《數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)架構(gòu)與技術(shù)要求》

數(shù)字孿生灌區(qū)技術(shù)與經(jīng)驗交流培訓(xùn)班

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)架構(gòu)與技術(shù)要求

李益農(nóng)所長/二級正高

中國水利水電科學(xué)研究院

國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心

水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室

2023年5月31日

目錄

01背景意義

02總體架構(gòu)

03技術(shù)要求

04實踐認識

01背景意義

1.1灌區(qū)發(fā)展階段

北方灌排工程建設(shè)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，五小水利建設(shè)

北方打井抗旱，黃河上中游加快了大中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造建

建設(shè)泵站。設(shè)及末級渠系建設(shè)、田間工程配套，高標(biāo)

準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，節(jié)水灌溉技術(shù)推廣。

50年代60-70年代80-2000年2001-2020年2021

全國灌排工程興建管理體制改革

建國初期，興修農(nóng)田水利稅費改革、多種經(jīng)營，多種形灌區(qū)現(xiàn)代化

，解決人民吃飯問題。式的責(zé)任制，1989年出臺了“

勞動積累工”制度。

1.2灌區(qū)信息化發(fā)展歷史

水情信息的匯總整理:自動計量、信息化試點建設(shè):2015年底，153處灌

自動預(yù)測、自動控制方面的探索區(qū)開展了信息化建設(shè)，提升灌區(qū)綜合管

研發(fā)。理水平和水資源配置調(diào)度能力。

上世紀(jì)70年代上世紀(jì)80-90年代2000-20152016-20202021

“十四五”:灌區(qū)信息化

覆蓋率達到80%以上。

水文信息的信息化處理:自動調(diào)度、自3S技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)應(yīng)用:根據(jù)氣象

動測報、自動計量、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)方變化、作物需水等，進行灌溉預(yù)報，對

面的探索。灌溉用水“總量控制、定額管理”。

1.3灌區(qū)信息化發(fā)展階段

預(yù)報預(yù)警

方法

推演決策

感知硬件未來目標(biāo)

極少數(shù)灌區(qū)智能/智慧化

自我判斷

數(shù)字化

絕大部分灌區(qū)自我決策

方案推演自我執(zhí)行

信息化決策支持無人值班、少人值守

自動采集

數(shù)字賦能

工程上圖

信息查詢數(shù)字孿生

“四預(yù)”能力

1.4灌區(qū)現(xiàn)代化與高質(zhì)量發(fā)展提出要求

灌區(qū)現(xiàn)代化與高質(zhì)量發(fā)展

設(shè)施完善節(jié)水高效管理科學(xué)生態(tài)良好

糧鄉(xiāng)

食村

安振

全興

··

水現(xiàn)

用先進技術(shù)、先用現(xiàn)代科技促進用科學(xué)管理制度、用人與自然共生

安進工藝、先進設(shè)灌區(qū)高效節(jié)水和先進管理手段提理念指導(dǎo)灌區(qū)生代

全備打造灌區(qū)工程可持續(xù)發(fā)展高管理服務(wù)能力態(tài)環(huán)境保護建設(shè)化

四項任務(wù)

灌區(qū)工程現(xiàn)代灌區(qū)管理“四項”灌區(qū)管理科學(xué)灌區(qū)管理標(biāo)準(zhǔn)

化升級改造機制深化落實化智慧化化規(guī)范化

灌區(qū)管理數(shù)字化智慧化是重要手段

1.6水利部出臺系列文件，推動智慧水利建設(shè)

2018年，中央一號文件明確要實施智慧水利工程。

2019年，全國水利工作會議指出，抓好智慧水利頂層設(shè)計。水利部先后印發(fā)《加快推進智慧水利的指導(dǎo)意見》

《智慧水利總體方案》和《智慧水利網(wǎng)信水平三年行動提升方案（2019—2021年）》，進一步明確了我國智慧水

利建設(shè)的總體要求和目標(biāo)任務(wù)以及近期行動計劃。

2021年，水利部印發(fā)《關(guān)于大力推進智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》

《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》。

2021年12月，水利部召開推進數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會議。

2021年12月，水利部印發(fā)《關(guān)于實施國家水網(wǎng)重大工程的指導(dǎo)意見》

2022年，全國水利工作會議明確要求，打造一批現(xiàn)代化數(shù)字灌區(qū)。

2022年6月，印發(fā)《水利部關(guān)于開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》。

2022年12月，水利部印發(fā)了關(guān)于開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作的通知。

灌區(qū)作為國家水網(wǎng)“最后一公里”

是數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程建設(shè)中的重要應(yīng)用場景

1.5數(shù)字孿生灌區(qū)提出背景

數(shù)字地球數(shù)字黃河數(shù)字中國數(shù)字政府

技術(shù)問題包括計黃委會：十九大：十九屆四中全會：

算機科學(xué)、海量用數(shù)字化手段統(tǒng)以遙感為技術(shù)手段，“用數(shù)據(jù)對話、用

數(shù)據(jù)存貯、衛(wèi)星一處理黃河問題，在可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)

遙感、網(wǎng)絡(luò)、元同時又最大限度業(yè)、資源環(huán)境等方服務(wù)、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”

數(shù)據(jù)等。地利用信息資源。面管理中國。的現(xiàn)代化治理模式。

數(shù)字灌區(qū)數(shù)字孿生流域數(shù)字孿生水網(wǎng)數(shù)字孿生工程

安徽?。核浚核浚核浚?/p>

省政府專題會議提召開推進數(shù)字孿生水利部印發(fā)《關(guān)于印發(fā)《水利部關(guān)于

出加快推進數(shù)字灌流域建設(shè)工作會議。實施國家水網(wǎng)重大開展數(shù)字孿生工程

區(qū)建設(shè)，水利廳專

門部署淠史杭組織工程的指導(dǎo)意見》。建設(shè)先行先試工作

編制數(shù)字灌區(qū)建設(shè)的通知》。

規(guī)劃。

1.7水利部啟動數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)

2022年12月29日，水利部印發(fā)了關(guān)

于開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作的

通知，同步印發(fā)《數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)

技術(shù)指南（試行）》和實施方案編制

大綱。

啟動48處大中型灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌

區(qū)先行先試建設(shè)。

02總體架構(gòu)

2.1數(shù)字孿生灌區(qū)的定位

服務(wù)灌區(qū)管理需求總體目標(biāo)灌區(qū)管理上升到數(shù)字化、智能

化、智慧化層面

指導(dǎo)灌區(qū)管理實踐

核心要求

兩個轉(zhuǎn)變灌區(qū)管理由以主觀判斷為依據(jù)

向以客觀規(guī)律為依據(jù)轉(zhuǎn)變

顯著提升灌區(qū)管理技術(shù)水平

決策由以歷史經(jīng)驗為主向數(shù)據(jù)

顯著提升灌區(qū)服務(wù)能力兩個提升

支撐+歷史經(jīng)驗的模式轉(zhuǎn)變

2.2數(shù)字孿生灌區(qū)的理念轉(zhuǎn)變

NOYES

遍布的攝像頭

1從硬件設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗屑夹g(shù)方法

密集的量測控設(shè)備數(shù)字孿

生灌區(qū)2從靜態(tài)展示轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)決策過程

計算機集群

3從數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字驅(qū)動的管理模式

海量數(shù)據(jù)存儲

2.3數(shù)字孿生灌區(qū)的主要構(gòu)成要素

需求驅(qū)動的數(shù)據(jù)網(wǎng)

支撐在現(xiàn)有星-機-地立體監(jiān)測技術(shù)及方法的基礎(chǔ)上，針對

管理者、用水戶的不同需求，提供時空各異的多元化

通道互聯(lián)的基礎(chǔ)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。

在現(xiàn)有水系連通的基礎(chǔ)上，采

基礎(chǔ)核心

集整編灌區(qū)基礎(chǔ)資料，打造數(shù)格局優(yōu)化的模擬網(wǎng)

字孿生灌區(qū)的基礎(chǔ)硬件網(wǎng)。對現(xiàn)有的針對單一功能的仿真模型進行有機集成，提

供用水全鏈條、全過程、全尺度系列化解決方案，形

靈魂成物理機制模型庫，并采用歷史數(shù)據(jù)打造知識圖譜庫。

四網(wǎng)合一的完整體系業(yè)務(wù)導(dǎo)向的決策網(wǎng)

把數(shù)字孿生灌區(qū)從實驗室的研

關(guān)鍵以系統(tǒng)治理為抓手，在現(xiàn)有的單目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度基

究層面拓展到實際應(yīng)用層面，礎(chǔ)上，提出基于灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的供需

真正實現(xiàn)兩手發(fā)力。耗排多目標(biāo)決策方案，打造情景決策“一張圖”。

物理灌區(qū)/實體灌區(qū)

物理灌區(qū)/實體灌區(qū)

水庫

渠首樞紐

渠道

建筑物

排水溝

······

農(nóng)田

居民

工業(yè)企業(yè)

生態(tài)系統(tǒng)

······

基礎(chǔ)網(wǎng)

水利云服務(wù)平臺

數(shù)據(jù)管理層

存儲

存儲資源

計算資源

雙活數(shù)據(jù)中心

傳輸傳輸層

控制公共網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)

5G/4G/光纖LoRa/RFID

感知層智控層

渠道管道庫/湖/塘視頻監(jiān)測閘群聯(lián)控泵站自控

核心感知管理局

監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)降水/氣象田間墑情骨干工程區(qū)域遙感計量控制灌溉管理

輔助決策協(xié)會/用水戶

數(shù)據(jù)網(wǎng)

?基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)······

調(diào)度防洪抗旱應(yīng)急

水庫防汛洪水監(jiān)測

數(shù)據(jù)

主題庫

一體化污

水處理

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)挖掘

智能

污水處理標(biāo)簽

出水水質(zhì)灌區(qū)渠道

計量

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制一數(shù)一源

排污口數(shù)據(jù)

水源地

灌區(qū)環(huán)境監(jiān)測治理

水質(zhì)監(jiān)測

監(jiān)測

水利監(jiān)測數(shù)灌區(qū)水網(wǎng)地形氣象農(nóng)業(yè)地圖

灌溉用水

調(diào)度數(shù)據(jù)

上云……

模擬網(wǎng)

知識圖譜模型

物理機制模型

（大數(shù)據(jù)模型）

輸配

能力

干旱

外調(diào)

程度氣溫

旱情風(fēng)險分析模型渠道輸水動力模型降雨產(chǎn)匯流預(yù)測模型灌區(qū)應(yīng)用水

降水

智能模型可供

水量

水庫

田間水肥平衡模型水質(zhì)污染擴散模型

運行水

墑情調(diào)度

核心模型

地理信息系灌溉

工況作物方式

城鎮(zhèn)需水

服務(wù)用戶供水

感知體系面積

作物

類型

決策網(wǎng)

?模型支撐業(yè)務(wù)決策

摸清家底建設(shè)管理運維管理

監(jiān)測預(yù)警模擬推演形式分析方案編制會商決策執(zhí)行監(jiān)督調(diào)度總結(jié)

監(jiān)測預(yù)警模擬推演形式分析方案編制會商決策執(zhí)行監(jiān)督調(diào)度總結(jié)

抗旱防洪應(yīng)急

是否

否

會商決策執(zhí)行

驅(qū)動模型調(diào)度

是

驅(qū)動

氣象數(shù)據(jù)模型水文水環(huán)境模擬結(jié)果災(zāi)害減輕否優(yōu)化調(diào)度

或清除達會商決策執(zhí)行調(diào)度調(diào)度評價

水文數(shù)據(jù)模擬預(yù)測綜合分析到預(yù)期方案

用水效率評估

是

是

調(diào)度方案執(zhí)行監(jiān)督

是否否成果管理

（預(yù)案）會商

決策

多源數(shù)據(jù)

執(zhí)行調(diào)度

?提高模型模擬精度

?解決模型誤差隨時間累積問題

數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)同化

數(shù)字化“實時推演”

作物需耗水估算

情景決策“一張圖”

2.4灌區(qū)主要業(yè)務(wù)

水情感知預(yù)報水量調(diào)度控制

水管理系統(tǒng)城鄉(xiāng)供水管理應(yīng)急支撐管理

水資源配置管理水污染防控管理

工程建設(shè)管理工程運行管理

灌區(qū)管理服務(wù)工程管理系統(tǒng)

工程維護管理工程安全監(jiān)測

水費計收管理水政執(zhí)法管理

政務(wù)管理系統(tǒng)

辦公OA檔案管理

外部交互服務(wù)對外交互平臺上級主管部門相關(guān)業(yè)務(wù)部門

GIS數(shù)字地圖灌區(qū)工程要素

地理信息服務(wù)灌區(qū)數(shù)字沙盤水情信息工情信息

方案推演情景展示

2.5灌區(qū)業(yè)務(wù)管理需求

一是灌區(qū)水資源優(yōu)化配置，提高水資源利用率的需要

目前灌區(qū)供需水量計算主要依靠上報數(shù)據(jù)，配置方案制定主要依靠歷史經(jīng)驗，存在主觀性強、動態(tài)調(diào)整難、

人工調(diào)算效率低等問題，新形勢下供需水預(yù)測科學(xué)化、多源精準(zhǔn)優(yōu)化配置智能化成為數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)

的核心要務(wù)。

二是供用水管理過程精準(zhǔn)，提高灌區(qū)用水管理水平的需要

目前，大部分灌區(qū)供水調(diào)度主要依靠人工方式，存在主觀性強、無法實時推演等問題，已不能滿足灌區(qū)現(xiàn)

代化建設(shè)需求，急需科學(xué)制定調(diào)度預(yù)案、動態(tài)調(diào)整調(diào)度方案、實時預(yù)演調(diào)度預(yù)案等現(xiàn)代化支撐手段。

三是水旱災(zāi)害科學(xué)防御，提高灌區(qū)減災(zāi)能力的需要

多數(shù)灌區(qū)在面臨水旱災(zāi)害時，暴露出工程供水能力不足，優(yōu)化調(diào)控手段弱的問題，亟待采用先進模擬手段

對旱情汛情進行精準(zhǔn)預(yù)報、及時預(yù)警、實時預(yù)演、科學(xué)預(yù)案，提高水旱災(zāi)害防御能力。

2.4技術(shù)手段需求

突出表現(xiàn)：亟待開發(fā)專業(yè)算法支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用

供需水感知預(yù)測預(yù)報水資源時空優(yōu)化配置

存在問題：目前供需水感知與預(yù)報能力較弱，未實現(xiàn)量測設(shè)施的存在問題：目前灌區(qū)大多根據(jù)歷史供水經(jīng)驗編制供水配置計劃，

數(shù)字化需水感知、旱情評估分析的抗旱調(diào)度以及水資源優(yōu)化配置未依據(jù)來水需水等預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)以及優(yōu)化算法

瓶頸工作：亟待開發(fā)供需水感知預(yù)測預(yù)報模型，實現(xiàn)灌區(qū)供、需、瓶頸工作：亟待開發(fā)基于GIS的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，實現(xiàn)多水

耗、用水流全過程的預(yù)測預(yù)報源在時空分布、多用戶間的優(yōu)化精準(zhǔn)配置

輸配水過程模擬及調(diào)度調(diào)控水旱災(zāi)害防御決策及預(yù)案

存在問題：目前灌區(qū)供水調(diào)度普遍以電話電報等人工方式為主，存在問題：目前灌區(qū)普遍存在水旱災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力弱、實時反

未采用現(xiàn)代化決策支持手段進行調(diào)度決策和仿真推演饋不及時等問題

瓶頸工作：亟待開發(fā)基于水力學(xué)算法的輸配水仿真調(diào)度模型，實瓶頸工作：亟待開發(fā)具有災(zāi)害實時監(jiān)測、評估診斷、災(zāi)害預(yù)警、

現(xiàn)渠系輸配水過程動態(tài)模擬和實時調(diào)度決策災(zāi)害預(yù)演及預(yù)案等功能的災(zāi)害防御模型

2.5數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)技術(shù)架構(gòu)

用戶灌區(qū)管理單位農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鄉(xiāng)供水用水戶水行政主管部門其他授權(quán)用戶

水資源配置與供

業(yè)務(wù)供需水感水旱災(zāi)害防御工程管量水與水水公共服灌區(qū)一張…

用水（智能）調(diào)

知與預(yù)報（智能）調(diào)度理費計收務(wù)圖

應(yīng)用平臺度…

網(wǎng)數(shù)運

模知預(yù)報方案水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系

絡(luò)字型灌區(qū)專題模型智能識別模型可視化模型識行

安孿庫庫業(yè)務(wù)規(guī)則歷史場景調(diào)度方案維

全生護

體平體

系臺數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)地理空間數(shù)據(jù)外部數(shù)據(jù)共享系

立自取輸排田支應(yīng)通計調(diào)

水工農(nóng)氣間撐用信算度

體動引配退

信息化基礎(chǔ)設(shè)施感情情情象控灌保支網(wǎng)存中

水水水撐絡(luò)

知制溉障儲心

物理灌區(qū)水源工程灌溉排水工程體系灌溉區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)主要用水戶等……

2.6數(shù)字孿生灌區(qū)試點建設(shè)基本原則

需求牽引統(tǒng)籌謀劃整合共享融合創(chuàng)新整體防護

應(yīng)用至上分步實施集約建設(shè)先進實用安全可靠

分析灌區(qū)業(yè)務(wù)管謀劃頂層設(shè)計，整合已建、統(tǒng)籌強化云計算、大構(gòu)建安全可靠的

理需求，因地制明確建設(shè)目標(biāo)和在建、規(guī)范新建，數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、網(wǎng)絡(luò)安全體系，

宜開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)內(nèi)容，急用避免重復(fù)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智優(yōu)先采用自主可

和平臺體系建設(shè)先建、分步實施能、5G、區(qū)塊鏈控軟硬件

等信息技術(shù)應(yīng)用

2.7數(shù)字孿生灌區(qū)分項任務(wù)建設(shè)范圍

1.業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)范圍3.灌區(qū)全域的一張圖

灌區(qū)范圍、渠系分布、建筑物、作物類型分布等

1)全灌區(qū)的水資源配置、供水調(diào)度、用水計量等功能

2)全灌區(qū)的水利工程臺賬、巡檢、運行養(yǎng)護等功能

4.數(shù)字孿生建設(shè)范圍

3)全灌區(qū)的水價改革、水費計收等功能

1)渠首或關(guān)鍵節(jié)點的重大水利工程、重點片區(qū)

2)不需要灌區(qū)全域全覆蓋

2.骨干渠系的自動化監(jiān)測建設(shè)范圍

1)感知體系應(yīng)包括水位、流量，重要工程與險工險段5.模型庫和知識庫建設(shè)范圍

工情（變形、位移、滲漏、應(yīng)力、應(yīng)變等），農(nóng)情1)專題模型：需水預(yù)測、水資源配置、輸配水聯(lián)合調(diào)度（包

（墑情、種植結(jié)構(gòu)等）含水流過程仿真和供水調(diào)度）

2)控制體系應(yīng)包括閘門、泵站等的控制2)可視化模型：主要在數(shù)字孿生工程建設(shè)范圍，適度即可

6.四預(yù)功能建設(shè)范圍

1)預(yù)報：來水預(yù)報、需水預(yù)報

2)預(yù)警：骨干渠系重點工程超水位/水量預(yù)警、旱情預(yù)警、重要工程與險工險段安全運行預(yù)警

3)預(yù)演：骨干渠系水流過程預(yù)演、數(shù)字孿生建設(shè)范圍的水動力預(yù)演、灌溉進度預(yù)演

4)預(yù)案：用水計劃預(yù)案、供水調(diào)度預(yù)案、應(yīng)急抗旱防汛預(yù)案

03技術(shù)要求

3.1立體感知體系

感知內(nèi)容：水情、工情、農(nóng)情、氣象

技術(shù)手段：空、天、地一體化

作物需水、作物耗水、作物長勢、灌溉面積、水稻栽插面積、種植結(jié)

構(gòu)、作物水分狀況、作物產(chǎn)量等

多源影像信息、水庫水面面積、枯水期塘壩三維地形、塘壩蓄水等

雨量、流量、水位、土壤水分、田間水層、農(nóng)田旱情、氣象因子、位

移、滲漏、閘門開度、水質(zhì)等

水情感知

水位監(jiān)測流量監(jiān)測

浮子水位計超聲波時差法

機械式測量水聲學(xué)時差法

壓力水位計ADCP

壓力式測量水聲學(xué)多普勒法

超聲波水位計雷達波法

自動監(jiān)測站系統(tǒng)

聲波遇不同介面反射多普勒效應(yīng)

雷達水位計