数字孪生灌区解决方案

数字孪生灌区解决方案01行业背景相关案例智慧水利是新阶段水利高质量发展的标志水利关系国计民生，在国家发展全局中具有基础性、战略性、先导性作用，中国式现代化需要有力的现代化水利支撑保障体系。实现高质量发展这一首要任务，水利是基础性支撑和重要带动力量。加快建设农业强国，水利是命脉所在。要科学谋划全国农田灌溉发展，统筹推进灌区骨干工程与高标准农田灌排体系建设，为把牢粮食安全主动权提供水利支撑。——《深入贯彻落实党的二十大精神扎实推动新阶段水利高质量发展》李国英部长强调:“十四五”必须把智慧水利建设列为重要任务，准确把握“需求牵引、应用至上”的目标要求。智慧灌区是智慧水利不可或缺的一部分，因此在“十四五”期间，必须按照“抓关键、除隐患、促节水、补短板、提能力、强监管”的要求，不断推进灌区信息化建设、推进水资源集约安全利用。水利部高度重视灌区及信息化建设《2023年农村水利水电工作要点》：2023年农村水利水电工作的总体思路包括：紧盯保障国家粮食安全，加快推进大中型灌区现代化改造，新建一批节水型、生态型现代化灌区；深化农业水价综合改革，加快数字孪生农村水利工程建设，扎实推进农村水利水电高质量发展。数字孪生灌区是智慧水利建设的重要组成部分，是现代化灌区的重要标志，也是新阶段灌区高质量发展的方向。开展数字孪生灌区建设具有重要意义，是提升保障国家粮食安全支撑能力的重要举措，也是适应现代信息技术发展形势的必然要求，更是实现灌区现代化的内生需求。——2023年3月水利部数字孪生灌区先行先试推进会中共中央国务院印发《国家水网建设规划纲要》：加强水网与相关产业协同发展。推进国家水网与现代农业融合发展，在粮食主产区及水土资源条件适宜地区，新建一批现代化大型灌区；推进大中型灌区续建配套和改造，提高灌区输配水效率。万亿国债投资新政下水利与灌区的参与机会•融资主体：属中央政府债务，利用中央政府信用，由财政部安排发行。•债务偿还与资金使用：本息完全由中央承担，不增加地方负担。国债资金全部通过转移支付方式安排给地方，资金全部按项目管理，即每一分钱都对应到具体的项目上。•重点领域与方向：除灾后恢复重建外，防洪减灾等水利工程建设与能力提升、提升监测预警水平也是重中之重。主要方向一是系统推进骨干防洪治理，推动进一步整体提升洪涝灾害的防御能力（北方地区为重点）。包括大江大河大湖干流防洪工程、大中型水库工程、蓄滞洪区工程等。二是灌区建设改造、城市排水防涝能力提升。明确机会•关注防洪防汛项•关注防洪防汛项目、灌区建设/续建配套与节水改造工程项目中的信息化部分。把握重点融入融入••积极引导客户融入智慧水利产品及物联网、联通云等自主产品和能力。灌区的概念、分类及投资特点灌区：作为水利工程的重要组成部分，灌区是指有可靠水源和引、输、配水渠道系统和相应排水沟道的灌溉区域，是一个半人工的生态系统，依靠自然环境提供的光、热、水、土壤资源，加上人为选择的作物和安排的作物种植比例等人工调控手段而组成的一个具有很强的社会性质的开放式生态系统。根据我国水利行业的标准规定，控制面积在30万亩以上的灌区为大型灌区，控制面积在1~30万亩之间的灌区为中型灌区，控制面积在1万亩以下的为小型灌区。我国有大型灌区430+处、中型灌区5200多处、小型灌区1000多万处。当前灌区的投资特点及趋势：1.灌区投资偏水利土建施工工程，其中约40%项目含有水利硬件设施采购安装，约20%-30%含部分信息化系统建设。2.伴随着数字孪生水利建设的热度，信息化、智能化提升的趋势会越来越明显。3.灌区投资具有一定的稳定性。党的十八大以来累计投入中央资金约1500亿元用于灌区的建设和改造。2023年水利部安排大中型灌区新建和改造项目投资406亿元，较前一年增长约7%。4.项目多数（约70%-80%）归口为水利部门，少部分归口为农业农村部门。现代化灌区建设理念与数字孪生灌区现代化灌区数字孪生灌区是以物理灌区为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理灌区全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、——《数字孪生灌区建设技术指南（试行）》水利部农水司《关于开展深化农业水价综合改革推进现代化灌区建设试点工作的通知》数字孪生灌区建设任务2022年12月水利部公布的数字孪生灌区先行先试建设名单48个（大型灌区23个，中型灌区25个数字孪生都江堰渠首枢纽（四川）、大禹渡灌区（山西）、淠史杭灌区（安徽）、欧阳海灌区（湖南）等大、中型灌区被纳入名单。数字孪生都江堰渠首枢纽工程已全面完成。依据水利部《加快推进智慧水利的指导意见》、《数字孪生灌区建设技术指南（试行）》等政策文件，总结数推动灌区数字化智能化建设•提升行政效能和决策支持能力推动灌区数字化智能化建设•提升行政效能和决策支持能力，优化完善升级现有应用系统。•以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为路径推进灌区数字化、监控自动化、调度智能化建设。需求牵引应用至上，提升灌区效益•以灌区水资源管理调配、防汛抗旱，提升灌区用水效能为核心，构建灌区综合智慧应用体系。强化感知，完善基础设施•扩大感知范围，提升感知智能水平。•完善灌区基础设施，提升灌区装备设施水平。02需求分析04相关案例传统灌区管理业务痛点4计量手段落后灌溉质量低下管理效率低下业务零散业务应用场景限业务零散业务应用场景限•现有业务系统多根据灌区阶段性的需要建设，由不同的单位或厂家承建，系统间彼此相对独立，业务离散。流程上下游衔接较差，工作效率低。方面因素约束，大多数应用功能简单，系统无法满足灌区业务发展需求。随着灌区管理模式不断改革创新，业务场景也逐步多样，导致现有固化的应用难以支撑。据、多媒体数据、遥感影像数据等。由于缺少大数据技术、人工智能技术等信息化技术支撑，难以实现数据价值的深层次利用，导致资源浪费智慧化灌区建设需求03解决方案相关案例数字孪生灌区平台介绍数据底板包括基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据和外部共享数据。在数字孪生流域和数字孪生工程数据底板基础上，统筹数字孪生灌区模型库、知识库、知识平台包括多年运行管理经验凝练成的专家经规则（如水资源调配、灌溉制度拟定、水旱灾害全运行监控等业务的风险预警研判和调度规则）——2023年《数字孪生灌区建设技术指南（试行）》总体架构空天地一体化的立体感知体系作物需水/耗水、作物长势、灌溉面积、作物栽插面积、作物种植结构、作物水分状况、作物产量等……多源影像信息、河湖水库水面面积、枯水期塘坝三维地形、塘坝雨量、流量、水位、土壤水分、田间水层、农田旱情、气象因子、水库水坝位移、渗漏、闸门开度、水质等……感知体系-水雨情监测水雨情监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测安全监测实时采集气象、雨情、水情等多种感知数据，实现雨水情监测、洪涝风险预警预报、旱灾风险预警预报、灌区联合调度和应急处置抢险等洪涝灾害和旱灾智能化应用，全面支持洪涝灾害和旱灾防御及应急处置等业务工作。一体化气象站一体化雨量站感知体系-水位流量监测水雨情监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测安全监测灌区量测水监测站实现对取水、输配水、分水点和分界点全过程的水位、流量自动实时监控，为灌区总调度、分中心提供数据支撑，实现水资源优化配置。感知体系-水质监测水雨情监测水位流量监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测安全监测在线监测站房移动检测车实验室监测数据管理、评估分析感知体系-土壤墒情监测水雨情监测水位流量监测水质监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测安全监测对土壤墒情对土壤墒情（作物耕层土壤中含水量多寡的情况）的长时间实时连续监测，可监测土壤温度、土壤电导率、土壤PH、地下水水位、地下水水质以及空气温度，及时防范事故的发生。感知体系-农情监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测安全监测农情遥感监测功能需求：•动态监测作物的生长情况（株高、叶面积、冠层结构）以及提取植被的真实数字高程模型（DEM）•测量能否反映植物水肥状况的各种光谱指数性能•即时、高效的作物反射率、真彩色以及作物生理生长状况空间分布处理算法感知体系-安全监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测水雨情监测水位流量监测水质监测土壤墒情监测农情监测安全监测PEXPWL主要监测要素○SP-测量标点弦式温度计 P-垂线系统竹JP-垂线系统PIPZ-渗压计—i叫ST-混凝土应变计感知体系-视频监控通过视频监控，保护水闸、水库等运行设备的安全。通过视频监控结合远程和本地人员操作，避免误操作。通过图像监控、灯光联动等监控闸门泵站的运行状况，起到预警和保护作用。通过远程视频监控渠道闸口水量情况，监控来船及游人情况，监控水面情况、进水退水情况，监控漂浮物、垃圾等情况。通过视频监控水尺，能够识别水尺水位数据。水库大坝视频监视各级闸门视频监视渠道运行视频监视渠道水尺视频监视控制体系-闸门监控与控制控制体系-闸门联调联控全渠道闸门智能控制：根据灌区实际需要建设全渠道智能联调联控，基于全渠道控制模型算法，可自动生成调度指令，实时调控运行范围内各级闸门。通过联调联控实现渠道内水位自动调节、各支斗口按需供水，有效提高灌溉水利用效率。智慧应用体系-灌区一张图灌区一张图基于GIS地图对工程基本信息、监测信息、巡检信息，配水调度、水量计量、水费计收、水旱灾害防御等信息管理功能，充分整合灌区内物联网终端数据、挖掘用户现有数据资源，并将各项关键数据进行综合展现。支撑灌区用水态势监测、告警预警、分析研判等用途，帮助用户洞悉水量、气象、墒情、水情数据背后的规律，最大化增强监管能力、提高研判效率。从水源、渠系到农田的全要素、全过程展示智慧应用体系-灌区遥感监测系统利用遥感、GIS和影像AI识别技术，对灌区及灌区周边环境进行监测和识别，及早发现危害灌水行为和水源水体的变化情况，提高保护灌区的能力和水平，保护灌区的生态健康。同时监测灌区内作物生长状态，提高农垦质量。基于高分辨率卫星，通过同比、环比获取增/减量遥感数据，自动筛选嫌疑区。结合人工判断，识别作物种植结构变化以及进行水旱灾情研判。智慧应用体系-灌区综合业务管理系统从用户实际业务需求出发，通过建设数据中台、应用中台打破原有业务系统“烟囱”模式，实现功能模块单元灵活配置、个性定制、友好交互、敏捷迭代，提高整个系统运行效益。综合业务管理系统在整合现有业务系统的基础上，升级完善灌区办公系统、组织机构管理、基本信息管理等。以满足灌区日常办公和实际业务需求为基础，综合管理灌区，提高灌区工作效率。智慧应用体系-水量调度系统配水调配水调度管理以流量、水流水位、气象等数据为依据，以流量、水流水位、气象等数据为依据，结合灌区内农作物生长规律和用水阶段需求，基于供需水模型、输配水过程模型，分析生成灌区需水计划、供水计划并形成常规调度运行方案。推演灌区供水调度情况和作物灌溉进度，为灌区供水灌溉提供支撑。供水计划制定需水计划制定防汛抗旱调度实时采集气象、雨水情等多种感知数据，结合地貌地形数据实现洪涝风险、旱灾风险预报预警、灌区工程联合调度和应急处置等洪涝灾害和旱灾智能化应用，全面支持洪涝灾害和旱灾防御及应急处置等业务工作。灌区水源-输配-灌溉-排水全过程的水位、水量、水质精准调控智慧应用体系-水价管理与水费计收系统基于智慧水表的远程抄表计费功能，对灌区水费相关的用水户、灌溉面积、水价等基础信息的管理，用水单位、用水户水量的自动结算，应缴水费（定额内、超定额）的自动结算，水权交易等功能。同时可实现农业水费的基础信息管理银行代收，从而提高灌区水费收取透明度，促进水量、水价、水费“三公开”。达到高效管理、合理灌溉、节基础信息管理统计报统计报表水权交易算水费结水权交易算水费结算水费收取水量结智慧应用体系-灌区安全运行管理系统监测•通过渗压计、混凝土应变计、水位计、流量计等感知设备，实现大坝安全监测、视频监测、水库水位监测、流量监测、降水监测，为水库工程安全监测提供数据支撑。•实现对单个闸门控制和多个闸门的群控，随时随地了解设备运行状态、设备地址、设备位置、管理单位、工作电压、当前流量、今日/历史累计流量、信号强度等信息。•通过视频图像站、无人机等视频设备，对灌区情况进行拍照或拍摄视频，工作人员可以远程实时掌握现场情况。•建设水库、水闸、堤防、农村水电站等灌区水利工程基础信息数据库。收集人工巡视检查信息和自动监测设施信息，进行智能甄别、智能分析、安全评价，进行提示预警，调取历史数据和应急预案，利用专家线上会商，提出应急处置建议。形成预案库指导灌区安全运行。智慧应用体系-灌区效益评价系统基于灌溉水利用系数、渠系水利用系数、田间水利用系数、灌溉水生产效率、耕地有效灌溉率、节水灌溉工程面积率6个指标，对影响灌区用水综合效益的因素进行通过分析对不同作物不同灌溉方案的灌溉水利用系数的影响因素，寻找节水灌溉因子所占比例较大的灌溉方式和管理模式，以提高整体灌溉水利用系数。通过实际灌溉用水统计与计划用水量进行对比分析，提出从工程节水、用水计量、闸门调度、通过分析灌区农业灌溉供水成本构成要素（固定资源投资、年运行费水成本价格控制的度量因素，理提供决策支持。移动App/小程序巡查发起巡查执行拍照打卡巡查轨迹巡查执行拍照打卡巡查轨迹巡查监管数据统计移动办公其他功能数据统计建设价值-PROS优势闭环智慧灌区以数据为灵魂，模型为核心，依托3S、物联网、大数据、AI、5G、数字孪生等新兴技术，实现灌区用水可感知、可调控、可优化、可持续，以信息化手段落实总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针。SSPPOORR可感知Perceivable灌区信息 可调控Regulatable灌区过程目标协同+系统最优目标协同+系统最优可优化Optimizable灌区要素节水优先+和谐发展兴利目标节水优先+和谐发展可持续Sustainable灌区发展rr经济可行科学决策科学决策+智能控制透彻感知+信息融合04相关案例典型案例-山东省（烟台）小型水库项目本项目是山东省水利厅28.56亿“小型水库雨水工情自动测报和水库安全运行及防洪调度项目”的最大标段（4.41亿联通数科于2022高程联测高程联测库容曲线测绘库容曲线测绘雨水工情自动监测雨水工情自动监测•更新大坝中心经纬度、溢洪道尺寸、大坝上下游坡比、坝顶高程、溢洪道堰顶高程、涵管进口底高程、校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位、防洪限制水位、正常蓄水位、死水位、水位库容曲线、库水位-泄量关系图表等数据•更准确地掌握全省小水库的水资源情况及其防洪的能力，落实水库管理保护范围，以及为各防洪调度及后续各项建设工程提供数字化基础资料，对各水库进行库容曲线复核，以及库区1:500地形图测绘。•实现小型水库雨水情自动测报：小型水库大多无管理站（所）院，雨量监测采用和水位监测共杆安装；•实现小型水库大坝渗压自动测报：对坝型为土石坝的小（1）型和坝高15m以上的小（2）型的水库典型案例-湖北小型水库安全监测能力提升项目物联网统一接收云平台作为物联网数据接入的统一入口，具备对全省的雨水情监测设备、大坝安全监测设备、视频监测设备进行统一接收和管理，支持视频的存储以及转发，对上层应用提供视频流服务；支应用支撑平台建设遵循智慧江汉整体可视化模型库和通用洪水预报、基于大数据的洪水预报模型，为上层业务基础应用支撑平台通过构建统一的水库一张图管理平台、微服务管理平台、统一身份认证管理平台、智能外呼系统、GIS平台、三维仿真引擎。为上层业务•分析预警（包括雨水情监测数据、大典型案例-新疆莎车县地下水资源智能管控系统建设项目电子开关、流量计、IC卡、通讯模块等组成。每个机电井安装一台水电双控智能控制器，给每个农户发一张机井灌溉射频卡并为管理部门配备地下水位监测系统结合已有的监测井网，建立地下水监测井网