摘要：為加快吳嶺灌區(qū)信息化建設(shè)，進(jìn)一步提升灌區(qū)建設(shè)管理水平、實(shí)現(xiàn)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展及保障糧食安全，基于吳嶺灌區(qū)現(xiàn)狀，對(duì)標(biāo)數(shù)字孿生灌區(qū)技術(shù)要求，對(duì)數(shù)字孿生流域建設(shè)進(jìn)行了初步探討。數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的整體框架分為信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、智慧灌區(qū)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和運(yùn)行保障體系等五大部分，通過構(gòu)建工程BIM數(shù)字模型、智能化灌溉決策支持系統(tǒng)、水資源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、高效供水和優(yōu)化配水，提高灌區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生； 灌區(qū)信息化； 智能應(yīng)用； 吳嶺水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.019

文章編號(hào)：1006-0081（2024）11-0119-09

0 引 言

灌區(qū)為人類提供生物生產(chǎn)、水分調(diào)節(jié)、養(yǎng)分循環(huán)與貯存以及景觀價(jià)值服務(wù)等多重生態(tài)服務(wù)功能，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量［1］。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要在2012年的基礎(chǔ)上增加 40%才能達(dá)到 2050 年預(yù)計(jì)滿足100億人口的需求［2］。該組織指出，增加產(chǎn)量不僅需要灌區(qū)管理制度和生產(chǎn)方式的變革，還迫切需要物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用［3］。

數(shù)字孿生技術(shù)使物理對(duì)象與其數(shù)字化映射間的數(shù)據(jù)自動(dòng)雙向流動(dòng)［4］，已廣泛應(yīng)用于水利工程綜合管理中，以提升生產(chǎn)率，減少資源消耗［5-6］。水利部出臺(tái)系列文件，強(qiáng)調(diào)智慧水利建設(shè)的重要性，提出構(gòu)建數(shù)字孿生流域，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為支撐，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化決策［7-10］。數(shù)字孿生流域不僅是智慧水利的核心，更是推動(dòng)其發(fā)展的關(guān)鍵。

吳嶺灌區(qū)作為重要的糧食產(chǎn)區(qū)，灌區(qū)的灌溉系統(tǒng)可以確保農(nóng)作物在干旱或其他不利天氣條件下得到充足的水分，保障糧食的穩(wěn)定生產(chǎn)。吳嶺灌區(qū)水資源總量豐富，但受地形、氣候等多種因素影響，水資源在時(shí)空分布上并不均勻。因此，灌區(qū)的建設(shè)和管理需要充分考慮水資源的合理利用和調(diào)配，確保在干旱或水源短缺的情況下，仍能滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求。數(shù)字孿生灌區(qū)的建設(shè)結(jié)合了現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)水利，通過將物理灌區(qū)的全要素和建設(shè)運(yùn)行全過程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬和前瞻預(yù)演，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、問題發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化調(diào)度。數(shù)字孿生灌區(qū)夠顯著提高灌區(qū)的用水管理與精準(zhǔn)決策能力，從而提升灌區(qū)的建設(shè)和管理水平。

為貫徹落實(shí)水利部黨組關(guān)于智慧水利建設(shè)的有關(guān)決策部署，2022年12月，水利部辦公廳印發(fā)了《水利部辦公廳關(guān)于開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試工作的通知》，啟動(dòng)了包括湖北省吳嶺灌區(qū)在內(nèi)的48處大中型灌區(qū)開展數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試建設(shè)。吳嶺灌區(qū)是一座集灌溉、供水、防洪、養(yǎng)殖等功能于一體的綜合性水利工程，目前存在數(shù)字化建設(shè)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃、管理模式粗放化、水資源供需矛盾日益尖銳等問題。本文以湖北省吳嶺灌區(qū)為例，通過對(duì)中型灌區(qū)進(jìn)行數(shù)字孿生體系的框架設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)論證，為同類型灌區(qū)信息化建設(shè)提供新的思路和案例支持，從而提高灌區(qū)水資源集約節(jié)約利用水平，推動(dòng)內(nèi)陸地區(qū)水資源管理能力提升。

1 灌區(qū)現(xiàn)狀

湖北省吳嶺灌區(qū)（圖1）位于京山以南，天門以北，應(yīng)城以西，距京山市約13 km，灌區(qū)范圍包括京山市的錢場(chǎng)鎮(zhèn)和雁門口鎮(zhèn)、天門市的九真鎮(zhèn)和石家河鎮(zhèn)共4個(gè)鎮(zhèn)。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積9 733.4萬m2，南北長(zhǎng)19.42 km，東西寬18.14 km，國(guó)土總面積20 400萬m2。灌區(qū)水源主要是灌區(qū)內(nèi)1座中型水庫(kù)（吳嶺水庫(kù)），承雨面積達(dá)到102 km2，總庫(kù)容為6 785萬m3，水域面積為9.77 km2，以灌溉為主，兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)供水等綜合效益。東、西兩條干渠和白段等11條支渠組成了吳嶺灌區(qū)骨干渠系，渠道總長(zhǎng)100.23 km，其中干渠總長(zhǎng)27.4 km（東干渠15.7 km，西干渠11.7 km），渠系建筑物共計(jì)610處。

對(duì)照新階段水利發(fā)展要求，吳嶺灌區(qū)信息化建設(shè)存在以下問題：前端監(jiān)測(cè)不足，自動(dòng)化控制及新技術(shù)應(yīng)用有限；數(shù)據(jù)整合與挖潛不夠，數(shù)據(jù)底板不全；專業(yè)模型與知識(shí)庫(kù)待加強(qiáng)，智能水平需提升；智能業(yè)務(wù)應(yīng)用水平低，決策與智能分析能力不足；網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)需完善，風(fēng)險(xiǎn)管理與應(yīng)急響應(yīng)待提升。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和氣候變化的影響，灌區(qū)的服務(wù)功能也在不斷拓展和升級(jí)，因此，灌區(qū)的管理思路和管理方式也需要不斷更新和改進(jìn)。開展數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)建設(shè)，聚焦數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，深化算據(jù)、算法、算力發(fā)展，構(gòu)建現(xiàn)代化水利智慧管理體系，其服務(wù)功能的拓展和管理水平的提升對(duì)于保障糧食生產(chǎn)、城鄉(xiāng)供水以及生態(tài)安全等方面都具有重要意義。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 建設(shè)目標(biāo)

吳嶺水庫(kù)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)為支撐，通過信息基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造、數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)、智能應(yīng)用體系建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)安全與運(yùn)行保障體系建設(shè)，初步建成需求驅(qū)動(dòng)、水平領(lǐng)先、成效突出的數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)，達(dá)到“1個(gè)孿生平臺(tái)、7個(gè)智能應(yīng)用、3項(xiàng)數(shù)字賦能”的建設(shè)目標(biāo)，充分發(fā)揮灌區(qū)綜合效益，推動(dòng)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。

2.2 建設(shè)任務(wù)

吳嶺水庫(kù)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)內(nèi)容包括：升級(jí)信息化設(shè)施，完善量測(cè)、遙測(cè)、視頻監(jiān)控和遙感農(nóng)情監(jiān)測(cè)，提升機(jī)房、決策環(huán)境及計(jì)算資源；基于BIM+GIS技術(shù)構(gòu)建L3級(jí)數(shù)據(jù)底板，實(shí)現(xiàn)三維仿真和實(shí)時(shí)渲染；建立模型與知識(shí)庫(kù)，涵蓋防汛抗旱、灌溉等多維度，提升智能化管理；擴(kuò)展智能業(yè)務(wù)應(yīng)用，涵蓋供需水感知、資源配置、災(zāi)害防御等，推動(dòng)智慧化管理；系統(tǒng)集成與部署，建設(shè)分中心，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄與現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)接。

2.3 建設(shè)難點(diǎn)及解決方案

吳嶺灌區(qū)作為重要的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域，承擔(dān)著保障糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重任。數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的建設(shè)重點(diǎn)是數(shù)據(jù)底板、數(shù)字孿生模型及智能化應(yīng)用體系建設(shè)。數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)建設(shè)的難點(diǎn)及解決方案如下。

（1） 數(shù)據(jù)收集與處理難點(diǎn)在于對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合與處理。解決方案是采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合和挖掘，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和使用價(jià)值。

（2） 數(shù)字孿生模型構(gòu)建難點(diǎn)在于高精度建模和模型實(shí)時(shí)更新。解決方案是利用GIS、BIM等技術(shù)，構(gòu)建工程BIM數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)高精度建模和實(shí)時(shí)更新。

（3） 智能化應(yīng)用開發(fā)難點(diǎn)在于如何結(jié)合業(yè)務(wù)需求開發(fā)智能化應(yīng)用。解決方案是加強(qiáng)與業(yè)務(wù)部門的合作，深入了解業(yè)務(wù)需求，開發(fā)符合實(shí)際需求的智能化應(yīng)用。

（4） 系統(tǒng)集成與運(yùn)維難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效集成和運(yùn)維。解決方案是采用云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理和運(yùn)維，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

（5） 吳嶺灌區(qū)如何合理進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)度和利用是其難點(diǎn)。解決方案是采用在水源供水和灌區(qū)用水需求分析的基礎(chǔ)上，通過調(diào)度目標(biāo)量化，模型庫(kù)中耦合水源供水和灌區(qū)用水需求多目標(biāo)均衡的水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源調(diào)控風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)評(píng)估和對(duì)調(diào)控方案的優(yōu)選評(píng)價(jià)。

2.4 總體架構(gòu)

數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的整體框架分為信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、智慧灌區(qū)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和運(yùn)行保障體系五大部分，以實(shí)現(xiàn)吳嶺灌區(qū)的物理實(shí)體與數(shù)字孿生體之間的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)結(jié)合、迭代優(yōu)化。

天空地一體化立體感知體系建設(shè)。針對(duì)水情、工情、農(nóng)情和氣象要素監(jiān)測(cè)感知與多時(shí)空尺度數(shù)據(jù)獲取分析需求，綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、視頻、地面感知設(shè)備等多技術(shù)手段和先進(jìn)裝備，強(qiáng)化新技術(shù)應(yīng)用與探索，構(gòu)建灌區(qū)天空地一體化立體感知體系。

吳嶺灌區(qū)數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)。包括數(shù)據(jù)底板、知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)建設(shè)，其中數(shù)據(jù)底板提供“算據(jù)”支撐，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理及其數(shù)據(jù)匯聚管理平臺(tái)建設(shè)；模型平臺(tái)為智慧水利提供“算法”支撐，要建成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、接口規(guī)范、分布部署、快速組裝、敏捷復(fù)用的灌區(qū)水利模型平臺(tái)，包括灌區(qū)水利專業(yè)模型、智能算法庫(kù)及模型管理平臺(tái)的開發(fā)；知識(shí)平臺(tái)為智慧水利提供知識(shí)，主要是建成結(jié)構(gòu)化、自優(yōu)化、自學(xué)習(xí)的水利知識(shí)平臺(tái)，包括預(yù)案庫(kù)、知識(shí)圖譜庫(kù)、業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)、歷史場(chǎng)景模式庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、水利知識(shí)引擎，以及知識(shí)平臺(tái)的可視化開發(fā)；數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建包括仿真可視化模型和數(shù)字模擬仿真引擎兩部分內(nèi)容。

在此基礎(chǔ)上搭建“四個(gè)灌區(qū)”智能業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)，包括灌區(qū)“節(jié)水四預(yù)” 系統(tǒng)（如供需水感知與預(yù)報(bào)、水資源配置與供用水調(diào)度）、灌區(qū)水旱災(zāi)害防御系統(tǒng)（旱情、洪澇）、工程管理、灌區(qū)量水與水費(fèi)計(jì)收系統(tǒng)、灌區(qū)一張圖等方面，促進(jìn)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

應(yīng)用構(gòu)架主要以數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)系、展示方式、使用用戶來開展規(guī)劃與設(shè)計(jì)。應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

圍繞數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的數(shù)據(jù)底板建設(shè)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用逐級(jí)流轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖4所示。

安全架構(gòu)貫穿運(yùn)營(yíng)構(gòu)架、威脅防護(hù)、安全監(jiān)測(cè)、安全事件分析、安全應(yīng)急響應(yīng)處置、威脅預(yù)防的全過程閉環(huán)信息安全運(yùn)營(yíng)體系。信息安全架構(gòu)如圖5所示。

2.5 建設(shè)方案

2.5.1 完善信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要依托于吳嶺水庫(kù)管理局已建成的監(jiān)測(cè)感知體系，完善信息化基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建立體監(jiān)測(cè)體系，提升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。同時(shí)，新增輸配水及田間自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水利設(shè)施智能控制。在應(yīng)用支撐方面，采用微服務(wù)架構(gòu)構(gòu)建平臺(tái)，滿足水旱防御、資源配置等業(yè)務(wù)需求。升級(jí)調(diào)度中心，建設(shè)視頻會(huì)商系統(tǒng)，為多級(jí)業(yè)務(wù)管理提供有力支撐，見圖6。

2.5.2 打造數(shù)字孿生智能化平臺(tái)

吳嶺水庫(kù)數(shù)字孿生灌區(qū)通過構(gòu)建L3級(jí)數(shù)據(jù)底板實(shí)現(xiàn)水利全要素?cái)?shù)字化映射，整合水利專業(yè)模型、智能識(shí)別模型和可視化模型形成核心模型庫(kù)，并基于共享知識(shí)庫(kù)構(gòu)建業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)，以數(shù)字孿生引擎為動(dòng)力，深度融合數(shù)據(jù)、模型與知識(shí)，顯著提升灌區(qū)的智慧化水平，為水利治理管理提供有力支撐。模型庫(kù)建設(shè)清單見表1。

2.5.3 助推智能業(yè)務(wù)應(yīng)用拓展

建設(shè)供需水感知與預(yù)報(bào)、水資源配置與調(diào)度、災(zāi)害防御等核心業(yè)務(wù)是數(shù)字孿生灌區(qū)的關(guān)鍵。通過開發(fā)“四預(yù)”功能，實(shí)現(xiàn)水量、墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)、水旱災(zāi)害的預(yù)報(bào)，根據(jù)預(yù)設(shè)指標(biāo)預(yù)警，對(duì)不同條件、參數(shù)的模型進(jìn)行預(yù)演，制定相應(yīng)的預(yù)案。業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)如圖7所示。

2.5.4 加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全體系防御

為增強(qiáng)數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的網(wǎng)絡(luò)安全，需按國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全政策要求，遵循水利網(wǎng)絡(luò)安全頂層設(shè)計(jì)，建立縱深防御、監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)的全要素信息安全體系。該體系應(yīng)包含制度、機(jī)構(gòu)、人員等全方位管理，并貫穿運(yùn)營(yíng)、防護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、響應(yīng)、預(yù)防等全過程。建設(shè)期內(nèi)，數(shù)據(jù)分中心負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，吳嶺水庫(kù)管理局負(fù)責(zé)數(shù)字孿生平臺(tái)總集成，以持續(xù)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知與處置能力，完善保障體系，滿足安全管理需求。

2.5.5 推動(dòng)運(yùn)行保障體系健全

健全運(yùn)行保障體系，需要按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”的原則，參考引用流域、省級(jí)等相關(guān)行業(yè)與地方標(biāo)準(zhǔn)，在本項(xiàng)目建設(shè)單位已有的項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)管理制度基礎(chǔ)上，明確運(yùn)行維護(hù)對(duì)象，細(xì)化信息基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行維護(hù)的工作流程和工作機(jī)制；建立吳嶺灌區(qū)數(shù)字孿生平臺(tái)運(yùn)行維護(hù)方案，明確運(yùn)行維護(hù)任務(wù)目標(biāo)、內(nèi)容、流程、要求等；制定項(xiàng)目管理應(yīng)急預(yù)案，完善管理措施；補(bǔ)充配備專業(yè)團(tuán)隊(duì)開展數(shù)字孿生平臺(tái)等工程運(yùn)行維護(hù)。

3 實(shí)施效果

為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精細(xì)化管理，融合了智能感知、短期及中長(zhǎng)期需水預(yù)報(bào)、水資源高效配置、水量調(diào)度、旱情評(píng)估等技術(shù)，構(gòu)建灌區(qū)“四預(yù)”平臺(tái)。系統(tǒng)經(jīng)不斷迭代升級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)最佳需水量和灌溉時(shí)間預(yù)測(cè)，并且可自主根據(jù)作物需求驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成智能化灌溉，實(shí)現(xiàn)了高效智能的灌溉決策，實(shí)現(xiàn)按需、按期、按量高效供水，做到計(jì)劃用水、優(yōu)化配水，提高了灌區(qū)綜合效益。

平臺(tái)構(gòu)建BIM數(shù)字模型、灌溉決策支持系統(tǒng)、水資源調(diào)度系統(tǒng)、災(zāi)害預(yù)警與響應(yīng)系統(tǒng)。BIM數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)工程信息數(shù)字化與可視化。灌溉決策支持系統(tǒng)基于數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)，提高灌溉效率和水資源利用率。水資源調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合氣象、水文數(shù)據(jù)，利用AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源合理配置。災(zāi)害預(yù)警與響應(yīng)系統(tǒng)基于數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)，提升抗災(zāi)與應(yīng)急能力。系統(tǒng)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)“來水-需水-配水-調(diào)水”智能管理，為“按需供水、精確配水”提供科學(xué)手段，改變傳統(tǒng)供水模式。

3.1 灌區(qū)工程狀況可視化

數(shù)字孿生灌區(qū)實(shí)現(xiàn)水利要素和業(yè)務(wù)信息全景可視，實(shí)時(shí)模擬管理過程，動(dòng)態(tài)推演調(diào)度方案，協(xié)同共享業(yè)務(wù)信息，降低運(yùn)行成本。依托數(shù)據(jù)底板和專業(yè)模型，結(jié)合技術(shù)支撐和灌區(qū)特點(diǎn)，構(gòu)建多尺度可視化模型，實(shí)現(xiàn)自然背景、工程、設(shè)備操控和“四預(yù)”過程可視化（圖8）。

3.2 安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直觀感知

水利工程平臺(tái)可多角度展示運(yùn)行狀態(tài)，支持地理信息系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)，全面掌控流域、水庫(kù)等管理要素。實(shí)時(shí)展示大壩、水位、機(jī)房等關(guān)鍵對(duì)象的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，清晰了解實(shí)時(shí)狀況（圖9）。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體結(jié)構(gòu)、氣象、滲流、水質(zhì)等信息，幫助管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題。

3.3 水資源的合理配置高效利用

根據(jù)氣象、雨水情、農(nóng)情等信息，預(yù)測(cè)作物需水量，利用模型演算精準(zhǔn)預(yù)報(bào)灌水時(shí)間和灌水量。結(jié)合來水預(yù)報(bào)、灌溉模型或調(diào)度規(guī)則，確定水資源配置方案（圖10），自動(dòng)生成調(diào)度預(yù)案。通過仿真推演輸配水過程，優(yōu)化供水調(diào)度方案，為灌區(qū)水資源合理配置和高效利用提供智慧保障。

3.4 水旱災(zāi)害防御科學(xué)決策

應(yīng)用數(shù)字孿生平臺(tái)預(yù)演水庫(kù)調(diào)度及薄弱環(huán)節(jié)影響情況，模擬洪水過程和水位、流量變化，比選泄水調(diào)度措施，動(dòng)態(tài)調(diào)整防洪方案（圖11）。預(yù)演工程體系調(diào)度，優(yōu)化水資源調(diào)度方案，提高決策科學(xué)性。提升防洪減災(zāi)和水資源管控能力，完善科學(xué)決策體系。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心方向，它借助先進(jìn)的信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)的全面數(shù)字化和智能化管理。通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型，能更精準(zhǔn)地掌握灌區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化資源配置，提高灌溉效率，進(jìn)而推動(dòng)灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。在數(shù)字孿生吳嶺灌區(qū)的建設(shè)中，充分利用了現(xiàn)代科技手段，如大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等，整合多源數(shù)據(jù)資源，建立完善的信息共享機(jī)制，為灌區(qū)的精細(xì)化管理和優(yōu)化調(diào)度提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，積極探索了數(shù)字孿生技術(shù)與灌區(qū)業(yè)務(wù)的深度融合，推動(dòng)灌區(qū)的智能化、綠色化轉(zhuǎn)型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力支持，滿足灌區(qū)日益增長(zhǎng)的需求。此外，加強(qiáng)了與其他領(lǐng)域的合作，共同推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。在數(shù)字孿生灌區(qū)的建設(shè)中，探索了“政事企”三方參與的建設(shè)機(jī)制，充分發(fā)揮政府、事業(yè)單位和企業(yè)的各自優(yōu)勢(shì)，形成了合力推進(jìn)的良好局面。

吳嶺灌區(qū)作為長(zhǎng)江流域重要的糧食產(chǎn)區(qū)，在長(zhǎng)江流域數(shù)字孿生灌區(qū)的建設(shè)過程中，面臨著三大挑戰(zhàn)：① 數(shù)據(jù)集成與共享。由于數(shù)據(jù)格式、標(biāo)準(zhǔn)、存儲(chǔ)方式的差異，整合來自不同水源、不同部門的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)共享較為困難；② 技術(shù)應(yīng)用與融合的挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)涉及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等多種技術(shù)的融合應(yīng)用，如何有效整合這些技術(shù)并發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)，提升灌區(qū)的智能化水平，是建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題；③ 長(zhǎng)江流域數(shù)字孿生灌區(qū)中水源優(yōu)化調(diào)度和利用是長(zhǎng)江流域灌區(qū)的特點(diǎn)也是難點(diǎn)，通過在模型庫(kù)中耦合合適的多目標(biāo)均衡水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)水源聯(lián)合利用的優(yōu)化調(diào)度是解決途徑之一。

展望未來，針對(duì)數(shù)字孿生灌區(qū)的建設(shè)，應(yīng)持續(xù)深化技術(shù)應(yīng)用與融合，進(jìn)一步探索數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用場(chǎng)景，加強(qiáng)技術(shù)的融合與創(chuàng)新，提升灌區(qū)的智能化水平。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)人才培養(yǎng)與團(tuán)隊(duì)建設(shè)，注重培養(yǎng)具備跨學(xué)科知識(shí)和技能的復(fù)合型人才，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，為數(shù)字孿生灌區(qū)的持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的人才保障。此外，還應(yīng)建立健全數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的政策體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供有力的制度保障。

目前，全國(guó)48處大中型灌區(qū)正按照“先行先試”的原則，有序推進(jìn)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)。數(shù)字孿生灌區(qū)將在保障糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)鄉(xiāng)村振興等方面發(fā)揮越來越重要的作用。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可為各個(gè)灌區(qū)的建設(shè)和管理提供更加高效、智能的解決方案，助力農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，為構(gòu)建現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系貢獻(xiàn)力量。

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（編輯：張 爽）

Research on construction plan for digital twin of Wuling Irrigation Area

YU Lei1，XU Hui2，LI Yalong1，CHEN Xing2，JIA Siying2，XIE Yao3，SHA Jincai4

（1.Agricultural Water Conservancy Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Hubei Wuling Reservoir Authority，Jingshan 431899，China； 3.Zhonggong Wuda Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China； 4.Shannan Water Resource Bureau，Lhasa 856000，China）

Abstract：

In order to enhance the information construction of Wuling Irrigation Area，improve the management level，achieve high-quality development，and ensure the food security，we realized the integration of digital twin technology.Based on the current situation of Wuling Irrigation Area and the technical requirements of digital twin irrigation areas，we conducted a preliminary discussion on the construction of digital twin basins.The overall framework of the digital twin Wuling Irrigation Area was divided into information infrastructure，digital twin platform，smart irrigation area application，network security system，and operation support system five major parts.By constructing BIM digital models of engineering，intelligent irrigation decision support systems，water resources optimization and scheduling systems，and disaster warning and emergency response systems，precise irrigation，efficient water supply，and optimized water distribution were achieved，thereby improving the benefits of the irrigation area.The practice of the digital twin Wuling Irrigation Area can provide a useful exploration and reference for promoting the construction of smart water conservancy.

Key words：

digital twin； irrigation area informatization； intelligent application； Wuling Reservoir