近年來我國(guó)持續(xù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)耕地灌溉事業(yè)快速發(fā)展,已建成大中型灌區(qū)7300多處,形成了相對(duì)完善的蓄水、引水、提水、輸水、排水工程網(wǎng)絡(luò)體系。10.75億畝的耕地灌溉面積占全國(guó)耕地面積的56%,生產(chǎn)了全國(guó)77%的糧食和90%以上的經(jīng)濟(jì)作物,為全國(guó)糧食總產(chǎn)量突破1.4萬億斤貢獻(xiàn)了重要力量,豐收背后,灌區(qū)建設(shè)等水利工程不可或缺。其中,數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)用起到了重要作用,數(shù)字孿生技術(shù)為灌區(qū)輸配水裝上“智慧大腦”,精準(zhǔn)調(diào)配水資源,讓每一滴水都發(fā)揮價(jià)值。
建設(shè)數(shù)字孿生灌區(qū)(也稱智慧灌區(qū)),即以物理灌區(qū)為單元、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng),對(duì)物理灌區(qū)全要素和水利治理管理全過程進(jìn)行數(shù)字化映射、智能化模擬,實(shí)現(xiàn)與物理灌區(qū)同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。
場(chǎng)景一:
2025年開年以來,在山東位山灌區(qū),眼下已經(jīng)開始提前進(jìn)行春灌蓄水工作。為確保500多萬畝農(nóng)作物開春后能及時(shí)“喝上”黃河水,灌區(qū)提早啟動(dòng)了春灌蓄水工作。在灌區(qū)的智慧調(diào)度中心,工作人員操作數(shù)字孿生系統(tǒng),通過對(duì)灌區(qū)干渠系統(tǒng)輸配水過程進(jìn)行場(chǎng)景化動(dòng)態(tài)模擬預(yù)演,觀察渠道水位、水流時(shí)間、流量、溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化。將渠道的物理要素,像渠道水利用系數(shù)、糙率、邊坡系數(shù)等,全部都納入數(shù)字孿生平臺(tái),進(jìn)行方案的預(yù)演。
作物是否需要水,需要多少水,可以通過需水預(yù)測(cè)模型進(jìn)行科學(xué)計(jì)算,配合配水調(diào)度、水動(dòng)力仿真等模型的使用,能夠模擬預(yù)演供水過程,生成zui優(yōu)配水調(diào)度方案。通過數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè),位山灌區(qū)畝均可節(jié)水近30立方米,擴(kuò)大灌溉面積10萬畝,在節(jié)水的同時(shí),畝產(chǎn)比其他同類型灌區(qū)高出20%。
場(chǎng)景二:
淠史杭灌區(qū)位于安徽省中西部和河南省東南部,橫跨江淮兩大流域,由淠河、史河、杭埠河三個(gè)毗鄰灌區(qū)組成,設(shè)計(jì)灌溉面積1098萬畝,受益范圍涉及皖豫2省4市17個(gè)縣區(qū)。
近年來,淠史杭總局按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求,結(jié)合灌區(qū)管理實(shí)際,因地制宜開展數(shù)字灌區(qū)建設(shè)。通過前端感知體系的加強(qiáng)和“灌區(qū)專題模型+數(shù)據(jù)底板”與業(yè)務(wù)融合,有效支撐灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、供水科學(xué)調(diào)度以及渠道防洪“四預(yù)”功能的實(shí)現(xiàn),灌區(qū)管理逐步實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)灌溉管理向現(xiàn)代化管理的轉(zhuǎn)變。
實(shí)時(shí)接入雨情、水情、墑情、工情、視頻和氣象等各類監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)4099處,利用水情在線監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感影像解譯灌區(qū)水庫(kù)、塘壩、渠道蓄水,通過蓄水監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建完整的灌區(qū)水源監(jiān)測(cè)體系。利用遙感影像分片區(qū)定量分析灌區(qū)內(nèi)1000多座小型水庫(kù)和20萬口塘堰來水量,全面掌握灌區(qū)水源供水條件。
以灌區(qū)算據(jù)為支撐,利用灌區(qū)水資源配置模型,實(shí)現(xiàn)不同年型供需水平衡分析和優(yōu)化配置,在應(yīng)對(duì)旱情上,配水方案編制時(shí)間由原來1-2周縮短為幾分鐘,可以根據(jù)降雨來水形勢(shì)變化及時(shí)作出動(dòng)態(tài)優(yōu)化配水方案的目標(biāo);利用灌區(qū)渠道調(diào)度模型和水動(dòng)力仿真模型,對(duì)水量調(diào)度進(jìn)行場(chǎng)景化動(dòng)態(tài)模擬,實(shí)現(xiàn)可視化“預(yù)演”,優(yōu)化復(fù)雜渠系下多控制目標(biāo)的聯(lián)合調(diào)度,提高水閘調(diào)度的科學(xué)性和時(shí)效性。
場(chǎng)景三:
在江蘇,2025新年伊始,新禹河灌區(qū)的現(xiàn)代化改造已完成建設(shè)。新建成的數(shù)字孿生灌區(qū)平臺(tái)不僅能夠精準(zhǔn)“把脈”灌區(qū)內(nèi)的每一道泵站設(shè)施,實(shí)現(xiàn)智能化巡檢與調(diào)度;同時(shí)還可以實(shí)時(shí)匯聚海量數(shù)據(jù),為農(nóng)戶定制科學(xué)灌溉方案。
在農(nóng)田灌溉用水季,我們模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育特性,通過田間氣象、墑情、水位等數(shù)據(jù),依托數(shù)字孿生灌區(qū)平臺(tái),制定科學(xué)的灌溉方案,用zui短的灌溉距離,zui少的灌溉用水,獲得zui大的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出。
場(chǎng)景四:
歐陽海灌區(qū)工程是湖南湘南地區(qū)重要水安全保障工程,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、發(fā)電、生態(tài)保護(hù)等綜合利用的大二型水利樞紐工程,設(shè)計(jì)灌溉衡陽市的衡南縣、耒陽市、常寧市和珠暉區(qū)共計(jì)72.74萬畝農(nóng)田,有干渠四條,總長(zhǎng)297.9公里,受益人口156萬人。
歐陽海灌區(qū)管理局全面踐行水利高質(zhì)量發(fā)展“六條實(shí)施路徑”,按照“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用布局開展工作,大力開展數(shù)字孿生基礎(chǔ)建設(shè),已初步建成監(jiān)測(cè)感知體系、通信網(wǎng)絡(luò)體系、自動(dòng)化控制體系、算力基礎(chǔ)環(huán)境等數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施。
過去,越是天氣惡劣,數(shù)據(jù)越難傳回,灌區(qū)實(shí)時(shí)信息掌握困難。暴雨期間,渠道工程水位、流量、險(xiǎn)工險(xiǎn)段及閘門運(yùn)行狀態(tài)等信息至關(guān)重要,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式容易發(fā)生信號(hào)中斷問題,給渠道運(yùn)行調(diào)度造成非常大的影響。如今,不管距離遠(yuǎn)近、天晴下雨、白天黑夜,灌區(qū)數(shù)據(jù)以及視頻信號(hào)可實(shí)現(xiàn)可靠、高效、快捷傳輸,有效確保調(diào)度中心對(duì)全灌區(qū)各類信息的全盤掌控。感知體系可以實(shí)現(xiàn)骨干渠道運(yùn)行監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)管、無人機(jī)巡查及閘門遠(yuǎn)程控制。在實(shí)際應(yīng)用中,通過算法設(shè)計(jì),自動(dòng)控制攝像機(jī)自上而下沿渠巡視,自動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題,自動(dòng)上報(bào)預(yù)警。
場(chǎng)景五:
山西大禹渡灌區(qū)于2021年開工建設(shè),主要建設(shè)內(nèi)容為灌區(qū)泵站工程、輸配水工程、計(jì)量監(jiān)測(cè)工程及智慧水管理體系。通過項(xiàng)目的實(shí)施,樞紐水源泵站和灌區(qū)的5個(gè)再揚(yáng)泵站完成提檔升級(jí),項(xiàng)目全部建成后將改善灌溉面積29.12萬畝,恢復(fù)灌溉面積2.23萬畝,年新增節(jié)水能力838.8萬立方米,新增糧食產(chǎn)能2005.8萬公斤。
憑借衛(wèi)星遙感、5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)深度融入智慧灌區(qū)建設(shè),構(gòu)建數(shù)據(jù)分析與共享的數(shù)字孿生灌區(qū)體系,水渠變“云”渠,灌區(qū)擁有了“智慧之心”。灌區(qū)“一張圖”清晰呈現(xiàn)在大屏幕上,灌區(qū)地形地貌、渠系、閘站等分布一目了然,各類引水、供水等數(shù)據(jù)圖表、線條動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)?!巴ㄟ^數(shù)字孿生技術(shù),利用灌區(qū)水源泵站上的相關(guān)模型,能夠按需整合泵站機(jī)組群的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及運(yùn)行臺(tái)時(shí),優(yōu)化提高泵站機(jī)組群供水能力,滿足灌區(qū)群眾用水需求。同時(shí)能夠降低泵站機(jī)組能耗、減少黃河泥沙水對(duì)機(jī)組的磨損。”
水利部農(nóng)村水利水電司灌溉節(jié)水處處長(zhǎng)張翔表示:在數(shù)字孿生灌區(qū)、水網(wǎng)方面,浙江、山東等10個(gè)省級(jí)先導(dǎo)區(qū)數(shù)字孿生水網(wǎng)已經(jīng)建成投用,初步建成河套、淠史杭等49處數(shù)字孿生灌區(qū),全國(guó)建成709個(gè)縣域農(nóng)村供水?dāng)?shù)字化管理平臺(tái)。下一步,結(jié)合我國(guó)水網(wǎng)重大工程建設(shè),在一些水土資源條件比較好的地方,再新建一批節(jié)水型、生態(tài)型灌區(qū)。另外加快實(shí)施一批灌區(qū)現(xiàn)代化改造,優(yōu)先把大中型灌區(qū)建成高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田,為我們新增千億斤糧食產(chǎn)能作出更大的水利貢獻(xiàn)。
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