系和业务应用平台、安全可控的网络和运行维护体系。

4.4 加强同农业农村局协作

在建设数字孪生灌区过程中，应加强同农业农村局沟通协作，合力做好骨干工程与田间工程的衔接，应用高效节水灌溉技术、设备，从立体感知、自动控制、数字孪生、业务应用、网络安全、运行维护等方面同步推进，相互促进和有效共享，共同巩固和保障我国粮食生产能力，共同推动灌区新阶段高质量发展。

5 建设方案探索

5.1 总体架构

在需求分析的基础上，根据信息系统建设集约化、一体化等原则，按照信息系统分层建设的基本方法，打通灌区各级业务分层分类建设内容，统筹现地基础设施、数字孪生平台、业务应用等层面，奠定数字孪生灌区顶层设计、方案制定基础。

同时根据互联互通、信息共享和业务协同等原则，在灌区业务各自纵向建设需求基础上，横向整合和打通信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用等层面，避免重复建设，提高复用率。

数字孪生灌区业务系统总体架构采用“三横二纵”体系，如图3 所示。“二纵”为灌区保障体系和网络安全体系；“三横”为信息化基础设施、数字孪生平台层和业务应用层。

图3 茨淮新河数字孪生灌区总体架构图

5.2 层次结构

根据茨淮新河灌区现有管理模式及系统建设层级关系，系统划分采用“三层”结构网络拓扑布局方式。

中心层：茨淮新河工程管理局总控中心。

分中心层：上桥、阚疃、插花、茨河铺四级枢纽及7 个县（区）各设分中心。

现地层：现地泵站、节制闸、涵闸、遥测站等。

5.3 技术架构

茨淮新河灌区信息化工程涉及各类自动化监测监控、灌区一张图、水旱灾害防御调度、OA 系统、视频监控综合平台、监控运维一体化系统、管理决策驾驶舱、微信公众号等子系统，数据源众多，监控对象层级差别大，应用间交互性强，因此需要技术先进、结构高效、支持大规模应用、海量数据存储管理的整体技术架构与解决方案支撑，技术架构如图4 所示。

图4 茨淮新河数字孪生灌区技术架构图

6 结束语

数字孪生灌区建设是智慧水利建设的重要内容，是推进灌区现代化管理和高质量发展的方向。茨淮新河灌区应紧抓我国开展数字孪生灌区建设机遇，坚定“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”原则，提前谋划、统筹部署，分步构建信息感知、资源共享、决策支持、泛在服务等体系，有序推进灌区数字化、自动化、智能化建设，逐步提升灌区现代化管理水平■