农村水利水电工作简报2024年第7期（总第16期）

　　按语：数字孪生灌区是现代化灌区的重要标志，也是灌区高质量发展的方向。数字孪生灌区先行先试工作启动以来，水利部通过出台技术指南、发布模型推荐清单、建立专家库、精心打磨建设方案等方式强化技术指导，通过召开现场会、视频会、技术培训班等方式部署推动。各地各灌区高度重视，坚持需求牵引、应用至上，积极探索，稳步推进。经过持续努力，目前数字孪生灌区建设总体进展顺利，成效明显，在提升灌区水资源节约集约利用水平和供水保障能力方面发挥了重要作用。现将部分数字孪生灌区建设经验做法进行汇编，供各地各灌区学习借鉴。

数字赋能尊村灌区高质量发展

　　山西省运城市尊村引黄工程是以农业灌溉为主，兼顾工业供水、生活用水、生态补水于一体的大型综合性水利工程，设计灌溉面积120万亩，受益范围惠及永济、临猗、盐湖、夏县、闻喜五县（市、区）38个乡（镇）596个行政村，农业人口114万人，是山西省重要的粮食生产基地。近年来，针对灌区“水源脱流稳定性差、能耗高、灌溉粗放”等问题，尊村灌区按照“需求牵引、应用至上”的要求，把“稳水源、降能耗、高节水”作为数字孪生灌区建设目标，成效显著。

　　一是提水更加及时精准。目前已完成数字孪生4大引擎、数据底板、知识库、7个专题模型及2个智能识别模型建设。基于来水预报模型，结合龙门水文站黄河水量、降雨量等数据获取，可及时预测第一提水站前黄河来水量，确保及时足额提水。根据梯级泵站、干支渠联合调度模型，可准确获取水头抵达各级站、各干支渠的时间，便于各级泵站、节制闸提前掌握渠道水流情况，实现及时精准调水。今年6月份气候干旱期间，灌区从一级站到达九级站的供水时长由原来的72小时缩短到64小时，有效保障了灌区农田灌溉用水。

　　二是输水更加安全节能。根据泵站和渠道安全巡查系统，在泵站和干渠设定巡查线路和巡查点位，巡查人员使用手机逐点位、依次序扫码巡查，巡查结果可实时传输到系统平台，便于及时发现和处理隐患问题。如三级站设定巡查内容9处、29项、43条，运行期间每2小时巡查1次，系统定时向巡查人员推送任务，记录巡查时间，显示巡查轨迹，监督巡查人员按规定完成巡查工作，形成隐患闭环处理，保证泵站安全运行。根据灌区需水预报结果，通过泵站能耗分析模型对调度机组运行状态进行分析计算，优化机组配置方案，提高泵站运行效率、降低泵站耗电成本。经初步测算，泵站效率由59%提高到62%，能源单耗降幅4.5%，每年可节约电量80多万kW·h。

　　三是配水更加科学高效。目前已完成13处水情监测站、6处墒情监测站、2处气象监测站、3处视频监控站、1套无人机设备、9座提水站建设和80处干支渠自动化闸门改造及工情数据采集，形成了灌区管理的“千里眼”和“关键抓手”，实现了管理到户、分配到户。结合业务需求，开发了微信小程序，农户可在手机上进行用水申请、充值交费、账单查询，让农户用上“明白水、放心水”。基于灌区需水预报及配水预测模型，结合灌区种植结构及上述监测信息，可合理预测灌区配水量，有效减少退水与渗漏损失。

数字管理为新禹河灌区植入“智慧大脑”

　　新禹河灌区位于江苏省南京市六合区，耕地灌溉面积16.0万亩。灌区以数字孪生建设为契机，统筹推进数字孪生先行先试、农业水价综合改革、农业用水权改革等三项试点工作，“智慧大脑”管理模式成为助力惠农丰产的“新引擎”。

　　一是全要素整合，数字化感知更精准。按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，全面整合灌区范围内现有信息化基础设施，加大数据监测点位布设，已接入农业大户示范园流量监测37处、雨量监测11处、水位监测8 处、水质监测1处、视频监控15处，同步接入农业农村部门的田间监测信息、气象部门的气象监测信息，新建水位监测51处、流量监测54处、视频监控175个。通过“一网统管”，实现灌区水情、工情、农情、气象等数据全范围掌控，为灌区水源调度和防洪减灾等决策提供科学可靠依据。

　　二是全过程导入，智慧化管理更精细。智慧业务应用平台的建成使用，有效提升了灌区日常管理及应急调度决策能力。引入网格化管理技术架构，构建灌区、街道水利站（社区）、用水主体三级管理模式，明确管理主体和任务，对需水提示、用水计量、水价计收、政策提醒等实施精准化推送、清单式服务。全面推进灌溉控制单元矢量化、水工建筑物量水测算和水泵系数测定工作，进一步提高计量精准度，管理效率提升约10%。

　　三是全方位研判，精准化调度更集约。根据灌区平原圩区、低丘山区相结合的地貌特点，选取3处典型示范片，精心打造5000亩示范区。依托精细化数字底板，构建新禹河“长藤结瓜”配水调度模型，网格式划分灌区内种植区、养殖区，动态测算分析农作物和水产品生长周期，精准测定不同时期、不同区域的需水量。针对近年来旱涝急转现象频发的问题，强化水网联动，统筹调度供排水，提升水资源调配效率，实现节水、减排、增效，亩均综合节水10%左右，农药化肥使用量减少约20%，效益增加10%以上。

安地灌区数字化建设抗旱保供显成效

　　金华市安地灌区位于浙江中部丘陵区，现状有效灌溉面积11.26万亩，是金华市粮经作物主产区。针对灌区水源存在生活、灌溉、生态用水矛盾，着力推进数字孪生灌区先行先试，实现灌区用水管理精细化、预报精准化、调度智能化。

　　一是建设立体感知控制网，巡查更高效，管理更精细。聚焦灌区水情、工情、农情、气象监测和自动化控制需求，自建或共享水情监测169处、视频监控91处、网络音柱26处、渡槽安全监测3处、水分（墒情、水层）监测22处、卫星遥感解译6期、无人机自动巡检3套，实施闸（阀）门远程控制改造46处，覆盖专管干支渠分水口及涵管口、闸站、穿村埠头、种粮大户，所有感知和监控信息通过VPN专网、4G物联网汇聚至调度中心和政务云、移动云，展示在灌区一张图上，实现工程线上巡查、墒情动态监测、闸站远程控制、放水同步跟踪、用水实时计量。灌区万亩管理人员由1人降至0.7人，巡查效率提升40%，闸站控制效率提升80%，水情、工情、农情信息掌握明显提速增效。

　　二是构建灌区专题模型库，研判更及时，预报更精准。聚焦灌区需水、取水、供水、用水全过程决策需求，完善数据底板，完成主水源安地水库和38.83km干渠倾斜摄影三维建模，绘制专管干支渠概化图、灌片与闸站调度关系拓扑图，构建来水预测、作物遥感识别、多目标渠系配水、智能灌溉决策等模型。利用来水预测模型，基于历史资料和气象预报，可分别预报中长期和短期来水量，为编制年度灌溉计划和短期灌溉方案提供支撑。开展安地水库水资源用途管控机制研究，明确生活、灌溉、生态调度控制水位线，自动分析不同控制线下的可供水量和可抗旱天数，建立灌区干旱预警机制，综合来水预测和供需平衡分析情况，进一步优化供用水计划。

　　三是打造智灌应用场景，配水更科学，调度更智能。聚焦智慧高效节水、保障粮食安全目标，基于灌区感知控制网和专题模型库，开发供需水感知与预报、水资源配置与调度等功能模块，打造金安智灌应用场景，实现“适量”“适时”灌溉，提高灌溉用水效率。将灌区划分12个灌片，开发浙政钉“金安智灌”程序，乡镇水利员、渠道巡查员通过“需水上报”模块选择灌片、作物上报用水需求，同时基于田间水分监测自动预警灌溉需求，平台根据感知预警、上报信息自动判别需水面积，综合作物种植结构及生长规律，预报未来7天内灌溉需水量及放水量，自动生成配水调度方案。经过近两年试运行，灌溉高峰期放水模式由“放2停2”优化为“放2停3”，减少放水3期，节约灌溉水量300余万m³。今年7月以来已根据配水调度方案实施放水7期，灌水776.3万m³，有力保障灌区夏种用水需求。

数字孪生助推西坑水库灌区现代化发展

　　江西省分宜县西坑水库灌区是以农业灌溉为主，兼顾县城生活用水、生态用水等功能的中型灌区。灌区设计灌溉面积2.5万亩，受益人口26.3万人。灌区启动数字孪生建设以来，建成了以灌区数据底板为基础、以模型平台为支撑，以业务应用为核心的数字孪生西坑灌区平台，形成了“管道化输水+自动化控制+智慧化决策”的用水管理模式，有效提升了灌区用水管理效率和数字化建管水平。

　　一、坚持需求牵引，提升灌区硬软件水平。建成输水灌溉管道32.31km、视频监控4处、取水口自动计量4处、分水口智能水表84处、阀门自动化控制系统88处，敷设光纤通信专网34.2km。运用AI遥感解译和程序化建模技术搭建了约400km2的灌区三维底板，整合水源工程10处、干支管/渠道工程47条、水闸等渠系建筑物160余座以及共享监测数据水情监测站13处、雨情监测站9处、图像监测站3处，形成中心数据库，打造灌区一张图，实现一图知全域。

　　二、强化应用至上，实现灌区科学化管理。立足灌区实际需求，建立供水调度一体化体系，利用全面投入使用的智慧水利移动APP，实现从用户申报到审核配水、灌区供水再到用户用水的线上闭环管理。建立公众服务体系，用户通过扫描用水二维码，即可申报用水需求、查看供水计划。建立灌区专业模型，实现需水智能预报，分水口与田块建立对应关系，需水研判精准到灌片，需水预测精准到作物，配水调度精准到分水口，灌区水资源调配更精准。建立工程运行管理标准化体系，实现巡查巡检轨迹化、隐患上报工单化、维修养护派单化、隐患处理流程化。接入省气象局网格化天气预报数据，将灌区划分为若干边长2km的正方形网格，当降雨超过阈值提前远程关闭阀门，提高灌溉智能化水平。

　　三、推进数字赋能，助力灌区高质量发展。建立远程闸阀集中控制系统，远程控制分水口阀门的启闭及开度，实现“哪里需水灌哪里”。建立管网配水调度模型，自动形成包括供水时间、供水水量、阀门控制的最优供水调度方案，根据管网压力、用户需水等因素动态调整灌溉策略，系统按供水计划自动执行并控制分水口自动化供水。灌区数字孪生平台依托管道输水管网基础，从水源直达田间供水，沿途基本无漏失，节水效果明显。运行期间日最大供水量由往年的12万m³减少到不超过6万m³，灌溉水有效利用系数由0.52提升到0.8以上，灌区年新增节水能力415万m³，年新增粮食生产能力710万公斤。

数字孪生开启豆腐窝灌区节水新模式

　　豆腐窝灌区位于山东省德州市齐河县，设计灌溉面积15万亩，采用“引黄入渠、雨黄补源、井渠结合、以井保丰”的灌溉模式。数字孪生灌区先行先试以来，围绕强感知、夯基础、增智慧、促应用，扎实推进灌区信息立体感知网和关键工程自动控制网深度融合、数字孪生平台和业务应用平台有机衔接、支撑保障体系和网络安全体系协同运行的“两网、两平台、两体系”建设，不断提升灌区运行管理“数字化、自动化、智能化”水平。

　　一是精准预测需水。针对井渠结合的灌溉特点，通过综合考虑作物需水、土壤墒情、地下水位、黄河补源以及未来7天天气变化形势，利用作物需水模型和灌区地表水—地下水耦合模型，精准预测未来7天玉米和小麦等典型作物的需水量，并给出灌区建议引黄水量。灌区管理者和用水户可通过手机移动端动态查询灌区渠/河道水情、墒情变化等情况。

　　二是精准配置调度。立足灌区干渠引水、河道补源的特点，结合灌区需水和来水形势，以供水综合保证率最高、输水时长最短为目标，优化配置各灌片水资源，科学确定闸门调度方案，10分钟内完成调度方案优化。依托渠系水动力学模型对供水调度过程预演，提升灌区“四预”能力。预留数字孪生平台的模型库开放接口，建立可成长的知识库和模型库，不断丰富模型的种类和模拟精度，保持数字孪生平台的自我完善能力，提高智慧化水平。

　　三是精准衔接改革。统筹数字孪生灌区和深化农业水价综合改革推进现代化灌区建设试点，建立了农业水价综合改革和智慧灌溉联合应用示范片，将数字孪生灌区技术与农业水价综合改革精准计量有机衔接。通过数字孪生技术和水电双控设备，给高效节水设备装上“大脑”；通过开发客户端应用实现定时开启和关闭灌溉设备，灌溉效率明显提升，每亩节水量可达11%，有效促进了农业节水，达到了省水省工、多方共赢的良好效果。

人民胜利渠数字孪生灌区建设取得新成效

　　河南省人民胜利渠位于豫北平原，是新中国成立后在黄河下游兴建的第一个大型自流引黄灌溉工程。灌区设计灌溉面积148.84万亩。1952年10月31日，毛泽东同志莅临灌区视察。近年来，按照“急用先行、量力而行、分步推进，确保有效”的原则，扎实推进数字孪生灌区建设。

　　一是清晰掌控全貌，实现物理灌区全面映射。搭建涵盖渠系、排水、水闸、建筑物、调蓄、机井等6大类详尽映射的数据底板，实行“灌溉分区”“配置分区”“用户分区”“管理分区”，结合干支渠明渠测流设施113处、斗门测流设施429处、墒情监测站11处，气象监测站6处的实时监测数据、预警数据，实现工程全要素可视化交互与数字化管理，灌区管理由“定时”提升到“实时”、由“手动计算”提升到“批量处理”。

　　二是高效配置资源，实现多水源的统筹综合管理。通过动态评估引水能力，对引黄水、西霞院供水、地下水进行合理配置，实现灌区多水源统筹调配与高效利用。以农业灌溉水量调度为核心需求，综合运用农业需水预测、水量优化调度和闸站优化调度模型，在工程水情实时监测、未来降雨预测、土壤墒情监测的基础上，实现灌区短期需水预测、水量优化调度、闸群联合调度预演、闸站远程自动控制，并对实际灌溉进程进行监控，为灌区调度决策提供支持，可提升灌区管理效率30%以上。

　　三是构建智能体系，实现防汛抗旱“四预”应用。基于墒情监测数据、历史降雨数据、降雨量预测数据，依托旱情预测分析模型，预测灌区干旱程度，对干旱区域精确预警，在需水预测基础上，对比多种调度方案调度预演结果，制定旱情应对预案。汛期对暴雨可能产生的风险进行预警，联合调度灌排体系，模拟预演多种调度方案，制定汛情应对预案。用水户平均“等水”时间由3天缩短到24小时以内，因调度和供需水不平衡引起的灌区弃水率降低20%以上。

　　四是智慧运维机制，强化灌区运维保障体系。将标准化管理制度融入信息化管理业务，辅助铁塔高位影像、无人机智能巡检、AI智能分析、自动化报表等技术手段，实现水量、水费、巡检、维护等管理业务智慧化，探索灌区巡检“110”+灌区维护“120”的管理模式，提升灌区应急响应速度，结合自动化控制设施，节省管理用工30%以上。

数字孪生助力于庄灌区综合管理能力提升

　　于庄灌区位于河南省濮阳市范县，耕地灌溉面积8.7万亩。范县水利局积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，聚焦完善农村水利保障网建设，推进于庄灌区数字孪生灌区建设。完善县管灌区信息化基础设施建设，充分运用物联网、大数据、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为重点，建成了一个信息中心、一个智慧平台、管理一张图等“三个一”。

　　一是新建范县水利信息中心。统筹全县水利调度管理，中心配备有应用服务器、GPU服务器，满足各项业务应用部署、数字孪生场景渲染及业务模型训练，为范县智慧水利建设提供“算力”支撑；完成中心与分中心（彭楼、邢庙、于庄灌区及河湖水系）监测网络及数据传输网络的建设，实现多项基础数据汇聚融合，为各项水利业务及数字孪生应用提供有效的“算据”支撑，全县水利工程数据汇合实现100%。

　　二是搭建范县智慧水利信息化平台。集成各类水利业务应用系统，整合灌区管理、数字孪生应用、河湖管理、水旱灾害、泵闸站管理、城乡供水、河长制、地下水监测、水价改革等业务应用，陆续接入灌区、河湖等各业务系统建设的水情监测感知206处、气象监测感知1项、墒情监测感知6处、闸门远程控制系统148处、视频监控系统324处等全域数据。通过需水预报模型、配水调度模型、水动力仿真模型、三维可视化模型等为范县智慧水利提供“算法”支撑。打造集基础全域化、管理一体化、数据集合化、决策科学化于一体的“智慧水利”信息平台，实现“一屏看水、一网管水”的目标，整体提升灌区现代化发展水平，实现自动化控制达到70%。

　　三是创新全县灌区管理一张图的新模式。利用地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、大数据分析等现代信息技术手段，将灌区内各类资源、设施、环境信息及其动态变化过程，集成展示在一张数字化地图上，实现了灌区数据的横向贯通、纵向共享，整理整合范县水利局相关地理信息500余条，让灌区管理可视化、数字化、智能化。

数字孪生引领渝河灌区高质量发展

　　宁夏隆德县坚持以高质量发展为引领，以提升灌区业务管理信息化、数字化、智能化为发展方向，为加强水资源节约集约利用、推进灌区现代化发展增添“智慧”力量。

　　一是物联网感知体系更加健全。配套23座蓄水池和减压池水位监测设备，布置蓄水池及减压池阀井的自动化监控仪表及控制设备12套，安装监控视频18套，新建及改造干管分水口计量系统121套，实时开展水情、工情等监测，实现了计量精准化、信息化，取水口在线计量率达到100%，为总量控制、定额管理、用水分析、科学配水和水费收缴等管理工作提供了基础支撑。

　　二是自动控制体系更加全面。改造和完善了取水口、蓄水池及减压池自动化控制系统5套，安装加压泵站远程自动化控制5套、水源闸门控制系统1套、水资源调度中心控制设备5套，实现了取水口、闸门、泵站等关键设备远程控制能力，为灌区自动化运行奠定了坚实基础。灌区取水口、干管自动化控制率达到100%，支管基本实现自动化控制。

　　三是数字孪生灌区平台更加完善。完成渝河灌区65km管网、10座水库等工程基础数据、监测数据、业务管理数据的采集处理，形成数据底板。通过三维仿真数字场景模拟，应用水资源配置、水库联合调度等模型，实现需水动态预报、输配水过程方案优化配置。将灌区多年运行经验、业务数据、管理制度、应急预案等各类相关资源数字化，助力灌区智慧化管理。

　　四是业务管理系统更加高效。完成“隆德县水务一体化综合门户”及“渝河灌区数字孪生一张图”，完成需水计划、水库联合调度、水库监测、水量管理、工程管理等9个应用模块，实现监测数据在线查看、关键设备远程操控、水量调度线上管理，各类数据报表自动生成，灌区运行管理更加高效便捷。2023年渝河灌区亩均用水量由220m³（2018~2022年平均值）减少至135m³，亩均节省水费58.7元，农田灌溉水有效利用系数达到0.766，有效降低了种植成本和管理成本，实现了节水增效。

作者：    责编： 瑶薇