简报荟萃 | 数字赋能 “智”水有方 位山灌区高质量打造数字孪生先行先试样板
来源：水利简报
归档时间：2023-10-10数字孪生灌区建设是智慧水利建设的重要内容，也是现代化灌区的重要标志。2022年水利部选取了48处大中型灌区开展数字孪生灌区先行先试工作，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为路径，推进灌区数字化、监控自动化、调度智能化建设。位山灌区管理服务中心着力打造“1+3+N”的数字孪生灌区体系，推动实现“供水精准调度、水资源优化配置、工程智能调控、管理标准规范”，全面提升现代化管理水平，在数字孪生灌区建设方面取得突出成效。现将位山数字孪生灌区建设方面的经验做法进行编发，供灌区借鉴参考。
位山灌区渠首工程——位山引黄闸
位山灌区地处山东省聊城市，是全国第五大灌区、山东省最大的灌区。灌区始建于1958年，设计灌溉面积540万亩，占聊城市总耕地面积的65%，保障了聊城市绝大部分农田灌溉、沿线200万余城乡居民生活、工业企业生产和河湖水系生态用水，同时担负引黄入冀（补白洋淀）跨流域调水任务。灌区投入运行以来，累计供水超过610亿立方米，创造经济效益610亿元以上，其中跨流域调水121亿立方米，为区域经济社会高质量发展和生态保护作出了重要贡献。 近年来，位山灌区坚持以增强国家粮食安全保障能力为目标，不断夯实灌排基础设施体系，加快推进信息化建设，积极构建1个数字孪生平台，突出“水资源优化调度、水旱灾害预警、输沙减淤”3项需求，强化N项业务应用的“1+3+N”数字孪生体系，推动实现“供水精准调度、水资源优化配置、工程智能调控、管理标准规范”，为新阶段灌区高质量发展提供强力支撑和科技驱动。 坚持需求牵引，提升管理效能 以需求和问题为导向，高标准编制数字孪生灌区先行先试建设实施方案，总投资5800万元，着力打造“1+3+N”数字孪生体系，提升“四预”功能，解决灌区实际问题，全面提高现代化管理水平，实现了三个“转变”。 一是供用水管理“粗放低效”转变为“集约节约”。以前，受水县申请农业生产用水计划，位山灌区管理服务中心统筹黄河来水、指标、墒情等因素，制定静态配水计划，并根据降雨等情况进行调整，易出现配水不及时、调水不科学等问题。现在，通过分析研判和数字孪生，利用配水调度、水动力学仿真等手段，提供调配水最优方案，促使灌区供用水管理从经验决策向模型智慧精准决策转变，提高水资源优化配置能力和节约集约利用水平。 灌溉试验装置 二是水旱灾害“被动应对”转变为“主动预警”。聊城“十年九旱、旱涝急转”特点明显，位山灌区肩负抗长旱、抗大旱、保粮食安全的重任。过去感知网不完善、信息手段落后，通常是被动抗旱。通过预测预报和数字孪生，利用空天地感知网、旱情预报模型等举措，对灌区受旱状况进行模拟分析、预报预警，有效预留“提前量”，变被动抗旱为主动应对。 三是引黄泥沙“淤积堵塞”转变为“输沙减淤”。泥沙是引黄灌区治理难点。通过数字孪生，利用泥沙动力学模型，探究不同工况下水流特性及泥沙淤积分布规律，结合群闸调控，推进渠道泥沙淤积最优化调节，实现泥沙科学输送与处置。 水沙优化调度展示 完善五大要素，夯实“数字基底” 2022年以来，位山灌区自筹资金3500万余元，整合已建平台、利用已有数据、推进模型建设，强化算据、算法、算力，启动三干渠数字孪生先行先试并建成以周店三干渠首及上下游渠道8公里为区域的数字孪生试点，初见成效。 一是循序渐进，织密水利要素“感知网”。建成全自动缆道、轨道测流设施35处，水情监测站点1182处，实现灌区骨干渠道用水监测全覆盖。建成高清视频监控1077处，其中具有智能识别功能的200余处，实现干渠工程监管全覆盖。沿渠敷设光缆247公里，覆盖骨干渠道全线，实现业务数据稳定高效传输。建成13处大型节制闸和39处支渠闸远程控制系统，实现重点闸门远程自动化监控启闭。建成灌溉试验站，增设土壤墒情等监测设备148套，实现典型区域数据监测全覆盖。 全自动轨道测流系统 二是需求导向，建设灌区业务“模型库”。聚焦水资源优化调度配置与泥沙科学处置，与中国水利水电科学研究院合作开发配水调度、水动力仿真模型，推进水资源优化配置与“四预”功能提升；与黄河水利科学研究院合作研究灌区典型区域引黄水沙变化模型，支撑灌区水沙科学调度管理。 三是数据利用，构建灌区信息“知识库”。1982年灌区开始水沙测验，经过40多年信息化运行和业务应用，形成了工情、水情、沙情、灌溉、水量调度等高质量数据库；灌溉试验站累计采集的长序列监测数据达2000万条，2005年以来形成近20年的通量观测数据；共享了相关部门的水文、气象以及农情等数据，有效填充“知识库”，为模型完善提供数据支撑。 水流演进模拟 四是融合创新，绘制数字孪生“新地图”。集成已建水情、调控、量测、监控等系统，建成灌区配水调度平面概化图，一体化进行配水调度管理。升级灌区“一张图”，全面展示灌区工程分布、灌溉面积、堤防确权边界、管理范围等内容，打造管理与运行监控“一张图”。目前，灌区285公里渠道、800多处建筑物、4.63万亩确权范围等要素，全部实现数字上图、一图管理。 五是打破壁垒，建设智慧管理“云大脑”。在前期建成的灌区E平台基础上，整合量测水、水量整编、闸门远程控制、视频监控、灌溉试验信息化管理等系统，升级形成统一的数字孪生平台。目前，建成了智慧调度中心1处，分中心15处。调度中心机房现有视频存储等各类服务器17台，配备安全边界设备和安全防御设备14台，支撑数字孪生平台安全高效运行。 灌区一张图 突出业务应用，推进智慧治水 一是配水调度更科学。远程闸控、自动量测和智能整编系统的广泛应用，实现指令传达网络化、工程调控自动化、水情整编数字化、决策支持精准化。远程自动启闭闸门，每年节省人工700余工日、节水800万余立方米；量水测水效率提高50%，测验精度提高3%；配水效率提高11%。实现科学供水，促进稳产增效，灌区有效灌溉面积增加10万亩以上，位于灌区下游的高唐县琉寺镇、杨屯镇、临清市唐园镇耕地时隔十余年再次用上了黄河水。 二是供水服务更精准。建成后姜支渠末级供水示范区，通过射频卡刷卡灌溉可精准计量到农户，地表水和地下水一卡通用，综合管控、联合调度，供水效率提高20%以上，亩均用水量由170立方米降为140立方米。 供需水分析展示 三是渠道巡查更智能。配置多辆工程巡查专用车，依托车载感知设备，连通灌区感知网，打造“智能巡渠”场景，全天候监测灌区骨干渠道沿线，对堤防损坏、道路损毁、倾倒垃圾、戏水游泳等情况进行监控记录，通过手机终端实时上传问题，形成“水域岸线全监测、巡检轨迹实时查、异常情况随手拍、巡查资料网上管”的管理机制，变“人巡”为“技巡”。 四是部门协作更便捷。设立司法协作模块，建立水行政执法与司法协作机制，针对发现的河湖库“四乱”问题，分类同步推送至公安局、检察院、法院及河湖长制信息平台协调处理，实现了“无人值守智获证据、协作流程数字可视、问题处置线上联动、网络确认闭环管理”。 工程巡检展示 强化数字赋能，促进长效发展 一是水资源利用更加节约。坚持总量控制、定额管理，构建管理、制度、数字、水价、宣传于一体的节水体系，切实提高供用水效率。近年来，灌区农业年引黄用水量由5.1亿立方米降为4.5亿立方米，节水6000万立方米。 二是粮食保障更加坚实。加强水资源的科学调度和优化配置，以占全国约0.2‰的水资源，灌溉了全国约2.7‰的耕地，生产了全国约5.8‰的粮食、4.6‰的蔬菜，确保了聊城粮食“二十一连丰”，保障了工业、生态、人饮用水安全和引黄入冀跨流域调水任务顺利完成。 三是现代水网加快构建。融入山东“国家省级水网先导区”建设实施大局，突出抓好大型灌区续建配套与现代化改造，基本建成“功能完整、节水显著、运行可靠、调控灵活”的骨干工程体系，工程完好率90%以上，水资源调配和水旱灾害防御能力大幅提升。 四是管理水平稳步提高。强化组织、安全、工程、节水供水、信息化、经济等六大标准化管理，健全制度体系，实行差异化考核，实现管理更加精细、科学、高效。调水配水、水旱防御、运行管理、水费收支、考核评价、档案管理等业务在数字孪生灌区平台上实现数字化，提高运行管理效能。 位山黄河公园
