数字孪生技术在疏勒河流域的应用和探讨

张建新

（甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，735211，玉门）

近年，随着疏勒河流域经济社会快速发展，流域内农业生产、工业发展、生态建设等供用水矛盾十分突出，原有的水资源监测和调度管理信息平台已无法满足现代化灌区的建设需求，存在流域来水预见度低、预见性不强、现有业务应用智能化程度低、信息化建设与智慧水利要求还存在较大差距等问题。开展疏勒河流域数字孪生流域建设，不仅有助于流域信息化水平提升，而且可以充分利用数字孪生技术的优势实现疏勒河干流水资源科学配置和优化调度，从而有效保障和服务疏勒河流域及灌区经济社会高质量发展。

一、疏勒河流域概况

疏勒河流域位于河西走廊西部，流域面积17万km2，疏勒河干流多年平均水资源总量10.86亿m3。疏勒河流域内有三大灌区，分别为昌马灌区、花海灌区和双塔灌区，总灌溉面积8.96万hm2。灌区水利工程设施齐全，主要包括3座大中型水库、3个引水枢纽工程、217 km重点骨干渠道和灌区田间工程。疏勒河干流地表水资源通过3座水库联合调度，实现了流域水资源从疏勒河源头到灌区田间地头的全过程科学管控，“一龙管水”的水资源管理模式统筹了农业、工业、生活、生态用水的配置和平衡，保证流域内用水安全。经过多年信息化建设，目前流域内已建成3座水库的水情实时监测和大坝安全监测系统、关键闸门远程测控系统、重点骨干输水渠道安全巡查系统、斗口水量实时监测系统、地下水水位监测系统等，灌区关键节点基本实现信息化，为疏勒河数字孪生系统建设奠定了基础。

二、数字孪生疏勒河建设现状

数字孪生疏勒河主要是构建不同区域、不同精度和类型的三级数据底板，补齐流域原有信息化基础设施短板并进行完善，其重点是建设信息采集和监测站点，确保数字孪生流域建设所需的各类数据得到有效采集；充分利用水利部提供的模型平台，对流域内原有的模型进行整合并开发新的模型，做好知识平台的建设和知识引擎的开发工作，从而构建起具有疏勒河特色的数字孪生平台；基于疏勒河数字孪生基座和流域管理应用实际，构建“2+N”水利业务应用，最终形成具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的数字孪生疏勒河。

1.总体架构

2022 年4 月，疏勒河流域入选水利部数字孪生流域先行先试试点，启动了数字孪生疏勒河建设工作。按照《数字孪生疏勒河建设先行先试实施方案》，疏勒河数字孪生系统建设以物理流域为对象，充分利用原有的信息化基础设施，新建了数字孪生平台及支撑智慧水利业务的各种应用，并同步构建了网络安全体系和保障体系等（见图1）。

图1 疏勒河数字孪生系统总体架构

2.信息化基础设施建设

（1）升级改造水利感知网

疏勒河数字孪生系统信息化基础设施建设以充分利用流域现有水文、气象、水质、水生态、工程安全、取水等监测站点为基础，升级改造重要水利工程、取水口等位置的已建监测系统，综合运用北斗、物联网、视频监控等技术，升级完善覆盖水库、枢纽工程、灌溉渠道等重要设施的视频监控设备和工程运行状况在线监测系统；完善疏勒河干流重要断面、重要水利工程、重要灌区取水口等位置视频监控点，利用智能识别技术实现对流量、水位等要素智能感知，以及对水利管理活动中重要事件、行为和现象的感知；通过提高遥感影像、数字地形等本底数据的采集精度和频率，提升对地下水、土壤墒情及流域水系相关地形信息等要素的监测能力。

（2）完善提升水利业务网

疏勒河数字孪生系统依托流域原有水利业务网，通过进一步完善业务网络，实现流域中心与水利部、甘肃省水利厅及流域市县等各级水行政主管部门的全面互联互通。充分利用现有电子政务外网和水利业务网，通过租赁专线、自建光纤、卫星通信等多种方式，扩展网络覆盖范围，提高网络带宽，为监测终端与数据平台之间提供传输通道。基于灌区通信网络系统，租用公网VPN，在光缆末端构建闭环回路，保障灌区监测感知数据高效传输；对177 个斗口计量系统中的物联网卡进行升级，保证数据安全和传输效率。

（3）补充扩展水利云

疏勒河数字孪生系统依托甘肃省疏勒河流域水资源利用中心深信服超融合云平台和华为云桌面等，在系统建设中适当补充计算、存储资源，完善软硬件、AI算力基础设施，为数字孪生疏勒河流域提供云端按需扩展服务和安全可信的基础资源服务，为流域智慧水利建设提供算力支撑。

3.数字孪生平台建设

（1）数据底板

在充分利用原有信息建设数据资源的基础上，利用BIM 建模、无人机倾斜摄影等多种手段，构建了符合疏勒河流域特征的数据资源池，包括流域内各类基础数据、不同监测点收集的监测数据、多维多尺度模型数据、业务管理数据等。基于疏勒河流域数据底板，开展数据汇集、数据治理、挖掘分析、数据接口管理等工作，并承接水利部L1 级数据底板和甘肃省L2 级数据底板，构建疏勒河流域数据服务系统，实现各类数据在各级水利部门之间的上报、下发与同步，以及与其他行业之间的共享。通过搭建疏勒河流域一张图服务、数据资源目录服务及数据管控服务，提供标准的数据服务接口等，为水利专业模型分析、智慧水利应用场景建设提供算据支撑。

（2）模型平台

充分利用流域已有的三大水库联合调度、地下水三维仿真等模型成果，在分析疏勒河流域水资源配置与调度等业务现状及需求的基础上，基于疏勒河流域数字底板，构建了数字孪生流域基础模型和数字孪生流域应用模型两大类模型。其中，数字孪生流域基础模型是数字孪生流域应用模型建设的基础，共建设了5个子模块（产汇流来水预报模块、地下水模拟仿真模块、水库水量平衡模块、河渠水力学仿真模块、河库泥沙动力学模块）；数字孪生流域应用模型为流域内业务应用模型，共建设了4 类应用模型（流域防洪管理模型、流域水资源调配模型、灌区用水管理模型、水库淤积预测模型）。同时，通过开发可视化模型、智能识别模型、模拟仿真引擎等其他模型，构建起数字孪生疏勒河流域模型平台，为疏勒河智慧水利业务应用建设提供算法支撑。

（3）知识平台

梳理总结流域调度方案、业务规则、历史场景和专家经验，充分利用疏勒河流域数据底板，形成具有结构化、自优化、自学习功能的知识平台。通过调用水利部水利知识引擎，依靠计算机学习和推理，搭建数据语义服务、知识图谱服务、知识推理服务，形成具有疏勒河流域特征的水利知识引擎。

4.“2+N”业务应用情况

数字孪生疏勒河在构建符合流域水利特征的数字孪生平台上，搭建了以流域防洪、水资源管理为主的业务平台（见图2），开发建设了工程智能管控、灌区管理和水利公共服务等业务，打造“2+N”业务应用模式，为“四预”功能的实现提供了支撑，有助于提升流域决策精准化水平。主要包括以下内容：

图2 数字孪生疏勒河业务平台

（1）疏勒河概览

平台可演示疏勒河水系历史演变和河流生态变化过程，展现疏勒河流域生态治理取得的成效。

（2）流域智慧防洪

以昌马水库、双塔水库、赤金峡水库和西干渠沿线防洪渡槽等为重点防洪保护对象，疏勒河流域数字孪生平台可模拟极端暴雨条件下流域洪水演进过程及防洪调度过程，实现流域洪水预报、灾害风险智能分析预警、防洪调度推演、防御预案迭代优化等“四预”功能，提高流域防洪应用可视化、智能化、精准化水平。

（3）智慧水资源管理调配

通过整合利用疏勒河流域水资源监测感知、地表水资源优化调度系统和地下水三维仿真系统建设成果，基于覆盖全流域的水资源管理与调配模型，对流域水资源进行转换分析，在数字孪生基座上动态演示流域内地表水、地下水交互转换过程，全面、动态掌控流域水资源利用态势，实现流域来水预报、行业需求预测、水资源优化配置、水库及渠首枢纽等调度过程模拟仿真、行业用水红线预警和动态管控、流域水资源配置调度方案迭代优化等功能。

（4）水利工程智能管控

通过整合3座水库大坝安全监测系统监测感知数据，在水库大坝BIM 模型上模拟演示大坝水平位移、垂向位移及渗流等特征要素（应力场、浸润面）的变化过程，基于工程安全知识库，动态分析、智能诊断水库大坝安全态势，及时推送安全预警信息，主动消除水库大坝安全隐患。智能跟踪分水闸门等设施调度执行过程，BIM模型上同步模拟演示水工建筑实时运行和安全状况，实现虚拟工程与物理工程虚实交互，仿真运行，逐步提升工程安全高效稳定运行水平。整合灌区安防系统及渠道安全巡查等系统视频监控信息，通过视频AI 模型识别，智能提取闸控设施运行状态、渠道水位、非法入侵等信息，实现渠道工况、重要建筑物、闸控设施智能远程巡查以及语音自动警告及预警等功能，提高渠道等工程智能巡查效率。

（5）数字灌区智慧管理

通过整合原流域水资源调度管理系统成果，升级灌区用水管理模型，提高灌区量测水及设施运行状态感知能力，根据水库现有蓄水量及来水预报，结合灌区及各灌溉单元各时段（旬、月、季、年）需水量预测，分析灌区总体水量平衡、灌溉单元水量平衡情况，科学制定灌区年度水量配置方案，通过灌区供水调度方案预演，持续迭代、优化水量配置方案（旬、月）。智能跟踪水库、渠首枢纽、分水闸门供水调度执行过程，在数字灌区基座体上同步演示水库、渠首枢纽、分水闸门等调度控制情况及灌溉渠系水位、流量演进过程，实现数字灌区与物理灌区同步仿真运行。

（6）水利公共服务

疏勒河数字孪生系统通过升级疏勒河流域水资源利用中心微信公众号、手机App，拓宽水务信息公开、政策法规网上咨询服务和水文化宣传等政务服务渠道，打通水利为民服务“最后一公里”，提升网上用水信息查询、水费计收等“互联网+政务服务”业务普及率。

三、疏勒河数字孪生系统存在问题及相关建议

1.算据基础需进一步夯实

疏勒河流域监测感知体系包括流域水量监测感知系统、水文监测感知系统、灌区量测水系统、水库安全监测系统、视频监控系统等。其中流域水量监测点78个，水文监测站5处，灌区量测水系统有698个斗口监测计量点和24处测控一体斗口计量闸门，3座水库共有水库安全监测监控设备139套、网络视频监视设备681套。这些传统的水利监测站网为疏勒河数字孪生系统建设奠定了良好的信息化基础，但与数字孪生流域建设目标中物理流域全要素数字映射的要求还存在差距。今后需对水利感知网进行改造、升级、补充和完善，同时要加强卫星遥感、高清视频等新型监测手段应用，提升流域水利管理活动的动态感知能力，满足水利业务对数据和信息在空间尺度、时间频次等方面的需求。

2.算法模型需更加优化

疏勒河流域在来水预报和联合调度方面已建设有“三大水库联合调度模型”“精量流域水情预报模型”“多库联合防洪调度模型”等；在地下水模拟方面已建设有“地下水三维仿真系统”。本次数字孪生疏勒河流域建设中又根据需求，对流域昌马水库、双塔水库、赤金峡水库、昌马灌区、双塔灌区、花海灌区等骨干工程以及涉洪区域整合建立数字孪生流域基础模型和数字孪生流域应用模型两大类模型。上述模型基本上能够反映疏勒河流域的自然规律和业务特点，但同时也存在一些业务模型仿真度不够的问题，例如灌区用水管理模型没有涉及高标准农田灌溉管理业务，因此需进一步优化现有模型，从而更加准确、动态地反映流域业务变化规律。

3.算力水平需持续提升

疏勒河流域已建的水利业务网、深信服超融合云平台和华为云桌面等基础设施基本可以保障流域原有的信息化业务需求，但随着疏勒河数字孪生系统的建设，应进一步完善业务网络，适当补充计算、存储资源，建设与外界网络物理隔离的工控网，保障工程调度控制安全运行，全面支持5G 和IPv6 等新一代无线和有线技术，积极利用SDN 等网络新技术优化网络结构、增强资源动态调配能力。

四、疏勒河数字孪生技术应用案例讨论

疏勒河灌区的昌马、双塔、花海3 个子灌区2022年12月被水利部列入全国首批“数字孪生灌区建设先行先试”试点单位。当前，为三大灌区农业水资源科学调配提供技术支撑是数字孪生疏勒河建设的关键工作，也是数字孪生技术在疏勒河流域运行效果的重要判断指标。疏勒河数字孪生系统通过建立覆盖从疏勒河源头到田间地头的综合水资源管理模型，将流域来水，灌区农田需水，各级水管部门调水、配水以及闸门控制调度等要素整合到水网专业模型中，通过数字孪生平台将计算结果和灌区测控闸门进行衔接，然后利用测控一体化闸门独特的技术优势，将灌区终端用水户的用水需求实时下达给测控闸门控制系统，渠系内所有闸门由系统自动控制并根据闸门上下游水位不断进行调整，最终将用水户所需的水量精准调配到指定斗口。疏勒河数字孪生系统建设前，测控一体化闸门在疏勒河灌区已运行10年，虽然该测控设备在国内技术水平领先，但其运行主要由灌区工作人员凭经验进行操作控制，发挥的作用比较有限。数字孪生技术通过将测控闸门整合到灌区宏观水资源分配体系中，实现了渠系配水和闸群间调度的高效联动，最大程度发挥出测控闸门的优势。未来随着灌区斗口以下的农田大量修建蓄水池并采用滴灌的方式对田间作物进行灌溉，数字孪生疏勒河系统将探索把田间蓄水池纳入渠系和闸门控制系统中，从而实现精准灌溉的目标。

五、结 语

数字孪生技术在疏勒河流域的应用为流域发展和灌区现代化建设带来了全新机遇。疏勒河数字孪生系统初步形成的流域数字孪生平台，以数据统一、数据汇集、数据治理、跨层级、跨业务的数据底板为基础，以符合数字孪生流域技术标准的模型平台和充分反映疏勒河流域特征的智能知识平台为手段，为数字孪生流域提供数字化场景、智慧化模拟、前瞻性预演、智能化内核，支撑疏勒河流域“2+N”智慧水利业务的应用。

数字孪生疏勒河项目建成使用后，将全面提升流域内骨干渠道的输水能力，改善田间灌水技术，使灌溉定额降低、灌溉输水效率提高，促进水资源高效利用和灌区产业结构调整，以及节水灌溉等一系列节水技术的推广，为项目区节水增效、农民增收创造基础，也为流域生态环境用水提供有效保障。