張海林

（安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局紅石嘴管理處，安徽 六安 237000）

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展及其在各領(lǐng)域的深度融合，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為改變傳統(tǒng)行業(yè)模式和提升智能水平的重要手段。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬映射，實(shí)現(xiàn)虛擬空間與物理空間的深層互動(dòng)與數(shù)據(jù)同步，已經(jīng)在制造業(yè)、航空航天、醫(yī)療健康等多個(gè)領(lǐng)域展示了其能力。灌區(qū)水利工程作為關(guān)乎農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與區(qū)域水資源管理的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，亟需借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理與高效運(yùn)營(yíng)。企業(yè)作為主要的技術(shù)開(kāi)發(fā)者和服務(wù)提供者，應(yīng)積極響應(yīng)政策，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新的技術(shù)，推動(dòng)灌區(qū)控水系統(tǒng)的信息化建設(shè)。

1 灌區(qū)數(shù)字孿生技術(shù)的含義

灌區(qū)數(shù)字孿生技術(shù)是一種集成了物理模型、傳感器更新、操作歷史以及數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜系統(tǒng)模擬技術(shù)。其背后的核心思想源于數(shù)字孿生概念，即通過(guò)創(chuàng)建物理實(shí)體的數(shù)字化映射，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該實(shí)體的模擬和分析。在灌區(qū)管理中，這一概念的運(yùn)用意味著巨大的潛力和發(fā)展空間。

灌區(qū)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理的重要組成部分，其有效管理對(duì)于保障水資源的合理分配與利用具有至關(guān)重要的作用。數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)管理中的應(yīng)用，可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控水量、水質(zhì)和水利設(shè)施狀況等信息，構(gòu)建灌區(qū)模型，并利用該模型對(duì)水資源配置、灌溉策略、灌區(qū)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)等進(jìn)行模擬和優(yōu)化。

數(shù)字孿生技術(shù)能夠提高灌區(qū)水利管理的精準(zhǔn)性。通過(guò)搭建灌區(qū)的數(shù)字孿生平臺(tái)，管理者可以實(shí)時(shí)獲取灌區(qū)范圍內(nèi)的水文、氣象等數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，配合先進(jìn)的模擬算法，能夠?qū)鄥^(qū)內(nèi)水量變化進(jìn)行預(yù)測(cè)并做出相應(yīng)的調(diào)整。例如，在旱季與雨季到來(lái)前，利用數(shù)字孿生平臺(tái)對(duì)灌區(qū)進(jìn)行水資源的合理調(diào)配，確保作物供水需求與水資源的有效利用。數(shù)字孿生技術(shù)支撐灌區(qū)運(yùn)營(yíng)的決策。在灌區(qū)的具體運(yùn)營(yíng)中，決策者可以通過(guò)數(shù)字孿生模型來(lái)預(yù)測(cè)各種操作的影響效果和可能的風(fēng)險(xiǎn)。例如，通過(guò)模擬不同的灌溉策略，找到最適宜的灌溉時(shí)機(jī)和用水量，以及最能節(jié)約資源的灌溉方式。灌區(qū)的設(shè)施管理和維護(hù)也可以得到數(shù)字孿生技術(shù)的支持。依靠灌區(qū)數(shù)字孿生模型，可以對(duì)水庫(kù)、涵洞、渠道等設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并基于數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)設(shè)施的損壞和老化，從而更有效地規(guī)劃維修和升級(jí)工作，避免突發(fā)故障帶來(lái)的損失和影響。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的拓展，灌區(qū)數(shù)字孿生平臺(tái)可以連接更多類型的數(shù)據(jù)源，形成更為全面和細(xì)致的管理網(wǎng)絡(luò)。例如，可以將遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)巡查等先進(jìn)手段與數(shù)字孿生平臺(tái)結(jié)合，以提供更加準(zhǔn)確和全面的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)水利工程中的應(yīng)用

2.1 突出農(nóng)田經(jīng)營(yíng)管理范圍，合理劃分灌區(qū)管理范圍

農(nóng)田灌溉作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其有效管理對(duì)于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，以及調(diào)配水資源具有重要的意義。為了更好地實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，以政府為主導(dǎo)，協(xié)調(diào)相關(guān)部門(mén)，重新研判和評(píng)估農(nóng)田經(jīng)營(yíng)管理范圍，并據(jù)實(shí)劃分灌區(qū)管理范圍，這是一項(xiàng)基本的方向。

灌區(qū)管理始終以土地經(jīng)營(yíng)者為主體，以水利為龍頭。確保農(nóng)田獲得充足的水資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)要求。如果沒(méi)有及時(shí)、充足的水源供應(yīng)，農(nóng)田的產(chǎn)量將大大降低，農(nóng)民的收入也將受到影響。因此，優(yōu)化和改進(jìn)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用，是提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要深入研究農(nóng)田灌溉的科學(xué)方法，提高農(nóng)田的耕作和灌溉效率，減少水資源的浪費(fèi)。加大先進(jìn)技術(shù)的投入力度，引進(jìn)和開(kāi)發(fā)新的灌溉技術(shù)和設(shè)備，使得農(nóng)田灌溉更加智能化、高效化。此外，還要對(duì)農(nóng)田的產(chǎn)量和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整農(nóng)田的灌溉策略，以提高農(nóng)田的生產(chǎn)力。

通過(guò)上述工作的實(shí)施，可以形成以水促農(nóng)、量產(chǎn)增收、農(nóng)民增收的發(fā)展新格局。優(yōu)化和改進(jìn)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，可以使農(nóng)田得到更多的水資源，進(jìn)而提高農(nóng)田的產(chǎn)量，增加農(nóng)民的收入。同時(shí)，通過(guò)科學(xué)的農(nóng)田灌溉，還可以節(jié)約水資源，降低農(nóng)田的經(jīng)營(yíng)成本。水資源的節(jié)約并不意味著減少農(nóng)田的水源供應(yīng)，而是通過(guò)科學(xué)的灌溉方式，減少水資源的浪費(fèi)，提高水資源的利用效率。這樣，可以實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約與配置，進(jìn)一步降低水資源的成本[1]。

2.2 加快灌區(qū)供水模式管理制度改革，按需供水

在實(shí)施“以防為主、防抗結(jié)合、增產(chǎn)增收”的灌溉用水原則時(shí)，管理者需要采取一系列措施來(lái)確保水資源的合理分配和有效利用，同時(shí)也要考慮到保證農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)利益和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。工作人員需要確立明確的合同用水規(guī)范，確保供水企業(yè)和農(nóng)民之間存在明確的水量和水質(zhì)方面的合同。這不僅保證了農(nóng)田的基本灌溉需求，也為灌溉提供了法律保障。合同應(yīng)包含水價(jià)、供水時(shí)間、供水量以及違約責(zé)任等關(guān)鍵條款，為農(nóng)民和供水企業(yè)提供清晰的權(quán)責(zé)明確的指導(dǎo)。根據(jù)不同的季節(jié)和灌溉需求對(duì)水價(jià)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在水資源緊張的時(shí)期，如干旱季節(jié)，水價(jià)可適當(dāng)提高，鼓勵(lì)農(nóng)民節(jié)約用水；在水資源豐富的季節(jié)，則可以實(shí)行優(yōu)惠水價(jià)，激勵(lì)農(nóng)戶充分利用水資源。同時(shí)，根據(jù)作物的經(jīng)濟(jì)效益和對(duì)水的需求程度，實(shí)現(xiàn)差異化的水價(jià)政策，厘定合理的水資源價(jià)格。灌區(qū)管理應(yīng)按照不同的水源、水渠系統(tǒng)和用水區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，建立起嚴(yán)密的管理網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)管理區(qū)都應(yīng)設(shè)立責(zé)任人，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的用水監(jiān)管、維護(hù)灌溉系統(tǒng)、水費(fèi)征收等工作負(fù)責(zé)。確保水利設(shè)施的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，維護(hù)和管理責(zé)任明確到人，提升管理效率。價(jià)格是調(diào)節(jié)水資源配置的有效手段。水價(jià)的合理設(shè)定應(yīng)當(dāng)反映供水成本、資源稀缺性和市場(chǎng)需求，并考慮到農(nóng)民的收益。建立健全的水費(fèi)征收和監(jiān)管機(jī)制，確保農(nóng)民按照水價(jià)政策合理支付水費(fèi)，同時(shí)確保水資源得到合理的管理和利用。利用信息化技術(shù)，如地理信息系統(tǒng)（GIS）、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)管理灌溉用水。工作人員通過(guò)收集、整合和分析地理數(shù)據(jù)，如土壤類型、降雨分布以及地形地貌等，可以繪制出灌溉區(qū)域的地理信息圖。這些信息可以幫助農(nóng)戶和管理者了解土壤水分分布情況對(duì)灌溉水分的影響，從而為合理規(guī)劃灌溉方案提供更加科學(xué)的依據(jù)。工作人員可以通過(guò)傳感器和監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉水量、土壤水分含量以及作物生長(zhǎng)情況等關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析。農(nóng)戶和管理者可以通過(guò)手機(jī)或電腦遠(yuǎn)程查看灌溉設(shè)備的工作狀態(tài)以及土壤水分情況，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整灌溉量和操作方式，提高灌溉效率和水資源利用效率。同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和比對(duì)結(jié)果也可以揭示出灌溉系統(tǒng)中存在的問(wèn)題和不足之處，為科學(xué)決策提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)分析方面，工作人員可以利用信息化技術(shù)對(duì)大量的灌溉數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取其中的有用信息。工作人員通過(guò)對(duì)歷史灌溉數(shù)據(jù)的分析，可以預(yù)測(cè)未來(lái)的灌溉需求和水資源供應(yīng)情況，為灌溉決策提供依據(jù)。此外，工作人員還可以利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立關(guān)聯(lián)模型，預(yù)測(cè)灌溉水量和作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，為優(yōu)化灌溉方案提供科學(xué)參考[2]。

2.3 完善信息基礎(chǔ)建設(shè)，擴(kuò)大信息采集范圍

灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)主要依賴對(duì)灌區(qū)管理中涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)的建模和數(shù)字化處理，從而對(duì)灌區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施和灌區(qū)渠道進(jìn)行無(wú)縫監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)控水系統(tǒng)的智能化與遠(yuǎn)程化[3]。一方面，我們需要擴(kuò)大現(xiàn)有水利基礎(chǔ)設(shè)施及灌區(qū)渠道的監(jiān)控范圍。這意味著需要在首部工程、渠道內(nèi)工程以及田間界地建立監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，收集并實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括但不限于水位、流速、流量及其變化情況，甚至可以通過(guò)設(shè)備監(jiān)測(cè)到環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)灌區(qū)的精細(xì)化管理，為根據(jù)氣候變化、作物需水量等因素制定灌溉策略提供數(shù)據(jù)支撐。另一方面，我們需要提升灌區(qū)控水系統(tǒng)的信息化水平。當(dāng)前的灌區(qū)控水系統(tǒng)還主要依賴人力進(jìn)行操作和監(jiān)控，這其中既存在操作不便的問(wèn)題，也有人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)存在。通過(guò)建立起可以遠(yuǎn)程操作的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，將大大提高運(yùn)行效率和安全性。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，GIS 可以為灌區(qū)水利設(shè)施提供關(guān)于設(shè)施位置、屬性和狀態(tài)的詳細(xì)信息，并通過(guò)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)來(lái)提供灌溉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理。GIS 的建立與維護(hù)是灌溉系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)，也是為更高級(jí)的智能管理系統(tǒng)提供支撐的數(shù)據(jù)平臺(tái)。通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，可實(shí)時(shí)收集并反饋水利設(shè)施的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理和分析，可以提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，有助于做出及時(shí)的決策，避免或減少因水利設(shè)施故障所引發(fā)的災(zāi)害[4]。

2.4 加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，搭建互聯(lián)互通共享數(shù)字模型平臺(tái)

推進(jìn)灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)不僅是技術(shù)革新的要求，也是現(xiàn)代水利經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在需求。數(shù)字孿生技術(shù)作為一種全新的信息融合手段，其核心在于通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建實(shí)體的虛擬映射，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，從而提升灌區(qū)管理效率與水利資源配置的科學(xué)性[5]。而人才支撐與空間基礎(chǔ)信息的整合共享是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在人才引進(jìn)和職工培訓(xùn)方面，需建立健全全面的人才培養(yǎng)機(jī)制。這包括但不限于為高校畢業(yè)生提供水利行業(yè)實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，針對(duì)在職職工開(kāi)展數(shù)字孿生及相關(guān)技術(shù)的再教育培訓(xùn)，同時(shí)通過(guò)搭建人才引入平臺(tái)，吸引國(guó)內(nèi)外水利領(lǐng)域的專業(yè)人才加盟。充分運(yùn)用線上與線下培訓(xùn)資源，打造系統(tǒng)的知識(shí)體系與實(shí)操能力培養(yǎng)環(huán)境，以確保人才隊(duì)伍能夠適應(yīng)水利信息化、智能化的發(fā)展需求。在確保數(shù)據(jù)真實(shí)性的前提下，推動(dòng)空間數(shù)據(jù)與水利基礎(chǔ)設(shè)施信息的互聯(lián)互通。通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，整合地形、地貌、氣象、水文等多源空間數(shù)據(jù)資源，并實(shí)現(xiàn)與灌區(qū)水利設(shè)施數(shù)據(jù)的相互融合，為精確的水資源配置和高效的灌溉管理提供決策支撐[6]。構(gòu)建數(shù)字孿生模型不僅能夠模擬灌區(qū)在不同氣象條件下的水文反應(yīng)，還能夠模擬各種防洪抗旱措施的效果，以評(píng)估最佳應(yīng)對(duì)方案。在此過(guò)程中，確保模型準(zhǔn)確反映實(shí)際情況，需要不斷地更新維護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和管理，部門(mén)間的信息共享機(jī)制必不可少。這要求打破信息孤島，建立起機(jī)制順暢、數(shù)據(jù)規(guī)范、接口統(tǒng)一的信息共享框架，讓來(lái)自不同源頭的數(shù)據(jù)能夠快速集成、互相驗(yàn)證，提高灌區(qū)管理系統(tǒng)的響應(yīng)速度與準(zhǔn)確度。

2.5 制定科學(xué)合理的中長(zhǎng)期規(guī)劃

首先，要堅(jiān)持政府主導(dǎo)、市場(chǎng)運(yùn)作的原則，以適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體戰(zhàn)略。政府負(fù)責(zé)制定合理的決策，協(xié)調(diào)各方資源，搭建發(fā)展平臺(tái)，為灌區(qū)提供良好的投資環(huán)境，同時(shí)也需要尊重市場(chǎng)規(guī)律，發(fā)揮市場(chǎng)決定配置資源的決定性作用。其次，數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)成為解決水資源問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)數(shù)字化手段，逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水利經(jīng)濟(jì)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升灌溉效率，優(yōu)化水資源配置，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供充足的水源。針對(duì)新老矛盾和風(fēng)險(xiǎn)，灌區(qū)需要通過(guò)科學(xué)合理的中長(zhǎng)期規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)水源的合理利用和保護(hù)。灌區(qū)需要根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況，量化水資源保障、水旱災(zāi)害防御等工作，形成系統(tǒng)化的解決方案。并需要在這個(gè)過(guò)程中不斷反饋、修正和完善，使其能適應(yīng)未來(lái)可能的風(fēng)險(xiǎn)。這樣既能有效解決舊的問(wèn)題，也可以預(yù)防新的問(wèn)題的產(chǎn)生。再者，統(tǒng)籌人才和資源優(yōu)勢(shì)，建立信息化、智慧化的現(xiàn)代水利投資建設(shè)體系非常重要。通過(guò)人才培養(yǎng)和引進(jìn)，提高水利行業(yè)人才的素質(zhì)，建立高素質(zhì)的人才隊(duì)伍。在此基礎(chǔ)上，建立現(xiàn)代化的水利投資建設(shè)體系，通過(guò)信息技術(shù)和智能化設(shè)施，實(shí)現(xiàn)水利資源的合理利用和災(zāi)害的及時(shí)預(yù)警、快速反應(yīng)[7]。最后，為推動(dòng)灌區(qū)水利經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，需要在宏觀層面上調(diào)整和優(yōu)化灌區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。灌區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)以可持續(xù)發(fā)展為主導(dǎo)，通過(guò)改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)水利經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。同時(shí)，通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高地區(qū)經(jīng)濟(jì)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，從而推動(dòng)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)水利工程中應(yīng)用的探討，了解數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于提升灌區(qū)水利工程的智能管理水平、增強(qiáng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力以及優(yōu)化決策效果具有顯著意義。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度、數(shù)據(jù)集成與處理的挑戰(zhàn)以及模型準(zhǔn)確性的提升等問(wèn)題仍然是需要關(guān)注和解決的重點(diǎn)內(nèi)容。展望未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)水利工程中的應(yīng)用將更加廣泛，成為推動(dòng)該領(lǐng)域向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動(dòng)力，最終為實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)水、環(huán)保的水利管理目標(biāo)提供有力支撐。