數(shù)字孿生背景下高郵灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的路徑分析

徐錫華，孫 萍

（1.高郵市水利局，江蘇 揚(yáng)州 225600；2..江蘇潤(rùn)?quán)]水利建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600）

大中型灌區(qū)是保障國(guó)家糧食安全的重要基礎(chǔ)，是落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有效抓手，灌區(qū)現(xiàn)代化是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的重要組成部分。

高郵灌區(qū)是南水北調(diào)東線工程源頭段第一個(gè)大型灌區(qū)，總面積649 km2，耕地面積約3.47 萬(wàn)hm2（52萬(wàn)畝），設(shè)計(jì)有效灌溉面積約3.36萬(wàn)hm2（50.46萬(wàn)畝）。灌區(qū)引用京杭運(yùn)河過境江淮水自流灌溉。灌區(qū)引水干（分干）渠9條115 km，支渠124條422 km。

自2000年灌區(qū)改造實(shí)施以來(lái)，高郵灌區(qū)經(jīng)歷了從提高水資源利用效率的續(xù)建配套與節(jié)水改造工程建設(shè)為主，到注重渠道生態(tài)襯砌，建設(shè)和諧友好型水環(huán)境，統(tǒng)籌考慮水環(huán)境與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一的節(jié)水生態(tài)型灌區(qū)，再到現(xiàn)階段建設(shè)全國(guó)一流的現(xiàn)代化節(jié)水生態(tài)型灌區(qū)，已走過20 多年的建設(shè)歷程［1］。高郵灌區(qū)始終堅(jiān)持工程建設(shè)、管理改革兩手抓，加快構(gòu)建灌區(qū)綜合治理新體系，為打造數(shù)字孿生現(xiàn)代化灌區(qū)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)代化條件分析

1.1 完善工程體系

2000年以來(lái)，持續(xù)推進(jìn)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目建設(shè)，改造了一批有安全隱患的工程設(shè)施，消除了一批“卡脖子”工程、建成了一批節(jié)水生態(tài)輸配水工程，累計(jì)完成干支渠襯砌279 km，新改建骨干建筑物1 754座。截至目前，已完成干渠改造75%，支渠改造45%，建成高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田2.5 萬(wàn)hm2（37.5 萬(wàn)畝），占有效灌溉面積75%，已經(jīng)形成“能灌、能排、能擋、能降”的工程體系。

1.2 提升管理效能

推行“專業(yè)管理、多方聯(lián)管、群眾參管”的管理模式。灌區(qū)管理處作為專管機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)全灌區(qū)的灌溉制度、用水計(jì)劃、水量調(diào)度、管理管護(hù)、監(jiān)督考核等；聯(lián)管隊(duì)伍由多個(gè)水利站水管員組成，按“用水早知道”的灌溉制度落實(shí)干、支口和節(jié)制閘的啟閉，巡查各鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水制度執(zhí)行情況；行政村組、農(nóng)民用水戶協(xié)會(huì)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)合作組織參與負(fù)責(zé)“最后一公里”的灌溉用水管理。

1.3 深化水價(jià)改革

全面推進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革，強(qiáng)化灌區(qū)取水許可，嚴(yán)格總量控制，確定不同作物的灌溉定額，測(cè)算分類農(nóng)業(yè)水價(jià)，出臺(tái)指導(dǎo)價(jià)格，由用水戶協(xié)會(huì)收取，不斷完善灌區(qū)供水計(jì)量設(shè)施，實(shí)行農(nóng)業(yè)用水精準(zhǔn)補(bǔ)貼和節(jié)水獎(jiǎng)勵(lì)，為提升工程管護(hù)水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水創(chuàng)造有利條件。

1.4 夯實(shí)信息化基礎(chǔ)

硬件方面，先后建成閘門遙控站39 處，視頻監(jiān)控點(diǎn)68 處，自動(dòng)水量計(jì)量點(diǎn)153 處等，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)引水渠首、干渠重要建筑物的精準(zhǔn)遙測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控。

軟件方面，建成智慧灌區(qū)平臺(tái)，集成“可視化集中展示、灌區(qū)管理一張圖、綜合業(yè)務(wù)管理、移動(dòng)智能終端”4 個(gè)模塊，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理、存儲(chǔ)；運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、360°全景、天地一體三維等技術(shù)，在“一張圖”上進(jìn)行綜合展示；將水稻分階段需水需求、歷史灌溉經(jīng)驗(yàn)融入調(diào)度模型，形成灌溉調(diào)度方案，開發(fā)群閘遙控系統(tǒng)，開發(fā)巡檢考核APP，在每年的水稻灌溉期間（5—9月），根據(jù)上級(jí)分配的水量，依據(jù)水雨工情，在灌區(qū)指揮調(diào)度中心，適時(shí)調(diào)度水源，控制水閘啟閉。

1.5 做優(yōu)“用水早知道”品牌

為集約化利用好水源，持續(xù)做優(yōu)“用水早知道”品牌，優(yōu)化干、支、斗、農(nóng)渠的輪灌編組，根據(jù)水稻不同生育期的需水量，編印不同的灌溉水期表，像火車運(yùn)行時(shí)刻表一樣，印發(fā)至千家萬(wàn)戶，讓老百姓做到用水早知道，農(nóng)事早安排，同時(shí)，通過二維碼，及時(shí)向社會(huì)發(fā)布信息。

2 現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的目標(biāo)任務(wù)和重點(diǎn)工作

灌區(qū)現(xiàn)代化是社會(huì)現(xiàn)代化和水利現(xiàn)代化的綜合體現(xiàn)，是一個(gè)復(fù)雜的長(zhǎng)期過程［2］。大型灌區(qū)現(xiàn)代化內(nèi)涵：用人與自然和諧共生的現(xiàn)代理念指導(dǎo)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，用先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)工藝、先進(jìn)設(shè)備打造灌區(qū)工程設(shè)施，用現(xiàn)代科技引領(lǐng)灌區(qū)發(fā)展，用現(xiàn)代管理制度進(jìn)行灌區(qū)管理，建成與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)的防災(zāi)抗災(zāi)有力、灌排設(shè)施完備、工程運(yùn)行可靠、灌溉服務(wù)高效、生態(tài)環(huán)境健康的灌區(qū)，具有較高的農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率，滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與國(guó)家現(xiàn)代化進(jìn)程對(duì)灌區(qū)發(fā)展的要求［3］。

高郵灌區(qū)將按照“節(jié)水高效、設(shè)施完善、管理科學(xué)、生態(tài)良好、文化彰顯”的現(xiàn)代化灌區(qū)要求，在保證灌區(qū)糧食生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，以優(yōu)化與精準(zhǔn)執(zhí)行高郵灌區(qū)“用水早知道”為核心，圍繞“設(shè)施更加完善的節(jié)水灌區(qū)、景色更加怡人的生態(tài)灌區(qū)、底蘊(yùn)更加深厚的人文灌區(qū)、調(diào)度更加精準(zhǔn)的智慧灌區(qū)、管理更加高效的規(guī)范灌區(qū)”5個(gè)灌區(qū)進(jìn)行打造，努力建設(shè)具有江蘇特點(diǎn)、高郵特色的現(xiàn)代化灌區(qū)，為促進(jìn)鄉(xiāng)村振興和中國(guó)式現(xiàn)代化貢獻(xiàn)灌區(qū)力量。

數(shù)字孿生灌區(qū)是現(xiàn)代化灌區(qū)的重要標(biāo)志，是灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的方向。按照水利部大力推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)要求，2022 年，高郵灌區(qū)被列為為全國(guó)48 處數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)試點(diǎn)之一，對(duì)標(biāo)“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總體要求，在數(shù)字孿生的背景下，高郵灌區(qū)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的方向：將灌區(qū)骨干工程與高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田灌排體系建設(shè)統(tǒng)籌推進(jìn)，對(duì)全灌區(qū)干、支、斗各級(jí)渠系及建筑物工程實(shí)施智能化改造，包括智能快速調(diào)度、安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程安全控制、多維場(chǎng)景耦合計(jì)算與預(yù)演，推進(jìn)建筑信息模型（BIM）技術(shù)在水利工程全生命周期運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生預(yù)演、科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度、水源高效利用、全心為民服務(wù)”。

值得強(qiáng)調(diào)的是，“用水早知道”是灌區(qū)采用集約調(diào)水、按需配水、定時(shí)供水、制度節(jié)水的用水管理模式，也是20 多年來(lái)，灌區(qū)著力打造的為民服務(wù)品牌。執(zhí)行“用水早知道”，就是高郵灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，就是要始終以人民為中心，綜合運(yùn)用工程建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行、管理管護(hù)等措施，實(shí)現(xiàn)渠道供水時(shí)間更精準(zhǔn)，讓農(nóng)民用水早知道，農(nóng)事作業(yè)早安排，灌溉用水少煩神。數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)將進(jìn)一步做優(yōu)“用水早知道”。

3 實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 整合資源，完善灌排基礎(chǔ)設(shè)施

建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)，完善的灌排設(shè)施是基礎(chǔ)。高郵市委、市政府十分重視灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)，成立領(lǐng)導(dǎo)小組，進(jìn)一步加強(qiáng)部門間的協(xié)同配合和資源整合，特別是涉農(nóng)部門之間的溝通銜接。灌區(qū)骨干工程建設(shè)屬水利部門建設(shè)職責(zé)，斗渠以下及田間水系系改造屬于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)范疇，建設(shè)職責(zé)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門，建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)，必須同步開展灌排骨干工程和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的協(xié)同建設(shè)，并有效溝通自然資源與規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境等相關(guān)部門。

“十四五”期間，灌區(qū)正在加快完善“1111”骨干工程體系，即建設(shè)1 套完善的引補(bǔ)互濟(jì)水源工程體系、1 套完備的骨干輸配水體系、1 套智慧的調(diào)度運(yùn)行體系、1 套規(guī)范的管理管護(hù)體系。協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門，優(yōu)先將高郵灌區(qū)內(nèi)的有效灌溉面積建成高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，計(jì)劃新建高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田約6.67 萬(wàn)hm2（10 萬(wàn)畝），到2025 年底，占灌區(qū)耕地面積的90%以上，實(shí)現(xiàn)源水、輸水、用水、排水環(huán)節(jié)工程同步改造，同步發(fā)揮效益。

3.2 因地制宜，編制先行先試方案

依據(jù)農(nóng)田灌溉發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合高郵灌區(qū)十四五發(fā)展規(guī)劃，充分分析自身需求、技術(shù)措施、資金保障等相關(guān)條件，本著因地制宜，先行先試，先進(jìn)適用的原則，編制了數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)實(shí)施方案，以期通過試點(diǎn)建設(shè)，進(jìn)一步探索高郵灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)之路。方案提出以南關(guān)干渠作為先導(dǎo)建設(shè)區(qū)域，灌溉面積約6.67萬(wàn)hm2（10萬(wàn)畝），完善基礎(chǔ)設(shè)施、豐富數(shù)據(jù)底板、補(bǔ)充灌區(qū)模型、優(yōu)化系統(tǒng)功能，以業(yè)務(wù)場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，以軟件平臺(tái)為載體，率先在該范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生建設(shè)。

3.3 應(yīng)用至上，科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度水源

高郵灌區(qū)從京杭大運(yùn)河引水，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)用水服務(wù)，不涉及居民生活、工業(yè)生產(chǎn)等用水服務(wù)，加上灌區(qū)不承擔(dān)防汛排澇任務(wù)，同時(shí)，大運(yùn)河水位水量穩(wěn)定，不需要對(duì)來(lái)水量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。因此，灌區(qū)職能相對(duì)單一，在數(shù)字孿生建設(shè)應(yīng)用需求方面，僅需對(duì)作物的需水量進(jìn)行分析，在大運(yùn)河不同水位條件或不同水量分配條件下，優(yōu)化灌溉調(diào)度決策模型，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)形成的知識(shí)圖譜庫(kù)，提供灌溉用水全鏈條、全過程、全尺度系列化解決方案，通過輸配水過程仿真和調(diào)度方案推演，實(shí)現(xiàn)“用水早知道”。在灌區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)“用水早知道”以主觀判斷為依據(jù)向客觀規(guī)律為依據(jù)轉(zhuǎn)變，由以歷史經(jīng)驗(yàn)為主向數(shù)據(jù)支撐+歷史經(jīng)驗(yàn)的模式轉(zhuǎn)變，力求將每一滴水用好，把每一塊田灌好，是數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的重中之重，也是高郵灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

3.4 數(shù)字賦能，提高管理運(yùn)行效率

一是加強(qiáng)算力建設(shè)。對(duì)灌區(qū)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度中心等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造，通過感知采集、物聯(lián)網(wǎng)和水利信息網(wǎng)完成各類信息的收集、處理、存儲(chǔ)，完成應(yīng)用系統(tǒng)向云端遷移，最終在江蘇水利云上存儲(chǔ)、運(yùn)算，為數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)提供“算力”支撐。

二是注重算據(jù)收集。完成南關(guān)干渠重要的建筑物三維建模，在灌溉范圍內(nèi)開展傾斜攝影，建成滿足仿真調(diào)度的L2級(jí)數(shù)據(jù)底板；完善建設(shè)骨干建筑物數(shù)據(jù)采集、遙控監(jiān)控設(shè)施，正在建設(shè)“空天地”一體化作物需水感知體系，統(tǒng)籌整合水雨工情，為數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)提供“算據(jù)”支撐。

三是優(yōu)化算法服務(wù)。優(yōu)化灌溉模型，以歷年“用水早知道”的灌溉數(shù)據(jù)及調(diào)度數(shù)據(jù)為核心，建設(shè)含有用水需求、灌區(qū)用水調(diào)度預(yù)案、業(yè)務(wù)規(guī)則的平臺(tái)，在數(shù)字空間對(duì)用水調(diào)度和工程管理進(jìn)行智慧化模擬，為數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)提供“算法”服務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，數(shù)字孿生是重要的舉措之一，須在完善的工程設(shè)施的基礎(chǔ)上，配合一支長(zhǎng)于管理的隊(duì)伍，實(shí)現(xiàn)物理與數(shù)字映射，真實(shí)與虛擬結(jié)合，預(yù)演與執(zhí)行統(tǒng)一，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生為灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)賦能，為人民群眾灌溉用水服務(wù)。