茨淮新河數字孿生灌區建設探索

高 升

（安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 蚌埠 233010）

0 引言

國家“十四五”規劃綱要指出，要構建智慧水利體系，以流域為單元提升水利測報和智能調度能力。水利部高度重視智慧水利建設，將推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展的六條實施路徑之一。要求以數字孿生技術為基礎，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的水利現代化管理體系，推進傳統水利工程向新型水利基礎設施轉型。2022 年啟動大中型灌區數字孿生灌區先行先試建設，嘗試采用數字孿生實現智慧灌區建設，有效簡化了日常管理流程，提高了水資源利用效率，推動了灌區高質量發展。

1 建設背景

茨淮新河是安徽省淮北平原一條大型人工河道，于1978 年建成投入運行，全長134.2km，流域面積6960km2。茨淮新河灌區是以該河作為水源工程的大型灌區，設計灌溉面積201 萬畝，主要利用河道上的插花、闞疃、上橋三座節制閘攔蓄徑流作為灌溉水源，經沿河兩岸70 余座泵（閘）站抽（引）水至農田；當攔蓄灌溉水量不足時，再經上橋、闞疃抽水站抽提淮河水補給。

為貫徹落實習近平總書記“十六字”治水思路，響應水利部推動數字孿生灌區建設的重要舉措，茨淮新河灌區積極探索數字孿生建設思路，擬以物理灌區為單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對物理灌區全要素和運行全過程進行數字化映射、智能化模擬，實現與物理灌區同步仿真運行、虛實交互、迭代優化等，提升灌區用水管理的精準決策能力，提高灌區算據、算法和算力方面的協同性。

2 需求分析

2.1 提升灌區水安全保障能力的需求

在水利高質量發展新階段，茨淮新河灌區應積極推進數字孿生建設。通過系統化梳理灌區管理決策業務，利用最新的水利信息化技術，對全灌區不同區域、不同要素進行動態感知、全面監測，提高灌區水旱災害防御決策與管理的智能化、精準化、高效化能力，實現灌區水安全風險從被動應對向主動防控轉變，提升水安全保障能力。

2.2 提高灌區水旱災害防御能力的需求

現階段灌區種植結構和功能已從傳統單純性灌溉供水，拓展到工業、城鄉生活和生態供水等。因茨淮新河流域地處南北氣候過渡帶，受異常氣候影響較大，干旱頻現，再加之漫灌造成水資源嚴重浪費，灌溉補給提水需求量大。從上橋抽水站歷年抗旱提水量（圖1）可以看出，近年來灌區年提水量大幅增加，其中2019 年提水量達7.5 億m3。如僅對灌區灌排工程進行基建式升級改造，無法從根本上解決灌區當前水資源短缺問題，只有通過數字孿生建設，有效提升灌區水資源利用效率，提高灌區水旱災害防御能力。

圖1 上橋抽水站歷年抗旱提水量柱狀圖

2.3 茨淮新河灌區特殊管理模式的需求

茨淮新河灌區是流域管理和區域管理相結合的管理模式，隸屬安徽省水利廳的茨淮新河工程管理局僅負責上橋樞紐工程管理和茨淮新河水資源統一調度，其余樞紐工程、沿河泵（閘）站和渠系建筑物均由所在市、縣（區）負責管理。因灌區管理體制的獨特性，無法借鑒或復制先行先試灌區的數字孿生建設成果，必須自行探索構建適合自身管理體制機制的數字孿生體系。

3 數字孿生灌區建設信息化基礎設施

3.1 灌區已初步建成通信調度信息化系統

目前，茨淮新河灌區建有水雨情監測站點128 處、泵站監控系統6 座、泵（閘）站視頻監控點136 處；共享省水利廳水雨情數據信息55 處；開發了灌區一張圖、水利工程運行管理、水旱災害防御和工程檔案管理等業務應用模塊，構建了茨淮新河灌區工程信息感知網、工程調度信息骨干網、灌區調度平臺及灌區業務應用平臺，初步建成了包括量測水監測系統、泵（閘）站監控系統、視頻監控系統、通信網絡及網絡信息安全、應用軟件的通信調度信息化系統。

3.2 灌區信息化系統啟動升級改造

2023 年7 月，灌區信息化系統啟動升級改造，計劃增建水雨情監測站點28 處，提升灌區感知和運程監控能力；租用和鋪設專用光纜等完善網絡通信系統；升級和整合四級樞紐自動化系統，并利用物聯網、大數據、云計算等技術，升級信息化基礎設施、數據底板和應用支撐平臺，完善網絡安全體系和保障體系，構建灌區數字孿生基礎性框架，網絡總拓撲圖如圖2 所示。

圖2 茨淮新河灌區通訊調度信息化系統網絡總拓撲圖

4 建設思路

4.1 明確建設目標

茨淮新河灌區數字孿生系統主要用戶是四級樞紐及各縣（區）工程運行管理單位，旨在提升灌區內水工程運行、水旱災害防御、水資源配置決策支持能力。其業務目標是依托數字孿生建設，利用基礎信息及監測數據，結合茨淮新河流域相關情況，在虛擬世界中模擬和再現灌區相關要素的關聯關系及動態變化，實現域內來水模擬預測、智能化分析及決策方案的智能推送，提高灌區蓄、調、抽、引水調度過程的智能化決策能力，全面提升灌區工程運行效率、智慧化管理水平和安全綜合保障能力。

4.2 準確把握建設原則和設計思路

為確保灌區數字孿生建設達到預期目標，應堅持“繼承性發展和分階段實施”的總體思路，遵循“頂層設計、整合已建、籌劃新建、資源共享”原則，圍繞灌區水旱災害防御、水資源配置的業務需求和目標，充分利用已建的灌區信息化系統成果，統籌當前信息化升級改造內容，謀劃構建一個與茨淮新河灌區相匹配的虛擬空間，包括信息基礎設施、數據底板、公共平臺、應用支撐平臺等內容的數字孿生灌區。實現灌區實時狀態與控制管理的鏡像模擬，提高整個灌區智慧化管理和精準化決策水平。

4.3 制定適合本灌區管理現狀的建設方案

數字孿生灌區建設應結合本灌區管理現狀，根據現有信息基礎設施，深入分析業務現狀、問題，制定出一套有利于強化業務薄弱環節、優化重塑的業務流程，促進新信息技術與灌區水旱災害防御、水資源配置業務深度融合的建設方案，構建較完善的信息基礎設施體系和業務應用平臺、安全可控的網絡和運行維護體系。

4.4 加強同農業農村局協作

在建設數字孿生灌區過程中，應加強同農業農村局溝通協作，合力做好骨干工程與田間工程的銜接，應用高效節水灌溉技術、設備，從立體感知、自動控制、數字孿生、業務應用、網絡安全、運行維護等方面同步推進，相互促進和有效共享，共同鞏固和保障我國糧食生產能力，共同推動灌區新階段高質量發展。

5 建設方案探索

5.1 總體架構

在需求分析的基礎上，根據信息系統建設集約化、一體化等原則，按照信息系統分層建設的基本方法，打通灌區各級業務分層分類建設內容，統籌現地基礎設施、數字孿生平臺、業務應用等層面，奠定數字孿生灌區頂層設計、方案制定基礎。

同時根據互聯互通、信息共享和業務協同等原則，在灌區業務各自縱向建設需求基礎上，橫向整合和打通信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用等層面，避免重復建設，提高復用率。

數字孿生灌區業務系統總體架構采用“三橫二縱”體系，如圖3 所示。“二縱”為灌區保障體系和網絡安全體系；“三橫”為信息化基礎設施、數字孿生平臺層和業務應用層。

圖3 茨淮新河數字孿生灌區總體架構圖

5.2 層次結構

根據茨淮新河灌區現有管理模式及系統建設層級關系，系統劃分采用“三層”結構網絡拓撲布局方式。

中心層：茨淮新河工程管理局總控中心。

分中心層：上橋、闞疃、插花、茨河鋪四級樞紐及7 個縣（區）各設分中心。

現地層：現地泵站、節制閘、涵閘、遙測站等。

5.3 技術架構

茨淮新河灌區信息化工程涉及各類自動化監測監控、灌區一張圖、水旱災害防御調度、OA 系統、視頻監控綜合平臺、監控運維一體化系統、管理決策駕駛艙、微信公眾號等子系統，數據源眾多，監控對象層級差別大，應用間交互性強，因此需要技術先進、結構高效、支持大規模應用、海量數據存儲管理的整體技術架構與解決方案支撐，技術架構如圖4 所示。

圖4 茨淮新河數字孿生灌區技術架構圖

6 結束語

數字孿生灌區建設是智慧水利建設的重要內容，是推進灌區現代化管理和高質量發展的方向。茨淮新河灌區應緊抓我國開展數字孿生灌區建設機遇，堅定“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”原則，提前謀劃、統籌部署，分步構建信息感知、資源共享、決策支持、泛在服務等體系，有序推進灌區數字化、自動化、智能化建設，逐步提升灌區現代化管理水平■