数字孪生灌区关键技术研究——以河南省三义寨灌区为例
时间：2023-03-10 19:10:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
彭彦铭，秦国锐，刘长垠
（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；
2.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008）
灌区作为水利工程的重要组成部分，由于其面积大、业务繁多，涉及部门和人员众多，往往管理起来更加复杂，由此造成灌区管理单位对灌区全貌掌握不足、灌区管理水平低下、智慧化程度不足，无法很好地适应水资源节约集约利用要求。2021 年以来，水利部高度重视流域智慧水利、数字孪生流域（工程）建设工作，多次召开推进数字孪生流域建设工作会议，部署建设工作，陆续下发了《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》等文件，为数字孪生工作推进提供了政策依据。数字孪生建设为灌区发展提供了新的思路和契机，针对灌区管理存在的问题，通过数字孪生灌区建设，可以得到有效解决，从而为灌区统一、科学管理提供了跨越式发展的可能。
三义寨灌区位于黄河南岸豫东平原，范围涉及开封市的祥符区、杞县、商丘市的民权县、宁陵县、睢县、虞城县、梁园区、睢阳区，以及兰考县共六县三区，灌区始建于1958 年，灌溉面积12.07万hm2，是中国434处大型灌区之一。灌区经过60多年的开发建设，分为总干、干、分干、支、斗、农等6级渠系，灌区现有总干渠1条，干渠、分干渠45条，支渠54条，提灌站29座，分水枢纽2座，支渠及以上各类建筑物共有1 995座。
主要体问题：①缺乏对灌区的总体掌握：由于三义寨分局只对部分骨干渠道工程具备管理权限，因此对灌区其他渠系、建筑物等工程情况、灌区作物种植结构及需水情况、水资源配置调度情况、作物灌溉情况等均缺乏深入了解，无法对灌区的整体情况进行全面掌握。②缺乏核心业务科学支撑：三义寨分局作为灌区专管机构，应该对灌区水资源、防汛抗旱、工程运维等核心业务进行全面科学有效的管理，但由于仅对部分骨干渠道工程具备管理权限，因此无法对灌区作为一个整体进行水资源的统一配置调度，在需水分析、水资源配置调度、防汛抗旱、应急调度、工程巡检与运维等核心业务缺乏行之有效的管理。③缺乏历史数据和方案积累：由于管理模式不同，所以三义寨灌区一直以各行政区划为单元进行管理，没有灌区整体范围的统一配置和管理，因此也就没有相关调度方案、预案和政策制度作为基础。历史监测数据也以各自管理范围内自行监测存储为主，缺乏对工程调度的参考意义。
2.1 数字孪生灌区概念的提出
灌区作为水利工程的一类，又不同于电站、水闸等单一点状工程，其覆盖面积广、涉及业务多，其广义角度可参照数字孪生流域，而骨干工程又以渠系及其上的水闸等建筑物为主，针对单一工程可参照数字孪生工程建设。因此，结合数字孪生流域和数字孪生工程，进行数字孪生灌区建设。
通过数字孪生灌区建设，可以对三义寨灌区目前存在的管理问题进行有针对性的解决。一方面，目前三义寨灌区的通过灌区数字底板的构建，可以实现对整个灌区进行全面了解，不仅对灌区种植结构、水系道路、工程情况进行全面了解，还可以对灌区墒情、地下水、作物长势、需配水及实际用水情况进行全面掌握；
通过数字孪生灌区核心业务模型平台构建，可以弥补目前对灌区核心业务缺乏有效管理工具的问题，通过知识平台的建设，可以为灌区业务开展提供指导。
2.2 数字孪生灌区建设关键问题
2.2.1 数据底板建设技术标准
数字孪生灌区建设以数据底板为基础。参照数字孪生工程建设的原则，在共享水利部L1级、流域管理机构及省级水行政主管部门L2级数据底板基础上，建设工程L2级和L3级数据底板。灌区不同于电站、水库等工程，因为灌区范围较大，若都采用精度较高的地理空间数据，投入过于巨大，因此需要对数据底板精度范围进行合理界定分级，要在满足专业模型应用的基础上尽量避免建设投资浪费。考虑灌区管理单位的管理范围主要是各级渠系和关键建筑物，对灌区的管理主要以骨干渠系输配水为核心业务，水资源、防汛等业务的模型应用范围也在骨干渠系和关键建筑物范围内，工程类模型更是以关键建筑物为对象，因此从业务核心模型应用角度出发，可按照渠系、关键建筑物来进行分级。对于渠系工程管理范围外的灌区，按照L1级（中低精度面上建模）建设，对于骨干渠道按照L2级（重点区域精细建模）建设，对于关键建筑物按照L3 级（重要实体场景建模）建设。
2.2.2 空天地一体化监测体系的打造
利用先进技术实现灌区不同尺度监测体系的打造，引入先进技术在实现灌区范围内监测感知能力的大幅度提升，主要针对卫星、无人机和智能视频在灌区的应用进行分析。
利用卫星遥感解译，进行大尺度灌区监测，可以大面积、多时相的获取当地的地表和植被情况，感知作物的生长情况、土壤的墒情情况，包括作物种植面积估算、复种系数监测、灌区种植结构识别及关键物候期监测、灌区作物蒸散发估算、灌区作物需水量预测、作物长势监测、作物单产估算、农田作物受灾情况监测等。
利用无人机巡检，进行针对骨干渠道进行长距离带状飞行，获取沿线工程、站点、地块的倾斜摄影、照片、视频等资料，对灌区骨干渠系工程情况进行掌握，为工程安全保驾护航。
利用各类项目建设的视频站点，升级智能AI算法，对监视范围内人员入侵、倾倒垃圾、破坏工程等行为进行自动判断并及时报警，确保工程运行安全和人员、环境、财产得到保护。
2.2.3 灌区模型平台的建立
由于传统灌区管理相对粗放，业务信息化程度不高，涉及到专业模型应用的更少，为了提升灌区的智慧管理水平，需要对灌区核心业务信息化、智慧化，灌区模型平台包括专业模型、智能分析模型和可视化分析模型。
针对灌区灌溉管理、乡镇生活生产供水管理、水旱灾害防御管理和生态环境保护修复管理四类业务，打造水利专业模型平台。灌区灌溉管理方面，需要模拟作物需水过程和成长情况的作物需水模型，模拟乡镇生产生活需水的需水预测模型，模拟水源来水情况的径流预报模型，统筹不同渠段和用户，综合考虑灌溉、生活、生产、生态多目标的水资源配置模型，对骨干渠系多级节制闸联合调度的全渠道控制模型等。灌区乡镇生活生产供水管理方面，需要模拟管网余氯衰减的供水管网水力水质模型，模拟定位管网漏损点的管网漏损模型等。灌区水旱灾害防御管理方面，需要模拟洪水形成之前降雨产汇流过程的水文预报模型，模拟洪水在主河道演进过程的水动力学模型，模拟洪水溃坝决堤淹没过程的溃坝模型，针对洪水利用工程进行调度的洪水调度模型等。灌区生态环境保护修复管理方面，需要当发生危险品泄漏，计算泄漏物影响范围以便迅速做出应急处置的对流扩散模型；
为保障人们饮用水安全，制定污染负荷的容许排放规划的水环境容量模型；
当生态系统遭到破坏，辅助分析演变机理并提出对策措施的生态动力学模型；
预报水土流失、指导水土保持措施配置、优化水土资源利用的有效供给的土壤侵蚀模型等。
智能分析模型根据利用机器学习、大数据分析等手段加强包括土地流转、供水用户行为等方面的模型。
可视化分析模型结合前端智能设备，构建水利业务遥感和视频人工智能识别模型等。
2.2.4 灌区知识平台的准备
①灌区管理知识图谱：灌区知识平台针对灌区业务，梳理灌区管理业务相关对象之间的关系，建立知识图谱。②灌区业务规范库：梳理相关法律法规和标准规范，构建灌区业务规范库，实现灌区管理时对业务管理相关法律法规和标准规范的即时检索。③灌区业务方案库：分析梳理结合作物需水、灌溉用水和作物成长情况的灌溉用水方案，结合需水和来水过程的水资源配置方案，结合工程运行情况和来水过程的水资源调度方案，结合预报调度的水旱灾害防御方案，结合地下水位和植被变化的生态需水方案，结合水质水量的一体化调度方案等，构建灌区业务方案库，实现灌区管理中对过往方案的查询和对比。④灌区业务规则库：针对业务需求，梳理水资源配置和调度规则，将规则进行标准化、结构化存储，并用图表等可视化表现呈现给用户。⑤灌区业务历史场景模拟库：选取历史发生的典型事件为例，构建灌区业务历史场景模拟库，包括某次来水、方案、调度结果等内容，挖掘提取其典型时空属性，分析典型事件的特征指标组合，通过推演分析不同场景下的演变态势，为同类事件的精准决策提供知识化依据。
3.1 数字孪生三义寨灌区总体架构
数字孪生三义寨灌区主要包括数字孪生平台、信息基础设施、智能业务应用，以及为保障工程顺利建设运行的网络信息安全体系和综合保障体系（见图1）。
图1 数字孪生三义寨灌区总体架构示意图
3.2 数字孪生平台建设方案
针对三义寨灌区数字孪生平台，建设内容主要包括数据底板、模型平台、知识平台和孪生引擎。数据底板建设以高精度数字高程模型（DEM）、正射影像图（DOM）打造三义寨灌区总体场景，以倾斜摄影模型、渠道建筑物三维模型搭配BIM模型构建三义寨灌区骨干渠系工程模型，构建了满足专业模型计算所需的数据底板。根据三义寨业务需求，模型平台建设包括灌区业务所需的各类数学模型，针对三义寨灌区，建设了包括作物需水模型、需水预测模型、径流预报模型、多目标的水资源配置模型、全渠道控制模型、水文预报模型、水动力学模型、洪水调度模型、对流扩散模型和水环境容量模型等在内的专业模型库。
针对三义寨灌区现状，知识平台建设包括灌区业务规范库、业务规则库、业务方案库和历史方案模拟库，为此后灌区管理进行知识积累，便于后续优化调度。孪生引擎包括数据引擎、模型引擎、知识引擎、仿真引擎。
3.3 信息基础设施建设方案
信息基础设施主要包括立体感知体系、通信网络、数据存储与管理以及各级管理环境建设。立体感知体系是各类信息采集汇总而成，采用天-空-地-网等多样化的监测手段，自动采集与人工收集相结合，直接监测与相关行业来源间接监测相结合，常规监测与应急监测相结合，针对不同管理对象，进行立体感知体系打造。立体感知体系包括水源监测、输配水工程监测控制、田间工程监测控制等。水源监测针对三义寨灌区引黄闸和泵站进行监测控制，输配水工程环节，对干渠各节制闸为中心的闸群进行远程监控，对全部支渠口进行水量监测，对重点支渠进行各斗口测控一体化闸门监控，实现重点支渠的全渠段智能控制。对包括渡槽、水闸、涵洞在内的重点工程进行工程安全监测，对干渠主要渠段进行水位沿程变化监测，对重点工程渠段进行视频监视和水质监测，针对田间工程，选择滴灌和喷灌为代表的高效节灌地块进行田间工程监控，其中在代表地块建设气象、墒情和作物需水监测，并根据墒情条件和作物种植情况进行轮灌自动控制。
通过自建光纤与公网租赁相结合的方式，实现各测控站点与中心的通信，在三义寨分局建设微模块化数据中心，实现数据存储与管理，并相应建设豫东局、三义寨分局、开封、商丘、兰考等五处管理中心的实体环境，满足指挥调度应用需求。三义寨灌区立体感知体系各类站点布置示意图见图2。
图2 三义寨灌区立体感知体系各类站点布置示意图
3.4 智能应用体系建设方案
智能应用体系建设主要包括取、供、用水、防洪、抗旱、应急、事故调度以及自动、智能控制，实现集信息收集、预测、决策、实施、统计分析、后评估等为一体的灌区信息化管理工作。根据三义寨灌区现有业务，考虑水资源节约集约利用业务发展趋势，设计三义寨灌区智能应用体系主要包括灌区信息化管理平台、信息处理系统、水资源管理系统、防汛抗旱预报系统、闸（泵）远程监控系统、视频监视系统、工程巡检管理系统、事故应急调度系统、水费计收系统、水权交易管理信息平台、办公自动化、移动水务平台和智能门户等。
通过数字孪生灌区建设，三义寨灌区的灌区管理机构可以实现对整个灌区的全面感知，能够从灌区整体出发进行水资源调配、防汛抗旱、工程运维等业务的统一管理，能够实现灌区管理相关知识的积累，为此后的智慧管理优化调度奠定基础，实现了灌区管理水平的跨越式发展。
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