大型灌区是我国重要的商品粮、棉、油生产基地,是国家粮食安全和用水安全的重要保障,是农村经济社会发展和生态环境保护的重要基础设施。目前,大型灌区灌溉用水量在1100亿m³左右,灌溉亩均水量约422m³。据2022年最新统计数据,全国大型灌区农业灌溉用水量约为1140.7亿m³,实际灌溉面积为25792万亩,耕地灌溉亩均用水量为442m³,农田灌溉水有效利用系数为0.536。
1998年,国家启动实施大型灌区续建配套与节水改造,有434处灌区列入《全国大型灌区续建配套与节水改造规划》。截至2019年底,434处灌区累计安排骨干工程改造总投资1441亿元，其中中央预算内投资959亿元，用于持续推进以节水为中心的灌区骨干灌排工程配套改造，完善用水计量设施，深化灌区管理体制改革和推进灌区水价综合改革。
虽然大型灌区续建配套与节水改造工程普遍提高了灌排工程安全性能和灌区输配水效率、农业综合生产能力明显提高，种植结构调整加快、灌区节水效益，灌溉用水效率大幅提升，灌区管理体制改革不断深化，“两费”得到落实。
但是，我国大型灌区仍存在灌排设施老化失修病危、水资源供需矛盾突出用水效率不高、灌区生态环境亟待改善、灌区信息化建设滞后、灌区管理能力和服务水平不高等突出短板和薄弱环节。
问题一：灌排设施仍存在突出短板和薄弱环节
目前，已有设施老化失修，病险、“卡脖子”等骨干工程问题突出，大型灌区骨干工程中有60%的渠道、30%的渠系建筑物和70%的排水沟没有得到系统的改造，骨干工程的完好率约为65%。已实施配套改造的灌区，主要是对病险、“卡脖子”，等骨干工程进行配套改造，有效灌溉面积仅达到设计的88%，与高质量发展要求，相比仍有一定差距。
问题二：灌区功能拓展，水资源供需矛盾突出，用水效率不高
多数大型灌区已从单一的灌溉供水功能逐步拓展为灌溉、城乡生活、工业、生态等多功能供水，承担着更多的供水重任，但大型灌区灌溉水利用系数仅为0.505，用水方式仍较为粗放，水资源节约集约利用水平还不高。
问题三：灌区生态环境亟待改善
灌溉是用水大户、用地大户，长期以来形成的重建设、轻保护发展方式，使得水资源短缺地区、生态环境脆弱地区的灌区生态环境不断恶化，部分地区长期大量使用化肥、农药、农膜等造成的环境污染仍未得到有效控制。
问题四：灌区信息化建设滞后
灌区信息化起步晚、标准低，只有部分灌区不同程度开展了信息化建设。建设的投资规模及应用程度还较低，尚不能很好地适应新时期灌区调度、工程及用水等管理需求，与现代农业发展要求相比仍有一定差距。用水计量设施缺乏，目前干支渠道量测水设施安装率只有70%，斗口量测水设施安装率仅为36%。
问题五：灌区管理能力和服务水平仍待提高
大型灌区已基本完成管理体制改革，但改革配套政策措施落实情况差异较大，目前灌区“两费”(公益性人员基本支出和公益性工程维修养护经费)综合落实率仅为65%、部分灌区“两费”持续得不到落实。农业水价综合改革不到位，农业灌溉执行水价不足运行成本水价的一半，水价调整难、长期维持低水平，农业水费收取率不足70%。
因此， 为持续提升农业灌溉用水效率和粮食综合生产能力，确保国家粮食安全，水利部、国家发改委近日正式印发了《“十四五”重大农业节水供水工程实施方案》，从现有459处大型灌区中择优遴选出124处灌区及以后要新建的70座大型灌区(规划灌溉总面积5504万亩)、584座中型灌区(规划灌溉总面积2684万亩，其中重点灌区203座，规划灌溉总面积1770万亩)进行现代化建设，全国大型灌区总量将达到529座。主要工作目标为：灌溉保证率达到设计以上水平，骨干灌排设施完好率达到90%以上，“两费”(公益性人员基本支出和公益性工程维修养护经费财政补助，下同)落实率达到95%以上，灌溉水利用系数达到0.55以上，灌区信息化覆盖率达到80%以上
大型灌区现代化是一个逐步发展、不断成熟、全面实现的过程。根据国家现代化和水利现代化发展要求，灌区现代化的内涵可以概括为：用人与自然和谐相处、全面系统的现代理念指导灌区建设，用先进技术、先进工艺、先进设备打造灌区工程设施，用现代科技引领灌区发展，用现代管理制度、良性管理机制完善灌区管理，建立公平、可靠、灵活的供水服务和有效的防灾减灾体系，大幅度提高灌区水资源利用效率和农业综合生产能力，为国家粮食安全、实施乡村振兴战略和生态文明建设、实现农业现代化和国家现代化提供牢固基础支撑。
国家“十四五”规划纲要明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。水利部高度重视智慧水利建设，将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，并将智慧水利作为新阶段水利高质量发展的显著标志。
为推进大型灌区现代化建设，贯彻落实水利部党组关于智慧水利建设的有关决策部署，水利部决定开展数字孪生灌区先行先试工作。数字孪生灌区建设是智慧水利建设的重要内容，是提升灌区建设管理水平的有效手段。《“十四五”重大农业节水供水工程实施方案》明确指出，要实现灌区管理和用水调度数字化、网络化和智能化。2022年全国水利工作会议明确要求，打造一批现代化数字灌区。数字孪生灌区是以物理灌区为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理灌区全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理灌区同步仿真运行‘虚实交互、迭代优化，实现对物理灌区的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。
数字孪生灌区先行先试项目作为新兴技术应用在水利管理中的重要实践，数字孪生技术本身及其在灌区的应用尚处于发展阶段，虽然展示了巨大的潜力和优势，但也面临感知控制手段落后、数据采集与共享不足、模型预测精度较低、持续运维意识不强等挑战和问题。
感知控制手段落后:感知设备不至少、计量方式传统切精度低，不能实现远程自动控制，放多少方水，完全依赖操作人员经验，难以实时适量供水。
数据采集与共享不足：由于大型灌区管理面较广，包括水库、河道、管道、渠道、泵站、农田等场景，设备设施技术类型多，数据标准不统一、系统集成复杂度高，造成数据采集与共享不足。
模型预测精度较低：数字孪生模型的难以高度精确反映实体灌区的运行状态，但模型的建立与校验过程复杂，模型的精度与实用性可能受限于基础数据的准确性和算法的优化程度。
持续运维意识不强：数字孪生灌区的有效运行依赖于持续的数据输入和模型维护，许多项目只重视建设，忽略了对信息化的运营维护与持续更新，建设效益难以维系。
基于以上背景，研博数据以全面实现现代化灌区为目标导向，以《数字孪生灌区建设技术指南(试行)》为设计依据, 结合自身技术特点和实践经验，推出了具有研博特色的数字孪生灌区解决方案。该方案强调工业物联网、人工智能、边缘计算、数字孪生等新一代信息技术与灌区管理工作的融合，推进灌区数字化、监控自动化、调度智能化建设，提高灌区预报、预警、预演、预案能力，动态优化灌区水资源调度，充分发挥灌区综合效益。
研博数据数字孪生灌区解决方案以水利部《数字孪生灌区建设技术指南》为指导，采用工业互联网三层架构设计，以实现水资源精细化管理、水工程标准化管理、水灌溉科学化调度和水旱灾害防御四方面目标。精细化水资源管理是指实现水量精准统计，水费计收透明、水权结余流转和水量调度科学;水工程标准化管理是指对灌区水源工程和灌溉排水工程的运行、维护及安全管理等各个环节进行规范化、程序化和科学化的管理;水灌溉科学化调度是指为满足用水总量和定额管理的调度需求，提供安全高效的引水、输配水、退水全渠系在线联合调度方案;水旱灾害防御是强化灌区“四预”措施减轻或避免因水涝或干旱给农业生产和生态环境带来的影响。
数字孪生灌区各组成部分建设内容如下：
1、构建立体化感知体系
在现有信息采集站的基础上，进一步完善灌区水情、工情、农情、气象等信息采集要素类型，加强人工采集点升级改造、 自动采集点建设和共享信息接入，形成系统化的监测站网络，包括“水源—渠首-渠中-渠尾-支渠-田间退水-排水渠”全程水量监测站网，“取水-地下水-排水-用水”全程水质监测站网，“取水-提水-输配水-灌溉”全程工情监测站网。同时，充分利用卫星遥感、无人机、视频监控、手持终端等新型监测手段应用，建设空间更广、频率更高的巡查机制，实现灌区多维度多时空动态监测。
2、构建自动化控制体系
利用自动化控制装备以及系统，基于控制专网、移动互联网、运营商专线等通讯技术，对灌区内关键取水工程、泵站、闸门、阀门、机井等实现现地手动、远程控制和自动化控制，减少人工操作工作量，提高调配水效率。
3、数据资源梳理
依据一河一档、一工程一档案、一渠一档案、一设备一档案的要求，按照“一数一源一责”的原则，通过调查表填报、现场座谈、实地踏勘、资料收集等多种方式，开展数据汇聚、治理、运维工作，梳理灌区数据资源体系，涵盖灌区基本信息、作物种植信息、产业结构、感知信息等，形成基础数据、监测数据、业务数据、空间数据和外部共享数据等多种类数据统一集聚的灌区数据库，同时实现与省、市之间的数据共享交换，打通农业农村、气象、国土、电力、灌区乡镇数据壁垒。
在水利部和水利厅共享的相关数据基础上，建设L3级地理空间数据，运用高分卫星、无人机、图片拍摄、水利工程设计图、管网探测等手段，分别建设灌区L1,L2,L3级地理空间数据。主要包括数字正射影像图、数字高程模型、倾斜摄影影像、激光点云、水下地形、建筑信息模型等数据。
4、建设数据引擎
采用研博工业物联网平台，建成灌区数据引擎，对梳理完成的数据资源，通过多元化采集、主体化汇集全部监测数据，汇集全域数据。研博工业物联网平台具备大规模、高可用、高并发、低时延设备接入能力，能够向下实现海量的多源设备、异构系统数据采集、交互、传输、控制及应用，向上为模型平台、知识平台和业务应用提供数据服务，为技术人员、业务人员、管理人员提供行业场景化的数据服务。研博工业物联网平台涵盖数据接入、设备管理、云边协同、数据转发等功能模块，系统能够消除数字孪生灌区建设过程中的数据采集和共享机制不健全问题，赋能灌区现代化建设。
5、建设灌区降雨预报模型
通过对接商业气象服务机构，购买优于5km*5km分辨率未来15天逐小时降雨数据和极端天气预警数据服务，准确的，高频率更新的天气预报可以帮助灌区优化灌溉时机，节水增效，提前预警暴雨、暴雪、干旱、冰雹等极端天气。
6、建立来水预报模型
根据灌区实际情况，对灌区历史降雨数据、上游来水指标、历史上游来水量、水库蓄水量、地下水位等进行水量汇总分析，实现对灌区可供水量的预测。来水预报模型建设内容包含河道取水断面、水库来水预报模型，模型须具备长、中、短多时间尺度来水预报能力，且适应缺资料或无资料地区的来水预报。
7、建立农业灌溉需水预测模型
用水分区计量模型构建是按照“灌区-乡镇-行政村”口径，根据灌区种植结构，测算分析灌区水权指标、理论控制定额等。同时，汇总计算同灌季同片区不同年度农业灌溉用水总量及亩均水量，以两者作为构建灌溉需水预测模型的依据，从而用于预测农作物需水量。
8、建设全渠联合调度模型
灌区传统输输配水控制方式以人工手动单闸操作为主，出水口水量控制不精准，干渠水位变化引起联动导致过灌或欠灌，退水弃水造成水资源浪费。全渠联合调度模型能够基于最优控制理论的前馈反馈耦合控制算法，克服灌区传统输配水控制过程存在的强耦合性、大时滞性、多扰动性和不确定性四大难点，实现多个渠道/区段并行调度，多个输配水计划串行/并行执行，将多个管理所制定的不同时段的多个需配水计划合并为全渠系当前的需配水计划，并自动生成全渠系闸门调度方案，实现按需精准灌溉，提升灌溉用水效率。
9、建设梯级泵站联合调度模型
梯级泵站联合调度模型由泵组优化调度模型和梯级泵站扬程优化模型两部分组成。泵组优化调度模型是在泵站确定的管路条件下，根据用户输入的目标流量或目标压力，以满足流量平衡和水泵运行健康状态约束为前提，寻找可高效率运行的水泵运行组合，使得泵站的总运行能耗最小。梯级泵站扬程优化模型在考虑水头损失的基础上可以得到总扬程在梯级泵站之间的最优分布，使得梯级泵站总效率最大。
10、建设智能识别模型
需要建立的智能识别模型主要包括遥感识别模型、视频识别模型和语音识别模型3类。遥感识别模型包括作物种植结构监测、作物长势监测、旱情监测、灌溉面积提取、水利工程形变监测等;视觉识别包括农作物病害识别、作物长势识别、周界入侵检测、人员下水识别、水面漂浮物识别、自动水尺识别等场景。
11、建设可视化模型
基于L2和L3数据，通过用三维建模工具，建设自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备等4类可视化模型，为在业务应用中真实展现灌区业务场景提供支撑。
12、建设模拟仿真引擎
针对基础数据、空间数据、业务数据、BIM模型等可视化数据，采用 “GIS+游戏引擎”融合高性能数字孪生仿真引擎，在满足GIS高精度空间分析的同事，实现游戏级别高保真渲染与仿真，为流域数字孪生虚实映射、高保真模拟仿真提供有力支撑和强力驱动，为可视化模型提供模拟仿真的能力。
13、建设业务智能应用体系
紧紧围绕灌区灌溉管理、调度管理、计量管理、水费计收管理、提水安全运行管理、工程建设、水资源四预管理等相关科室急需的业务功能开展业务智能应用体系建设，以实现水资源精细化管理、水工程标准化管理、水灌溉科学化调度和水旱灾害防御四方面目标。灌区业务智能应用体系包括水资源管理系统、量水与水量计收系统、微信小程序、智慧泵站加压系统、水库标准化管理系统、灌区灌溉管理系统、灌区在线智慧调度系统、水旱灾害防御系统和移动APP。
