高 升

（安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 蚌埠 233010）

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃綱要指出，要構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘麥y報(bào)和智能調(diào)度能力。水利部高度重視智慧水利建設(shè)，將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一。要求以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的水利現(xiàn)代化管理體系，推進(jìn)傳統(tǒng)水利工程向新型水利基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型。2022 年啟動(dòng)大中型灌區(qū)數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)，嘗試采用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)智慧灌區(qū)建設(shè)，有效簡化了日常管理流程，提高了水資源利用效率，推動(dòng)了灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

1 建設(shè)背景

茨淮新河是安徽省淮北平原一條大型人工河道，于1978 年建成投入運(yùn)行，全長134.2km，流域面積6960km2。茨淮新河灌區(qū)是以該河作為水源工程的大型灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積201 萬畝，主要利用河道上的插花、闞疃、上橋三座節(jié)制閘攔蓄徑流作為灌溉水源，經(jīng)沿河兩岸70 余座泵（閘）站抽（引）水至農(nóng)田；當(dāng)攔蓄灌溉水量不足時(shí)，再經(jīng)上橋、闞疃抽水站抽提淮河水補(bǔ)給。

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記“十六字”治水思路，響應(yīng)水利部推動(dòng)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的重要舉措，茨淮新河灌區(qū)積極探索數(shù)字孿生建設(shè)思路，擬以物理灌區(qū)為單元、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對物理灌區(qū)全要素和運(yùn)行全過程進(jìn)行數(shù)字化映射、智能化模擬，實(shí)現(xiàn)與物理灌區(qū)同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化等，提升灌區(qū)用水管理的精準(zhǔn)決策能力，提高灌區(qū)算據(jù)、算法和算力方面的協(xié)同性。

2 需求分析

2.1 提升灌區(qū)水安全保障能力的需求

在水利高質(zhì)量發(fā)展新階段，茨淮新河灌區(qū)應(yīng)積極推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)。通過系統(tǒng)化梳理灌區(qū)管理決策業(yè)務(wù)，利用最新的水利信息化技術(shù)，對全灌區(qū)不同區(qū)域、不同要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知、全面監(jiān)測，提高灌區(qū)水旱災(zāi)害防御決策與管理的智能化、精準(zhǔn)化、高效化能力，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水安全風(fēng)險(xiǎn)從被動(dòng)應(yīng)對向主動(dòng)防控轉(zhuǎn)變，提升水安全保障能力。

2.2 提高灌區(qū)水旱災(zāi)害防御能力的需求

現(xiàn)階段灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)和功能已從傳統(tǒng)單純性灌溉供水，拓展到工業(yè)、城鄉(xiāng)生活和生態(tài)供水等。因茨淮新河流域地處南北氣候過渡帶，受異常氣候影響較大，干旱頻現(xiàn)，再加之漫灌造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，灌溉補(bǔ)給提水需求量大。從上橋抽水站歷年抗旱提水量（圖1）可以看出，近年來灌區(qū)年提水量大幅增加，其中2019 年提水量達(dá)7.5 億m3。如僅對灌區(qū)灌排工程進(jìn)行基建式升級改造，無法從根本上解決灌區(qū)當(dāng)前水資源短缺問題，只有通過數(shù)字孿生建設(shè)，有效提升灌區(qū)水資源利用效率，提高灌區(qū)水旱災(zāi)害防御能力。

圖1 上橋抽水站歷年抗旱提水量柱狀圖

2.3 茨淮新河灌區(qū)特殊管理模式的需求

茨淮新河灌區(qū)是流域管理和區(qū)域管理相結(jié)合的管理模式，隸屬安徽省水利廳的茨淮新河工程管理局僅負(fù)責(zé)上橋樞紐工程管理和茨淮新河水資源統(tǒng)一調(diào)度，其余樞紐工程、沿河泵（閘）站和渠系建筑物均由所在市、縣（區(qū)）負(fù)責(zé)管理。因灌區(qū)管理體制的獨(dú)特性，無法借鑒或復(fù)制先行先試灌區(qū)的數(shù)字孿生建設(shè)成果，必須自行探索構(gòu)建適合自身管理體制機(jī)制的數(shù)字孿生體系。

3 數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施

3.1 灌區(qū)已初步建成通信調(diào)度信息化系統(tǒng)

目前，茨淮新河灌區(qū)建有水雨情監(jiān)測站點(diǎn)128 處、泵站監(jiān)控系統(tǒng)6 座、泵（閘）站視頻監(jiān)控點(diǎn)136 處；共享省水利廳水雨情數(shù)據(jù)信息55 處；開發(fā)了灌區(qū)一張圖、水利工程運(yùn)行管理、水旱災(zāi)害防御和工程檔案管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，構(gòu)建了茨淮新河灌區(qū)工程信息感知網(wǎng)、工程調(diào)度信息骨干網(wǎng)、灌區(qū)調(diào)度平臺(tái)及灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，初步建成了包括量測水監(jiān)測系統(tǒng)、泵（閘）站監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)信息安全、應(yīng)用軟件的通信調(diào)度信息化系統(tǒng)。

3.2 灌區(qū)信息化系統(tǒng)啟動(dòng)升級改造

2023 年7 月，灌區(qū)信息化系統(tǒng)啟動(dòng)升級改造，計(jì)劃增建水雨情監(jiān)測站點(diǎn)28 處，提升灌區(qū)感知和運(yùn)程監(jiān)控能力；租用和鋪設(shè)專用光纜等完善網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；升級和整合四級樞紐自動(dòng)化系統(tǒng)，并利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，升級信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板和應(yīng)用支撐平臺(tái)，完善網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系，構(gòu)建灌區(qū)數(shù)字孿生基礎(chǔ)性框架，網(wǎng)絡(luò)總拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 茨淮新河灌區(qū)通訊調(diào)度信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總拓?fù)鋱D

4 建設(shè)思路

4.1 明確建設(shè)目標(biāo)

茨淮新河灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)主要用戶是四級樞紐及各縣（區(qū)）工程運(yùn)行管理單位，旨在提升灌區(qū)內(nèi)水工程運(yùn)行、水旱災(zāi)害防御、水資源配置決策支持能力。其業(yè)務(wù)目標(biāo)是依托數(shù)字孿生建設(shè)，利用基礎(chǔ)信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合茨淮新河流域相關(guān)情況，在虛擬世界中模擬和再現(xiàn)灌區(qū)相關(guān)要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系及動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)域內(nèi)來水模擬預(yù)測、智能化分析及決策方案的智能推送，提高灌區(qū)蓄、調(diào)、抽、引水調(diào)度過程的智能化決策能力，全面提升灌區(qū)工程運(yùn)行效率、智慧化管理水平和安全綜合保障能力。

4.2 準(zhǔn)確把握建設(shè)原則和設(shè)計(jì)思路

為確保灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，應(yīng)堅(jiān)持“繼承性發(fā)展和分階段實(shí)施”的總體思路，遵循“頂層設(shè)計(jì)、整合已建、籌劃新建、資源共享”原則，圍繞灌區(qū)水旱災(zāi)害防御、水資源配置的業(yè)務(wù)需求和目標(biāo)，充分利用已建的灌區(qū)信息化系統(tǒng)成果，統(tǒng)籌當(dāng)前信息化升級改造內(nèi)容，謀劃構(gòu)建一個(gè)與茨淮新河灌區(qū)相匹配的虛擬空間，包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、公共平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)等內(nèi)容的數(shù)字孿生灌區(qū)。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)與控制管理的鏡像模擬，提高整個(gè)灌區(qū)智慧化管理和精準(zhǔn)化決策水平。

4.3 制定適合本灌區(qū)管理現(xiàn)狀的建設(shè)方案

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)應(yīng)結(jié)合本灌區(qū)管理現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)有信息基礎(chǔ)設(shè)施，深入分析業(yè)務(wù)現(xiàn)狀、問題，制定出一套有利于強(qiáng)化業(yè)務(wù)薄弱環(huán)節(jié)、優(yōu)化重塑的業(yè)務(wù)流程，促進(jìn)新信息技術(shù)與灌區(qū)水旱災(zāi)害防御、水資源配置業(yè)務(wù)深度融合的建設(shè)方案，構(gòu)建較完善的信息基礎(chǔ)設(shè)施體系和業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)、安全可控的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行維護(hù)體系。

4.4 加強(qiáng)同農(nóng)業(yè)農(nóng)村局協(xié)作

在建設(shè)數(shù)字孿生灌區(qū)過程中，應(yīng)加強(qiáng)同農(nóng)業(yè)農(nóng)村局溝通協(xié)作，合力做好骨干工程與田間工程的銜接，應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)、設(shè)備，從立體感知、自動(dòng)控制、數(shù)字孿生、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)行維護(hù)等方面同步推進(jìn)，相互促進(jìn)和有效共享，共同鞏固和保障我國糧食生產(chǎn)能力，共同推動(dòng)灌區(qū)新階段高質(zhì)量發(fā)展。

5 建設(shè)方案探索

5.1 總體架構(gòu)

在需求分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè)集約化、一體化等原則，按照信息系統(tǒng)分層建設(shè)的基本方法，打通灌區(qū)各級業(yè)務(wù)分層分類建設(shè)內(nèi)容，統(tǒng)籌現(xiàn)地基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等層面，奠定數(shù)字孿生灌區(qū)頂層設(shè)計(jì)、方案制定基礎(chǔ)。

同時(shí)根據(jù)互聯(lián)互通、信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同等原則，在灌區(qū)業(yè)務(wù)各自縱向建設(shè)需求基礎(chǔ)上，橫向整合和打通信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等層面，避免重復(fù)建設(shè)，提高復(fù)用率。

數(shù)字孿生灌區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)采用“三橫二縱”體系，如圖3 所示。“二縱”為灌區(qū)保障體系和網(wǎng)絡(luò)安全體系；“三橫”為信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

圖3 茨淮新河數(shù)字孿生灌區(qū)總體架構(gòu)圖

5.2 層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)茨淮新河灌區(qū)現(xiàn)有管理模式及系統(tǒng)建設(shè)層級關(guān)系，系統(tǒng)劃分采用“三層”結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳季址绞健?/p>

中心層：茨淮新河工程管理局總控中心。

分中心層：上橋、闞疃、插花、茨河鋪四級樞紐及7 個(gè)縣（區(qū)）各設(shè)分中心。

現(xiàn)地層：現(xiàn)地泵站、節(jié)制閘、涵閘、遙測站等。

5.3 技術(shù)架構(gòu)

茨淮新河灌區(qū)信息化工程涉及各類自動(dòng)化監(jiān)測監(jiān)控、灌區(qū)一張圖、水旱災(zāi)害防御調(diào)度、OA 系統(tǒng)、視頻監(jiān)控綜合平臺(tái)、監(jiān)控運(yùn)維一體化系統(tǒng)、管理決策駕駛艙、微信公眾號等子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)源眾多，監(jiān)控對象層級差別大，應(yīng)用間交互性強(qiáng)，因此需要技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)高效、支持大規(guī)模應(yīng)用、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的整體技術(shù)架構(gòu)與解決方案支撐，技術(shù)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 茨淮新河數(shù)字孿生灌區(qū)技術(shù)架構(gòu)圖

6 結(jié)束語

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容，是推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理和高質(zhì)量發(fā)展的方向。茨淮新河灌區(qū)應(yīng)緊抓我國開展數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)機(jī)遇，堅(jiān)定“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”原則，提前謀劃、統(tǒng)籌部署，分步構(gòu)建信息感知、資源共享、決策支持、泛在服務(wù)等體系，有序推進(jìn)灌區(qū)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化建設(shè)，逐步提升灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平■