数字孪生灌区关键技术研究——以河南省三义寨灌区为例_彭彦铭.pdf

河南水利与南水北调 2022年第12期智慧水利基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0407505）作者简介：彭彦铭（1981），男，高级工程师，主要从事综合规划、水利信息化工作。数字孪生灌区关键技术研究以河南省三义寨灌区为例彭彦铭1，秦国锐1，刘长垠2（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）摘要：以三义寨灌区作为河南省水利厅直属管理的大型灌区，一直以来受制于管理体制、管理范围、人员组成等的限制，灌区管理机构无法对灌区情况全面掌握和深入管理，随着数字孪生工作的推进，以数字孪生工程建设指导思想对灌区进行现代化改造，可以实现灌区管理的跨越式发展。文章通过对河南省三义寨灌区进行数字孪生灌区建设，深入探讨了数字孪生灌区建设的主要指标和业务内容，并就数字孪生灌区建设完成后对灌区管理的影响进行了展望。关键词：数字孪生；灌区；智慧水利；灌区现代化改造中图分类号：S274文献标识码：B文章编号：1673-8853（2022）12-0094-03Research on Key Technologies of Digital Twin Irrigation District in Sanyizhai IrrigationDistrict of Henan ProvincePENG Yanming1，QIN Guorui1，LIU Changyin2（1.Yellow River Engineering Consulting CO.LTD.,Zhengzhou 450003,China;2.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment,Zhengzhou 450008,China）Abstract：As a large-scale irrigation area directly managed by the Department of Water Resources of Henan Province,SanyizhaiIrrigation District has been restricted by the management system,management scope,personnel composition And so on.The administrativeorgans of irrigated district cannot fully grasp and deeply manage the situation of the irrigation areas.With the promotion of digital twinwork,the modernization of the irrigation area with the guiding ideology of digital twin project construction can realize the leapfrogdevelopment of irrigation district management.Based on the construction of digital twin irrigation area in Sanyizhai Irrigation District inHenan Province,the main indicators and business contents of the construction of digital twin irrigation area are deeply discussed in thispaper.The impact of the construction of digital twin irrigation area on irrigation area management is forecasted as well.Key words：digital twin;irrigation district;intelligent water conservancy;the modernization of irrigation area0引言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。1三义寨灌区基本情况及存在问题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：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94河南水利与南水北调 2022年第12期智慧水利整体情况进行全面掌握。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。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数字孪生灌区内涵及关键技术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。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。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。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。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95河南水利与南水北调 2022年第12期智慧水利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河南省三义寨灌区数字孪生建设方案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）。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。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。4结语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。参考文献：1 李国英.在2022年全国水利工作会议上的讲话 J.中国水利，2022（2）：1-10.2 李国英.推动新阶段水利高质量发展 为全面建设社会主义现代化国家提供水安全保障 J.中国水利，2021（16）：1-5.3 彭彦铭.中部省份灌区节水信息系统研究 J.河南水利与南水北调，2010（11）.4 孟玉清，李世月，丰莎，等.三义寨灌区灌溉水利用系数首尾法测算研究 J.人民黄河，2017，39（4）：145-148.收稿日期：2022-10-6编辑：刘长垠图1数字孪生三义寨灌区总体架构示意图图2三义寨灌区立体感知体系各类站点布置示意图96