數(shù)字孿生灌區(qū)內(nèi)涵解析及建設(shè)思路與關(guān)鍵技術(shù)

Connotation analysis, construction approach and key technologies of digital twin irrigation districts

蔣云鐘，冶運(yùn)濤

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

摘要：基于數(shù)字孿生理論，從水網(wǎng)系統(tǒng)視角首次構(gòu)建數(shù)字孿生灌區(qū)多維度認(rèn)知體系，為復(fù)雜灌區(qū)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供理論支撐。通過(guò)解構(gòu)工程設(shè)施鏈、水資源系統(tǒng)網(wǎng)與管理主體群三維耦合關(guān)系，提出灌區(qū)水網(wǎng)具有層級(jí)復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)耦合性、功能復(fù)合性、區(qū)域差異性及業(yè)務(wù)協(xié)同性五大核心特性，并從特征維度、功能維度、協(xié)同維度三重維度解析數(shù)字孿生灌區(qū)內(nèi)涵。研究突破傳統(tǒng)灌區(qū)管理范式，以工程安全運(yùn)行、水量科學(xué)調(diào)度、控制自動(dòng)智能、管理協(xié)同高效、應(yīng)急敏捷響應(yīng)和服務(wù)主動(dòng)便捷等業(yè)務(wù)目標(biāo)為導(dǎo)向，構(gòu)建“數(shù)字化場(chǎng)景—智慧化模擬—精準(zhǔn)化決策—自動(dòng)化控制—定量化評(píng)估”五階閉環(huán)優(yōu)化路徑，形成以立體感知、墑情預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)、水量調(diào)度、遠(yuǎn)程控制為技術(shù)主線，以調(diào)水優(yōu)化、輸水仿真、智能控制、精準(zhǔn)配水、高效用水為關(guān)鍵技術(shù)的數(shù)字孿生灌區(qū)智能體框架。該框架實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)水網(wǎng)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”向“數(shù)據(jù)-機(jī)理-知識(shí)”驅(qū)動(dòng)的范式轉(zhuǎn)變，為數(shù)字孿生技術(shù)在復(fù)雜灌區(qū)系統(tǒng)中的深化應(yīng)用提供可復(fù)制推廣的實(shí)踐范式，對(duì)保障國(guó)家糧食安全與水資源可持續(xù)利用具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。

關(guān)鍵詞：國(guó)家水網(wǎng)；智慧水利；數(shù)字孿生水利；數(shù)字孿生灌區(qū)；灌區(qū)現(xiàn)代化

作者簡(jiǎn)介：蔣云鐘，副院長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事智慧水利、水文水資源研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC3209302）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52279031）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.13.004

引言

灌區(qū)作為保障國(guó)家糧食安全的核心基礎(chǔ)設(shè)施，承載著全國(guó)70%以上的糧食產(chǎn)量，是維系農(nóng)業(yè)命脈的“生命線”。在全球氣候變化加劇、水資源供需矛盾突出的背景下，傳統(tǒng)灌區(qū)存在灌溉用水效率偏低（全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)為0.58，發(fā)達(dá)國(guó)家達(dá)到0.7~0.8）、調(diào)度管理主要依賴經(jīng)驗(yàn)等突出問(wèn)題，灌區(qū)智慧化轉(zhuǎn)型不僅是提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵途徑，更是落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略、保障水資源可持續(xù)利用的必然選擇。2023年中央一號(hào)文件明確要求“推進(jìn)大中型灌區(qū)智能化改造”，“十四五”現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃將灌區(qū)水網(wǎng)定位為國(guó)家水網(wǎng)的“毛細(xì)血管”，強(qiáng)調(diào)通過(guò)數(shù)字孿生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能，標(biāo)志著智慧灌區(qū)建設(shè)已從技術(shù)探索升級(jí)為國(guó)家戰(zhàn)略需求。數(shù)字孿生灌區(qū)通過(guò)構(gòu)建物理灌區(qū)的虛擬映射體為灌區(qū)水量調(diào)度、工程運(yùn)行、田間管理的精準(zhǔn)化、可視化、智能化提供技術(shù)支撐，可有效賦能灌區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，助力國(guó)家糧食安全，并為落實(shí)智慧水利建設(shè)和發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力提供灌區(qū)實(shí)踐。

2022年，水利部遴選49處大中型灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作，各試點(diǎn)灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)、智能化調(diào)度、遠(yuǎn)程化操控，灌溉數(shù)字化水平明顯提升，灌溉效率顯著提高。如：四川都江堰灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠分鐘級(jí)預(yù)判各河段來(lái)水量，2024年7月依靠洪峰預(yù)演得到的精確數(shù)據(jù)成功應(yīng)對(duì)近10年最大洪峰過(guò)境；春灌期間通過(guò)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)上游來(lái)水，實(shí)現(xiàn)對(duì)渠首六大干渠配水的智能化調(diào)度和對(duì)重要控制閘門的遠(yuǎn)程化操控，實(shí)現(xiàn)調(diào)水配水全流程線上作業(yè)。安徽淠史杭灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)可精確推演上游六大水庫(kù)未來(lái)10日入流變化，并對(duì)分布于各區(qū)域的1200余座小型水庫(kù)及20萬(wàn)個(gè)塘堰進(jìn)行分片量化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)水資源供給狀態(tài)的全域動(dòng)態(tài)掌握。山東位山灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)分析土壤墑情和作物需水，可實(shí)現(xiàn)畝均節(jié)水近30m3，擴(kuò)大灌溉面積10萬(wàn)畝（1畝=1/15hm2），春灌周期從45d縮至40d，配水效率提高11%。河北石津灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)的多體系與模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度，灌溉周期由35d縮短至25d，年均節(jié)水4200萬(wàn)m3，灌溉水有效利用系數(shù)提高0.5%，水費(fèi)實(shí)收率保持100%。山西大禹渡灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握灌區(qū)各類信息，構(gòu)建泵站節(jié)能降耗、干支渠輸配優(yōu)化節(jié)水、灌溉配水優(yōu)化等模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供水，節(jié)能降耗約10%，節(jié)水約10%，生產(chǎn)管理減員約20%。江蘇新禹河灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)制定灌溉方案并實(shí)現(xiàn)戶級(jí)用水計(jì)量和遠(yuǎn)程調(diào)控閘泵設(shè)施，春灌期間示范區(qū)灌溉周期縮短20%，用水效率提升超10%。寧夏秦漢渠灌區(qū)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)引供水精準(zhǔn)計(jì)量與水資源科學(xué)調(diào)度，年均節(jié)水超2億m3，畝均用水量由715m3降至510m3，灌溉水有效利用系數(shù)提升至0.54；遠(yuǎn)程操控使灌溉效率提高30%，水費(fèi)降低20%。

數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)信息化建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，然而灌區(qū)組成結(jié)構(gòu)和特性復(fù)雜，涉及調(diào)水、輸水、配水、用水等各個(gè)環(huán)節(jié)，水流精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與實(shí)時(shí)控制難度大。針對(duì)上述問(wèn)題，本文從水網(wǎng)視角，以“內(nèi)涵解析—建設(shè)思路—關(guān)鍵技術(shù)”為技術(shù)路線，解構(gòu)數(shù)字孿生灌區(qū)理論技術(shù)，以期為完善數(shù)字孿生灌區(qū)系統(tǒng)認(rèn)知和提升技術(shù)水平提供借鑒。

灌區(qū)水網(wǎng)的組成與特點(diǎn)

1.灌區(qū)水網(wǎng)組成

灌區(qū)水網(wǎng)作為人工構(gòu)建的復(fù)雜水利系統(tǒng)，其組成可解構(gòu)為工程設(shè)施鏈、水資源系統(tǒng)網(wǎng)、管理主體群等三大維度。各要素既獨(dú)立承擔(dān)特定功能，又通過(guò)物理連接、水量調(diào)配、信息交互形成有機(jī)整體，集中體現(xiàn)“工程設(shè)施—水資源系統(tǒng)—管理主體”的系統(tǒng)性耦合特征。

（1）工程設(shè)施——層級(jí)分明的水利工程鏈

灌區(qū)工程設(shè)施按功能劃分為“調(diào)水—輸水—控制—配水—用水”五大環(huán)節(jié)，形成從水源到田間的完整鏈條。調(diào)水工程為水源保障的“主動(dòng)脈”，包括水源水庫(kù)、引調(diào)水工程，承擔(dān)水資源時(shí)空再分配功能。輸水工程為水量輸送的“骨干網(wǎng)絡(luò)”，以總干渠、干渠、支渠為主體，構(gòu)成中觀輸水網(wǎng)絡(luò)?？刂乒こ虨樗髡{(diào)控的“神經(jīng)節(jié)點(diǎn)”，包括節(jié)制閘、泵站等關(guān)鍵控制單元。配水工程為田間分水的“毛細(xì)血管”，通過(guò)斗渠、農(nóng)渠分水閘實(shí)現(xiàn)水量精準(zhǔn)分配。用水工程為灌溉“最后一公里”的“末梢器官”，包括滴灌帶、噴灌設(shè)備等田間設(shè)施。

（2）水資源系統(tǒng)——多源互補(bǔ)的供水網(wǎng)絡(luò)

灌區(qū)水資源系統(tǒng)整合4類水源，形成“地表水為主、地下水調(diào)蓄、外調(diào)水補(bǔ)充、非常規(guī)水利用”的復(fù)合供水體系。地表水是通過(guò)水庫(kù)、河道取水。地下水作為地表水補(bǔ)充，通過(guò)井電雙控技術(shù)控制開采量，配合灌區(qū)排水系統(tǒng)防止鹽堿化。外調(diào)水是跨流域調(diào)水工程，依托水資源配置模型實(shí)現(xiàn)外調(diào)水與本地水的優(yōu)化配比，減少無(wú)效輸水損耗。非常規(guī)水包括再生水、雨水等，保障農(nóng)田用水安全。

（3）管理主體——多元協(xié)同的治理體系

灌區(qū)管理涉及3類核心主體，通過(guò)制度設(shè)計(jì)與技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)協(xié)同共治。灌區(qū)管理單位作為技術(shù)實(shí)施主體負(fù)責(zé)工程運(yùn)行維護(hù)、水量調(diào)度方案制定，依托數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)現(xiàn)24h實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少人工巡檢量。農(nóng)戶與用水戶協(xié)會(huì)通過(guò)智能量測(cè)設(shè)備與手機(jī)App獲取用水信息，參與節(jié)水獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，提升用水戶滿意度。地方政府與水利、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、生態(tài)環(huán)境等部門通過(guò)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)協(xié)同決策，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門提供作物需水?dāng)?shù)據(jù)，生態(tài)環(huán)境部門監(jiān)管排水水質(zhì)，形成“監(jiān)測(cè)—調(diào)度—監(jiān)管”閉環(huán)。

2.灌區(qū)水網(wǎng)特點(diǎn)

灌區(qū)水網(wǎng)特點(diǎn)集中體現(xiàn)在層級(jí)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)機(jī)制、功能定位、區(qū)域差異與業(yè)務(wù)協(xié)同的交織耦合，形成技術(shù)應(yīng)用與管理創(chuàng)新的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

（1）層級(jí)復(fù)雜性——跨尺度工程體系的協(xié)同難題

灌區(qū)本質(zhì)上是“水源工程-輸配水網(wǎng)絡(luò)-田間系統(tǒng)”的多層級(jí)耦合體。從水源端的水庫(kù)、泵站，到骨干輸配水網(wǎng)絡(luò)的總干渠、干渠，再到田間尺度的斗渠、農(nóng)渠、毛渠，形成“宏觀水源調(diào)控—中觀渠系輸水—微觀田間配水”三級(jí)架構(gòu)。不同層級(jí)的工程規(guī)模、調(diào)控目標(biāo)與管理主體差異顯著，水源工程側(cè)重多水源聯(lián)合調(diào)度，骨干渠系關(guān)注水動(dòng)力平衡與輸水效率，田間系統(tǒng)則要求精準(zhǔn)到田塊的水量分配。

（2）動(dòng)態(tài)耦合性——多因素交互的實(shí)時(shí)調(diào)控挑戰(zhàn)

水流運(yùn)動(dòng)與氣象、作物、工程操作的動(dòng)態(tài)耦合，構(gòu)成灌區(qū)最顯著的實(shí)時(shí)性特征。氣象因子（降雨、蒸發(fā)、風(fēng)速）直接影響作物需水預(yù)測(cè)精度，如：玉米拔節(jié)期需水量較苗期增加30%；作物生育期變化（如水稻分蘗期與灌漿期的水分敏感差異）要求調(diào)度方案動(dòng)態(tài)調(diào)整；閘門啟閉、泵站啟停等工程操作則引發(fā)渠系水動(dòng)力過(guò)程的連鎖反應(yīng)（如水錘效應(yīng)）。

（3）功能復(fù)合性——多目標(biāo)平衡的系統(tǒng)優(yōu)化壓力

灌區(qū)不僅是糧食生產(chǎn)的“輸水通道”，更承擔(dān)排水、防洪、生態(tài)等復(fù)合功能。在江淮丘陵區(qū)灌區(qū)（如淠史杭灌區(qū)），雨季需同步實(shí)現(xiàn)農(nóng)田排水與骨干渠道防洪；西北干旱區(qū)灌區(qū)需在保障灌溉的同時(shí)，維持天然河道生態(tài)基流；黃河下游灌區(qū)則面臨泥沙淤積控制與地下水回補(bǔ)的雙重任務(wù)。這種多目標(biāo)耦合需求，推動(dòng)“水資源配置模型+防洪模型+生態(tài)模型”的多學(xué)科融合。

（4）區(qū)域差異性——地理氣候約束下的技術(shù)適配性

灌區(qū)特性隨地理氣候條件呈現(xiàn)顯著分異特征。南方濕潤(rùn)區(qū)灌區(qū)以排水防澇為重點(diǎn)，需解決稻田退水氮磷污染問(wèn)題；北方干旱區(qū)灌區(qū)以節(jié)水增效為核心，面臨鹽堿化防治與跨年度水量平衡難題；西北高揚(yáng)程灌區(qū)受地形限制，需攻克泵站群能耗優(yōu)化與設(shè)備可靠性技術(shù)；西南山區(qū)灌區(qū)則受制于復(fù)雜渠系地貌，要求水動(dòng)力模型具備彎道、陡坡等特殊流態(tài)模擬能力。

（5）業(yè)務(wù)協(xié)同性——多主體參與的治理復(fù)雜性

灌區(qū)管理涉及水利、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、氣象、生態(tài)環(huán)境等多部門，以及地方政府、用水戶協(xié)會(huì)、新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體等多元主體。水源調(diào)度需水利部門與氣象部門實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，田間節(jié)水改造需農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門與農(nóng)戶協(xié)同推進(jìn)，生態(tài)流量調(diào)度需生態(tài)環(huán)境部門與水利工程管理單位聯(lián)動(dòng)。

數(shù)字孿生灌區(qū)內(nèi)涵解析

數(shù)字孿生灌區(qū)具有特征、功能、協(xié)同等3個(gè)維度內(nèi)涵，涵蓋特征維度的實(shí)時(shí)交互與自優(yōu)化、功能維度的全流程數(shù)字化及協(xié)同維度的閉環(huán)進(jìn)化機(jī)制（見下圖）。特征維度通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步仿真與虛實(shí)互動(dòng)，功能維度完成從映射到預(yù)演的智能覆蓋，協(xié)同維度讓各環(huán)節(jié)耦合進(jìn)化，共同構(gòu)建智慧化灌區(qū)體系。

數(shù)字孿生灌區(qū)三個(gè)維度內(nèi)涵

1.特征維度

數(shù)字孿生灌區(qū)以同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化為特征，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)演算，構(gòu)建物理灌區(qū)與數(shù)字模型的雙向反饋機(jī)制，支持管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)與策略調(diào)整。依托數(shù)據(jù)積累持續(xù)優(yōu)化模型精度與管理決策，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)映射與自適應(yīng)性提升。

（1）同步仿真運(yùn)行

①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)在灌區(qū)部署的各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集灌區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如水位、流量、土壤墑情、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，并將這些數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)綌?shù)字孿生灌區(qū)平臺(tái)。數(shù)字孿生模型根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新和調(diào)整，確保數(shù)字模型與物理灌區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)保持同步，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的準(zhǔn)確反映。

②模型動(dòng)態(tài)演算。數(shù)字孿生灌區(qū)模型能夠接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)演算，根據(jù)灌區(qū)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和邊界條件的變化，自動(dòng)調(diào)整模擬參數(shù)和計(jì)算過(guò)程，實(shí)時(shí)模擬灌區(qū)的水流、泥沙、水質(zhì)、作物生長(zhǎng)等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)跟蹤和模擬，為灌區(qū)管理部門實(shí)時(shí)決策提供有力支持。

（2）虛實(shí)交互

①物理實(shí)體與數(shù)字模型的交互。數(shù)字孿生灌區(qū)不僅實(shí)現(xiàn)物理灌區(qū)到數(shù)字模型的單向映射，還建立數(shù)字模型與物理實(shí)體之間的雙向反饋機(jī)制。通過(guò)數(shù)字模型分析和模擬結(jié)果，可以對(duì)物理灌區(qū)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，如根據(jù)模型預(yù)測(cè)的水位變化調(diào)整水閘的開合度，根據(jù)作物生長(zhǎng)模擬結(jié)果調(diào)整灌溉策略等。同時(shí)，物理灌區(qū)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)又不斷反饋到數(shù)字模型中，對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，使數(shù)字模型能夠更準(zhǔn)確地反映物理灌區(qū)的實(shí)際情況。

②人員與數(shù)字孿生灌區(qū)的交互。灌區(qū)管理人員可以通過(guò)人機(jī)交互界面與數(shù)字孿生灌區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，查詢灌區(qū)的各項(xiàng)運(yùn)行信息，查看模擬結(jié)果，進(jìn)行方案預(yù)演和評(píng)估等。同時(shí)，管理人員也可以根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和判斷，對(duì)數(shù)字孿生灌區(qū)的模型參數(shù)、調(diào)度方案等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使數(shù)字孿生灌區(qū)更好地滿足灌區(qū)管理實(shí)際需求。

（3）迭代優(yōu)化

①模型優(yōu)化。隨著灌區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)的不斷積累和更新，以及對(duì)灌區(qū)運(yùn)行規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深入，數(shù)字孿生灌區(qū)模型可以不斷優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)參數(shù)校準(zhǔn)、算法改進(jìn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法，提高模型的精度和可靠性，使其能夠更準(zhǔn)確地模擬灌區(qū)的運(yùn)行過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制，為灌區(qū)科學(xué)決策提供更有力的支持。

②管理決策優(yōu)化。基于數(shù)字孿生灌區(qū)的模擬結(jié)果和分析評(píng)估，灌區(qū)的管理決策可以不斷迭代優(yōu)化。通過(guò)對(duì)不同管理策略和調(diào)度方案的預(yù)演和評(píng)估，選擇最優(yōu)方案進(jìn)行實(shí)施，并根據(jù)實(shí)施效果對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。同時(shí)通過(guò)對(duì)灌區(qū)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理決策的持續(xù)優(yōu)化和提升。

2.功能維度

功能維度聚焦數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，通過(guò)GIS/BIM技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字模型，集成多源數(shù)據(jù)形成精準(zhǔn)數(shù)字鏡像；借助水力學(xué)、作物生長(zhǎng)等模型模擬水流運(yùn)動(dòng)與資源配置；針對(duì)調(diào)度方案、工程改造、災(zāi)害預(yù)警開展預(yù)演，為灌區(qū)規(guī)劃、調(diào)度與抗災(zāi)提供全流程智能支撐。

（1）數(shù)字映射

①構(gòu)建灌區(qū)數(shù)字模型。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）、建筑信息模型（BIM）、無(wú)人機(jī)測(cè)繪等技術(shù)，對(duì)灌區(qū)的地形特征、水系分布、水利工程設(shè)施（如渠道、泵站、水閘等）、土壤類型、作物種植布局等進(jìn)行精確建模，生成與現(xiàn)實(shí)灌區(qū)相對(duì)應(yīng)的三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)。

②數(shù)據(jù)集成與融合。將灌區(qū)的各類數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（水位、流量、土壤墑情、氣象等數(shù)據(jù)）、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、工程設(shè)計(jì)參數(shù)、土地利用數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集和整合，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心，并與數(shù)字模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綁定，形成完整的灌區(qū)數(shù)字映射數(shù)據(jù)體系。這些數(shù)據(jù)如同灌區(qū)的“基因”，決定了數(shù)字孿生灌區(qū)的精準(zhǔn)性和真實(shí)性。

（2）智能模擬

①灌區(qū)水流模擬。基于水文、水力學(xué)模型，對(duì)灌區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，包括水流在渠道中的傳播、分水過(guò)程、水位變化等。通過(guò)輸入上游來(lái)水、降雨等邊界條件，模擬不同工況下的水流分布和變化情況，分析渠道的過(guò)流能力、水流速度、水位壅高等參數(shù)，為輸水調(diào)度和工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

②作物生長(zhǎng)模擬。結(jié)合作物生理生態(tài)模型和土壤水分平衡模型，根據(jù)灌區(qū)的土壤墑情、氣象條件、作物品種、種植方式等因素，模擬作物的生長(zhǎng)過(guò)程和需水規(guī)律。預(yù)測(cè)作物在不同灌溉條件下的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、產(chǎn)量變化，以及可能出現(xiàn)的旱澇災(zāi)害對(duì)作物的影響，從而為制定精準(zhǔn)灌溉策略提供決策支持。

③水資源配置模擬。運(yùn)用系統(tǒng)分析和優(yōu)化算法，對(duì)灌區(qū)的水資源進(jìn)行模擬配置?？紤]水源的多元性（地表水、地下水、再生水等）、用水需求的多樣性（農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)用水、工業(yè)用水等）以及水資源的時(shí)空分布不均等特點(diǎn)，建立水資源配置模型，模擬不同水資源分配方案下的供需平衡情況，評(píng)估各方案的可行性和效益，為實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用和優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。

（3）前瞻預(yù)演

①調(diào)度方案預(yù)演。在灌區(qū)面臨來(lái)水預(yù)測(cè)變化、用水需求調(diào)整、工程設(shè)施檢修等情況時(shí)，利用數(shù)字孿生灌區(qū)模型對(duì)不同的調(diào)度方案進(jìn)行預(yù)演。通過(guò)模擬不同方案下水在灌區(qū)內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程、分配結(jié)果及工程設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)等，提前評(píng)估各方案對(duì)灌區(qū)運(yùn)行的影響，如是否會(huì)導(dǎo)致渠道水位超限、部分地區(qū)供水不足、泵站能耗增加等問(wèn)題，從而選擇最優(yōu)調(diào)度方案，確保灌區(qū)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。

②工程改造預(yù)演。當(dāng)灌區(qū)需要進(jìn)行工程改造或擴(kuò)建時(shí)，如新建渠道、改造泵站、修建水庫(kù)等，可在數(shù)字孿生灌區(qū)中對(duì)工程方案進(jìn)行預(yù)演。模擬工程實(shí)施后的灌區(qū)運(yùn)行情況，分析工程對(duì)灌區(qū)水流、泥沙、水質(zhì)、灌溉效益等方面的影響，提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案，減少工程投資風(fēng)險(xiǎn)，提高工程建設(shè)的科學(xué)性和合理性。

③災(zāi)害預(yù)警預(yù)演。結(jié)合氣象預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)模型，對(duì)灌區(qū)可能發(fā)生的旱澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)演。在災(zāi)害發(fā)生前，模擬災(zāi)害對(duì)灌區(qū)的影響程度和范圍，如洪水淹沒(méi)區(qū)域、干旱缺水程度等，提前制定應(yīng)對(duì)措施，如調(diào)整水庫(kù)蓄水、開啟備用泵站、實(shí)施應(yīng)急灌溉等，提高灌區(qū)的抗災(zāi)減災(zāi)能力。

3.協(xié)同維度

協(xié)同維度通過(guò)閉環(huán)、耦合、進(jìn)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)多維聯(lián)動(dòng)。數(shù)字映射與同步仿真形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)反饋，提升模型精準(zhǔn)度；智能模擬與虛實(shí)交互耦合，以模擬指導(dǎo)實(shí)體調(diào)整，以實(shí)體反饋修正模型；前瞻預(yù)演與迭代優(yōu)化協(xié)同進(jìn)化，預(yù)演發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)化反哺預(yù)演，推動(dòng)灌區(qū)管理決策持續(xù)升級(jí)。

（1）數(shù)字映射與同步仿真運(yùn)行的閉環(huán)協(xié)同

①數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。實(shí)時(shí)采集灌區(qū)數(shù)據(jù)，更新數(shù)字映射，確保模型準(zhǔn)確反映實(shí)際狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型動(dòng)態(tài)演算，實(shí)現(xiàn)與物理灌區(qū)同步仿真運(yùn)行。

②動(dòng)態(tài)調(diào)整。數(shù)字孿生模型根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)，維持與物理灌區(qū)的一致性。如更新水位參數(shù)、重新計(jì)算水力學(xué)參數(shù)等，保證同步仿真運(yùn)行準(zhǔn)確性。

③閉環(huán)反饋。同步仿真運(yùn)行發(fā)現(xiàn)差異，反饋給數(shù)字映射系統(tǒng)，修正模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)，形成閉環(huán)。如此反復(fù)，提升數(shù)字映射準(zhǔn)確性和同步仿真可靠性，為灌區(qū)管理提供精準(zhǔn)決策支持。

（2）智能模擬與虛實(shí)交互的耦合協(xié)同

①模擬指導(dǎo)實(shí)體調(diào)整。智能模擬為物理灌區(qū)運(yùn)行調(diào)整提供決策依據(jù)。如模擬發(fā)現(xiàn)灌溉水量不足，管理人員據(jù)此調(diào)整水閘開度或泵站運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。

②實(shí)體反饋修正模型。物理灌區(qū)調(diào)整后的數(shù)據(jù)反饋到數(shù)字孿生平臺(tái)，修正模型模擬過(guò)程。如優(yōu)化作物生長(zhǎng)模型參數(shù)，使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際，提高智能模擬準(zhǔn)確性。

③耦合優(yōu)化。智能模擬與虛實(shí)交互耦合，持續(xù)優(yōu)化灌區(qū)運(yùn)行管理。每次模擬和實(shí)體調(diào)整反饋，都用于優(yōu)化模型和管理策略，提升灌區(qū)水資源利用效率和工程運(yùn)行安全性。

（3）前瞻預(yù)演與迭代優(yōu)化的進(jìn)化協(xié)同

①預(yù)演驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。前瞻預(yù)演提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，為迭代優(yōu)化提供方向。如預(yù)演發(fā)現(xiàn)調(diào)度方案導(dǎo)致渠道水位超警戒線，及時(shí)調(diào)整方案，優(yōu)化調(diào)度流程，提高灌區(qū)運(yùn)行安全性。

②優(yōu)化提升預(yù)演。迭代優(yōu)化后的灌區(qū)模型和管理策略，反饋到前瞻預(yù)演環(huán)節(jié)，提升預(yù)演準(zhǔn)確性和有效性。優(yōu)化后的模型更真實(shí)地模擬灌區(qū)運(yùn)行狀態(tài)，為制定合理方案提供支持。

③進(jìn)化提升。前瞻預(yù)演與迭代優(yōu)化進(jìn)化協(xié)同，推動(dòng)灌區(qū)管理策略和模型不斷進(jìn)化。預(yù)演發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，優(yōu)化解決方案，提升灌區(qū)管理能力和決策科學(xué)性。

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)思路

基于對(duì)灌區(qū)水網(wǎng)組成及特性的分析，以內(nèi)涵解析為底層邏輯，提出數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)思路（見下圖）：以“工程安全運(yùn)行、水量科學(xué)調(diào)度、控制自動(dòng)智能、管理協(xié)同高效、應(yīng)急敏捷響應(yīng)、服務(wù)主動(dòng)便捷”為業(yè)務(wù)目標(biāo)，全面提升灌區(qū)管理精細(xì)化水平。依托“數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建、智慧化模擬推演、精準(zhǔn)化決策支持、自動(dòng)化控制執(zhí)行及定量化評(píng)估優(yōu)化”技術(shù)路徑，形成“感知—推演—決策—執(zhí)行—驗(yàn)證”全生命周期管理體系。通過(guò)“立體感知、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)、墑情預(yù)報(bào)、水量調(diào)度和遠(yuǎn)程控制”等技術(shù)主線，構(gòu)建灌區(qū)智能體框架，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的高效利用、工程設(shè)施的智能調(diào)控及管理服務(wù)的便捷響應(yīng)，推動(dòng)灌區(qū)從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)管理向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)代化管理模式轉(zhuǎn)型，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和水資源優(yōu)化配置提供堅(jiān)實(shí)支撐。

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)思路

1.業(yè)務(wù)目標(biāo)

灌區(qū)業(yè)務(wù)目標(biāo)為保障工程安全運(yùn)行、水量科學(xué)調(diào)度、控制自動(dòng)智能、管理協(xié)同高效、應(yīng)急敏捷響應(yīng)及服務(wù)主動(dòng)便捷。

①工程安全運(yùn)行。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌區(qū)工程設(shè)施的水位、流量等關(guān)鍵指標(biāo)，借助傳感器和模型精準(zhǔn)掌握設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)并處理隱患。模擬不同工況下的水流分布，優(yōu)化調(diào)度方案，降低滲漏、沖刷等風(fēng)險(xiǎn)，確保工程始終處于安全狀態(tài)，為灌區(qū)管理提供堅(jiān)實(shí)保障。

②水量科學(xué)調(diào)度。基于數(shù)字孿生水資源配置模型和水力模擬技術(shù)，綜合考慮水源和用水需求等因素，制定優(yōu)化調(diào)度方案。整合多類水源，依托模型實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配比，減少輸水損耗。結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和氣象預(yù)報(bào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整方案，提高水資源利用效率，滿足灌區(qū)用水需求。

③控制自動(dòng)智能。利用智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)工程設(shè)施的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制和智能調(diào)節(jié)。在工程設(shè)施上安裝自動(dòng)化控制設(shè)備和傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并遠(yuǎn)程操控關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合數(shù)字孿生模型模擬預(yù)測(cè)和優(yōu)化算法，以灌區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)和用水需求自動(dòng)生成最優(yōu)控制指令，精準(zhǔn)分配水流，精確控制灌溉。

④管理協(xié)同高效。建設(shè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，打破部門信息壁壘，實(shí)現(xiàn)多部門信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同。各部門可實(shí)時(shí)獲取灌區(qū)數(shù)據(jù)，為協(xié)同決策提供支持。利用數(shù)字孿生灌區(qū)的智能分析與決策系統(tǒng)，深度挖掘分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，為管理決策提供科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化流程與協(xié)同機(jī)制，提升灌區(qū)管理效率。

⑤應(yīng)急敏捷響應(yīng)。構(gòu)建完善的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)模擬預(yù)測(cè)災(zāi)害，提前制定預(yù)案并優(yōu)化應(yīng)急調(diào)度與搶修方案。災(zāi)害發(fā)生時(shí)迅速啟動(dòng)預(yù)案，實(shí)時(shí)調(diào)整應(yīng)對(duì)措施，與相關(guān)部門密切協(xié)作，快速響應(yīng)并有效處置災(zāi)害，最大限度降低損失，保障灌區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

⑥服務(wù)主動(dòng)便捷。運(yùn)用智能量測(cè)設(shè)備、手機(jī)App等技術(shù)手段，為用水戶提供實(shí)時(shí)用水信息服務(wù)。用水戶可便捷查詢用水量、水費(fèi)等信息，在線辦理用水申請(qǐng)、報(bào)修等業(yè)務(wù)。灌區(qū)管理部門及時(shí)處理用戶請(qǐng)求，提供精準(zhǔn)用水建議，建立節(jié)水獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，激勵(lì)用戶節(jié)水，提升服務(wù)質(zhì)量和用水戶滿意度。

2.建設(shè)路徑

以內(nèi)涵解析為基礎(chǔ)，以業(yè)務(wù)目標(biāo)為導(dǎo)向，嚴(yán)格遵循“數(shù)字化場(chǎng)景—智慧化模擬—精準(zhǔn)化決策—自動(dòng)化控制—定量化評(píng)估”邏輯框架，建設(shè)數(shù)字孿生灌區(qū)。數(shù)字化場(chǎng)景提供“全息透視”能力，智慧化模擬賦予“預(yù)見未來(lái)”的洞察力，精準(zhǔn)化決策輸出“科學(xué)可行”的策略，自動(dòng)化控制達(dá)成“毫秒級(jí)響應(yīng)”的執(zhí)行，定量化評(píng)估形成“持續(xù)優(yōu)化”的閉環(huán)，五者共同構(gòu)建“感知—推演—決策—執(zhí)行—驗(yàn)證”完整的生命周期管理體系，推動(dòng)灌區(qū)實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)管理向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理的范式躍遷。

（1）數(shù)字化場(chǎng)景——構(gòu)建灌區(qū)時(shí)空數(shù)字底座

以“全要素感知+多維度建?！睘楹诵?，通過(guò)天空地一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器）動(dòng)態(tài)采集氣象、土壤墑情、作物需水、渠系水位等數(shù)據(jù)，構(gòu)建灌區(qū)三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。一是空間數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)渠系、閘站、農(nóng)田等高精度BIM/GIS模型融合，形成“數(shù)字孿生渠網(wǎng)”；二是過(guò)程數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)灌溉周期內(nèi)水源調(diào)度、輸配水流程的動(dòng)態(tài)映射，支持歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回溯分析；三是對(duì)象數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田地塊級(jí)作物類型、生長(zhǎng)階段、需水定額的標(biāo)簽化管理，奠定精準(zhǔn)灌溉基礎(chǔ)。

（2）智慧化模擬——驅(qū)動(dòng)灌區(qū)運(yùn)行高精度推演

基于機(jī)理模型與AI算法的雙引擎，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水循環(huán)過(guò)程的智能仿真。一是構(gòu)建水文水動(dòng)力學(xué)耦合模型，模擬“降雨—產(chǎn)流—輸水—入田”的全鏈條水流運(yùn)動(dòng)；二是增強(qiáng)AI預(yù)測(cè)，引入機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)短期需水量，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)優(yōu)化中長(zhǎng)期調(diào)度邊界條件；三是多情景預(yù)演，進(jìn)行干旱、暴雨等極端場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)模擬，輸出渠道承壓能力、退水路徑等關(guān)鍵參數(shù)。

（3）精準(zhǔn)化決策——生成可執(zhí)行調(diào)度方案

以“供需平衡+效益最優(yōu)”為原則，構(gòu)建決策支持系統(tǒng)。一是方案智能生成，依據(jù)作物需水規(guī)律、水源可用量、電價(jià)峰谷等約束條件，自動(dòng)生成渠系輪灌方案與閘門開度組合；二是方案預(yù)演驗(yàn)證，在數(shù)字沙盤中模擬方案執(zhí)行效果，可視化展示水流演進(jìn)過(guò)程與農(nóng)田受水均勻度；三是多目標(biāo)優(yōu)化，平衡節(jié)水（減少輸配水漏損）、增產(chǎn)（按需供水）、節(jié)能（泵站啟停優(yōu)化）等目標(biāo)，提供帕累托最優(yōu)解集供管理者抉擇。

（4）自動(dòng)化控制——實(shí)現(xiàn)泵閘一體智能執(zhí)行

通過(guò)“邊緣計(jì)算+集中管控”架構(gòu)打通決策到執(zhí)行的閉環(huán)。一是智能閘群聯(lián)動(dòng)，依據(jù)調(diào)度指令自動(dòng)調(diào)節(jié)閘門開度，結(jié)合流量反饋實(shí)時(shí)修正；二是泵站自適應(yīng)運(yùn)行，變頻水泵按需調(diào)整揚(yáng)程流量，實(shí)現(xiàn)“定壓變量”供水，降低能耗；三是安全閉環(huán)控制，渠系水位超限自動(dòng)告警并觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作（如緊急關(guān)閘），規(guī)避潰渠風(fēng)險(xiǎn)。

（5）定量化評(píng)估——構(gòu)建多維效能評(píng)價(jià)體系

通過(guò)建立水資源利用效率、工程運(yùn)行效益、生態(tài)環(huán)境影響等評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)全流程量化分析。一是計(jì)算灌溉水有效利用系數(shù)、單方水糧食產(chǎn)量等指標(biāo)，評(píng)估節(jié)水成效；二是對(duì)比泵站能耗、閘門響應(yīng)時(shí)間與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，量化設(shè)備運(yùn)行效率；三是監(jiān)測(cè)地下水水位、土壤含鹽量變化，測(cè)算生態(tài)影響程度；四是采用均方誤差等方法對(duì)比決策模擬與執(zhí)行數(shù)據(jù)，形成優(yōu)化反饋機(jī)制，支撐數(shù)字孿生灌區(qū)管理策略持續(xù)迭代升級(jí)。

3.技術(shù)主線

在現(xiàn)代化灌區(qū)管理中，構(gòu)建一套完整的技術(shù)鏈，涵蓋灌區(qū)立體感知、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)、墑情預(yù)報(bào)、水量調(diào)度和遠(yuǎn)程控制等環(huán)節(jié)，對(duì)于提升灌區(qū)管理效率和水資源利用效率以及保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。

（1）灌區(qū)立體感知——構(gòu)建灌區(qū)全要素監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

灌區(qū)立體感知是整個(gè)管理鏈的前端基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。通過(guò)在灌區(qū)內(nèi)合理布置各類監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)手段，全面、實(shí)時(shí)地獲取灌區(qū)的各種信息。如：在渠道、水庫(kù)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝水位計(jì)、流量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化和水流速度；在田間設(shè)置土壤墑情傳感器，定時(shí)采集土壤濕度數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)把握土壤水分狀況；利用衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，定期獲取灌區(qū)的宏觀圖像信息，包括作物種植分布、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)等。這些多維度、全方位的感知手段相互補(bǔ)充，形成一個(gè)立體感知網(wǎng)絡(luò)，其就像灌區(qū)的“神經(jīng)末梢”，將各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳遞回來(lái)。這些數(shù)據(jù)不僅是后續(xù)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和墑情預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，而且能幫助管理人員快速定位灌區(qū)內(nèi)的異常情況，如渠道漏水點(diǎn)、田間干旱區(qū)域等，為及時(shí)采取措施提供依據(jù)。

（2）灌區(qū)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)——數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的灌區(qū)健康診斷

基于立體感知收集到的豐富數(shù)據(jù)開展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)工作。運(yùn)用專門的評(píng)價(jià)模型和指標(biāo)體系可對(duì)灌區(qū)的水資源狀況、工程運(yùn)行情況、作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。例如：通過(guò)水位、流量數(shù)據(jù)與歷史同期水平和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析，判斷供水工程運(yùn)行是否正常、水資源供應(yīng)是否充足；結(jié)合土壤墑情和作物生長(zhǎng)階段，評(píng)估田間灌溉是否合理、是否存在過(guò)度灌溉或灌溉不足的情況。動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)還能綜合考慮氣象因素、水質(zhì)狀況等多方面要素，給出灌區(qū)整體運(yùn)行狀態(tài)的全面畫像。評(píng)價(jià)結(jié)果以直觀的圖表、報(bào)告等形式呈現(xiàn)給管理人員，使其能夠迅速了解灌區(qū)的優(yōu)勢(shì)與不足之處，為后續(xù)決策制定提供精準(zhǔn)依據(jù)，確保各項(xiàng)管理措施都能有的放矢。

（3）灌區(qū)墑情預(yù)報(bào)——精準(zhǔn)預(yù)測(cè)作物需水規(guī)律

墑情預(yù)報(bào)是精準(zhǔn)灌溉的關(guān)鍵前提。借助先進(jìn)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和土壤水分模擬模型，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)灌區(qū)土壤墑情進(jìn)行預(yù)測(cè)。輸入當(dāng)?shù)亟涤觐A(yù)報(bào)、氣溫變化、風(fēng)速等氣象信息以及土壤類型、作物根系特性等基礎(chǔ)參數(shù)，模型可以模擬出土壤水分在土壤剖面中的運(yùn)移過(guò)程，預(yù)測(cè)不同深度土壤的濕度變化趨勢(shì)。通過(guò)定期更新預(yù)報(bào)結(jié)果，提前知曉田間土壤水分的盈虧情況，明確哪些區(qū)域即將面臨干旱風(fēng)險(xiǎn)，哪些區(qū)域可能因降雨過(guò)多而出現(xiàn)土壤過(guò)濕問(wèn)題，可為制定科學(xué)合理的灌溉計(jì)劃提供有力支持，能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉用水的提前規(guī)劃和精準(zhǔn)分配，提高灌溉水的利用效率，同時(shí)避免因干旱或過(guò)濕對(duì)作物生長(zhǎng)造成不良影響，保障農(nóng)作物健康生長(zhǎng)。

（4）灌區(qū)水量調(diào)度——多目標(biāo)優(yōu)化的水資源調(diào)配

水量調(diào)度是灌區(qū)管理的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系水資源的合理配置和高效利用。依據(jù)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和墑情預(yù)報(bào)信息，結(jié)合灌區(qū)的水源狀況、作物需水規(guī)律以及工程設(shè)施的輸水能力等多方面因素，制定精細(xì)的水量調(diào)度方案。在水源充足的情況下，按照作物的優(yōu)先級(jí)和需水量，合理分配水量到各個(gè)灌溉片區(qū)；當(dāng)水源緊張時(shí)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度模型，采取輪灌、限額供水等措施，確保有限的水資源能夠得到最有效的利用，優(yōu)先保障關(guān)鍵生長(zhǎng)期作物的用水需求；同時(shí)，充分考慮生態(tài)需水要求，預(yù)留必要的生態(tài)流量，維持灌區(qū)內(nèi)的生態(tài)平衡。水量調(diào)度過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各渠道、閘門的水流情況，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整調(diào)度指令，保證調(diào)度方案的順利執(zhí)行，使每一滴水都能發(fā)揮最大效益。

（5）灌區(qū)遠(yuǎn)程控制——工程智能執(zhí)行與閉環(huán)反饋

遠(yuǎn)程控制極大提升了灌區(qū)管理的便利性和靈活性，是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的重要標(biāo)志。借助先進(jìn)的通信技術(shù)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，管理人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控灌區(qū)內(nèi)的各類工程設(shè)施，在控制中心就能實(shí)時(shí)查看各閘門、泵站的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)水量調(diào)度方案遠(yuǎn)程發(fā)送指令，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)閘門開合度，控制泵站啟停，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的精準(zhǔn)分配和輸送。尤其是在應(yīng)對(duì)緊急情況時(shí)，如突發(fā)洪澇災(zāi)害需要快速泄洪，或者發(fā)現(xiàn)渠道某處出現(xiàn)異常需要緊急截?cái)嗨鲿r(shí)，遠(yuǎn)程控制能夠迅速作出反應(yīng)，及時(shí)調(diào)整設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，最大限度減少災(zāi)害損失。遠(yuǎn)程控制能夠打破傳統(tǒng)管理中時(shí)間和空間的限制，減少人工現(xiàn)場(chǎng)操作的工作量和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高灌區(qū)管理的響應(yīng)速度和運(yùn)行效率，真正實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的智能化、自動(dòng)化管理。

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

制約數(shù)字孿生灌區(qū)效能發(fā)揮的主要技術(shù)難題是：

①多目標(biāo)動(dòng)態(tài)協(xié)同優(yōu)化與快速應(yīng)急響應(yīng)。主要挑戰(zhàn)包括多目標(biāo)動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制不完善導(dǎo)致不同水文條件下目標(biāo)權(quán)重調(diào)整困難；應(yīng)急調(diào)度響應(yīng)程度不足，難以快速生成突發(fā)事件的優(yōu)化方案；大規(guī)模水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度時(shí)，模型求解效率與精度難以平衡。

②復(fù)雜工況下水力瞬變精準(zhǔn)控制與抗干擾調(diào)節(jié)。主要挑戰(zhàn)包括瞬變流控制精度不足導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，多擾動(dòng)源（自然因素與人為操作）協(xié)同調(diào)控困難，長(zhǎng)距離明渠大滯后特性下控制參數(shù)整定滯后。

③多過(guò)程耦合的精準(zhǔn)調(diào)控與空間變異管理。主要挑戰(zhàn)包括水-肥-熱多過(guò)程耦合建模精度不足，大型灌區(qū)空間變異特征難以準(zhǔn)確表達(dá)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理導(dǎo)致決策實(shí)時(shí)性不足。

圍繞上述技術(shù)難題，提出調(diào)水優(yōu)化、輸水仿真、智能控制、精準(zhǔn)配水、高效用水等全鏈條數(shù)字孿生灌區(qū)能力提升關(guān)鍵技術(shù)體系（見下圖）。

字孿生灌區(qū)能力提升關(guān)鍵技術(shù)體系

1.調(diào)水優(yōu)化技術(shù)

面向灌區(qū)水資源常規(guī)、應(yīng)急調(diào)度兩大業(yè)務(wù)需求，需提供水資源常規(guī)調(diào)度模型構(gòu)建、流域年徑流預(yù)報(bào)及可供水量預(yù)測(cè)、流域用水單元需水預(yù)測(cè)、水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度方面的技術(shù)支撐；構(gòu)建水資源應(yīng)急調(diào)度模型，為工程破壞/水污染/特殊干旱應(yīng)急事件影響范圍和程度分析、工程破壞/水污染/特殊干旱應(yīng)急調(diào)度方案制定等提供技術(shù)支撐。①建立滿足多時(shí)空尺度水系統(tǒng)模擬的模型構(gòu)建技術(shù)，解決水資源常規(guī)、應(yīng)急調(diào)度涉及的模擬模型在網(wǎng)絡(luò)概化、支撐模型以及驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)層面存在的較大差異，實(shí)現(xiàn)一次建模即可滿足常規(guī)、應(yīng)急模擬需求。②建立水資源多目標(biāo)調(diào)度模型及高效求解技術(shù)，提出基于多規(guī)則協(xié)同的水庫(kù)群多目標(biāo)全年統(tǒng)一調(diào)度模型及高效求解方法，將模型從分階段、單目標(biāo)拓展至全年統(tǒng)一、多目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)速度、精度及帕累托解質(zhì)量3個(gè)層面的提升。③建立水資源應(yīng)急補(bǔ)償供水調(diào)度技術(shù)，推求水庫(kù)群應(yīng)急補(bǔ)償理論供水判別式，支撐單庫(kù)、梯級(jí)水庫(kù)群的應(yīng)急補(bǔ)償供水調(diào)度方案制定。模擬模型對(duì)象覆蓋河道、水庫(kù)、匯水區(qū)、用水單元、閘泵等各種實(shí)體類型，不同模型對(duì)象的模擬方法涵蓋水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型、水庫(kù)規(guī)則模型、閘泵規(guī)則調(diào)度模型等；優(yōu)化調(diào)度模型目標(biāo)涵蓋供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)、防洪等方面，求解算法包括差分進(jìn)化算法、逐步優(yōu)化算法等類型。

2.輸水仿真技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程復(fù)雜水力學(xué)和水力控制難題，以安全、高效、穩(wěn)定輸水為研究目標(biāo)，需對(duì)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)的運(yùn)行特性和控制方法進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。①建立復(fù)雜長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)水力仿真與控制理論方法；提出基于圖論的復(fù)雜管網(wǎng)、渠網(wǎng)的非恒定流數(shù)值模擬方法和水力參數(shù)辨識(shí)理論；揭示渠道擾動(dòng)波的疊加相消規(guī)律，創(chuàng)建控制參數(shù)的時(shí)域-頻域聯(lián)合在線整定技術(shù)。②提出長(zhǎng)距離管道輸水系統(tǒng)成套水力控制新技術(shù)，包括分段低壓輸水新技術(shù)，揭示其共振原理，提出輸水單元水流振蕩方程及防共振設(shè)計(jì)方法，降低管道承壓70%~90%；設(shè)計(jì)適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒調(diào)流閥和壓力自適應(yīng)空氣閥調(diào)壓室，減小管道水擊壓力20%~30%；提出長(zhǎng)距離有壓管道復(fù)雜工況下的成套水力優(yōu)化控制技術(shù)。③提出長(zhǎng)距離明渠輸水系統(tǒng)“前饋—反饋—解耦”集散控制技術(shù)，包括利用擾動(dòng)波疊加相消機(jī)理“改進(jìn)前饋+水位流量串級(jí)反饋+解耦”的閘門群集散控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“粗調(diào)”“細(xì)調(diào)”與“協(xié)調(diào)”作用的有機(jī)銜接，提高明渠輸水控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，解決長(zhǎng)距離明渠輸水大滯后問(wèn)題。④提出長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)冰害防治與冰期運(yùn)行控制技術(shù)，包括適應(yīng)氣候及冰情復(fù)雜變化的冰期自適應(yīng)控制技術(shù)、冰期與非冰期輸水模式轉(zhuǎn)換的變閘前水位控制技術(shù)，使冰期與非冰期輸水模式轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短，冰期輸水能力提高。

3.智能控制技術(shù)

從水利工程各專業(yè)數(shù)據(jù)融合、業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通需求出發(fā)，在滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控需求基礎(chǔ)上，需開發(fā)水利水電工程智能測(cè)控一體化平臺(tái)，為水情預(yù)報(bào)、水資源調(diào)度、工程安全、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供開發(fā)集成工具，以及數(shù)據(jù)采集、管理、訪問(wèn)等運(yùn)行環(huán)境。基于平臺(tái)，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)接口服務(wù)、運(yùn)行環(huán)境、安全防護(hù)、數(shù)據(jù)管控“四統(tǒng)一”，共同形成智慧水利工程一體化解決方案。作為大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和分析，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)在線擴(kuò)充；作為開發(fā)平臺(tái)，提供豐富的圖形、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信、運(yùn)算等開發(fā)工具，可組態(tài)各類專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。設(shè)計(jì)豐富的應(yīng)用、界面和數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)支撐功能，提供面向多業(yè)務(wù)的集成工具，開發(fā)環(huán)境和算法編輯工具；支持非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)在線升級(jí)，并為第三方應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一、透明的訪問(wèn)接口；具備通用的智能分析、預(yù)警功能，提供豐富的人工智能分析算法和可編輯邏輯分析工具；采用全冗余分布的高可靠性設(shè)計(jì)。

4.精準(zhǔn)配水技術(shù)

針對(duì)灌區(qū)精準(zhǔn)配水科技問(wèn)題，需構(gòu)建灌區(qū)水動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一表征式的“有限體積法+AI”物理模型，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)供水過(guò)程、用水過(guò)程及調(diào)控建筑物的交互仿真；開發(fā)灌區(qū)用水多過(guò)程協(xié)同優(yōu)化決策方法。研發(fā)高時(shí)間、高空間的灌區(qū)需耗水信息監(jiān)測(cè)、診斷及短中長(zhǎng)期需水預(yù)測(cè)技術(shù)；研制堰高可調(diào)的流量信息、新型渠道水位、適價(jià)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備及田間物聯(lián)網(wǎng)通用協(xié)議接入模塊，建立覆蓋骨干渠系和田間的灌區(qū)配水量測(cè)網(wǎng)絡(luò)；建立灌區(qū)智慧配水決策平臺(tái)，進(jìn)行灌區(qū)水資源的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和調(diào)控決策。針對(duì)南北方自流（自壓）、提水灌區(qū)的不同特征，系統(tǒng)集成配水優(yōu)化、管網(wǎng)調(diào)控、泵站節(jié)能、農(nóng)田智能灌溉決策、終端用水管理等技術(shù)，制定南方自流灌區(qū)水位受限條件下渠系輪灌制度、北方自壓灌區(qū)水錘防護(hù)管網(wǎng)安全輸配系統(tǒng)、南方提水灌區(qū)群集用水多目標(biāo)決策、北方引黃提水灌區(qū)泵站群集優(yōu)化節(jié)能和水沙調(diào)控等各類灌區(qū)高效用水調(diào)控技術(shù)方案。

5.高效用水技術(shù)

科學(xué)應(yīng)對(duì)現(xiàn)代灌溉技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用中大尺度農(nóng)田空間變異影響和不同生態(tài)區(qū)技術(shù)模式差異等問(wèn)題，現(xiàn)代化灌溉水肥精準(zhǔn)調(diào)控對(duì)高效用水技術(shù)研究提出了新課題，需要通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)突破、配套設(shè)備創(chuàng)新和應(yīng)用模式提升，實(shí)現(xiàn)施肥灌溉的精準(zhǔn)、低耗和多功能調(diào)控目標(biāo)。在噴灌方面，提出進(jìn)行變量灌溉管理的空間變異閾值，建成國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有變量灌溉功能的圓形噴灌機(jī)，揭示作物變量灌溉水分管理原理和調(diào)控機(jī)制，研發(fā)多功能系列噴頭，建立綜合考慮產(chǎn)量和水氮淋失的大型噴灌機(jī)作物水肥精量調(diào)控管理模式，解決農(nóng)田土壤空間變異影響下噴灌水肥精量控制和變量管理的難題。在滴灌方面，探明不同生態(tài)區(qū)典型作物對(duì)滴灌均勻系數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，闡明適當(dāng)降低均勻系數(shù)及低壓運(yùn)行的可行性，研制低壓、耐熱、薄壁和雙流道迷宮式等系列滴灌帶以及高精度施肥、加氣和調(diào)熱裝置，建立東北玉米和華北溫室蔬菜的滴灌水肥熱調(diào)控模式，實(shí)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)低壓運(yùn)行和多功能調(diào)控目標(biāo)。提出基于分布式水文模型和遙感數(shù)據(jù)的節(jié)水灌溉技術(shù)地區(qū)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，定量評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉對(duì)區(qū)域尺度農(nóng)田水分生產(chǎn)率的影響，為節(jié)水灌溉區(qū)域發(fā)展決策提供依據(jù)。

展望

隨著全球氣候變化加劇以及水資源供需矛盾日益突出，灌區(qū)智慧化轉(zhuǎn)型成為現(xiàn)代化灌區(qū)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，從技術(shù)層面來(lái)看，如何進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，優(yōu)化模型算法，強(qiáng)化人工智能模型應(yīng)用，構(gòu)建灌區(qū)大模型，以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的模擬和預(yù)測(cè)，是需要持續(xù)研究和解決的問(wèn)題。同時(shí)，在不同區(qū)域、不同類型的灌區(qū)中，如何根據(jù)其獨(dú)特的地理氣候條件和管理需求，進(jìn)行技術(shù)適配和定制化開發(fā)，也是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。此外，數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)還涉及多部門的協(xié)同合作以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和完善，需要政府、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等各方的共同努力。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐探索，數(shù)字孿生灌區(qū)將在保障國(guó)家糧食安全、促進(jìn)水資源可持續(xù)利用及推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

致謝：水利部黃河水利委員會(huì)信息中心正高級(jí)工程師寇懷忠對(duì)本文提出了具體指導(dǎo)和修改建議，特此感謝。

Abstract: Based on digital twin theory, a multidimensional cognitive framework for irrigation districts is constructed for the first time from the perspective of the water network system, providing theoretical support for the digital transformation of complex irrigation systems. By deconstructing the three-dimensional coupling relationship among the engineering facility chain, water resource system network, and management entities, five core characteristics of the irrigation water network are proposed: hierarchical complexity, dynamic coupling, functional integration, regional heterogeneity, and operational synergy. The connotation of digital twin irrigation districts is further analyzed from three dimensions: characteristics, functions, and collaboration. This study breaks through the traditional management paradigm of irrigation districts and, oriented toward business objectives such as safe operation of infrastructure, scientific water dispatching, automated and intelligent control, efficient collaborative management, agile emergency response, and proactive and convenient services, establishes a five-stage closed-loop optimization path: “digital scenarios → intelligent simulation → precise decision-making → automated control → quantitative evaluation”. An intelligent agent framework for digital twin irrigation districts is developed, with core technologies including three-dimensional sensing, soil moisture forecasting, dynamic assessment, water volume scheduling, and remote control, and key functions such as water transfer optimization, water conveyance simulation, intelligent control, precise water distribution, and efficient water use. This framework realizes a paradigm shift in irrigation water network management from “experience–driven” to “data–mechanism-knowledge-driven”, offering a replicable and scalable model for the application of digital twin technology in complex irrigation systems. It holds significant strategic value for ensuring national food security and the sustainable utilization of water resources.

Keywordsnational water network; smart water conservancy; digital twin water conservancy; digital twin irrigation district; modernization of irrigation district

本文引用格式：

蔣云鐘，冶運(yùn)濤.數(shù)字孿生灌區(qū)內(nèi)涵解析及建設(shè)思路與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)水利，2025（13）：24-33.

封面攝影蔣常虹

責(zé)編王慧校對(duì)熊璠

審核軒瑋

監(jiān)制趙洪濤

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