《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编制目的为规范数字孪生灌区建设，落实《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《“十四五”大型灌区续建配套与现代化改造实施方案》要求，构建灌区“预报、预警、预演、预案”（以下简称“四预”）智能体系，提升灌区水资源调度、工程管理、灌溉服务智能化水平，保障国家粮食安全，编制本指南。1.2适用范围本指南适用于全国大型灌区、重点中型灌区的数字孪生新建、改建与扩建工程，一般中型灌区、小型灌区可参照执行。1.3编制依据本指南依据《中华人民共和国水法》《“十四五”水安全保障规划》《水利信息化发展“十四五”规划》《数字孪生水网建设技术导则（试行）》等法律法规、政策文件及行业标准编制。2总体要求2.1建设目标以物理灌区为基础，以数据为核心，以赋能业务为目标，建成物理空间与数字空间实时映射、双向交互的数字孪生灌区，实现灌区监测感知全面化、数据资源一体化、调度决策智能化、管理服务便捷化，支撑灌区水资源优化配置和精细调度，提升灌区供水保证率、灌溉水利用率和工程安全运行水平。2.2基本原则（1）需求牵引、应用至上：围绕灌区管理核心业务需求，聚焦解决灌区监测不全、调度不精、决策不准等实际问题，以应用成效检验建设成果；（2）统一标准、共建共享：遵循国家和水利行业统一的技术标准、数据标准，对接上级数字孪生平台，避免重复建设，实现跨层级、跨部门数据共享；（3）数字赋能、安全可控：充分运用新一代信息技术，赋能灌区传统业务转型升级，严格落实网络安全、数据安全要求，保障系统安全稳定运行；（4）因地制宜、循序渐进：根据灌区规模、类型、现有基础，合理确定建设内容和技术路线，先核心后扩展，分期分批推进建设。2.3核心技术指标数字孪生灌区建设应满足以下核心指标要求：（1）监测覆盖率：渠首取水口、重要分水退水口、骨干建筑物监测覆盖率100%；大型灌区骨干渠段流量监测覆盖率≥90%，中型灌区≥70%；井灌区规模化取水计量在线监测覆盖率100%；大型灌区AI视频监控覆盖率≥100%，中型灌区≥80%；（2）控制覆盖率：大型灌区骨干工程闸门远程控制覆盖率≥85%，中型灌区≥60%；（3）数据质量：数据完整率≥95%，数据准确率≥99%，数据更新及时率≥95%；（4）模型精度：渠道流量模拟相对误差≤±5%，水位模拟绝对误差≤±0.05m；灌溉需水预报精度≥85%；配水调度偏差率≤±3%，工程安全风险识别准确率≥90%；（5）响应性能：预警响应时间≤5分钟，大场景模型预演计算时间≤5分钟，可视化交互延迟≤2s。3总体架构数字孪生灌区采用“基础设施层-数据资源层-模型知识层-应用服务层”四层逻辑架构，配套建设安全保障体系和标准规范体系：3.1基础设施层：由感知监测网络、通信网络、算力资源组成，为数字孪生灌区提供感知、传输、计算支撑；3.2数据资源层：整合多源异构数据，构建标准化数字孪生数据底板，为模型计算、业务应用提供数据支撑；3.3模型知识层：由多尺度多维度孪生模型库、灌区知识图谱组成，为“四预”业务提供模型和知识支撑；3.4应用服务层：围绕灌区核心业务，构建“四预”应用场景及综合管理服务应用，支撑灌区智能化管理决策；3.5安全保障体系与标准规范体系：贯穿架构各层级，保障系统安全运行，规范建设全过程。4核心建设内容4.1升级完善感知监测体系按照“应测尽测、全面覆盖”的原则，补齐现有感知网络短板，构建空天地一体化灌区感知体系：4.1.1监测站点布设（1）渠首取水监测：所有渠首取水口必须安装流量在线监测设备，优先采用雷达流量计、超声波时差法、ADCP等设备，堰槽量水精度不低于2级，在线监测设备精度不低于2.5级，数据采集频率不低于1次/5分钟；配套安装水位、视频监控设备；（2）骨干渠道监测：大型灌区每20km骨干渠段至少布设1个流量监测断面，中型灌区每30km至少布设1个，所有重要分水口、退水口全部布设流量监测；每10km骨干渠段至少布设1个水位监测点；重要险工险段、渗漏段加设渗压监测、GNSS位移监测，监测频率不低于1次/1小时；（3）骨干建筑物监测：所有水闸、渡槽、隧洞、涵洞等骨干建筑物，必须布设水位、闸门开度监测；大型水闸、三级以上永久性水工建筑物加设结构应力、振动监测，大跨度渡槽加设挠度、位移监测，实现工程安全状态实时感知；（4）田间与环境监测：灌溉面积100万亩以上灌区，每5万亩布设1个田间墒情监测点；30-100万亩灌区每3万亩布设1个；30万亩以下灌区每1万亩布设1个；代表性灌区田块布设田间用水量监测点，满足灌溉水有效利用系数自动化测算需求，测算精度控制在±2%以内；（5）地下水监测：井灌区每10眼灌溉井布设1个地下水动态水位监测点，所有规模以上灌溉取水井全部实现取水计量在线监测；（6）视频监控：渠首、重要建筑物、险工险段、渠首水源地全部布设AI智能视频监控，支持异常行为、岸坡滑坡、漂浮物智能识别。4.1.2数据采集传输骨干监测点采用光纤或5G传输，一般监测点可采用NB-IoT、LoRa等低功耗传输方式；骨干测点传输时延≤10s，一般测点传输时延≤1min，数据完整率≥95%；野外监测站点采用“太阳能+储能”供电方式，需满足连续7天阴雨天正常供电需求。4.2算力与网络基础设施建设（1）算力配置：大型灌区依托省级水利云或本地算力中心配置资源，CPU算力不低于32核，内存不低于64GB，对象存储容量不低于100TB，满足大尺度模型计算、三维可视化需求；在灌区基层管理所布设边缘计算节点，满足本地闸门实时控制、数据预处理需求；中型灌区可依托省级水利云按需弹性配置算力资源；提水灌区可根据提水泵站控制需求增加边缘算力配置。（2）网络建设：灌区管理单位到基层管理站骨干通信网络带宽不低于100Mbps，监测汇聚节点到测点带宽不低于10Mbps，满足视频流、监测数据实时传输需求；实现灌区所有监测点、控制点网络全覆盖。4.3构建标准化多级别数据底板按照“L1-L2-L3”三级数据底板要求，构建统一灌区数字底板：4.3.1L1级基础地理空间数据底板采用2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，整合优于1m分辨率的DOM正射影像，精度不低于1:10000比例尺的DEM数字高程模型，涵盖灌区范围、行政区划、水系、道路、居民地、土壤、种植结构等基础地理信息，完整反映灌区地理空间格局。4.3.2L2级工程实体数据底板整合灌区所有骨干工程、田间工程、监测站点的设计资料、竣工资料、属性数据，构建全灌区三维工程实体模型，骨干工程几何精度误差不超过0.5m，田间工程几何精度误差不超过1m，实现所有灌区工程数字化映射。4.3.3L3级精细模型数据底板对渠首枢纽、大型渡槽、重要水闸等核心建筑物，构建厘米级精度的BIM精细模型，纹理分辨率不低于4K，完整反映建筑物内部结构、材质参数，满足结构安全分析、沉浸式可视化需求。4.3.4数据治理与汇交按照《水利数据元灌区》《水利信息分类与编码》等标准统一数据编码，建立灌区数据目录，完成多源数据归一化清洗处理，所有监测数据实时汇入数据底板，实现数据统一管理、按需调用。4.4开发多尺度耦合孪生模型体系构建“基础模型+专业模型+耦合模型”的多层级模型体系：4.4.1基础模型（1）水文模型：构建灌区降雨径流模型，模拟灌区产汇流过程，为水资源平衡分析提供支撑；（2）水动力学模型：骨干渠道采用一维明渠非恒定流模型，计算时间步长不超过1min，模拟灌区输水过程的水位流量动态变化；田间灌溉采用二维扩散波模型，模拟田间配水过程；提水灌区增加水泵水力学模型，模拟提水机组运行特性。（3）地下水动力学模型：井灌区构建地下水流模型，模拟地下水动态变化，支撑地下水超采治理。4.4.2专业模型（1）灌溉需水预报模型：结合作物种类、种植结构、气象预报、土壤墒情，构建基于机器学习的需水预报模型，预见期覆盖7-15天，满足滚动预报需求；（2）灌区配水调度模型：以灌区供水保证率最高、输水损失最小为目标，构建优化配水调度模型，实现骨干渠道动态配水，配水偏差率控制在±3%以内；（3）工程安全风险评估模型：结合实时监测数据，构建水闸、渡槽等建筑物的结构安全评估模型，实现工程风险动态识别，识别准确率不低于90%；（4）灌溉水有效利用系数测算模型：基于监测数据实现系数自动化测算，替代传统人工测算，精度满足行业要求。4.4.3模型管理与耦合实现水文-水动力-需水-调度模型双向耦合，支持不同场景下模型按需调用；建立模型版本管理、参数率定、评估更新机制，每2-3年完成一次模型参数率定更新，保障模型精度。4.5构建灌区知识图谱梳理灌区工程信息、法律法规、调度规则、应急预案、历史干旱险情案例、作物灌溉制度、水价政策等知识，构建“实体-关系-属性”结构的知识图谱，核心业务实体覆盖率不低于90%，关系准确率不低于85%，支持知识检索、智能问答、推理决策，为“四预”业务提供知识支撑。4.6建设“四预”核心业务应用场景4.6.1灌溉需水预报基于气象预报数据、实时墒情监测数据、种植结构数据，滚动预报灌区不同区域、不同作物的未来7-15天灌溉需水量，生成分区需水预报成果，为灌区配水调度提供依据。4.6.2多类型风险预警设置分级预警阈值，实现多类型风险实时预警：①输水风险预警：针对渠道水位超警戒、流量超设计、建筑物结构异常、渗漏超标等风险，实时发布预警；②干旱风险预警：结合土壤墒情、降雨预报，发布作物干旱预警；③水污染预警：针对存在水源污染风险的灌区，增加水源地水质预警；预警响应时间不超过5分钟，支持短信、APP、大屏多渠道发布。4.6.3多场景调度预演构建典型预演场景，支撑不同工况下的调度模拟：包括特枯年灌溉保障预演、渠段险情应急调度预演、跨区域调水预演、水污染应急调度预演等，模拟不同调度方案下的灌区水位、流量、供水保证率、受灌面积变化，直观展示预演过程和结果，10天调度过程预演计算时间不超过5分钟。4.6.4动态预案优化基于预演结果，从供水保证率、灌溉成本、工程安全等多个维度比选不同调度预案，评估预案的可行性和有效性，动态优化灌区年度调度预案、应急处置预案，形成最优调度方案，支撑管理部门科学决策。4.6.5综合管理服务应用在“四预”基础上，按需建设灌区取水监管、水费计收、工程运维、灌溉服务等综合管理功能，实现灌区管理全流程数字化。5关键技术要求5.1双向孪生交互技术实现物理灌区与数字灌区的实时同步映射，监测数据更新同步时延不超过1分钟，物理灌区的监测数据驱动数字灌区模型动态更新，数字灌区生成的调度指令可反向控制物理灌区的闸门、泵阀等设备，实现双向交互闭环。5.2多尺度多模型融合技术实现骨干渠道一维水动力模型与田间二维灌溉模型的尺度融合，大尺度水资源调度模型与小尺度建筑物精细安全模型的嵌套融合，兼顾计算效率与模拟精度，满足不同业务场景的需求。5.3人工智能赋能技术运用机器学习算法优化需水预报、风险识别精度，运用计算机视觉技术实现渠道岸坡异常、漂浮物、植被入侵智能识别，识别准确率不低于85%，降低人工巡查强度，提升管理效率。5.4云边协同技术采用“云端+边缘端”协同架构，边缘端完成本地监测数据预处理、闸门实时控制，云端完成大尺度模型计算、数据存储、模型训练，降低网络带宽压力，提升系统响应速度。6数据共享与安全保障6.1数据共享严格按照水利数据共享管理规定，向上对接省级数字孪生流域平台、国家灌区管理信息系统，向下对接基层灌区管理单元，按照权限开放共享数据，跨部门数据共享需履行审批程序，不得违规对外提供涉密数据。6.2安全保障（1）数字孪生灌区系统应完成网络安全等级保护备案与测评，中型灌区不低于第二级，大型灌区不低于第三级；涉密信息系统按照涉密信息系统管理规定建设；（2）建立身份认证、权限分级、数据加密、备份恢复机制，每周完成1次全量数据备份，每日完成1次增量备份，重要数据实现异地备份；（3）所有感知终端接入需完成安全认证，防止非法入侵，关键软硬件设备优先采用国产化产品，满足安全可控要求。7实施与验收7.1实施流程数字孪生灌区建设分为需求分析、方案设计、开发建设、测试调试、试运行、竣工验收六个阶段，方案设计需由具有相应水利工程设计资质的单位编制，通过专家评审后方可实施；试运行时间不少于3个月，试运行期间系统稳定、功能满足要求后方可申请竣工验收。7.2质量控制所有设备、软件产品需符合国家和行业相关标准，进场设备需进行质量检验，不合格产品不得使用；软件开发需完成单元测试、集成测试、系统测试，测试覆盖率100%，核心指标满足本指南要求。7.3验收要求验收需对照建设方案和本指南的技术指标，逐一核查建设内容完成情况、功能实现情况、指标达标情况、数据安全