數(shù)字孿生灌區(qū)關(guān)鍵技術(shù)研究
——以河南省三義寨灌區(qū)為例

彭彥銘，秦國銳，劉長垠

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

0 引言

灌區(qū)作為水利工程的重要組成部分，由于其面積大、業(yè)務(wù)繁多，涉及部門和人員眾多，往往管理起來更加復(fù)雜，由此造成灌區(qū)管理單位對灌區(qū)全貌掌握不足、灌區(qū)管理水平低下、智慧化程度不足，無法很好地適應(yīng)水資源節(jié)約集約利用要求。2021 年以來，水利部高度重視流域智慧水利、數(shù)字孿生流域（工程）建設(shè)工作，多次召開推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會議，部署建設(shè)工作，陸續(xù)下發(fā)了《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》等文件，為數(shù)字孿生工作推進(jìn)提供了政策依據(jù)。數(shù)字孿生建設(shè)為灌區(qū)發(fā)展提供了新的思路和契機(jī)，針對灌區(qū)管理存在的問題，通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，可以得到有效解決，從而為灌區(qū)統(tǒng)一、科學(xué)管理提供了跨越式發(fā)展的可能。

1 三義寨灌區(qū)基本情況及存在問題

三義寨灌區(qū)位于黃河南岸豫東平原，范圍涉及開封市的祥符區(qū)、杞縣、商丘市的民權(quán)縣、寧陵縣、睢縣、虞城縣、梁園區(qū)、睢陽區(qū)，以及蘭考縣共六縣三區(qū)，灌區(qū)始建于1958 年，灌溉面積12.07萬hm2，是中國434處大型灌區(qū)之一。灌區(qū)經(jīng)過60多年的開發(fā)建設(shè)，分為總干、干、分干、支、斗、農(nóng)等6級渠系，灌區(qū)現(xiàn)有總干渠1條，干渠、分干渠45條，支渠54條，提灌站29座，分水樞紐2座，支渠及以上各類建筑物共有1 995座。

主要體問題：①缺乏對灌區(qū)的總體掌握：由于三義寨分局只對部分骨干渠道工程具備管理權(quán)限，因此對灌區(qū)其他渠系、建筑物等工程情況、灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)及需水情況、水資源配置調(diào)度情況、作物灌溉情況等均缺乏深入了解，無法對灌區(qū)的整體情況進(jìn)行全面掌握。②缺乏核心業(yè)務(wù)科學(xué)支撐：三義寨分局作為灌區(qū)專管機(jī)構(gòu)，應(yīng)該對灌區(qū)水資源、防汛抗旱、工程運(yùn)維等核心業(yè)務(wù)進(jìn)行全面科學(xué)有效的管理，但由于僅對部分骨干渠道工程具備管理權(quán)限，因此無法對灌區(qū)作為一個整體進(jìn)行水資源的統(tǒng)一配置調(diào)度，在需水分析、水資源配置調(diào)度、防汛抗旱、應(yīng)急調(diào)度、工程巡檢與運(yùn)維等核心業(yè)務(wù)缺乏行之有效的管理。③缺乏歷史數(shù)據(jù)和方案積累：由于管理模式不同，所以三義寨灌區(qū)一直以各行政區(qū)劃為單元進(jìn)行管理，沒有灌區(qū)整體范圍的統(tǒng)一配置和管理，因此也就沒有相關(guān)調(diào)度方案、預(yù)案和政策制度作為基礎(chǔ)。歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)也以各自管理范圍內(nèi)自行監(jiān)測存儲為主，缺乏對工程調(diào)度的參考意義。

2 數(shù)字孿生灌區(qū)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)字孿生灌區(qū)概念的提出

灌區(qū)作為水利工程的一類，又不同于電站、水閘等單一點(diǎn)狀工程，其覆蓋面積廣、涉及業(yè)務(wù)多，其廣義角度可參照數(shù)字孿生流域，而骨干工程又以渠系及其上的水閘等建筑物為主，針對單一工程可參照數(shù)字孿生工程建設(shè)。因此，結(jié)合數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生工程，進(jìn)行數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)。

通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，可以對三義寨灌區(qū)目前存在的管理問題進(jìn)行有針對性的解決。一方面，目前三義寨灌區(qū)的通過灌區(qū)數(shù)字底板的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)對整個灌區(qū)進(jìn)行全面了解，不僅對灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)、水系道路、工程情況進(jìn)行全面了解，還可以對灌區(qū)墑情、地下水、作物長勢、需配水及實(shí)際用水情況進(jìn)行全面掌握；通過數(shù)字孿生灌區(qū)核心業(yè)務(wù)模型平臺構(gòu)建，可以彌補(bǔ)目前對灌區(qū)核心業(yè)務(wù)缺乏有效管理工具的問題，通過知識平臺的建設(shè)，可以為灌區(qū)業(yè)務(wù)開展提供指導(dǎo)。

2.2 數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)關(guān)鍵問題

2.2.1 數(shù)據(jù)底板建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)。參照數(shù)字孿生工程建設(shè)的原則，在共享水利部L1級、流域管理機(jī)構(gòu)及省級水行政主管部門L2級數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，建設(shè)工程L2級和L3級數(shù)據(jù)底板。灌區(qū)不同于電站、水庫等工程，因?yàn)楣鄥^(qū)范圍較大，若都采用精度較高的地理空間數(shù)據(jù)，投入過于巨大，因此需要對數(shù)據(jù)底板精度范圍進(jìn)行合理界定分級，要在滿足專業(yè)模型應(yīng)用的基礎(chǔ)上盡量避免建設(shè)投資浪費(fèi)。考慮灌區(qū)管理單位的管理范圍主要是各級渠系和關(guān)鍵建筑物，對灌區(qū)的管理主要以骨干渠系輸配水為核心業(yè)務(wù)，水資源、防汛等業(yè)務(wù)的模型應(yīng)用范圍也在骨干渠系和關(guān)鍵建筑物范圍內(nèi)，工程類模型更是以關(guān)鍵建筑物為對象，因此從業(yè)務(wù)核心模型應(yīng)用角度出發(fā)，可按照渠系、關(guān)鍵建筑物來進(jìn)行分級。對于渠系工程管理范圍外的灌區(qū)，按照L1級（中低精度面上建模）建設(shè)，對于骨干渠道按照L2級（重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)建模）建設(shè)，對于關(guān)鍵建筑物按照L3 級（重要實(shí)體場景建模）建設(shè)。

2.2.2 空天地一體化監(jiān)測體系的打造

利用先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)不同尺度監(jiān)測體系的打造，引入先進(jìn)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)灌區(qū)范圍內(nèi)監(jiān)測感知能力的大幅度提升，主要針對衛(wèi)星、無人機(jī)和智能視頻在灌區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行分析。

利用衛(wèi)星遙感解譯，進(jìn)行大尺度灌區(qū)監(jiān)測，可以大面積、多時(shí)相的獲取當(dāng)?shù)氐牡乇砗椭脖磺闆r，感知作物的生長情況、土壤的墑情情況，包括作物種植面積估算、復(fù)種系數(shù)監(jiān)測、灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)識別及關(guān)鍵物候期監(jiān)測、灌區(qū)作物蒸散發(fā)估算、灌區(qū)作物需水量預(yù)測、作物長勢監(jiān)測、作物單產(chǎn)估算、農(nóng)田作物受災(zāi)情況監(jiān)測等。

利用無人機(jī)巡檢，進(jìn)行針對骨干渠道進(jìn)行長距離帶狀飛行，獲取沿線工程、站點(diǎn)、地塊的傾斜攝影、照片、視頻等資料，對灌區(qū)骨干渠系工程情況進(jìn)行掌握，為工程安全保駕護(hù)航。

利用各類項(xiàng)目建設(shè)的視頻站點(diǎn)，升級智能AI算法，對監(jiān)視范圍內(nèi)人員入侵、傾倒垃圾、破壞工程等行為進(jìn)行自動判斷并及時(shí)報(bào)警，確保工程運(yùn)行安全和人員、環(huán)境、財(cái)產(chǎn)得到保護(hù)。

2.2.3 灌區(qū)模型平臺的建立

由于傳統(tǒng)灌區(qū)管理相對粗放，業(yè)務(wù)信息化程度不高，涉及到專業(yè)模型應(yīng)用的更少，為了提升灌區(qū)的智慧管理水平，需要對灌區(qū)核心業(yè)務(wù)信息化、智慧化，灌區(qū)模型平臺包括專業(yè)模型、智能分析模型和可視化分析模型。

針對灌區(qū)灌溉管理、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活生產(chǎn)供水管理、水旱災(zāi)害防御管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)管理四類業(yè)務(wù)，打造水利專業(yè)模型平臺。灌區(qū)灌溉管理方面，需要模擬作物需水過程和成長情況的作物需水模型，模擬鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)生活需水的需水預(yù)測模型，模擬水源來水情況的徑流預(yù)報(bào)模型，統(tǒng)籌不同渠段和用戶，綜合考慮灌溉、生活、生產(chǎn)、生態(tài)多目標(biāo)的水資源配置模型，對骨干渠系多級節(jié)制閘聯(lián)合調(diào)度的全渠道控制模型等。灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活生產(chǎn)供水管理方面，需要模擬管網(wǎng)余氯衰減的供水管網(wǎng)水力水質(zhì)模型，模擬定位管網(wǎng)漏損點(diǎn)的管網(wǎng)漏損模型等。灌區(qū)水旱災(zāi)害防御管理方面，需要模擬洪水形成之前降雨產(chǎn)匯流過程的水文預(yù)報(bào)模型，模擬洪水在主河道演進(jìn)過程的水動力學(xué)模型，模擬洪水潰壩決堤淹沒過程的潰壩模型，針對洪水利用工程進(jìn)行調(diào)度的洪水調(diào)度模型等。灌區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)管理方面，需要當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)品泄漏，計(jì)算泄漏物影響范圍以便迅速做出應(yīng)急處置的對流擴(kuò)散模型；為保障人們飲用水安全，制定污染負(fù)荷的容許排放規(guī)劃的水環(huán)境容量模型；當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，輔助分析演變機(jī)理并提出對策措施的生態(tài)動力學(xué)模型；預(yù)報(bào)水土流失、指導(dǎo)水土保持措施配置、優(yōu)化水土資源利用的有效供給的土壤侵蝕模型等。

智能分析模型根據(jù)利用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等手段加強(qiáng)包括土地流轉(zhuǎn)、供水用戶行為等方面的模型。

可視化分析模型結(jié)合前端智能設(shè)備，構(gòu)建水利業(yè)務(wù)遙感和視頻人工智能識別模型等。

2.2.4 灌區(qū)知識平臺的準(zhǔn)備

①灌區(qū)管理知識圖譜：灌區(qū)知識平臺針對灌區(qū)業(yè)務(wù)，梳理灌區(qū)管理業(yè)務(wù)相關(guān)對象之間的關(guān)系，建立知識圖譜。②灌區(qū)業(yè)務(wù)規(guī)范庫：梳理相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建灌區(qū)業(yè)務(wù)規(guī)范庫，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理時(shí)對業(yè)務(wù)管理相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的即時(shí)檢索。③灌區(qū)業(yè)務(wù)方案庫：分析梳理結(jié)合作物需水、灌溉用水和作物成長情況的灌溉用水方案，結(jié)合需水和來水過程的水資源配置方案，結(jié)合工程運(yùn)行情況和來水過程的水資源調(diào)度方案，結(jié)合預(yù)報(bào)調(diào)度的水旱災(zāi)害防御方案，結(jié)合地下水位和植被變化的生態(tài)需水方案，結(jié)合水質(zhì)水量的一體化調(diào)度方案等，構(gòu)建灌區(qū)業(yè)務(wù)方案庫，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理中對過往方案的查詢和對比。④灌區(qū)業(yè)務(wù)規(guī)則庫：針對業(yè)務(wù)需求，梳理水資源配置和調(diào)度規(guī)則，將規(guī)則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化存儲，并用圖表等可視化表現(xiàn)呈現(xiàn)給用戶。⑤灌區(qū)業(yè)務(wù)歷史場景模擬庫：選取歷史發(fā)生的典型事件為例，構(gòu)建灌區(qū)業(yè)務(wù)歷史場景模擬庫，包括某次來水、方案、調(diào)度結(jié)果等內(nèi)容，挖掘提取其典型時(shí)空屬性，分析典型事件的特征指標(biāo)組合，通過推演分析不同場景下的演變態(tài)勢，為同類事件的精準(zhǔn)決策提供知識化依據(jù)。

3 河南省三義寨灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)方案

3.1 數(shù)字孿生三義寨灌區(qū)總體架構(gòu)

數(shù)字孿生三義寨灌區(qū)主要包括數(shù)字孿生平臺、信息基礎(chǔ)設(shè)施、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用，以及為保障工程順利建設(shè)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)信息安全體系和綜合保障體系（見圖1）。

圖1 數(shù)字孿生三義寨灌區(qū)總體架構(gòu)示意圖

3.2 數(shù)字孿生平臺建設(shè)方案

針對三義寨灌區(qū)數(shù)字孿生平臺，建設(shè)內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺和孿生引擎。數(shù)據(jù)底板建設(shè)以高精度數(shù)字高程模型（DEM）、正射影像圖（DOM）打造三義寨灌區(qū)總體場景，以傾斜攝影模型、渠道建筑物三維模型搭配BIM模型構(gòu)建三義寨灌區(qū)骨干渠系工程模型，構(gòu)建了滿足專業(yè)模型計(jì)算所需的數(shù)據(jù)底板。根據(jù)三義寨業(yè)務(wù)需求，模型平臺建設(shè)包括灌區(qū)業(yè)務(wù)所需的各類數(shù)學(xué)模型，針對三義寨灌區(qū)，建設(shè)了包括作物需水模型、需水預(yù)測模型、徑流預(yù)報(bào)模型、多目標(biāo)的水資源配置模型、全渠道控制模型、水文預(yù)報(bào)模型、水動力學(xué)模型、洪水調(diào)度模型、對流擴(kuò)散模型和水環(huán)境容量模型等在內(nèi)的專業(yè)模型庫。

針對三義寨灌區(qū)現(xiàn)狀，知識平臺建設(shè)包括灌區(qū)業(yè)務(wù)規(guī)范庫、業(yè)務(wù)規(guī)則庫、業(yè)務(wù)方案庫和歷史方案模擬庫，為此后灌區(qū)管理進(jìn)行知識積累，便于后續(xù)優(yōu)化調(diào)度。孿生引擎包括數(shù)據(jù)引擎、模型引擎、知識引擎、仿真引擎。

3.3 信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案

信息基礎(chǔ)設(shè)施主要包括立體感知體系、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲與管理以及各級管理環(huán)境建設(shè)。立體感知體系是各類信息采集匯總而成，采用天-空-地-網(wǎng)等多樣化的監(jiān)測手段，自動采集與人工收集相結(jié)合，直接監(jiān)測與相關(guān)行業(yè)來源間接監(jiān)測相結(jié)合，常規(guī)監(jiān)測與應(yīng)急監(jiān)測相結(jié)合，針對不同管理對象，進(jìn)行立體感知體系打造。立體感知體系包括水源監(jiān)測、輸配水工程監(jiān)測控制、田間工程監(jiān)測控制等。水源監(jiān)測針對三義寨灌區(qū)引黃閘和泵站進(jìn)行監(jiān)測控制，輸配水工程環(huán)節(jié)，對干渠各節(jié)制閘為中心的閘群進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對全部支渠口進(jìn)行水量監(jiān)測，對重點(diǎn)支渠進(jìn)行各斗口測控一體化閘門監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)支渠的全渠段智能控制。對包括渡槽、水閘、涵洞在內(nèi)的重點(diǎn)工程進(jìn)行工程安全監(jiān)測，對干渠主要渠段進(jìn)行水位沿程變化監(jiān)測，對重點(diǎn)工程渠段進(jìn)行視頻監(jiān)視和水質(zhì)監(jiān)測，針對田間工程，選擇滴灌和噴灌為代表的高效節(jié)灌地塊進(jìn)行田間工程監(jiān)控，其中在代表地塊建設(shè)氣象、墑情和作物需水監(jiān)測，并根據(jù)墑情條件和作物種植情況進(jìn)行輪灌自動控制。

通過自建光纖與公網(wǎng)租賃相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)各測控站點(diǎn)與中心的通信，在三義寨分局建設(shè)微模塊化數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與管理，并相應(yīng)建設(shè)豫東局、三義寨分局、開封、商丘、蘭考等五處管理中心的實(shí)體環(huán)境，滿足指揮調(diào)度應(yīng)用需求。三義寨灌區(qū)立體感知體系各類站點(diǎn)布置示意圖見圖2。

圖2 三義寨灌區(qū)立體感知體系各類站點(diǎn)布置示意圖

3.4 智能應(yīng)用體系建設(shè)方案

智能應(yīng)用體系建設(shè)主要包括取、供、用水、防洪、抗旱、應(yīng)急、事故調(diào)度以及自動、智能控制，實(shí)現(xiàn)集信息收集、預(yù)測、決策、實(shí)施、統(tǒng)計(jì)分析、后評估等為一體的灌區(qū)信息化管理工作。根據(jù)三義寨灌區(qū)現(xiàn)有業(yè)務(wù)，考慮水資源節(jié)約集約利用業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)三義寨灌區(qū)智能應(yīng)用體系主要包括灌區(qū)信息化管理平臺、信息處理系統(tǒng)、水資源管理系統(tǒng)、防汛抗旱預(yù)報(bào)系統(tǒng)、閘（泵）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、工程巡檢管理系統(tǒng)、事故應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)、水費(fèi)計(jì)收系統(tǒng)、水權(quán)交易管理信息平臺、辦公自動化、移動水務(wù)平臺和智能門戶等。

4 結(jié)語

通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，三義寨灌區(qū)的灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對整個灌區(qū)的全面感知，能夠從灌區(qū)整體出發(fā)進(jìn)行水資源調(diào)配、防汛抗旱、工程運(yùn)維等業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，能夠?qū)崿F(xiàn)灌區(qū)管理相關(guān)知識的積累，為此后的智慧管理優(yōu)化調(diào)度奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)管理水平的跨越式發(fā)展。