数字孪生 | 山东聊城市位山灌区高质量推进数字孪生先行先试工作

位山灌区属黄泛平原区，受温带半湿润季风气候影响，降水空间时间分配不均，“十年九旱、旱涝急转”特点明显。灌区肩负抗长旱、抗大旱、保粮食安全的重任，但由于过去感知网不完善、信息手段落后，通常是被动抗旱。黄河作为位山灌区重要水源，其含沙量和输沙量均为世界大河之最，因此，长期以来，泥沙问题一直是灌区的治理难点。

立足水少沙多实际，位山灌区以变水旱灾害“被动应对”为“主动预警”、变供用水管理“粗放低效”为“节约集约”、变引黄泥沙“淤积堵塞”为“输沙减淤”为需求，高标准编制数字孪生灌区先行先试建设实施方案，通过构建立体感知、自动控制、业务应用、支撑保障、网络安全“五大体系”，提升“三算”（算据、算力、算法）能力、“四预”（预报、预警、预演、预案）水平，以数字孪生手段助力解决灌区实际问题，全面提升现代化管理水平。

在长期水沙测验数据基础上，通过数字孪生平台水沙关系分析可以得知，多年来灌区泥沙沉积的分布情况基本与近年来灌区清淤重点相符，这使泥沙科学输送与处置成为可能。

“我们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；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。”聊城市位山灌区管理服务中心党委书记、主任王会忠对此项合作十分有信心，“下一步，我们将通过数字孪生平台建设科学治理泥沙问题，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，推进渠道泥沙淤积优化调节。同时，通过预测预报和数字孪生，利用‘天空地’感知网、旱情预报模型等，对灌区受旱状况进行模拟分析、预报预警，有效预留‘提前量’，从而变被动抗旱为主动应对。”

位山灌区于1982年开始量测水，1985年开始测算含沙量及颗粒分析，2005年灌溉试验站建成并开始采集数据，2012年以后每年整编的水量调度数据都实现了系统化储存。多年积累的数据，以及聊城市政府协调农业、水文、气象等部门共享的数据，成为灌区在数字孪生建设中的宝贵资产。通过盘活利用，对这些数据进行总结提炼，有效充实了数字孪生“知识库”。

“以前受水县申请农业生产用水计划后，灌区便统筹黄河来水、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。这样易造成配水不及时、调水不科学等问题。”位山灌区管理服务中心供水管理科科长张俊介绍，“现在，在强大数据库的支撑下，通过分析研判，利用配水调度、水动力学仿真等手段，可以制定调配水最优方案，实现从经验决策向科学决策的转变。”

供水期间，通过卫星遥感技术和大数据分析，可以在平台上实时查看灌溉进度，生成灌溉面积监测报告，并据此及时对配水方案进行动态调整，将有限的水资源向缺水地区倾斜供给，确保各个区域都能用上水、用好水。

“我们一直坚持总量控制、定额管理的原则，实行用水总量通报预警制度。区域年度用水量如果超过计划用水量的90%，系统便会自动发出黄色报警。”张俊指着平台界面上的黄色区域解释道。此外，利用“天空地”立体感知体系，还可以实现旱情和输水安全超警戒水位的多种预警。

“我们已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。下一步，数字孪生建设应用后，位山灌区将逐步实现‘四有’，即需水有预报，水量有预警，调度有预演，配水有预案，有力促进减水稳产增效。”张俊介绍。

每天早上7点，一台全自动轨道测流车准时从位山灌区三干渠周店测站的测流房缓缓驶出，自动测量渠道过水分层流速。与此同时，周店管理所信息分中心和位山灌区智慧调度中心的工作人员都能实时查看测流数据。

“我们负责的干渠测站有2个，分干渠测站7个，以前通过半自动缆道测流系统，每个站点测一次至少需要花费50分钟时间，还需要再填写到测流报表上，到办公室录入系统，时间非常紧张。自从安装全自动轨道测流和全自动闸控测流系统后，通过手机就能实时查看数据，而且测流精度也有了明显提高。”位山灌区管理服务中心周店管理所所长曹洪博对此深有感触。

远程控制闸门系统升级改造也大大降低了工作人员劳动强度，促进科学配水节水。“以前我们接到指令，启闭节制闸平均每次需要半个小时，最远的支渠闸需要两个小时，现在足不出户，用手机启闭闸门，2分钟内就能完成，不仅节省了人力、提高了效率，最重要的是避免了水资源的浪费。”曹洪博介绍。

目前，灌区建成35处全自动缆道、轨道测流设施，1182处水情监测站点，13处大型节制闸和39处支渠闸远程控制系统，实现灌区骨干渠道用水监测全覆盖和重点闸门远程自动化监控启闭。远程闸控和自动量测智能整编系统的广泛应用，使指令传达网络化、工程调控自动化得以实现，测流时间节省50%以上，测流精度提高3%，每年可节省700余工日、节水800余万立方米。下一步，量测体系、闸门远程控制体系扩展到支渠及以下工程后，节水成效将更加显著。

“自从用上智能灌溉，一亩地只花不到20元，半天就能浇30多亩地，与‘柴油机+水泵’的传统浇地方式相比，不仅效率高了，花费还少了一半。”聊城市东昌府区韩集镇种粮大户王立浩是田间“老把式”。他站在地头算起了“经济账”：“今年托管了5000亩农田，浇一次地就能省10万元。”

王立浩说的智能灌溉，相当于田间灌溉“自来水”。农户一卡通用，轻松取黄河水或井水灌溉，用水、用电信息同步上传到县级、市级数字灌区平台，形成动态数据。

借助智能灌溉系统，从骨干渠道到田间地头，实现市级平台总量控制、县级平台过程控制、末级渠系精准控制，地表水和地下水综合管控。同时，“以电折水”精准计量到农户，供水效率提高20%，单亩灌溉综合成本由原来的100元左右降为50元左右，在减轻农民负担的同时，也为农业水价综合改革打下基础。

在位山灌区灌溉试验站独立开展的冬小麦大田试验，成果也十分喜人。该试验通过模拟灌区范围内农田主要灌溉方式，监测作物不同灌水次数、灌水量对作物产量的影响，探寻更加科学的非充分灌溉制度，为灌区每年制定用水计划提供指导。综合作物种植结构、墒情、水情和雨情等，通过灌溉试验和数字孪生平台分析得出，在灌区平水年份下，以农田畦灌为例，在冬小麦生育期每亩灌溉140立方米较为适宜。

目前，相关试验成果在灌区多个农田灌溉示范区进行推广，亩均灌水量由原来的170立方米降至140立方米；灌区农业年引黄用水量由原来的5.1亿立方米降为4.5亿立方米，节水6000万立方米，实现节水增产增效。

“三干闸上游150米的渠道里有大块漂浮物，请立即到现场处理。”位山灌区智慧调度中心值班人员通过物联网平台发现了渠面异常情况，立即告知该所网格管理员，管理员到达现场处置后，随即用手机APP（应用程序）上传处理结果。线上实时智慧调度和线下网格化快速响应的工作模式，助力实现“监控、调度、处置、反馈”全链条监管，有效提升管理效能。

“大禹针”是灌区感知体系的新成员，主要是利用AI（人工智能）智能识别模型，对水位、闸门开度、水面漂浮物、钓鱼游泳等场景进行AI识别，通过前置边缘网关计算，自动筛选有效信息进行预警预报，提高数据处理效率，节省存储空间90%以上，用河渠监管AI观察代替人工观察，用提前预警预报代替传统发现处理，进一步提高了工程管理智能化水平。除此之外，位山灌区还配置了15辆工程巡查专用车，依托车载感知设备，连通灌区感知网；尝试在沉沙池、干渠渠首等重点区域使用无人机巡查，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、戏水游泳等进行监控记录，变“人巡”为“技巡”，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。

“从2018年4月开始应用，截至今年9月，已累计记录巡检信息7.3万余条，其中问题记录3222条，全部及时处置，确保了工程安全运行。”灌区中心信息化科科长张彦光说，这得益于灌区多年来对基础设施的大力投入。目前，灌区沿渠敷设光缆247公里，建成高清视频监控1077处，具有动态抓拍、智能识别功能的200余处，水域岸线监测面积达9000多万平方米，确保了业务数据稳定高效传输和沿渠工程监管全覆盖。

此外，位山灌区积极探索建立“灌区+公安+检察院+法院”协作机制，打造“法润灌区”。在数字孪生灌区平台设立司法协作模块，是位山灌区强化数字赋能业务应用的又一创新，也为法治灌区建设提供智慧加持。

“平台发现河湖‘四乱’（乱占、乱采、乱堆、乱建）等违法行为后，可以将违法车辆、违法人员信息同步推送至公安、人民检察院、人民法院和河湖长制信息平台，实现‘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’。”张彦光说，“我们通过大数据手段智能分析，形成事件热力图，对事件易发多发区域及时间段进行科学研判、精准布防、重点管控，进一步提高了事件的处置效率。”

“灌区一张图全面展示灌区工程分布、灌溉面积、流域水系分布、堤防确权边界、管理范围等，我们可以实时查询工程基本信息、运行养护台账、堤防巡检记录，打造工程标准化管理数字样板。”张彦光介绍。

由于信息化分期分阶段建设，系统开发商家不同，加之技术更新换代快，系统壁垒自然存在。为避免重复建设、浪费资金，位山灌区打破信息孤岛，位山灌区整合2012年LIS平台、2017年智慧灌区e平台等，利用已有数据整合各类系统，升级形成统一的数字孪生平台，一体化进行管理。

灌区配水调度平面概化图是创新提升平台业务功能的一大亮点。通过概化图，可以同步实时展示水位、流量等数据，集成量测水、远程控制闸门、视频监控等一体化操作，使配水调度管理更直观、便捷、高效。

目前，灌区285公里渠道、800多处建筑物、4.63万亩堤防确权范围等要素，全部实现数字上图、一图管理。此外，通过数字孪生平台，考核评价、档案管理、纪检报备等业务实现了数字化，大幅提高了运行管理标准化水平。

“数字孪生灌区建设前景广阔，大有可为。下一步，我们还将围绕‘数字孪生+’，全面推动灌区标准化管理、节水型灌区建设和现代化改造，提升灌区运行管理的数字化、网络化、智能化水平，为数字中国建设贡献灌区力量。”王会忠坚定地说。