冯天权-新“智”生产力引领灌区高质量发展

新“智”生产力引领灌区高质量发展新“智”生产力引领灌区高质量发展冯天权P1P2一、数字孪生灌区建设背景一、数字孪生灌区建设背景二、数字孪生漳河灌区建设方案三、体会与展望 P3P4数字孪生灌区概述建设任务:主要是在灌区信息化建设基础上，充分利用智慧水利、数字孪生流域、数字孪生水利工程和数字孪生水网建设等相关成果，强化信息感知、资源共享、决策支持、泛在服务等体系构建；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，提高灌区预报、预警、预演、预案(“四预”)能力，动态优化灌区水资源调度，充分发挥灌区综合效益。来源：《数字孪生灌区建设技术指南》数字孪生灌区总体架构数字孪生灌区建设包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用平台、网络安全体系、运行维护体系等。(来源《数字孪生灌区建设技术指南》)P5P6数字孪生灌区系统组成1、物理灌区：主要包括水源工程，灌溉排水工程体系，灌溉区域作物种植结构及主要用水户等。系统组成系统组成2、信息化基础设施。主要包括立体感知体系、自动控制系统、支撑保障体系，为灌区数据采集、传输存储、分析计算、应用支撑、运行管理等提供基础支撑和算力保护。3、数字孪生平台包括数据底板、模型库、知识库等。数据底板为模型库和知识库提供算据；模型库和知识库为典型应用提供算法。其中，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，模型库包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型，知识库包括多年运行管理经验凝练成的专家经验和业务规则。4、业务应用平台包括供需水感知与预报，水资源配置与供用水调度、水旱灾害防御、工程管理、自动控制、量水与水费计收、水公共服务及灌区一张图等主要业务模块。5、网络安全体系包括组织管理、安全技术、安全运营、监督检查、数据安全等。6、运行维护体系包括管理制度，运维保障，标准规范等。P7数字孪生灌区建设内容 包括立体感知体系，自动控制系统， 包括立体感知体系，自动控制系统，支撑保障体系等建设。主要建设内容信息化基础设施 包括数据底板 包括数据底板，模型库和知识库建设。数字孪生平台主要包括供需水感知与预报决策、水资源配置与供水调度、主要包括供需水感知与预报决策、水资源配置与供水调度、水旱灾害防御、工程管理、量水与水费计收、水公共服务及灌区一张图等主要业务模块建设。业务应用平台 主要包括组织管理。安全技术、安全运营、监督检查、数据安全等方面的技术要求。网络安全体系 主要包括运行维护制度建设和运行维护管理要求。 主要包括运行维护制度建设和运行维护管理要求。运行维护体系 P8P9数字孪生是实现智慧漳河的基础和重要手段信息化建设基础漳河局自1990年开始信息化建设以来，建设了近千个包括水位、雨量、流量、视频等感知设备，开发了近20个业务系统，在信息采集系统建设、业务应用平台开发、通信系统及计算机网络建设等方面取得了良好进展，一个以信息采集传输、运行监控为基础，综合数据库为纽带，优化配置、调度运行和水资源管理为核心的漳河灌区信息化总体框架初步形成，为数字孪生漳河建设发展提供了坚实的基础。水利部2023年初将漳河列为全国数字孪生灌区先行先试单位之一漳河局依托于国家重点推进的150项重大水利工程之一的漳河灌区现代化改造及漳河水库除险加固工程项目，抢抓机遇、统筹谋划，围绕“洪水来了怎么办、一库清水怎么用、工程安全怎么保、标准化管理怎么做”四大核心任务，补充升级完善基础设施，搭建数字孪生漳河平台，提升业务智能应用，建成了“1套数据、1个平台、N项应用、3端协同”的“1+1+N+3”数字孪生漳河体系架构，实现了防洪管理、水资源调度、大坝安全监测“四预”及工程标准化管理的智能化，打造国内首批数字孪生灌区试点示范区，夯实了现代化水库运行管理矩阵建设“四全”“四制”“四预”“四管”基础。需求调研设计开发需求调研设计开发功能测试上线试运行优化完善完工验收P102022年9月2023年3月2023年4月2023年5月2023年5月~2024年6月2024年6月现代化水库运行管理矩阵建设顶层框架设计现代化水库运行管理矩阵结合水库运行管理实际，对水库管理的方方面面进行了立体式的设计，同时跳出水库管理看水库管理，从防洪安全、工程安全、库区安全、全生命周期管理等多角度、多视野提出了建设任务，既有着眼全局的顶层设计，也有对重点关键环节的细部关注。P11信息化基础设施P13建设成果——强化硬件支撑，完善数字孪生漳河基础设施天空地一体化感知网站点数量（共2340处）水位站雨量站流量站视频站水库水文站安全监测站闸门监控站田间水层及塘堰水位站水质、墒情及地下水位站水位站雨量站流量站视频站水库水文站安全监测站闸门监控站田间水层及塘堰水位站水质、墒情及地下水位站强化硬件支撑，完善数字孪生漳河基础设施安全监测实现工程安全监测自动化安全监测对安全监测设施进行自动化升级改造，采用测量机器人监测观音寺大坝、鸡公尖大坝变形，采用GNSS监测三段明槽边坡变形；涉及利用卫星遥感无人机技术利用卫星遥感无人机技术采集了作物种植结构、灌溉面积、水域面积、灌排渠沟结构、作物卫星遥感卫星遥感气象气象预报共享更新）、智能网络预报（未来10天）、精细化降雨预报（未来3天逐气象租用“楚天云”P14数字孪生平台搭建孪生平台，奠定数字孪生漳河智慧核心•应结合供用水管理业务特点和知识•应结合供用水管理业务特点和知识需求，构建预报方案、业务规则、水利对象关联关系、历史场景和调度方案等知识。•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、模型参数数据。•水利专题模型：来水预报、需水预测、水资源配置、输配水联合调度、田间灌排及水旱灾害防御等模型•智能识别模型：遥感识别、视频识别、音频识别等•可视化模型：应满足仿真模拟、综合展示等需要 数据底板P161、数字孪生平台-数据底板灌区调查表、资料文档（灌区调查表、资料文档业务数据（61595条）用水决策支持系统、灌区闸门自动化集控管理平台、灌区综合信息管理系统、荆门水库信息化管理平台、水超市、视频监控平台、三干业务数据渠智能灌溉自动化管理系统灌区综合系统接收中心数据资源中心三干渠智能灌溉自动化管理系统灌区综合系统接收中心数据资源中心三干渠智能灌溉自动化管理系统（458个站）水位、流量、雨量、墒情、田间含水、图像、蒸发量等（102个站）水位、流量、闸位等大坝安全监测（242个站）渗压、渗流、位移监测等大坝安全监测基础空间L1/L2/L3底板水资源调度灌区管理标准化管理（2811条）边界、水系、渠系、各类水工建筑物、水库设施等基础空间L1/L2/L3底板水资源调度灌区管理标准化管理灌区DOM/DEM数据、重点区域倾斜摄影、BIM模型数据等种植面积、来水预测、需水预测、水量分配、水量调度等取水许可、供水统计、水费结算、量测水管理、农业水权及节水管理等管理体系、巡视检查、监督考核、维修养护、涉渠项目、安全管理等水政管理水政巡查、水政执法、普法宣传、信息管理等水政管理防洪调度洪水预报、洪水预警等防洪调度P17省水库、水文、襄阳气象局、武警支队、环保局P17省水库、水文、襄阳气象局、武警支队、环保局整合共享建设成果——搭建孪生平台，奠定数字孪生漳河智慧核心种植面积来水预测需水预测水量分配水量调度灌区及各干渠种植面积种植面积来水预测需水预测水量分配水量调度多年平均毛来水量、多年平均净来水量、本年以来水量、本月多年平均来水量、预测方案生活、工业、农业、生态需水的实时供水流量、平均年供水量、本年已供水量、本月已供水量等年度及月度的兴利计划方案数量、优化调节方案数量，计划申报情况调度指令每年度申请及执行情况业务数据取水许可供水统计水费结算量测水管理农业水权及节水管理管理体系监督考核巡视检查维修养护白蚁防治涉渠项目安全管理经济管理P18许可证状态统计、取水量统计、取水水源统计业务数据取水许可供水统计水费结算量测水管理农业水权及节水管理管理体系监督考核巡视检查维修养护白蚁防治涉渠项目安全管理经济管理P18灌溉水方、出库水方、管理段水方管理局、局规费站、局计财科、维护人员结算情况测量断面数、年度测量中及未测量数、年度累计放水量、闸门启闭记录水权分配情况、用水指标、水权交易、水权管理、节水宣传推广、问卷调查、节水办法等组织机构、人员情况、规章制度、培训计划及记录管理单位季度考核得分情况、整改情况巡查完成情况、工程异常问题统计、巡查问题统计维护情况统计防治日志、发现危害、挖巢治理、防治经费等项目总数、已完工项目、在建项目、未开工项目等防汛体系、防汛物资、安全生产、应急管理、安全鉴定等管理单位经费统计P191、数字孪生平台-数据底板BIMBIM模型倾斜摄倾斜摄影建模形数据遥感影像遥感影像渠首闸BIM模型观音寺大坝倾斜摄影漳河下游主河道DEM总干渠局部遥感影像1、数字孪生平台-数据底板多源底板数据融合P20倾斜摄影/BIM与水面融合倾斜摄影/BIM与监测信息融合BIM与地形融合倾斜摄影/BIM与视频融合P212、数字孪生平台-模型平台按需构建模型库、知识库，奠定数字孪生按需构建模型库、知识库，奠定数字孪生漳河的智慧核心。模型库主要包括漳河水库洪水预报、防洪调度模型，漳河灌区来水预测、需水预测、水资源配置、输配水联合调度、水流模拟模型，以及视频识别模型等。知识库主要包括漳河灌区各水利对象关联关系、业务规则库、历史场景库、方案预案库。2、数字孪生平台-模型平台智能识别模型智能识别模型-遥感识别灌区中遥感的应用：作物种植结构（土地利用图）的提取、水域面积的提取及当地水源的估算、灌排渠沟结构的提取、大尺度水平衡要素分析、旱情监测、产量估算。P22P232、数字孪生平台-模型平台智能识别模型智能识别模型-气象预报模型气候预测气候预测模块分为年专题气候预测、季专题气候预测、月季度气候预测共三种数据分析情况。雷达回波雷达回波模块主要是展示不同时段下雷达数据分析，主要是用于精准分析预知未来1-3小时天气情况。卫星云图卫星云图模块主要是展示不同时段下红外、可见光、水汽云图主要是用于宏观尺度分析预知未来天气趋势。P242、数字孪生平台-模型平台智能识别模型智能识别模型-气象预报模型城市预报降水分析智能网格预报预警信号实况监测城市预报降水分析智能网格预报预警信号实况监测面雨量预报面雨量预报2、数字孪生平台-模型平台发挥效益来水预报模型发挥效益来水预报模型本模型从2022年3月开始在湖北漳河水库灌区进行推广应用和优化本模型从2022年3月开始在湖北漳河水库灌区进行推广应用和优化，为漳河水库在遭遇1961年以来最严重干旱后在确保灌区70万人生活用水、城镇工业用水及260.52万亩社会效益的同时，初步估算节约用水4780万立方米，取得模拟效果>>>模型成功应用在数字孪生漳河项目当中>>模拟确定性系数0.7以上P25相似年法2、数字孪生平台-模型平台需水预报模型实时灌溉预报模拟效果P26发挥效益本模型从2022年5月开始在湖北漳河水库灌区进行推广应用和优化需水预报模型实时灌溉预报模拟效果P26发挥效益本模型从2022年5月开始在湖北漳河水库灌区进行推广应用和优化，受益灌溉面积260.52万亩，受益人口170万人。期间不断进行迭代升级，在一年多的使用过程中显著改善了灌区水资源利用效率和应对极端天气事件的能力，累计增加P272、数字孪生平台-模型平台多水源供需平衡模型多水源供需平衡模型■全过程：灌区供、需、耗、用水流全过程预测预报■供水预测：上游水库、汇水入渠、区内产水、尾部提水等■需水预测：生产、生活、生态用水，重点预测作物需耗水需耗水监测与预测技术水源蓄水遥感监测技术灌区农田灌溉进度立体监测方法2、数字孪生平台-模型平台动态配水模型动态配水模型模型效益本模型从2022年5月开始在湖北漳河>模型效益本模型从2022年5月开始在湖北漳河（1）直连斗农毛渠归并计算（2）支（分）渠道配水（3）递推上级渠道的配水水库灌区进行推广应用和优化，为漳河水库在遭遇1961年以来最严重干旱后的持续干旱情况下的水资源优化调度提供了有力的决策支撑，在确保灌区70万人生活用水、城镇工业用水及260.52万亩农田灌溉用水的情况下，优化配置生态发电用水，取得良好社会生态效益的同时，节约用水4780万>>年度优化模式页面>>>年度优化模式页面>>月P28P292、数字孪生平台-模型平台水资源优化配置模型水资源优化配置模型>>>水资源优化配置模型常规年度/月度水资源优化配置模型常规年度/月度水资源优化配置模型考虑年末余留期效益水资源优化配置模型考虑年末余留期效益水资源优化配置模型模型效益模型效益本模型从2022年3月开始在湖北漳河水库灌区进行推广应用和优化，受益灌溉面积260.52万亩，受益人口170万人。期间不断进行迭代升级，在一年多的使用过程中显著改善了灌区水资源利用效率和应对极端天气事件的能力，取得良好的社会和生态效益的同时，累计增加粮食415.6万公斤，节水3780万方，取P302、数字孪生平台-模型平台水资源调度评估模型水资源调度评估模型评价体系构建在构建评价指标体系时，评价体系构建在构建评价指标体系时，以水资源配置方案评价为目标，以水资源配置方案的计划完成情况、供水保障程度、输水稳定程度、供水效率指数以及供水能力指数为评价准则，基于评价指标体系构建原则合理选取评价指标，构建目标层、准则层和指标层三层结构的水资源配置方案评价指标体评价指标选取水资源配置评价指标体系建立的思路是在根据评价目标与评价通过对初始指标的内涵及其反映的配置特征分析，依据科学性、系统性、代表性、数据可测性等选取准则，对取能够反映水资源安全内部组织结构和因果联系的所选的指标应当能从可靠途径发布的统计数据中直接获取或由该P313、数字孪生平台-知识库建立知识图谱建立知识图谱3、数字孪生平台-知识库建立知识库建立知识库P32P333、数字孪生平台-知识库建立知识平台建立知识平台根据历史场景库、特征变量组合库、模型业务库、基于历史经验知识图谱，建立不同预报、预测、调度经验分析库，形成不通应用场景和事件的推荐知识库子集。并可通过对适用度自动和人工判定的方式对不同的知识库子集打分，从而达到知识库的自对已有知识库中对所有可能的特征变量进行分析，找出影响最大的关键特征变量组合。从知识库中选取符合适用的模型，通过已有数值模拟应用场景，“2+N”“2+N”应用以需求导向，构建“2+N”应用提升智能化水平数字孪生漳河平台构建了数字孪生漳河平台构建了“2+N”智能应用，全方位满足漳河局多方面业务需求P35P36业务平台应用服务体系架构目标：紧扣业务、深度定制、面向水利业务全覆盖，服务各职能部门•模块应用•保障业务全覆盖•智慧业务平台•服务日常业务对象•数字沙盘•服务集体决策和应急指挥将漳河水库流域2212km2划分为五个单元，采用新安江、降雨径流、大数据分析模型、分布式水文模型等多模型融合，结合实测落地雨监测数据和雷达定量降雨反演成果，及未来降雨预测，进行多方案洪水预报预警，采用规则调度和优化调度模型进行水库调度预演，模拟陈家冲泄洪闸至下游河溶水文站45km河道、莫家湖民垸在不同量级洪水的下泄情景，结合三维进行可视化展示，提供防洪预案，实现沮漳河错峰调度，保障下游人民生命财产安全。精细化降雨预多模型洪水预报水库联合调度对比分析调度预演P37P38水库防洪水库防洪-预报主要以落地降雨量、预报降雨量等通过新安江、API模型等进行洪水过程预报，并统计分析洪水总量、洪峰流量、峰现时间、径流系数等。洪水预报模型滚动计算分析（模型输入主要为降雨预报数据一旦预报期内目标断面的洪峰流量或最高水位突破报警阈值，则以点位闪烁的形式提醒用户。水库防洪水库防洪-预警监测预警、预报预警降雨、水位、流量P39水库防洪水库防洪-预演最高水位、最大下泄流量、调度规程、闸门操作过程控制P402、水资源优化配置和调度覆盖全业务链条、水源、各级渠道和田间。建立了“来水预测-需水预测-水量分配-水量调度-统计分析”的业务路径，系统解决了供需水变化情势分析、多业用水灵活协调、水量精准调度的业务问题。基于漳河灌区60年取用水数据，采用相似年回归分析、周期叠加法、蓄满产流模型等对漳河水库、灌区内中小型水库、塘堰进行可供水量预测；采用灌溉定额法、彭曼公式、增益系数法等对农业、生活、工业、生态的旬、月、年需水进行动态预测。P412、水资源优化配置和调度选择不同来用水方案，进行调节计算和调度预演，生成渠道配水预案，实现了灌区430km骨干渠道灌溉供水动态分配，各分水口灌溉面积、供用水情况实时掌握及常年供水段“全测、全视、全控”。促进了灌区水资源的优化调节和高效利用。在应对漳河灌区1961年以来最严重气象干旱中发挥了重要作用，做到了应放尽放、能灌尽灌和安全供水，有力保障了灌区社会经济发展和260万亩良田的稳产丰产。P423、灌区水资源调度四预预报-预报-骨干水源来水预测中长期预测：通过周期叠加法、相似年回归分析等对全年净来水、毛来水及时间分析进行预测；短期预测：重点水库对雨量的预测、入库流量的预测，需要统计入库径流总量、实际净来水总量以及预测和对比的误差结果；历史来水：最大年来水量统计、最小年来水量统计、最大月来水量统计、最小月来水量统计、丰枯分布情况等；P43历史气象：统计历史是否出现气候事件，例如拉尼娜、厄尔尼诺、长期干旱、极端高温等。P433、灌区水资源调度四预预报预报-灌区需水预测P44需水预测涵盖范围1、农田灌溉2、林果地灌溉3、草场灌溉4、鱼塘补水5、牲畜用水需水预测分类1、生活需水2、工业需水3、农业需水4、生态需水对未来一段时间内漳河5业用水的总量及变化情势分析计算。3、灌区水资源调度四预预报预报-城区段防洪背景：四干渠主干渠道全长18公里，大部分通过荆门城区。渠道为傍山渠道，受暴雨洪水侵袭的影响比较重，且渠道比右侧（东侧）城镇位置高，如悬在荆门头上的一盆水，防汛压力较大。技术工作：1、根据数字高程模型（DEM）利用地形分析技术，提取了城区渠段沿线的13和汇水分区，总面积约9.74km2。汇水分区多呈现不透水硬化路面与植被覆盖地表混合的特点。2、建立暴雨洪水预警模式，通过三道防线对可能发生的洪水进行感知、预警。3、建立适用于四干渠的洪水预报调度模型。构建13个汇水分区的降雨径流模型，计算汇水分区的入渠洪量；利用渠道水动力模型、闸门水力学模型构建了渠道洪水推演与调度耦合模型，可模拟不同调度工况下渠道洪水的演进形势，辅助用户科学研判洪水发展，做好洪水调度预案。P45P463、灌区水资源调度四预预警预警实时汛情分析开始的具体时间、此刻的累计面雨量、漳河灌区历史上的量级评估（与平均对比、与最大对比）。当前水情水位涨幅、实时水位与渠道设计水位、历史最高水位差距、已经入渠的水量、当前入渠实时流量。P473、灌区水资源调度四预预警预警气象干旱预警根据干旱预警的分类01.红色代表02.橙色干旱等级划分无旱轻旱中旱重旱特旱P483、灌区水资源调度四预预警预警水文干旱预警主要：以干旱等级划分根据干旱的严重程度和影响范围将干旱划分为不同等级极端干旱根据不同标准来确定。3、灌区水资源调度四预预警预警农作干旱预警预计未来1周综合气象干旱指数达到特旱（气象干旱为50年以上一遇或者某一县（区）有60%以上的农作物受旱。P493、灌区水资源调度四预预演预演水利模拟：主要是通过水动力的方法建立了总干、三干、四干常年供水段约40km渠段的水动力学模型，模拟渠道配水过程当中，各重要断面的水位、流量变化过程。P50P513、灌区水资源调度四预预演预演仿真预演：对防洪、水资源调配、水工程调度运用、水生态过程调节等水利调度应用方案进行预演，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，迭代优化方案，制定防风险措施。3、灌区水资源调度四预预案预案理论模式：通过模拟中稻等作物不同生育期用水需求，生成动态配水表，了解不同渠道未来一旬灌溉开始时间、灌溉结束时间、灌溉流量、灌溉水量等。人工模式：渠道配水通过汇总基层单位收集的灌溉需求，进行骨干渠系的水量调配，最终得到一轮配水过程中支分渠及以上渠系的配水结果。P52P533、灌区水资源调度四预预案预案调度指令：申请调令、指令编发、执行反馈4、灌区防洪预报预报建立预报方案根据方案模拟需求，建立防汛调度方案，确定调度类型和模拟时长。P544、灌区防洪预报预报计算预报方案：依据预报单元内各汇水分区的降雨量，采用多模型融合模型进行预报，计算出各汇水分区的产水量和入渠流量，形成初步预报方案，为预演提供初步预案。P554、灌区防洪预演预演预报方案预演：对预报形成初步方案，进行水动力模拟和时空预演。并结合全渠系控制系统进行概化图和L3孪生预演，从而形成最终的调度预案。P564、灌区防洪闭环控制闭环控制实现四干渠城区段5座节制闸、4个渠池共13.62km渠段闭环全自动控制.P575、灌区管理提供了概化图，涵盖灌、排、用、巡、控的业务，以在线测流为主，准在线测流为辅，实现灌区近2万个分水口的量测水全覆盖。对同一站点多源监测数据进行融合展示，达到工作聚焦。同时构建水价方案动态定制、全流程用水申请审批体系。P58P595、灌区管理安全监测安全监测以GIS+BIM三维可视化技术建立工程安全专题数字孪生场景，实现数据采集清洗、工程安全分析诊断、预测工程安全性态演化趋势、模拟仿真预演、三维展示等智能化应用。5、灌区管理标准化管理标准化管理全用户层级、全业务要素、全过程全用户层级、全业务要素、全过程l全面覆盖标准化管理的业务范围，涵盖组织管理、工程管理、安l面向工程巡视检查、维修养护、白蚁防治、管理考核等业务工作将规章及标准以信息化工具“固化”下来将规章及标准以信息化工具“固化”下来l工程运行管理工作流程标准化、工作成果模板化标准化管理扩展防汛物资