肇源縣數字孿生灌區先行先試技術框架與建設布局

崔麗安

（黑龍江省農村水利水電保障中心，哈爾濱 150040）

關鍵字：數字孿生灌；先行先試；信息化監測；信息化管理；四預能力

0 引 言

數字孿生灌區建設作為新階段水利高質量發展的重要內容，是深化智慧水利建設的重要一環，將通過數字化場景、智慧化模擬、精準化決策，實現灌區“供水可靠、調度靈活、用水精準、防災有力、管理智能”，對我國農業現代化、農業強國建設具有重要戰略意義。數字孿生灌區建設包括信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用平臺、網絡安全體系、運行維護體系等方面。從數字孿生灌區的定位看，重點是提升灌區用水管理的精準決策能力，建設重點是算據、算法和算力方面的協同提升。灌區基于地形條件和管理需求，利用3S、物聯網、人工智能、5G 等現代信息技術，匯集多種類型的傳感終端，構建灌區涉水信息的透徹感知體系。同時，灌區應按照基礎數據、地理空間數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據的分類方式，依據統一數據標準對多源異構數據進行調整，全面建設灌區數據底板。2022 年12 月，水利部辦公廳下發《關于開展數字孿生灌區先行先試工作的通知》，肇源縣中心灌區入選數字孿生灌區先行先試名單。

1 中心灌區基本情況

肇源縣中心灌區是以松花江干流及其支流八家河為主要水源的提水灌區，是肇源縣最大的提水灌區。中心灌區始建于1958 年，根據最新第三次土地調查成果，確定灌區總國土面積2.66 萬hm2，灌區西起八家河，東到蓮花排干，北鄰安肇新河，南至松花江干流左岸堤防。地理坐標為E124°24'18″ ～125°56'40″，N 45°28'10″ ～45°34'2″ 之間。灌區設計灌溉面積1.12 萬hm2，現狀有效灌溉面積 1 萬hm2，灌區控制范圍為肇源縣松干左岸沿江區，包括二站鎮、和平鄉、古恰鎮和肇源鎮 4 個鄉鎮。灌區內布置總干渠 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，中心灌區內共計實施 7 次節水改造和高標準農田建設項目，共計完成 0.85 萬hm2高標準農田建設。于 2019 年制定并實施農業水價綜合改革方案，完成灌區供水成本核算，水源重點取水口已實現信息化計量，制定了灌區專管、群管工程分界點計量設施建設方案。灌區經過多次設計和建設，已具有一定的規模，對當地農業生產和經濟發展具有重要支撐作用。

中心灌區管理單位為肇源縣灌排中心，隸屬于縣水務局，屬公益一類，按副科級事業單位管理，使用縣中心灌區排灌管理站機構規格。經費形式為財政全額預算撥款。核定事業編制 85 名，內設機構 9 個（均為股級），分別為：辦公室、調配股、機電維修股、工程維護股、中心站、聚寶山站、永利站、八家河站、立陡山站。肇源縣中心灌區在《2018年肇源縣中心灌區農業水價綜合改革獎補項目》中配套建設了信息化監測設施，實現量水設施應配盡配率達 40%，初步實現灌區重點渠道水情的信息化監測，一定程度上提高灌區用水管理水平。主要建成了 10 處水情監測站點，其中 4 處全自動監測，6處半自動監測；2 處田間墑情監測站。

2 建設任務

中心灌區開展數字孿生灌區先行先試建設是我省數字孿生灌區工程試點，本次以中心灌區已建信息化為基礎，在中心總干渠、東干渠、西干渠及所屬支渠建立水情監測系統，并升級改造已建水情半自動監測站點，實現骨干渠系水情監測的信息化覆蓋；為灌區泵站、強排站、排水站建立雨量監測系統并與氣象單位實現數據共享，提高灌區防汛預警信息化監測能力；選取灌區田間典型區域、建立土壤墑情監測系統結合遙感影像采集，實時掌握區域內農情信息；對骨干渠系及重點建筑物建立視頻監視系統，實現灌區工情實時監控；通過水情、雨情、墑情、氣象等信息化建設，提高灌區骨干渠系立體感知體系的能力；對灌區骨干渠系及重點節制閘建立閘門遠程控制系統，加強灌區自動控制體系的應用。對骨干渠系自建通信光纜，完善灌區管理站基礎信息建設，建立中心灌區信息管理中心，灌區管理人員可通過信息管理中心實時掌握渠道及建筑物的相關監測監控信息，并對灌區重點建筑物實現遠程控制，提高灌區支撐保障體系能力；加強灌區數據底板、模型平臺、知識平臺建設，搭建數字孿生平臺；完善灌區智能業務應用系統，提高實現灌區水資源調配和四預能力，全面提升灌區標準化、規范化、精細化管理水平[1-3]。

3 建設目標

第一階段，利用《黑龍江省肇源縣數字孿生灌區先行先試建設項目》信息化投資，結合灌區實際管理情況，率先開展中心灌區數字孿生灌區建設先行先試建設工作，初步打造符合灌區管理需求的信息基礎設施平臺、數字孿生平臺和灌區智能業務應用平臺，以及安全可靠的網絡安全和運行維護體系。實現中心灌區總干渠至東干渠二站節制閘區域內配水調度與仿真模擬等關鍵業務的智能化應用。在促進業務協同、創新工作模式、提升服務效能方面不斷取得突破，實現水工情可讀、場景可視、水量可測、設施可遙控、環境可監控、率先實現灌區的數字化管理，為中心灌區開展數字孿生灌區先行先試建設打下堅實基礎。

第二階段，中心灌區將進一步提高數字孿生先行先試的建設內容，逐步完善信息基礎設施平臺、數字孿生平臺和智能業務應用平臺，形成可推廣、可復制的應用成果，以點帶面，示范引領全省數字孿生灌區建設有力有序有效推進，科技賦能，智慧先行，通過后續資金不斷投入，結合第一階段建設成功實現智慧化管理。為新階段灌區高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

4 建設布局

4.1 總體思路

中心灌區將從“點、線、面”三個層面推動中心灌區管理標準化、規范化工作，通過數字孿生灌區建設，實現灌區業務功能從現實場景到虛擬模擬再到現實的全過程。全方位夯實“算力、算據、算法”等基礎建設，利用前瞻性的信息技術手段，實現數據縱橫匯聚、業務智能驅動和管理場景模擬的建設目標。

1）點：以中心灌區灌排中心作為數字孿生灌區的信息管理中心，灌區管理人員通過信息管理中心，集中管理灌區各類監測監控設施，并通過會商室實現灌區業務的綜合展示。

2）線：以中心灌區總干渠、東干渠、西干渠作為數字孿生灌區建設內容基礎，實現灌區水情監測基本覆蓋、泵站雨量監測覆蓋、典型區域農情監測、重點建筑物遠程控制和視頻監視。

3）面：以灌區智能業務應用系統為核心，對灌區信息采集、工程管理、水費計收、配水調度等業務應用，利用智能業務應用平臺模擬和推演灌區配水調度等業務工作。實現具有灌區集中管理、決策支持、分級使用、綜合展示等功能于一體的現代化管理模式。

4.2 實施范圍

中心灌區實施范圍以骨干渠系為主，設計灌溉面積 1.12 萬hm2，灌區有效灌溉面積 1 萬hm2，骨干渠系基礎設施良好、建筑物及標準斷面量水基本配套到位，并通過《黑龍江省肇源縣中心灌區2023 年續建配套與節水改造項目》進一步完善灌區骨干渠系工程。此次設計總干渠、東干渠、西干渠及其支渠分水閘建立水情監測、工情監測、農情監測和雨情監測；對中心灌區骨干渠系進水閘、分水閘和重點節制閘建立工情監測和自動控制，并對總干渠至東干渠二戰節制閘為數字孿生灌區建設典型區域。

4.3 技術架構

中心灌區數字孿生灌區建設采用“三橫二縱”的總體思路，其中“三橫”指，基礎設施平臺、數字孿生平臺、智能業務應用平臺。“兩縱”指網絡安全體系、運行維護體系.

4.3.1 信息化基礎設施平臺

主要包括立體感知體系、自動控制系統、支撐保障體系，為灌區數據采集、傳輸存儲、分析計算、應用支撐、運行管理等提供基礎支撐和算力保障。

立體感知：中心灌區圍繞灌區骨干渠道及重點建筑物開展，結合灌區管理現狀及信息化現狀，采用空、天、地等多樣化的監測手段。

自動控制：采用自動控制技術實現閘門的現地、遠程、自動控制功能。達到灌溉、排水、供水、防洪、水資源等優化調度的目標，實現自動優化處理、集中控制、有人值班、無人值守。

支撐保障：以網絡安全、運行維護為保障，搭建應用支撐平臺、通信網絡、計算存儲、調度中心等多維并重的支撐保障體系。

4.3.2 數字孿生平臺

主要包括數據底板、模型庫、知識庫等。數據底板為模型庫和知識庫提供算據；模型庫和知識庫為灌區智能業務應用平臺提供算法。其中，數據底板包括基礎數據，監測數據，業務管理數據，地理空間數據及外部共享數據，模型庫包括來水預報、作物需水、配水調度、水動力仿真等推演模型，知識庫包括知識引擎、知識圖譜、預報調度方案、專家經驗和灌區業務規則庫等。

4.3.3 智能業務應用平臺

主要包括灌區管理一張圖系統、灌區信息采集處理系統、灌區工程管理系統、灌區水費計收管理系統、移動智能終端應用、灌區數字化工程運行管理系統、灌區三維數字化仿真展示軟件、灌區配水調度場景化模擬預演等主要業務模塊。

4.3.4 網絡安全體系

包括組織管理、安全技術、安全運營、監督檢查、數據安全等。在滿足國家法律法規和標準體系的前提下通過技術措施和管理措施的安全設計。

4.3.5 運行維護體系

包括管理制度、運維保障、標準規范等。通過梳理運維管理需求、規范運維流程，建設一套科學有效的、融合組織、制度、流程、技術的統一運維管理體系，為數字孿生灌區的深化應用和應用效益提升提供可靠保障。

4.4 投資估算

肇源縣中心灌區數字孿生灌區先行先試建設總投資為：5401.82 萬元，其中信息化建筑工程 301萬元，機電設備采購及安裝工程 4565.51 萬元，獨立費用 535.32 元。設計按兩個階段實施，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 語

項目完成后，肇源縣中心灌區能進行水資源科學調度、能夠最大限度的用好水資源，最大限度保護好環境生態。灌區內智能業務應用平臺能推動水利科技創新提升、提高水利資源綜合效益、減輕水災害損失、提高生態效益，充分發揮工程綜合效益。項目完成的輸水工程監測站網、自動控制網、水利信息網，解決以往灌區工程監測信息和水利信息存儲方式簡單，查找麻煩，缺少備案的問題，保證工程運行管理、水資源調度等工作的標準化、規范化進行，在未來的灌區管理工作中發揮重要作用。通過項目建設完善了網絡安全體系，加強數據安全保護，全面保障數字孿生水利工程系統安全和數據安全，通過黑龍江省肇源縣中心灌區數字孿生灌區先行先試工作，總結提煉，最終形成可推廣、可復制的建設成果，同時為黑龍江省在水利數字孿生建設方面作出試點全省推廣。