《数字孪生灌区建设技术指南(试行)》

《数字孪生灌区建设技术指南(试行)》1总则1.1编制目的为贯彻落实《数字孪生水利建设总体方案》要求，规范全国不同规模灌区数字孪生建设，统一技术标准，提升灌区水资源配置效率、灌溉保证能力和现代化管理水平，保障国家粮食安全，推动水利数字赋能，制定本指南。本指南明确数字孪生灌区建设的技术要求、建设内容和质量标准，为各地开展数字孪生灌区新建、改建、扩建提供技术依据。1.2适用范围本指南适用于全国大中小型灌区的数字孪生建设与改造，本指南所指大型灌区为设计灌溉面积30万亩及以上，中型灌区为1万亩（含）~30万亩，小型灌区为1万亩以下，不同规模灌区按照本指南分类推进建设。1.3建设原则（1）需求牵引、应用至上。以灌区管理实际业务需求为核心，聚焦“预报、预警、预演、预案”核心能力建设，避免重建设轻应用，突出实用性，优先解决灌区调度、防灾、管理的痛点难点问题。（2）统一标准、共享协同。严格遵循国家及水利行业统一技术标准，对接国家水利大数据平台、省级数字孪生水利平台，实现数据上下贯通、共享协同，避免信息孤岛。（3）分类推进、经济适用。根据灌区规模、基础条件差异化确定建设内容，大型灌区完善全功能体系，中型灌区突出核心能力建设，小型灌区简化建设，充分利旧已有设施，降低建设运维成本。（4）安全可控、迭代升级。落实网络安全、数据安全要求，保障系统和数据安全，预留扩展接口，支持后续功能迭代和技术升级。2术语与定义2.1数字孪生灌区对应物理灌区，通过数字化方式构建的虚实对应、同步交互的虚拟灌区，可实现对物理灌区全要素的数字化映射、运行过程模拟仿真，支撑灌区管理业务的智能化决策与调度。2.2灌区数据底板承载数字孪生灌区全要素数据的地理空间基础框架，按照精度和应用场景分为L1、L2、L3三级。2.3灌区专业模型针对灌区水文、水力学、农业灌溉、灾害仿真等业务需求开发的数值模拟模型，是支撑“四预”功能的核心工具。2.4灌区知识图谱将灌区各类分散业务知识结构化处理，构建的实体-关系-属性关联网络，支撑智能推理和知识服务。3总体架构与建设目标3.1建设目标到2025年，全国大型灌区基本建成具备完备“四预”能力的数字孪生灌区体系，中型灌区完成核心感知网络和基础应用建设，小型灌区实现重点区域数字化监测；到2030年，全面建成覆盖大中小型灌区的数字孪生体系，实现全国灌区灌溉水有效利用系数整体提升5%以上，灌溉保证率提升3%~8%，灌区管理人力成本降低15%以上，全面支撑灌区现代化运行管理。3.2总体架构数字孪生灌区采用“五层两体系”总体架构：（1）感知层：由各类前端监测设备、通信网络组成，实现物理灌区全要素信息的实时采集传输。（2）数据层：由多源数据资源池、三级数据底板组成，完成多源数据的清洗、融合、存储与统一管理。（3）模型层：由耦合集成的灌区专业模型库、仿真引擎组成，支撑模拟仿真与“四预”业务开展。（4）知识层：由灌区知识图谱、知识服务引擎组成，提供智能知识支撑。（5）应用层：面向灌区管理、公众服务的各类业务应用系统，支撑日常管理和应急决策。（6）标准规范体系：统一数据编码、接口、精度标准，保障跨层级、跨系统互联互通。（7）安全保障体系：覆盖网络、数据、应用、系统的全流程安全防护，保障运行安全。4感知网络与基础设施建设4.1感知监测体系建设按照“应测尽测、重点覆盖”原则，差异化配置监测设备：（1）水量监测：灌区渠首引水口必须安装在线流量监测设备，测量精度等级不低于2级，流量测量误差不超过±3%；大型灌区干渠分水口、支渠分水口监测覆盖率达到100%，斗渠监测覆盖率不低于60%；中型灌区干渠分水口覆盖率100%，支渠覆盖率不低于80%；所有节制闸、泄洪闸必须配置闸门开度、水位监测设备，水位测量误差不超过±1cm。（2）墒情与地下水监测：大型灌区墒情监测点密度不低于1个/5万亩，中型灌区不低于1个/10万亩，小型灌区不低于1个/15万亩，山丘区、耕地图斑破碎区加密布设，密度提升一倍；灌区地下水超采区监测井密度不低于1个/10km²，一般区域不低于1个/30km²，实时监测地下水埋深，监测误差不超过±2cm。（3）工程安全监测：大型灌区渠首枢纽、大型泵站、100m以上跨度渡槽、重点险工险段，必须配置结构变形、渗流、设备运行状态监测设备，变形监测误差不超过±1mm；泵站配置振动、温度监测，故障预警准确率不低于90%。（4）视频与AI识别：渠首、重要闸泵、险工险段视频监控覆盖率达到100%，大型灌区前端视频支持AI智能识别，可自动识别违法采砂、渠道倾倒废弃物、人员违规闯入、闸门异常状态等事件，识别准确率不低于85%。4.2网络与云基础设施（1）通信网络：灌区监测数据通过水利业务网传输，前端监测设备采用光纤+5G/4G混合传输方式，核心节点网络带宽不低于1000Mbps，前端监测节点带宽不低于100Mbps，满足4K视频实时传输要求。（2）云基础设施：大型灌区应用系统部署在省级水利云，中型灌区可部署在省级或市级水利云，小型灌区依托省级水利云部署，不单独建设物理机房，资源按需弹性调配，降低建设运维成本。系统整体在线率不低于99.5%，年累计停机时间不超过18小时。5数据底板建设数据底板统一采用2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，按照三级精度要求建设：5.1L1级地理空间数据底板L1级底板覆盖灌区全部行政范围，集成地形、地貌、水系、耕地、道路、居民点等基础地理信息，精度要求：大型灌区不低于1:2000，中型灌区不低于1:5000，小型灌区可利旧已有1:10000精度数据；卫星遥感影像分辨率要求：大型灌区不低于0.5m，中型不低于1m，每年更新一次；基础地理数据每5年全面更新一次，变更信息在1个月内完成更新。5.2L2级工程要素数据底板L2级底板集成灌排体系所有工程的空间与属性数据，覆盖水源工程、渠首、干渠、支渠、斗渠、农渠、分水口、节制闸、泄洪闸、泵站、渡槽、倒虹吸、排水沟、塘坝、蓄水池、管理设施等全部对象；属性数据包括工程名称、建设年代、设计流量、设计水位、结构材质、管理单位、运维记录等全维度信息；三维模型精度要求：干渠、支渠及以上工程不低于1:500，斗渠、农渠不低于1:2000，工程空间位置误差不超过1m。工程要素数据发生变更后3个月内完成更新。5.3L3级精细模型底板针对大型灌区核心关键工程，构建BIM+GIS融合的精细三维模型，覆盖渠首枢纽、大型泵站、大跨度渡槽、重点险工险段，模型精度不低于1:100，几何位置误差不超过5cm，包含工程内部结构、设备参数、材料属性、管线布局等精细信息，支撑工程运行仿真和安全分析。5.4数据处理与管理所有数据统一编码，符合SL/T1333《水利地理空间信息分类与编码》、SL/T801《水文数据分类与编码》等行业标准，多源数据融合处理，消除坐标偏差、属性冲突，构建统一数据资源池，支撑模型调用和应用访问。6专业模型开发与集成6.1模型分类开发要求（1）水文水资源模型：包含降雨产流、地表水地下水转化、渠道输水损失、需水预测模块，需水预测分作物种类、生育期，结合种植结构、土壤墒情、气象预报计算，年尺度需水预测误差不超过10%，月尺度误差不超过8%；可实现不同来水条件下灌区可利用水量动态计算。（2）工程水力学模型：构建灌排渠道全水系一维水力学模型，关键工程节点构建二维水力学模型，模拟不同调度方案下的渠道水位、流量、流速分布，干渠输水模拟误差不超过5%，支持闸泵调度动态仿真。（3）农业灌溉模型：包含土壤墒情模拟、作物耗水计算、灌溉定额优化模块，旬尺度墒情预报精度不低于85%，可根据作物种类、土壤类型、气象条件生成优化灌溉方案，降低无效灌溉用水量。（4）灾害仿真模型：包含干旱缺水、暴雨洪涝、渠道溃决三类情景仿真模块，可模拟不同灾害情景下的受影响范围、受灌耕地面积、受灾等级，为应急处置提供量化支撑。6.2模型集成与耦合构建统一模型管理库，实现多模型耦合集成，形成水文-水力学-农业灌溉耦合仿真体系，基于数据底板实现数据自动驱动，支持模型参数自动率定，率定周期不超过1年，模型精度随运行数据积累逐步提升。单方案仿真计算时间不超过10分钟，满足交互式预演需求。7知识图谱构建7.1知识范围灌区知识图谱覆盖五类核心知识：①工程知识：包含所有工程的结构参数、设计标准、养护要求、故障处置方案；②法规标准知识：包含灌区管理相关的法律法规、行业标准、管理规范；③业务管理知识：包含灌溉调度、配水管理、工程养护、水费计收等业务流程；④应急处置知识：包含不同灾害、不同险情的处置流程、责任分工、处置要求；⑤历史案例知识：包含灌区历史上的干旱调度、洪涝处置、工程抢险等典型案例。7.2构建要求统一实体、关系、属性定义，实体包括工程、作物、事件、法规、岗位、案例等，关系包括从属关系、约束关系、因果关系、关联关系，完成知识抽取、融合、存储，构建结构化知识网络，支持知识检索、智能推理、案例推荐，知识更新每年至少开展一次，对接省级水利知识图谱实现知识共享。8应用系统建设8.1核心“四预”功能建设（1）预报模块：对接气象部门降水、气温预报数据，实现来水预报、需水预报、墒情预报滚动更新，预报周期分为日、旬、月、季四级，自动生成标准化预报成果。（2）预警模块：设置各类预警阈值，包括渠道水位超警、墒情干旱预警、工程结构变形超警、水质超标预警，预警信息自动推送至各级管理端，预警响应时间不超过5分钟，预警准确率不低于90%，支持蓝、黄、橙、红分级发布。（3）预演模块：支持四类核心情景预演：①干旱调度预演：模拟不同来水、不同需水条件下灌区缺水量、缺水分布，预演不同调度方案的配水效果；②洪涝排涝预演：模拟不同暴雨情景下排涝区水位变化、受涝范围，预演不同排涝方案的减灾效果；③工程险情预演：模拟闸泵故障、渠道溃决等险情下的影响范围，预演不同抢险方案的处置效果；④配水方案预演：模拟不同配水计划下的输水过程，验证配水方案的合理性。预演成果支持三维可视化展示，支持交互式调整方案。（4）预案模块：基于预演成果，对多个候选预案进行多指标比选，比选指标包括缺水量、减灾效果、输水成本、水资源利用率等，自动生成最优推荐预案，支持预案数字化管理、动态调整，对接应急管理部门实现预案共享。8.2日常业务管理功能包含工程运维管理、灌溉配水管理、水费计收管理、种植结构管理、水资源统计管理模块，大型灌区实现干渠主要闸泵远程自动控制，配水计划自动生成、自动执行，水费按实际用水量线上计收收缴，实现灌区管理全流程数字化，管理效率提升30%以上。8.3公众服务功能面向农户提供灌溉用水通知、水费查询、线上缴费、灌溉技术咨询等服务，提升灌区服务水平。应用系统支持PC端、移动端、大屏可视化端多终端适配，满足不同场景使用需求。9网络与安全保障9.1安全等级要求数字孪生灌区系统按照《网络安全等级保护2.0》要求开展安全建设，大型灌区核心应用系统安全等级不低于第三级，中型、小型灌区系统不低于第二级，每两年开展一次等级保护测评，测评不合格及时完成整改。9.2安全防护建设落实《中华人民共和国网络安全法》《中华人民共和国数据安全法》要求，构建多层级安全防护体系：网络边界部署防火墙、入侵检测系统，实现异常流量实时监测；应用层采用零信任访问控制，实现身份认证、权限分级管理；数据层面实现传输加密、存储加密，重要数据采用本地备份+异地备份，核心数据每日备份，系统全量每月备份，恢复时间目标不超过4小时，恢复点目标不超过24小时。9.3安全管理建立完善安全管理制度，定期开展漏洞扫描、安全巡检，每月至少开展一次漏洞扫描，每年至少开展一次安全应急演练，落实数据保密要求，涉及国家秘密的工程数据按照保密规定管理，严禁违规传输存储。10建设与运行管理10.1建设管理数字孪生灌区建设应与灌区续建配套与现代化改造同步规划、同步设计、同步施工、同步验收，充分利旧已有监测设施和信息系统，避免重复建设；严格落实统一技术标准，所有数据必须按照要求向上级水利平台汇交，实现数据共享，严禁形成信息孤岛。10