《数字孪生灌区建设架构与技术要求》

数字孪生灌区技术与经验交流培训班

数字孪生灌区建设架构与技术要求

李益农所长/二级正高

中国水利水电科学研究院

国家节水灌溉北京工程技术研究中心

水利部数字孪生流域重点实验室

2023年5月31日

目录

01背景意义

02总体架构

03技术要求

04实践认识

01背景意义

1.1灌区发展阶段

北方灌排工程建设灌区续建配套与节水改造，五小水利建设

北方打井抗旱，黄河上中游加快了大中型灌区续建配套与节水改造建

建设泵站。设及末级渠系建设、田间工程配套，高标

准农田建设，节水灌溉技术推广。

50年代60-70年代80-2000年2001-2020年2021

全国灌排工程兴建管理体制改革

建国初期，兴修农田水利税费改革、多种经营，多种形灌区现代化

，解决人民吃饭问题。式的责任制，1989年出台了“

劳动积累工”制度。

1.2灌区信息化发展历史

水情信息的汇总整理:自动计量、信息化试点建设:2015年底，153处灌

自动预测、自动控制方面的探索区开展了信息化建设，提升灌区综合管

研发。理水平和水资源配置调度能力。

上世纪70年代上世纪80-90年代2000-20152016-20202021

“十四五”:灌区信息化

覆盖率达到80%以上。

水文信息的信息化处理:自动调度、自3S技术、物联网+技术应用:根据气象

动测报、自动计量、网络通讯技术方变化、作物需水等，进行灌溉预报，对

面的探索。灌溉用水“总量控制、定额管理”。

1.3灌区信息化发展阶段

预报预警

方法

推演决策

感知硬件未来目标

极少数灌区智能/智慧化

自我判断

数字化

绝大部分灌区自我决策

方案推演自我执行

信息化决策支持无人值班、少人值守

自动采集

数字赋能

工程上图

信息查询数字孪生

“四预”能力

1.4灌区现代化与高质量发展提出要求

灌区现代化与高质量发展

设施完善节水高效管理科学生态良好

粮乡

食村

安振

全兴

··

水现

用先进技术、先用现代科技促进用科学管理制度、用人与自然共生

安进工艺、先进设灌区高效节水和先进管理手段提理念指导灌区生代

全备打造灌区工程可持续发展高管理服务能力态环境保护建设化

四项任务

灌区工程现代灌区管理“四项”灌区管理科学灌区管理标准

化升级改造机制深化落实化智慧化化规范化

灌区管理数字化智慧化是重要手段

1.6水利部出台系列文件，推动智慧水利建设

2018年，中央一号文件明确要实施智慧水利工程。

2019年，全国水利工作会议指出，抓好智慧水利顶层设计。水利部先后印发《加快推进智慧水利的指导意见》

《智慧水利总体方案》和《智慧水利网信水平三年行动提升方案（2019—2021年）》，进一步明确了我国智慧水

利建设的总体要求和目标任务以及近期行动计划。

2021年，水利部印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》

《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》。

2021年12月，水利部召开推进数字孪生流域建设工作会议。

2021年12月，水利部印发《关于实施国家水网重大工程的指导意见》

2022年，全国水利工作会议明确要求，打造一批现代化数字灌区。

2022年6月，印发《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》。

2022年12月，水利部印发了关于开展数字孪生灌区先行先试工作的通知。

灌区作为国家水网“最后一公里”

是数字孪生流域和数字孪生水利工程建设中的重要应用场景

1.5数字孪生灌区提出背景

数字地球数字黄河数字中国数字政府

技术问题包括计黄委会：十九大：十九届四中全会：

算机科学、海量用数字化手段统以遥感为技术手段，“用数据对话、用

数据存贮、卫星一处理黄河问题，在可持续发展、农数据决策、用数据

遥感、网络、元同时又最大限度业、资源环境等方服务、用数据创新”

数据等。地利用信息资源。面管理中国。的现代化治理模式。

数字灌区数字孪生流域数字孪生水网数字孪生工程

安徽省：水利部：水利部：水利部：

省政府专题会议提召开推进数字孪生水利部印发《关于印发《水利部关于

出加快推进数字灌流域建设工作会议。实施国家水网重大开展数字孪生工程

区建设，水利厅专

门部署淠史杭组织工程的指导意见》。建设先行先试工作

编制数字灌区建设的通知》。

规划。

1.7水利部启动数字孪生灌区先行先试建设

2022年12月29日，水利部印发了关

于开展数字孪生灌区先行先试工作的

通知，同步印发《数字孪生灌区建设

技术指南（试行）》和实施方案编制

大纲。

启动48处大中型灌区开展数字孪生灌

区先行先试建设。

02总体架构

2.1数字孪生灌区的定位

服务灌区管理需求总体目标灌区管理上升到数字化、智能

化、智慧化层面

指导灌区管理实践

核心要求

两个转变灌区管理由以主观判断为依据

向以客观规律为依据转变

显著提升灌区管理技术水平

决策由以历史经验为主向数据

显著提升灌区服务能力两个提升

支撑+历史经验的模式转变

2.2数字孪生灌区的理念转变

NOYES

遍布的摄像头

1从硬件设备转变为一系列技术方法

密集的量测控设备数字孪

生灌区2从静态展示转变为动态决策过程

计算机集群

3从数据存储转变为数字驱动的管理模式

海量数据存储

2.3数字孪生灌区的主要构成要素

需求驱动的数据网

支撑在现有星-机-地立体监测技术及方法的基础上，针对

管理者、用水户的不同需求，提供时空各异的多元化

通道互联的基础网数据信息。

在现有水系连通的基础上，采

基础核心

集整编灌区基础资料，打造数格局优化的模拟网

字孪生灌区的基础硬件网。对现有的针对单一功能的仿真模型进行有机集成，提

供用水全链条、全过程、全尺度系列化解决方案，形

灵魂成物理机制模型库，并采用历史数据打造知识图谱库。

四网合一的完整体系业务导向的决策网

把数字孪生灌区从实验室的研

关键以系统治理为抓手，在现有的单目标优化调度基

究层面拓展到实际应用层面，础上，提出基于灌区生态系统可持续发展的供需

真正实现两手发力。耗排多目标决策方案，打造情景决策“一张图”。

物理灌区/实体灌区

物理灌区/实体灌区

水库

渠首枢纽

渠道

建筑物

排水沟

······

农田

居民

工业企业

生态系统

······

基础网

水利云服务平台

数据管理层

存储

存储资源

计算资源

双活数据中心

传输传输层

控制公共网物联网

5G/4G/光纤LoRa/RFID

感知层智控层

渠道管道库/湖/塘视频监测闸群联控泵站自控

核心感知管理局

监测水质参数降水/气象田间墒情骨干工程区域遥感计量控制灌溉管理

辅助决策协会/用水户

数据网

•基础数据、监测数据、业务数据······

调度防洪抗旱应急

水库防汛洪水监测

数据

主题库

一体化污

水处理

数据关联属性数据关联关系数据挖掘

智能

污水处理标签

出水水质灌区渠道

计量

数据质量控制一数一源

排污口数据

水源地

灌区环境监测治理

水质监测

监测

水利监测数灌区水网地形气象农业地图

灌溉用水

调度数据

上云……

模拟网

知识图谱模型

物理机制模型

（大数据模型）

输配

能力

干旱

外调

程度气温

旱情风险分析模型渠道输水动力模型降雨产汇流预测模型灌区应用水

降水

智能模型可供

水量

水库

田间水肥平衡模型水质污染扩散模型

运行水

墒情调度

核心模型

地理信息系灌溉

工况作物方式

城镇需水

服务用户供水

感知体系面积

作物

类型

决策网

•模型支撑业务决策

摸清家底建设管理运维管理

监测预警模拟推演形式分析方案编制会商决策执行监督调度总结

监测预警模拟推演形式分析方案编制会商决策执行监督调度总结

抗旱防洪应急

是否

否

会商决策执行

驱动模型调度

是

驱动

气象数据模型水文水环境模拟结果灾害减轻否优化调度

或清除达会商决策执行调度调度评价

水文数据模拟预测综合分析到预期方案

用水效率评估

是

是

调度方案执行监督

是否否成果管理

（预案）会商

决策

多源数据

执行调度

•提高模型模拟精度

•解决模型误差随时间累积问题

数据融合数据同化

数字化“实时推演”

作物需耗水估算

情景决策“一张图”

2.4灌区主要业务

水情感知预报水量调度控制

水管理系统城乡供水管理应急支撑管理

水资源配置管理水污染防控管理

工程建设管理工程运行管理

灌区管理服务工程管理系统

工程维护管理工程安全监测

水费计收管理水政执法管理

政务管理系统

办公OA档案管理

外部交互服务对外交互平台上级主管部门相关业务部门

GIS数字地图灌区工程要素

地理信息服务灌区数字沙盘水情信息工情信息

方案推演情景展示

2.5灌区业务管理需求

一是灌区水资源优化配置，提高水资源利用率的需要

目前灌区供需水量计算主要依靠上报数据，配置方案制定主要依靠历史经验，存在主观性强、动态调整难、

人工调算效率低等问题，新形势下供需水预测科学化、多源精准优化配置智能化成为数字孪生灌区建设

的核心要务。

二是供用水管理过程精准，提高灌区用水管理水平的需要

目前，大部分灌区供水调度主要依靠人工方式，存在主观性强、无法实时推演等问题，已不能满足灌区现

代化建设需求，急需科学制定调度预案、动态调整调度方案、实时预演调度预案等现代化支撑手段。

三是水旱灾害科学防御，提高灌区减灾能力的需要

多数灌区在面临水旱灾害时，暴露出工程供水能力不足，优化调控手段弱的问题，亟待采用先进模拟手段

对旱情汛情进行精准预报、及时预警、实时预演、科学预案，提高水旱灾害防御能力。

2.4技术手段需求

突出表现：亟待开发专业算法支撑业务应用

供需水感知预测预报水资源时空优化配置

存在问题：目前供需水感知与预报能力较弱，未实现量测设施的存在问题：目前灌区大多根据历史供水经验编制供水配置计划，

数字化需水感知、旱情评估分析的抗旱调度以及水资源优化配置未依据来水需水等预测预报数据以及优化算法

瓶颈工作：亟待开发供需水感知预测预报模型，实现灌区供、需、瓶颈工作：亟待开发基于GIS的多目标优化配置模型，实现多水

耗、用水流全过程的预测预报源在时空分布、多用户间的优化精准配置

输配水过程模拟及调度调控水旱灾害防御决策及预案

存在问题：目前灌区供水调度普遍以电话电报等人工方式为主，存在问题：目前灌区普遍存在水旱灾害监测预警能力弱、实时反

未采用现代化决策支持手段进行调度决策和仿真推演馈不及时等问题

瓶颈工作：亟待开发基于水力学算法的输配水仿真调度模型，实瓶颈工作：亟待开发具有灾害实时监测、评估诊断、灾害预警、

现渠系输配水过程动态模拟和实时调度决策灾害预演及预案等功能的灾害防御模型

2.5数字孪生灌区建设技术架构

用户灌区管理单位农业、工业、城乡供水用水户水行政主管部门其他授权用户

水资源配置与供

业务供需水感水旱灾害防御工程管量水与水水公共服灌区一张…

用水（智能）调

知与预报（智能）调度理费计收务图

应用平台度…

网数运

模知预报方案水利对象关联关系

络字型灌区专题模型智能识别模型可视化模型识行

安孪库库业务规则历史场景调度方案维

全生护

体平体

系台数据底板基础数据监测数据业务数据地理空间数据外部数据共享系

立自取输排田支应通计调

水工农气间撑用信算度

体动引配退

信息化基础设施感情情情象控灌保支网存中

水水水撑络

知制溉障储心

物理灌区水源工程灌溉排水工程体系灌溉区域作物种植结构主要用水户等……

2.6数字孪生灌区试点建设基本原则

需求牵引统筹谋划整合共享融合创新整体防护

应用至上分步实施集约建设先进实用安全可靠

分析灌区业务管谋划顶层设计，整合已建、统筹强化云计算、大构建安全可靠的

理需求，因地制明确建设目标和在建、规范新建，数据、数字孪生、网络安全体系，

宜开展基础设施建设内容，急用避免重复建设物联网、人工智优先采用自主可

和平台体系建设先建、分步实施能、5G、区块链控软硬件

等信息技术应用

2.7数字孪生灌区分项任务建设范围

1.业务应用建设范围3.灌区全域的一张图

灌区范围、渠系分布、建筑物、作物类型分布等

1)全灌区的水资源配置、供水调度、用水计量等功能

2)全灌区的水利工程台账、巡检、运行养护等功能

4.数字孪生建设范围

3)全灌区的水价改革、水费计收等功能

1)渠首或关键节点的重大水利工程、重点片区

2)不需要灌区全域全覆盖

2.骨干渠系的自动化监测建设范围

1)感知体系应包括水位、流量，重要工程与险工险段5.模型库和知识库建设范围

工情（变形、位移、渗漏、应力、应变等），农情1)专题模型：需水预测、水资源配置、输配水联合调度（包

（墒情、种植结构等）含水流过程仿真和供水调度）

2)控制体系应包括闸门、泵站等的控制2)可视化模型：主要在数字孪生工程建设范围，适度即可

6.四预功能建设范围

1)预报：来水预报、需水预报

2)预警：骨干渠系重点工程超水位/水量预警、旱情预警、重要工程与险工险段安全运行预警

3)预演：骨干渠系水流过程预演、数字孪生建设范围的水动力预演、灌溉进度预演

4)预案：用水计划预案、供水调度预案、应急抗旱防汛预案

03技术要求

3.1立体感知体系

感知内容：水情、工情、农情、气象

技术手段：空、天、地一体化

作物需水、作物耗水、作物长势、灌溉面积、水稻栽插面积、种植结

构、作物水分状况、作物产量等

多源影像信息、水库水面面积、枯水期塘坝三维地形、塘坝蓄水等

雨量、流量、水位、土壤水分、田间水层、农田旱情、气象因子、位

移、渗漏、闸门开度、水质等

水情感知

水位监测流量监测

浮子水位计超声波时差法

机械式测量水声学时差法

压力水位计ADCP

压力式测量水声学多普勒法

超声波水位计雷达波法

自动监测站系统

声波遇不同介面反射多普勒效应

雷达水位计