崔麗安

（黑龍江省農(nóng)村水利水電保障中心，哈爾濱 150040）

關鍵字：數(shù)字孿生灌；先行先試；信息化監(jiān)測；信息化管理；四預能力

0 引 言

數(shù)字孿生灌區(qū)建設作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容，是深化智慧水利建設的重要一環(huán)，將通過數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策，實現(xiàn)灌區(qū)“供水可靠、調(diào)度靈活、用水精準、防災有力、管理智能”，對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)強國建設具有重要戰(zhàn)略意義。數(shù)字孿生灌區(qū)建設包括信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務應用平臺、網(wǎng)絡安全體系、運行維護體系等方面。從數(shù)字孿生灌區(qū)的定位看，重點是提升灌區(qū)用水管理的精準決策能力，建設重點是算據(jù)、算法和算力方面的協(xié)同提升。灌區(qū)基于地形條件和管理需求，利用3S、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 等現(xiàn)代信息技術，匯集多種類型的傳感終端，構建灌區(qū)涉水信息的透徹感知體系。同時，灌區(qū)應按照基礎數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)的分類方式，依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準對多源異構數(shù)據(jù)進行調(diào)整，全面建設灌區(qū)數(shù)據(jù)底板。2022 年12 月，水利部辦公廳下發(fā)《關于開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作的通知》，肇源縣中心灌區(qū)入選數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試名單。

1 中心灌區(qū)基本情況

肇源縣中心灌區(qū)是以松花江干流及其支流八家河為主要水源的提水灌區(qū)，是肇源縣最大的提水灌區(qū)。中心灌區(qū)始建于1958 年，根據(jù)最新第三次土地調(diào)查成果，確定灌區(qū)總國土面積2.66 萬hm2，灌區(qū)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(qū)設計灌溉面積1.12 萬hm2，現(xiàn)狀有效灌溉面積 1 萬hm2，灌區(qū)控制范圍為肇源縣松干左岸沿江區(qū)，包括二站鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、古恰鎮(zhèn)和肇源鎮(zhèn) 4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)共計實施 7 次節(jié)水改造和高標準農(nóng)田建設項目，共計完成 0.85 萬hm2高標準農(nóng)田建設。于 2019 年制定并實施農(nóng)業(yè)水價綜合改革方案，完成灌區(qū)供水成本核算，水源重點取水口已實現(xiàn)信息化計量，制定了灌區(qū)專管、群管工程分界點計量設施建設方案。灌區(qū)經(jīng)過多次設計和建設，已具有一定的規(guī)模，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展具有重要支撐作用。

中心灌區(qū)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(yè)單位管理，使用縣中心灌區(qū)排灌管理站機構規(guī)格。經(jīng)費形式為財政全額預算撥款。核定事業(yè)編制 85 名，內(nèi)設機構 9 個（均為股級），分別為：辦公室、調(diào)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(qū)在《2018年肇源縣中心灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革獎補項目》中配套建設了信息化監(jiān)測設施，實現(xiàn)量水設施應配盡配率達 40%，初步實現(xiàn)灌區(qū)重點渠道水情的信息化監(jiān)測，一定程度上提高灌區(qū)用水管理水平。主要建成了 10 處水情監(jiān)測站點，其中 4 處全自動監(jiān)測，6處半自動監(jiān)測；2 處田間墑情監(jiān)測站。

2 建設任務

中心灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設是我省數(shù)字孿生灌區(qū)工程試點，本次以中心灌區(qū)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(jiān)測系統(tǒng)，并升級改造已建水情半自動監(jiān)測站點，實現(xiàn)骨干渠系水情監(jiān)測的信息化覆蓋；為灌區(qū)泵站、強排站、排水站建立雨量監(jiān)測系統(tǒng)并與氣象單位實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高灌區(qū)防汛預警信息化監(jiān)測能力；選取灌區(qū)田間典型區(qū)域、建立土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)結合遙感影像采集，實時掌握區(qū)域內(nèi)農(nóng)情信息；對骨干渠系及重點建筑物建立視頻監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)灌區(qū)工情實時監(jiān)控；通過水情、雨情、墑情、氣象等信息化建設，提高灌區(qū)骨干渠系立體感知體系的能力；對灌區(qū)骨干渠系及重點節(jié)制閘建立閘門遠程控制系統(tǒng)，加強灌區(qū)自動控制體系的應用。對骨干渠系自建通信光纜，完善灌區(qū)管理站基礎信息建設，建立中心灌區(qū)信息管理中心，灌區(qū)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(jiān)測監(jiān)控信息，并對灌區(qū)重點建筑物實現(xiàn)遠程控制，提高灌區(qū)支撐保障體系能力；加強灌區(qū)數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺建設，搭建數(shù)字孿生平臺；完善灌區(qū)智能業(yè)務應用系統(tǒng)，提高實現(xiàn)灌區(qū)水資源調(diào)配和四預能力，全面提升灌區(qū)標準化、規(guī)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(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設項目》信息化投資，結合灌區(qū)實際管理情況，率先開展中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)建設先行先試建設工作，初步打造符合灌區(qū)管理需求的信息基礎設施平臺、數(shù)字孿生平臺和灌區(qū)智能業(yè)務應用平臺，以及安全可靠的網(wǎng)絡安全和運行維護體系。實現(xiàn)中心灌區(qū)總干渠至東干渠二站節(jié)制閘區(qū)域內(nèi)配水調(diào)度與仿真模擬等關鍵業(yè)務的智能化應用。在促進業(yè)務協(xié)同、創(chuàng)新工作模式、提升服務效能方面不斷取得突破，實現(xiàn)水工情可讀、場景可視、水量可測、設施可遙控、環(huán)境可監(jiān)控、率先實現(xiàn)灌區(qū)的數(shù)字化管理，為中心灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設打下堅實基礎。

第二階段，中心灌區(qū)將進一步提高數(shù)字孿生先行先試的建設內(nèi)容，逐步完善信息基礎設施平臺、數(shù)字孿生平臺和智能業(yè)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(shù)字孿生灌區(qū)建設有力有序有效推進，科技賦能，智慧先行，通過后續(xù)資金不斷投入，結合第一階段建設成功實現(xiàn)智慧化管理。為新階段灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動。

4 建設布局

4.1 總體思路

中心灌區(qū)將從“點、線、面”三個層面推動中心灌區(qū)管理標準化、規(guī)范化工作，通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設，實現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務功能從現(xiàn)實場景到虛擬模擬再到現(xiàn)實的全過程。全方位夯實“算力、算據(jù)、算法”等基礎建設，利用前瞻性的信息技術手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)縱橫匯聚、業(yè)務智能驅(qū)動和管理場景模擬的建設目標。

1）點：以中心灌區(qū)灌排中心作為數(shù)字孿生灌區(qū)的信息管理中心，灌區(qū)管理人員通過信息管理中心，集中管理灌區(qū)各類監(jiān)測監(jiān)控設施，并通過會商室實現(xiàn)灌區(qū)業(yè)務的綜合展示。

2）線：以中心灌區(qū)總干渠、東干渠、西干渠作為數(shù)字孿生灌區(qū)建設內(nèi)容基礎，實現(xiàn)灌區(qū)水情監(jiān)測基本覆蓋、泵站雨量監(jiān)測覆蓋、典型區(qū)域農(nóng)情監(jiān)測、重點建筑物遠程控制和視頻監(jiān)視。

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

4.2 實施范圍

中心灌區(qū)實施范圍以骨干渠系為主，設計灌溉面積 1.12 萬hm2，灌區(qū)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(qū)2023 年續(xù)建配套與節(jié)水改造項目》進一步完善灌區(qū)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(jiān)測、工情監(jiān)測、農(nóng)情監(jiān)測和雨情監(jiān)測；對中心灌區(qū)骨干渠系進水閘、分水閘和重點節(jié)制閘建立工情監(jiān)測和自動控制，并對總干渠至東干渠二戰(zhàn)節(jié)制閘為數(shù)字孿生灌區(qū)建設典型區(qū)域。

4.3 技術架構

中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)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(shù)字孿生平臺、智能業(yè)務應用平臺?！皟煽v”指網(wǎng)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(tǒng)、支撐保障體系，為灌區(qū)數(shù)據(jù)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(qū)圍繞灌區(qū)骨干渠道及重點建筑物開展，結合灌區(qū)管理現(xiàn)狀及信息化現(xiàn)狀，采用空、天、地等多樣化的監(jiān)測手段。

自動控制：采用自動控制技術實現(xiàn)閘門的現(xiàn)地、遠程、自動控制功能。達到灌溉、排水、供水、防洪、水資源等優(yōu)化調(diào)度的目標，實現(xiàn)自動優(yōu)化處理、集中控制、有人值班、無人值守。

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

4.3.2 數(shù)字孿生平臺

主要包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫等。數(shù)據(jù)底板為模型庫和知識庫提供算據(jù)；模型庫和知識庫為灌區(qū)智能業(yè)務應用平臺提供算法。其中，數(shù)據(jù)底板包括基礎數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)，業(yè)務管理數(shù)據(jù)，地理空間數(shù)據(jù)及外部共享數(shù)據(jù)，模型庫包括來水預報、作物需水、配水調(diào)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(diào)度方案、專家經(jīng)驗和灌區(qū)業(yè)務規(guī)則庫等。

4.3.3 智能業(yè)務應用平臺

主要包括灌區(qū)管理一張圖系統(tǒng)、灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)工程管理系統(tǒng)、灌區(qū)水費計收管理系統(tǒng)、移動智能終端應用、灌區(qū)數(shù)字化工程運行管理系統(tǒng)、灌區(qū)三維數(shù)字化仿真展示軟件、灌區(qū)配水調(diào)度場景化模擬預演等主要業(yè)務模塊。

4.3.4 網(wǎng)絡安全體系

包括組織管理、安全技術、安全運營、監(jiān)督檢查、數(shù)據(jù)安全等。在滿足國家法律法規(guī)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(guī)范等。通過梳理運維管理需求、規(guī)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(tǒng)一運維管理體系，為數(shù)字孿生灌區(qū)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(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)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(qū)能進行水資源科學調(diào)度、能夠最大限度的用好水資源，最大限度保護好環(huán)境生態(tài)。灌區(qū)內(nèi)智能業(yè)務應用平臺能推動水利科技創(chuàng)新提升、提高水利資源綜合效益、減輕水災害損失、提高生態(tài)效益，充分發(fā)揮工程綜合效益。項目完成的輸水工程監(jiān)測站網(wǎng)、自動控制網(wǎng)、水利信息網(wǎng)，解決以往灌區(qū)工程監(jiān)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(diào)度等工作的標準化、規(guī)范化進行，在未來的灌區(qū)管理工作中發(fā)揮重要作用。通過項目建設完善了網(wǎng)絡安全體系，加強數(shù)據(jù)安全保護，全面保障數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全，通過黑龍江省肇源縣中心灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)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(shù)字孿生建設方面作出試點全省推廣。