數字孿生吳嶺灌區建設方案研究

摘要：為加快吳嶺灌區信息化建設，進一步提升灌區建設管理水平、實現灌區高質量發展及保障糧食安全，基于吳嶺灌區現狀，對標數字孿生灌區技術要求，對數字孿生流域建設進行了初步探討。數字孿生吳嶺灌區的整體框架分為信息化基礎設施、數字孿生平臺、智慧灌區應用、網絡安全體系和運行保障體系等五大部分，通過構建工程BIM數字模型、智能化灌溉決策支持系統、水資源優化調度系統、災害預警與應急響應系統，實現精準灌溉、高效供水和優化配水，提高灌區經濟、社會效益。

關鍵詞：數字孿生； 灌區信息化； 智能應用； 吳嶺水庫

中圖法分類號：TV61

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.019

文章編號：1006-0081（2024）11-0119-09

0 引 言

灌區為人類提供生物生產、水分調節、養分循環與貯存以及景觀價值服務等多重生態服務功能，為國家的經濟發展提供了堅實的基礎，是推動國家經濟發展的重要力量［1］。根據聯合國糧食及農業組織（FAO）的數據，農業生產需要在2012年的基礎上增加 40%才能達到 2050 年預計滿足100億人口的需求［2］。該組織指出，增加產量不僅需要灌區管理制度和生產方式的變革，還迫切需要物聯網、人工智能、數字孿生等技術在農業生產中的大規模應用［3］。

數字孿生技術使物理對象與其數字化映射間的數據自動雙向流動［4］，已廣泛應用于水利工程綜合管理中，以提升生產率，減少資源消耗［5-6］。水利部出臺系列文件，強調智慧水利建設的重要性，提出構建數字孿生流域，以數字化、網絡化、智能化為支撐，實現精準化決策［7-10］。數字孿生流域不僅是智慧水利的核心，更是推動其發展的關鍵。

吳嶺灌區作為重要的糧食產區，灌區的灌溉系統可以確保農作物在干旱或其他不利天氣條件下得到充足的水分，保障糧食的穩定生產。吳嶺灌區水資源總量豐富，但受地形、氣候等多種因素影響，水資源在時空分布上并不均勻。因此，灌區的建設和管理需要充分考慮水資源的合理利用和調配，確保在干旱或水源短缺的情況下，仍能滿足農業灌溉的需求。數字孿生灌區的建設結合了現代技術與傳統農業水利，通過將物理灌區的全要素和建設運行全過程進行數字映射、智能模擬和前瞻預演，實現對灌區的實時監控、問題發現和優化調度。數字孿生灌區夠顯著提高灌區的用水管理與精準決策能力，從而提升灌區的建設和管理水平。

為貫徹落實水利部黨組關于智慧水利建設的有關決策部署，2022年12月，水利部辦公廳印發了《水利部辦公廳關于開展數字孿生灌區先行先試工作的通知》，啟動了包括湖北省吳嶺灌區在內的48處大中型灌區開展數字孿生灌區先行先試建設。吳嶺灌區是一座集灌溉、供水、防洪、養殖等功能于一體的綜合性水利工程，目前存在數字化建設缺乏系統規劃、管理模式粗放化、水資源供需矛盾日益尖銳等問題。本文以湖北省吳嶺灌區為例，通過對中型灌區進行數字孿生體系的框架設計和關鍵技術論證，為同類型灌區信息化建設提供新的思路和案例支持，從而提高灌區水資源集約節約利用水平，推動內陸地區水資源管理能力提升。

1 灌區現狀

湖北省吳嶺灌區（圖1）位于京山以南，天門以北，應城以西，距京山市約13 km，灌區范圍包括京山市的錢場鎮和雁門口鎮、天門市的九真鎮和石家河鎮共4個鎮。灌區設計灌溉面積9 733.4萬m2，南北長19.42 km，東西寬18.14 km，國土總面積20 400萬m2。灌區水源主要是灌區內1座中型水庫（吳嶺水庫），承雨面積達到102 km2，總庫容為6 785萬m3，水域面積為9.77 km2，以灌溉為主，兼有防洪、水產養殖、城鎮供水等綜合效益。東、西兩條干渠和白段等11條支渠組成了吳嶺灌區骨干渠系，渠道總長100.23 km，其中干渠總長27.4 km（東干渠15.7 km，西干渠11.7 km），渠系建筑物共計610處。

對照新階段水利發展要求，吳嶺灌區信息化建設存在以下問題：前端監測不足，自動化控制及新技術應用有限；數據整合與挖潛不夠，數據底板不全；專業模型與知識庫待加強，智能水平需提升；智能業務應用水平低，決策與智能分析能力不足；網絡安全防護需完善，風險管理與應急響應待提升。

隨著社會經濟的發展和氣候變化的影響，灌區的服務功能也在不斷拓展和升級，因此，灌區的管理思路和管理方式也需要不斷更新和改進。開展數字孿生吳嶺灌區建設，聚焦數字化、網絡化、智能化，深化算據、算法、算力發展，構建現代化水利智慧管理體系，其服務功能的拓展和管理水平的提升對于保障糧食生產、城鄉供水以及生態安全等方面都具有重要意義。

2 建設內容

2.1 建設目標

吳嶺水庫數字孿生灌區建設以物聯網、大數據、云計算、數字孿生等新一代信息技術為支撐，通過信息基礎設施升級改造、數字孿生平臺建設、智能應用體系建設、網絡安全與運行保障體系建設，初步建成需求驅動、水平領先、成效突出的數字孿生吳嶺灌區，達到“1個孿生平臺、7個智能應用、3項數字賦能”的建設目標，充分發揮灌區綜合效益，推動灌區高質量發展。

2.2 建設任務

吳嶺水庫數字孿生灌區建設內容包括：升級信息化設施，完善量測、遙測、視頻監控和遙感農情監測，提升機房、決策環境及計算資源；基于BIM+GIS技術構建L3級數據底板，實現三維仿真和實時渲染；建立模型與知識庫，涵蓋防汛抗旱、灌溉等多維度，提升智能化管理；擴展智能業務應用，涵蓋供需水感知、資源配置、災害防御等，推動智慧化管理；系統集成與部署，建設分中心，實現單點登錄與現有系統對接。

2.3 建設難點及解決方案

吳嶺灌區作為重要的農業灌溉區域，承擔著保障糧食安全和農業發展的重任。數字孿生吳嶺灌區的建設重點是數據底板、數字孿生模型及智能化應用體系建設。數字孿生吳嶺灌區建設的難點及解決方案如下。

（1） 數據收集與處理難點在于對多源異構數據的整合與處理。解決方案是采用大數據技術，對數據進行清洗、融合和挖掘，提高數據質量和使用價值。

（2） 數字孿生模型構建難點在于高精度建模和模型實時更新。解決方案是利用GIS、BIM等技術，構建工程BIM數字模型，實現高精度建模和實時更新。

（3） 智能化應用開發難點在于如何結合業務需求開發智能化應用。解決方案是加強與業務部門的合作，深入了解業務需求，開發符合實際需求的智能化應用。

（4） 系統集成與運維難點在于如何實現系統的有效集成和運維。解決方案是采用云計算和物聯網技術，實現系統的集中管理和運維，提高系統的穩定性和安全性。

（5） 吳嶺灌區如何合理進行水資源優化調度和利用是其難點。解決方案是采用在水源供水和灌區用水需求分析的基礎上，通過調度目標量化，模型庫中耦合水源供水和灌區用水需求多目標均衡的水源聯合優化調度模型，實現對水源調控風險的科學評估和對調控方案的優選評價。

2.4 總體架構

數字孿生吳嶺灌區的整體框架分為信息化基礎設施、數字孿生平臺、智慧灌區應用、網絡安全體系和運行保障體系五大部分，以實現吳嶺灌區的物理實體與數字孿生體之間的同步仿真運行、虛實結合、迭代優化。

天空地一體化立體感知體系建設。針對水情、工情、農情和氣象要素監測感知與多時空尺度數據獲取分析需求，綜合應用衛星遙感、無人機、視頻、地面感知設備等多技術手段和先進裝備，強化新技術應用與探索，構建灌區天空地一體化立體感知體系。

吳嶺灌區數字孿生平臺建設。包括數據底板、知識庫和模型庫建設，其中數據底板提供“算據”支撐，包括數據采集、數據治理及其數據匯聚管理平臺建設；模型平臺為智慧水利提供“算法”支撐，要建成標準統一、接口規范、分布部署、快速組裝、敏捷復用的灌區水利模型平臺，包括灌區水利專業模型、智能算法庫及模型管理平臺的開發；知識平臺為智慧水利提供知識，主要是建成結構化、自優化、自學習的水利知識平臺，包括預案庫、知識圖譜庫、業務規則庫、歷史場景模式庫、專家經驗庫、水利知識引擎，以及知識平臺的可視化開發；數字化場景構建包括仿真可視化模型和數字模擬仿真引擎兩部分內容。

在此基礎上搭建“四個灌區”智能業務服務平臺，包括灌區“節水四預” 系統（如供需水感知與預報、水資源配置與供用水調度）、灌區水旱災害防御系統（旱情、洪澇）、工程管理、灌區量水與水費計收系統、灌區一張圖等方面，促進灌區高質量發展。技術架構如圖2所示。

應用構架主要以數字孿生吳嶺灌區的應用系統構成、關系、展示方式、使用用戶來開展規劃與設計。應用架構如圖3所示。

圍繞數字孿生吳嶺灌區的數據底板建設，從數據采集、數據治理、數據存儲、數據服務、數據應用逐級流轉。數據架構如圖4所示。

安全架構貫穿運營構架、威脅防護、安全監測、安全事件分析、安全應急響應處置、威脅預防的全過程閉環信息安全運營體系。信息安全架構如圖5所示。

2.5 建設方案

2.5.1 完善信息化基礎設施建設

信息化基礎設施建設主要依托于吳嶺水庫管理局已建成的監測感知體系，完善信息化基礎設施，構建立體監測體系，提升實時監測能力。同時，新增輸配水及田間自動灌溉系統，實現水利設施智能控制。在應用支撐方面，采用微服務架構構建平臺，滿足水旱防御、資源配置等業務需求。升級調度中心，建設視頻會商系統，為多級業務管理提供有力支撐，見圖6。

2.5.2 打造數字孿生智能化平臺

吳嶺水庫數字孿生灌區通過構建L3級數據底板實現水利全要素數字化映射，整合水利專業模型、智能識別模型和可視化模型形成核心模型庫，并基于共享知識庫構建業務規則庫，以數字孿生引擎為動力，深度融合數據、模型與知識，顯著提升灌區的智慧化水平，為水利治理管理提供有力支撐。模型庫建設清單見表1。

2.5.3 助推智能業務應用拓展

建設供需水感知與預報、水資源配置與調度、災害防御等核心業務是數字孿生灌區的關鍵。通過開發“四預”功能，實現水量、墑情、作物長勢、水旱災害的預報，根據預設指標預警，對不同條件、參數的模型進行預演，制定相應的預案。業務應用平臺建設如圖7所示。

2.5.4 加強網絡安全體系防御

為增強數字孿生吳嶺灌區的網絡安全，需按國家網絡安全政策要求，遵循水利網絡安全頂層設計，建立縱深防御、監測預警、應急響應的全要素信息安全體系。該體系應包含制度、機構、人員等全方位管理，并貫穿運營、防護、監測、分析、響應、預防等全過程。建設期內，數據分中心負責監測數據采集，吳嶺水庫管理局負責數字孿生平臺總集成，以持續強化網絡安全態勢感知與處置能力，完善保障體系，滿足安全管理需求。

2.5.5 推動運行保障體系健全

健全運行保障體系，需要按照“統籌規劃、統一標準”的原則，參考引用流域、省級等相關行業與地方標準，在本項目建設單位已有的項目建設與運行維護管理制度基礎上，明確運行維護對象，細化信息基礎設備設施運行維護的工作流程和工作機制；建立吳嶺灌區數字孿生平臺運行維護方案，明確運行維護任務目標、內容、流程、要求等；制定項目管理應急預案，完善管理措施；補充配備專業團隊開展數字孿生平臺等工程運行維護。

3 實施效果

為實現灌區精細化管理，融合了智能感知、短期及中長期需水預報、水資源高效配置、水量調度、旱情評估等技術，構建灌區“四預”平臺。系統經不斷迭代升級，能夠實現農作物生長最佳需水量和灌溉時間預測，并且可自主根據作物需求驅動設備完成智能化灌溉，實現了高效智能的灌溉決策，實現按需、按期、按量高效供水，做到計劃用水、優化配水，提高了灌區綜合效益。

平臺構建BIM數字模型、灌溉決策支持系統、水資源調度系統、災害預警與響應系統。BIM數字模型實現工程信息數字化與可視化。灌溉決策支持系統基于數字孿生與大數據，提高灌溉效率和水資源利用率。水資源調度系統結合氣象、水文數據，利用AI技術，實現水資源合理配置。災害預警與響應系統基于數字孿生與物聯網，提升抗災與應急能力。系統計劃實現“來水-需水-配水-調水”智能管理，為“按需供水、精確配水”提供科學手段，改變傳統供水模式。

3.1 灌區工程狀況可視化

數字孿生灌區實現水利要素和業務信息全景可視，實時模擬管理過程，動態推演調度方案，協同共享業務信息，降低運行成本。依托數據底板和專業模型，結合技術支撐和灌區特點，構建多尺度可視化模型，實現自然背景、工程、設備操控和“四預”過程可視化（圖8）。

3.2 安全監測數據直觀感知

水利工程平臺可多角度展示運行狀態，支持地理信息系統綜合監測，全面掌控流域、水庫等管理要素。實時展示大壩、水位、機房等關鍵對象的運行態勢，清晰了解實時狀況（圖9）。同時，實時監測壩體結構、氣象、滲流、水質等信息，幫助管理者及時發現并處理潛在問題。

3.3 水資源的合理配置高效利用

根據氣象、雨水情、農情等信息，預測作物需水量，利用模型演算精準預報灌水時間和灌水量。結合來水預報、灌溉模型或調度規則，確定水資源配置方案（圖10），自動生成調度預案。通過仿真推演輸配水過程，優化供水調度方案，為灌區水資源合理配置和高效利用提供智慧保障。

3.4 水旱災害防御科學決策

應用數字孿生平臺預演水庫調度及薄弱環節影響情況，模擬洪水過程和水位、流量變化，比選泄水調度措施，動態調整防洪方案（圖11）。預演工程體系調度，優化水資源調度方案，提高決策科學性。提升防洪減災和水資源管控能力，完善科學決策體系。

4 結 語

數字孿生灌區建設是現代農業發展的核心方向，它借助先進的信息技術手段，實現了對灌區的全面數字化和智能化管理。通過構建數字孿生模型，能更精準地掌握灌區的運行狀態，優化資源配置，提高灌溉效率，進而推動灌區的可持續發展。在數字孿生吳嶺灌區的建設中，充分利用了現代科技手段，如大數據分析、云計算、物聯網等，整合多源數據資源，建立完善的信息共享機制，為灌區的精細化管理和優化調度提供了堅實的數據支撐。同時，積極探索了數字孿生技術與灌區業務的深度融合，推動灌區的智能化、綠色化轉型，為農業生產和生態環境保護提供有力支持，滿足灌區日益增長的需求。此外，加強了與其他領域的合作，共同推動數字孿生技術的發展和應用，為現代農業的發展注入新的活力。在數字孿生灌區的建設中，探索了“政事企”三方參與的建設機制，充分發揮政府、事業單位和企業的各自優勢，形成了合力推進的良好局面。

吳嶺灌區作為長江流域重要的糧食產區，在長江流域數字孿生灌區的建設過程中，面臨著三大挑戰：① 數據集成與共享。由于數據格式、標準、存儲方式的差異，整合來自不同水源、不同部門的數據并實現共享較為困難；② 技術應用與融合的挑戰。數字孿生技術涉及大數據、云計算、物聯網、人工智能等多種技術的融合應用，如何有效整合這些技術并發揮其各自優勢，提升灌區的智能化水平，是建設過程中的關鍵問題；③ 長江流域數字孿生灌區中水源優化調度和利用是長江流域灌區的特點也是難點，通過在模型庫中耦合合適的多目標均衡水源聯合優化調度模型，實現水源聯合利用的優化調度是解決途徑之一。

展望未來，針對數字孿生灌區的建設，應持續深化技術應用與融合，進一步探索數字孿生技術在灌區建設中的應用場景，加強技術的融合與創新，提升灌區的智能化水平。同時，還應加強人才培養與團隊建設，注重培養具備跨學科知識和技能的復合型人才，加強團隊建設，為數字孿生灌區的持續發展提供堅實的人才保障。此外，還應建立健全數字孿生灌區建設的政策體系和標準規范，為項目的順利實施提供有力的制度保障。

目前，全國48處大中型灌區正按照“先行先試”的原則，有序推進數字孿生灌區建設。數字孿生灌區將在保障糧食安全、促進農業轉型升級、推動鄉村振興等方面發揮越來越重要的作用。隨著數字孿生技術的廣泛應用，可為各個灌區的建設和管理提供更加高效、智能的解決方案，助力農業實現高質量發展，為構建現代化農業體系貢獻力量。

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［10］ 李國英.在2022年全國水利工作會議上的講話［J］.中國水利，2022（2）：1-10.

（編輯：張 爽）

Research on construction plan for digital twin of Wuling Irrigation Area

YU Lei1，XU Hui2，LI Yalong1，CHEN Xing2，JIA Siying2，XIE Yao3，SHA Jincai4

（1.Agricultural Water Conservancy Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Hubei Wuling Reservoir Authority，Jingshan 431899，China； 3.Zhonggong Wuda Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China； 4.Shannan Water Resource Bureau，Lhasa 856000，China）

Abstract：

In order to enhance the information construction of Wuling Irrigation Area，improve the management level，achieve high-quality development，and ensure the food security，we realized the integration of digital twin technology.Based on the current situation of Wuling Irrigation Area and the technical requirements of digital twin irrigation areas，we conducted a preliminary discussion on the construction of digital twin basins.The overall framework of the digital twin Wuling Irrigation Area was divided into information infrastructure，digital twin platform，smart irrigation area application，network security system，and operation support system five major parts.By constructing BIM digital models of engineering，intelligent irrigation decision support systems，water resources optimization and scheduling systems，and disaster warning and emergency response systems，precise irrigation，efficient water supply，and optimized water distribution were achieved，thereby improving the benefits of the irrigation area.The practice of the digital twin Wuling Irrigation Area can provide a useful exploration and reference for promoting the construction of smart water conservancy.

Key words：

digital twin； irrigation area informatization； intelligent application； Wuling Reservoir