崔麗安

（黑龍江省農(nóng)村水利水電保障中心，哈爾濱 150040）

關(guān)鍵字：數(shù)字孿生灌；先行先試；信息化監(jiān)測(cè)；信息化管理；四預(yù)能力

0 引 言

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容，是深化智慧水利建設(shè)的重要一環(huán)，將通過數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)“供水可靠、調(diào)度靈活、用水精準(zhǔn)、防災(zāi)有力、管理智能”，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)安全體系、運(yùn)行維護(hù)體系等方面。從數(shù)字孿生灌區(qū)的定位看，重點(diǎn)是提升灌區(qū)用水管理的精準(zhǔn)決策能力，建設(shè)重點(diǎn)是算據(jù)、算法和算力方面的協(xié)同提升。灌區(qū)基于地形條件和管理需求，利用3S、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 等現(xiàn)代信息技術(shù)，匯集多種類型的傳感終端，構(gòu)建灌區(qū)涉水信息的透徹感知體系。同時(shí)，灌區(qū)應(yīng)按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)的分類方式，依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，全面建設(shè)灌區(qū)數(shù)據(jù)底板。2022 年12 月，水利部辦公廳下發(fā)《關(guān)于開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作的通知》，肇源縣中心灌區(qū)入選數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試名單。

1 中心灌區(qū)基本情況

肇源縣中心灌區(qū)是以松花江干流及其支流八家河為主要水源的提水灌區(qū)，是肇源縣最大的提水灌區(qū)。中心灌區(qū)始建于1958 年，根據(jù)最新第三次土地調(diào)查成果，確定灌區(qū)總國(guó)土面積2.66 萬hm2，灌區(qū)西起八家河，東到蓮花排干，北鄰安肇新河，南至松花江干流左岸堤防。地理坐標(biāo)為E124°24'18″ ～125°56'40″，N 45°28'10″ ～45°34'2″ 之間。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積1.12 萬hm2，現(xiàn)狀有效灌溉面積 1 萬hm2，灌區(qū)控制范圍為肇源縣松干左岸沿江區(qū)，包括二站鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、古恰鎮(zhèn)和肇源鎮(zhèn) 4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌區(qū)內(nèi)布置總干渠 1 條，干渠 2 條，均為已有渠道，分別為總干渠、東干渠、西干渠。自 2012 年至今，中心灌區(qū)內(nèi)共計(jì)實(shí)施 7 次節(jié)水改造和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目，共計(jì)完成 0.85 萬hm2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)。于 2019 年制定并實(shí)施農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革方案，完成灌區(qū)供水成本核算，水源重點(diǎn)取水口已實(shí)現(xiàn)信息化計(jì)量，制定了灌區(qū)專管、群管工程分界點(diǎn)計(jì)量設(shè)施建設(shè)方案。灌區(qū)經(jīng)過多次設(shè)計(jì)和建設(shè)，已具有一定的規(guī)模，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要支撐作用。

中心灌區(qū)管理單位為肇源縣灌排中心，隸屬于縣水務(wù)局，屬公益一類，按副科級(jí)事業(yè)單位管理，使用縣中心灌區(qū)排灌管理站機(jī)構(gòu)規(guī)格。經(jīng)費(fèi)形式為財(cái)政全額預(yù)算撥款。核定事業(yè)編制 85 名，內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu) 9 個(gè)（均為股級(jí)），分別為：辦公室、調(diào)配股、機(jī)電維修股、工程維護(hù)股、中心站、聚寶山站、永利站、八家河站、立陡山站。肇源縣中心灌區(qū)在《2018年肇源縣中心灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革獎(jiǎng)補(bǔ)項(xiàng)目》中配套建設(shè)了信息化監(jiān)測(cè)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)量水設(shè)施應(yīng)配盡配率達(dá) 40%，初步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)重點(diǎn)渠道水情的信息化監(jiān)測(cè)，一定程度上提高灌區(qū)用水管理水平。主要建成了 10 處水情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，其中 4 處全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，6處半自動(dòng)監(jiān)測(cè)；2 處田間墑情監(jiān)測(cè)站。

2 建設(shè)任務(wù)

中心灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)是我省數(shù)字孿生灌區(qū)工程試點(diǎn)，本次以中心灌區(qū)已建信息化為基礎(chǔ)，在中心總干渠、東干渠、西干渠及所屬支渠建立水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并升級(jí)改造已建水情半自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)骨干渠系水情監(jiān)測(cè)的信息化覆蓋；為灌區(qū)泵站、強(qiáng)排站、排水站建立雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并與氣象單位實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高灌區(qū)防汛預(yù)警信息化監(jiān)測(cè)能力；選取灌區(qū)田間典型區(qū)域、建立土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合遙感影像采集，實(shí)時(shí)掌握區(qū)域內(nèi)農(nóng)情信息；對(duì)骨干渠系及重點(diǎn)建筑物建立視頻監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)工情實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過水情、雨情、墑情、氣象等信息化建設(shè)，提高灌區(qū)骨干渠系立體感知體系的能力；對(duì)灌區(qū)骨干渠系及重點(diǎn)節(jié)制閘建立閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，加強(qiáng)灌區(qū)自動(dòng)控制體系的應(yīng)用。對(duì)骨干渠系自建通信光纜，完善灌區(qū)管理站基礎(chǔ)信息建設(shè)，建立中心灌區(qū)信息管理中心，灌區(qū)管理人員可通過信息管理中心實(shí)時(shí)掌握渠道及建筑物的相關(guān)監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息，并對(duì)灌區(qū)重點(diǎn)建筑物實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提高灌區(qū)支撐保障體系能力；加強(qiáng)灌區(qū)數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)建設(shè)，搭建數(shù)字孿生平臺(tái)；完善灌區(qū)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，提高實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源調(diào)配和四預(yù)能力，全面提升灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化管理水平[1-3]。

3 建設(shè)目標(biāo)

第一階段，利用《黑龍江省肇源縣數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)項(xiàng)目》信息化投資，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際管理情況，率先開展中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)先行先試建設(shè)工作，初步打造符合灌區(qū)管理需求的信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)、數(shù)字孿生平臺(tái)和灌區(qū)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，以及安全可靠的網(wǎng)絡(luò)安全和運(yùn)行維護(hù)體系。實(shí)現(xiàn)中心灌區(qū)總干渠至東干渠二站節(jié)制閘區(qū)域內(nèi)配水調(diào)度與仿真模擬等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的智能化應(yīng)用。在促進(jìn)業(yè)務(wù)協(xié)同、創(chuàng)新工作模式、提升服務(wù)效能方面不斷取得突破，實(shí)現(xiàn)水工情可讀、場(chǎng)景可視、水量可測(cè)、設(shè)施可遙控、環(huán)境可監(jiān)控、率先實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的數(shù)字化管理，為中心灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

第二階段，中心灌區(qū)將進(jìn)一步提高數(shù)字孿生先行先試的建設(shè)內(nèi)容，逐步完善信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)、數(shù)字孿生平臺(tái)和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，形成可推廣、可復(fù)制的應(yīng)用成果，以點(diǎn)帶面，示范引領(lǐng)全省數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)有力有序有效推進(jìn)，科技賦能，智慧先行，通過后續(xù)資金不斷投入，結(jié)合第一階段建設(shè)成功實(shí)現(xiàn)智慧化管理。為新階段灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。

4 建設(shè)布局

4.1 總體思路

中心灌區(qū)將從“點(diǎn)、線、面”三個(gè)層面推動(dòng)中心灌區(qū)管理標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化工作，通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務(wù)功能從現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景到虛擬模擬再到現(xiàn)實(shí)的全過程。全方位夯實(shí)“算力、算據(jù)、算法”等基礎(chǔ)建設(shè)，利用前瞻性的信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)縱橫匯聚、業(yè)務(wù)智能驅(qū)動(dòng)和管理場(chǎng)景模擬的建設(shè)目標(biāo)。

1）點(diǎn)：以中心灌區(qū)灌排中心作為數(shù)字孿生灌區(qū)的信息管理中心，灌區(qū)管理人員通過信息管理中心，集中管理灌區(qū)各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)施，并通過會(huì)商室實(shí)現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務(wù)的綜合展示。

2）線：以中心灌區(qū)總干渠、東干渠、西干渠作為數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)內(nèi)容基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水情監(jiān)測(cè)基本覆蓋、泵站雨量監(jiān)測(cè)覆蓋、典型區(qū)域農(nóng)情監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)建筑物遠(yuǎn)程控制和視頻監(jiān)視。

3）面：以灌區(qū)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)為核心，對(duì)灌區(qū)信息采集、工程管理、水費(fèi)計(jì)收、配水調(diào)度等業(yè)務(wù)應(yīng)用，利用智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)模擬和推演灌區(qū)配水調(diào)度等業(yè)務(wù)工作。實(shí)現(xiàn)具有灌區(qū)集中管理、決策支持、分級(jí)使用、綜合展示等功能于一體的現(xiàn)代化管理模式。

4.2 實(shí)施范圍

中心灌區(qū)實(shí)施范圍以骨干渠系為主，設(shè)計(jì)灌溉面積 1.12 萬hm2，灌區(qū)有效灌溉面積 1 萬hm2，骨干渠系基礎(chǔ)設(shè)施良好、建筑物及標(biāo)準(zhǔn)斷面量水基本配套到位，并通過《黑龍江省肇源縣中心灌區(qū)2023 年續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目》進(jìn)一步完善灌區(qū)骨干渠系工程。此次設(shè)計(jì)總干渠、東干渠、西干渠及其支渠分水閘建立水情監(jiān)測(cè)、工情監(jiān)測(cè)、農(nóng)情監(jiān)測(cè)和雨情監(jiān)測(cè)；對(duì)中心灌區(qū)骨干渠系進(jìn)水閘、分水閘和重點(diǎn)節(jié)制閘建立工情監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，并對(duì)總干渠至東干渠二戰(zhàn)節(jié)制閘為數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)典型區(qū)域。

4.3 技術(shù)架構(gòu)

中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)采用“三橫二縱”的總體思路，其中“三橫”指，基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)、數(shù)字孿生平臺(tái)、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。“兩縱”指網(wǎng)絡(luò)安全體系、運(yùn)行維護(hù)體系.

4.3.1 信息化基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)

主要包括立體感知體系、自動(dòng)控制系統(tǒng)、支撐保障體系，為灌區(qū)數(shù)據(jù)采集、傳輸存儲(chǔ)、分析計(jì)算、應(yīng)用支撐、運(yùn)行管理等提供基礎(chǔ)支撐和算力保障。

立體感知：中心灌區(qū)圍繞灌區(qū)骨干渠道及重點(diǎn)建筑物開展，結(jié)合灌區(qū)管理現(xiàn)狀及信息化現(xiàn)狀，采用空、天、地等多樣化的監(jiān)測(cè)手段。

自動(dòng)控制：采用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)閘門的現(xiàn)地、遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制功能。達(dá)到灌溉、排水、供水、防洪、水資源等優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化處理、集中控制、有人值班、無人值守。

支撐保障：以網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)行維護(hù)為保障，搭建應(yīng)用支撐平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算存儲(chǔ)、調(diào)度中心等多維并重的支撐保障體系。

4.3.2 數(shù)字孿生平臺(tái)

主要包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識(shí)庫等。數(shù)據(jù)底板為模型庫和知識(shí)庫提供算據(jù)；模型庫和知識(shí)庫為灌區(qū)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)提供算法。其中，數(shù)據(jù)底板包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，地理空間數(shù)據(jù)及外部共享數(shù)據(jù)，模型庫包括來水預(yù)報(bào)、作物需水、配水調(diào)度、水動(dòng)力仿真等推演模型，知識(shí)庫包括知識(shí)引擎、知識(shí)圖譜、預(yù)報(bào)調(diào)度方案、專家經(jīng)驗(yàn)和灌區(qū)業(yè)務(wù)規(guī)則庫等。

4.3.3 智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)

主要包括灌區(qū)管理一張圖系統(tǒng)、灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)工程管理系統(tǒng)、灌區(qū)水費(fèi)計(jì)收管理系統(tǒng)、移動(dòng)智能終端應(yīng)用、灌區(qū)數(shù)字化工程運(yùn)行管理系統(tǒng)、灌區(qū)三維數(shù)字化仿真展示軟件、灌區(qū)配水調(diào)度場(chǎng)景化模擬預(yù)演等主要業(yè)務(wù)模塊。

4.3.4 網(wǎng)絡(luò)安全體系

包括組織管理、安全技術(shù)、安全運(yùn)營(yíng)、監(jiān)督檢查、數(shù)據(jù)安全等。在滿足國(guó)家法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系的前提下通過技術(shù)措施和管理措施的安全設(shè)計(jì)。

4.3.5 運(yùn)行維護(hù)體系

包括管理制度、運(yùn)維保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。通過梳理運(yùn)維管理需求、規(guī)范運(yùn)維流程，建設(shè)一套科學(xué)有效的、融合組織、制度、流程、技術(shù)的統(tǒng)一運(yùn)維管理體系，為數(shù)字孿生灌區(qū)的深化應(yīng)用和應(yīng)用效益提升提供可靠保障。

4.4 投資估算

肇源縣中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)總投資為：5401.82 萬元，其中信息化建筑工程 301萬元，機(jī)電設(shè)備采購(gòu)及安裝工程 4565.51 萬元，獨(dú)立費(fèi)用 535.32 元。設(shè)計(jì)按兩個(gè)階段實(shí)施，第一階段總投資為 2073.58 萬元；第二階段總投資 2792.93萬元。

5 結(jié) 語

項(xiàng)目完成后，肇源縣中心灌區(qū)能進(jìn)行水資源科學(xué)調(diào)度、能夠最大限度的用好水資源，最大限度保護(hù)好環(huán)境生態(tài)。灌區(qū)內(nèi)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)能推動(dòng)水利科技創(chuàng)新提升、提高水利資源綜合效益、減輕水災(zāi)害損失、提高生態(tài)效益，充分發(fā)揮工程綜合效益。項(xiàng)目完成的輸水工程監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、自動(dòng)控制網(wǎng)、水利信息網(wǎng)，解決以往灌區(qū)工程監(jiān)測(cè)信息和水利信息存儲(chǔ)方式簡(jiǎn)單，查找麻煩，缺少備案的問題，保證工程運(yùn)行管理、水資源調(diào)度等工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化進(jìn)行，在未來的灌區(qū)管理工作中發(fā)揮重要作用。通過項(xiàng)目建設(shè)完善了網(wǎng)絡(luò)安全體系，加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全保護(hù)，全面保障數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全，通過黑龍江省肇源縣中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作，總結(jié)提煉，最終形成可推廣、可復(fù)制的建設(shè)成果，同時(shí)為黑龍江省在水利數(shù)字孿生建設(shè)方面作出試點(diǎn)全省推廣。