《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编制目的为落实《“十四五”数字孪生水利建设方案》要求，规范数字孪生灌区建设流程，统一技术标准，提升灌区精细化、智能化管理水平，充分发挥灌区灌溉保证能力，保障国家粮食安全，支撑节水灌溉产业高质量发展，制定本指南。1.2编制依据依据《中华人民共和国水法》《中华人民共和国网络安全法》《中华人民共和国数据安全法》，《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）、《数字孪生水利建设技术导则》（SL/T800-2021）、《水利信息数据库建设规范》（SL/T806-2021）等法律法规与标准规范编制本指南。1.3适用范围本指南适用于全国新建、改建、扩建的大中小型灌区数字孪生建设，小型灌区可结合实际简化执行。1.4建设原则（1）需求牵引、应用至上。聚焦灌区灌溉调度、工程管护、水资源监管、水费计收等核心业务痛点，不搞形象工程，所有建设内容以支撑实际业务、提升管理效率为核心目标。（2）数字赋能、协同共享。遵循国家数字孪生水利“四横三纵”总体架构，实现数据跨层级、跨部门共享，避免信息孤岛，对接国家、省级数字孪生水利平台。（3）安全可控、迭代升级。落实网络安全与数据安全要求，核心技术自主可控，建立开放可扩展的技术架构，支持后续功能迭代与参数更新。（4）经济实用、适度超前。结合灌区规模与管理实际配置建设内容，优先选用成熟可靠的技术设备，预留未来5-10年业务扩展空间。2总体架构与分级建设要求2.1总体架构数字孪生灌区采用“数据层-模型层-应用层-基础设施”四横，“标准规范体系-安全保障体系-组织保障体系”三纵的总体架构，实现灌区物理实体与数字孪生体的动态同步、仿真模拟、智能优化。2.2分级建设要求按照灌区设计灌溉面积分级明确建设要求：（1）大型灌区（设计灌溉面积≥30万亩）：需建成覆盖灌区全要素、全业务流程的完整数字孪生体，实现智能灌溉调度、工程安全预警、全计量全收费等核心功能，灌溉水利用系数提升不低于0.02，灌溉管理效率提升不低于30%。（2）中型灌区（1万亩≤设计灌溉面积<30万亩）：需建成覆盖骨干工程、核心分水节点的数字孪生体系，实现水情监测、水量分配、水费计收等核心业务数字化，斗口计量覆盖率不低于95%。（3）小型灌区（设计灌溉面积<1万亩）：可采用轻量化建设模式，重点完善取水计量与数据对接，按需建设核心业务应用，不要求全要素建模。2.3平台对接要求所有建成的数字孪生灌区需按照统一标准对接省级数字孪生水利平台与国家灌区管理信息系统，实现数据向上交互、指令向下贯通，数据交互协议符合《水利信息交换共享标准》（SL480-2010）要求，对接完成率需达到100%。3核心数据层建设技术要求核心数据层是数字孪生灌区的基础，需实现物理灌区全要素数据的统一采集、治理、存储与服务，具体要求如下：3.1数据采集技术要求按照数据类型明确采集精度与布设要求：（1）水文水资源数据①水情：渠首、入灌水源出口需布设全自动水位流量监测设备，水位测量精度±1cm，流量测量精度±3%；干渠、支渠分水口、退水口流量监测精度不低于±5%；实时数据采集频率不低于1次/5分钟。②雨情：大型灌区雨量站布设密度不低于1站/50km²，中型灌区不低于1站/100km²，雨量测量精度±0.5mm，采集频率不低于1次/10分钟。③墒情：按照灌溉控制单元布设墒情监测点，每个灌溉控制单元（面积≤1万亩）布设1个监测点，监测深度为10cm、20cm、40cm，体积含水率测量精度±2%，采集频率不低于1次/1小时。④取用水计量：所有取用水口实现计量全覆盖，大型灌区斗口计量覆盖率达到100%，中型灌区不低于95%，小型灌区不低于80%；农业灌溉计量设备精度等级不低于3级，数据采集频率不低于1次/1小时。（2）工程工情数据灌区1级、2级骨干拦河闸、泵站、渡槽、隧洞、堤防等工程实现安全监测全覆盖，布设变形、渗流、应力应变监测设备：垂直变形监测精度±1mm，水平变形监测精度±2mm，渗流量测量精度±5%，应力监测精度±0.5%FS，采集频率正常工况下不低于1次/小时，汛期不低于1次/10分钟。（3）地理空间与业务管理数据获取灌区1:2000及以上比例尺数字高程模型（DEM），骨干工程地形精度不低于1:500；灌区正射影像分辨率不低于0.5m，更新周期不超过1年；纳入灌区确权划界、土壤类型、作物种植结构、取水许可、工程权属、水费计收等业务数据，作物种植结构数据更新周期不超过1年。3.2数据治理技术要求对多源异构数据进行清洗、转换、归一化处理，统一数据编码与格式，符合《数字孪生水利数据编码规范》要求；数据完整率需达到95%以上，数据准确率达到98%以上，消除冗余数据与错误数据，建立数据血缘关系，可追溯数据来源。3.3数据存储与更新要求构建统一的灌区时空大数据仓库，按照基础数据、动态监测数据、业务管理数据、模型结果数据分类存储；实时监测数据更新频率不低于1次/15分钟，动态业务数据更新不低于1次/日，基础空间数据更新周期不超过1年；数据存储容量满足未来10年数据增长需求。3.4数据服务要求提供标准化数据访问API接口，支持跨层级、跨部门数据调用，接口响应时间不超过1秒，支持批量数据获取与在线查询分析功能。4孪生模型层建设技术要求孪生模型层是实现数字孪生映射、仿真、优化的核心，需构建多尺度、多物理过程耦合的灌区孪生模型体系：4.1几何孪生模型建设要求按照多细节层次（LOD）分级建模：（1）1级、2级骨干工程：建立LOD3级精度三维几何模型，空间坐标误差不大于0.5m，模型三角面密度不低于100个/m³，完整反映工程结构尺寸、外观、内部构造，支持结构拆解与细节查询。（2）干渠、支渠、堤防等线性工程：建立LOD2级精度模型，准确反映工程走向、断面尺寸、配套建筑物位置，空间误差不大于1m。（3）灌区整体场景：建立LOD1级精度地形地貌模型，满足整体浏览与空间分析需求。模型统一采用通用格式（glTF/glb），支持Web端轻量化渲染，加载100km²灌区场景渲染延迟不超过3秒。4.2物理过程模型建设要求（1）渠系水动力学模型：骨干渠系构建一维水动力学模型，基于圣维南方程模拟渠系水流运动，关键交叉建筑物、退水口构建二维水动力学模型，斗农渠采用简化水力计算模型；水位模拟误差不超过±5cm，流量模拟误差不超过±10%。（2）灌溉需水模型：结合灌区作物类型、种植结构、土壤墒情、气象条件，构建基于作物生长模型的灌溉需水计算模型，旬尺度灌溉需水预测误差不超过±10%，灌区灌溉水利用系数计算误差不超过±0.02。（3）工程安全分析模型：骨干工程构建渗流稳定、结构变形、抗震安全分析模型，支持不同工况下工程安全状态计算与风险分级，工程安全风险预警准确率不低于90%。4.3规则与智能模型建设要求（1）规则模型：梳理灌区水量分配、调度控制、水费计收、预警阈值等业务规则，形成可配置、可编辑的规则库，干旱预警阈值统一为：轻度干旱（土壤相对湿度<60%）、中度干旱（<50%）、重度干旱（<40%）、特旱（<30%），超计划用水预警阈值为日用水量超计划10%。（2）智能模型：基于历史水文、工程运行数据，训练灌溉需水预测、洪水预报、工程隐患识别智能模型，需水预报准确率较传统物理模型提升不低于5%，无人机影像工程隐患识别准确率不低于85%；支持模型在线迭代更新，根据新的运行数据自动优化模型参数。4.4模型耦合要求实现几何模型-物理模型-智能模型的多过程耦合，水动力学-作物需水-工程安全模型的跨尺度耦合，支持物理实体与数字孪生体的动态同步，同步更新延迟不超过15分钟。5业务应用层建设技术要求业务应用层需围绕灌区核心业务需求，构建功能完善的应用体系：5.1灌区“一张图”展示整合全要素数据与模型，实现水情、工情、雨情、墒情、用水、工程安全信息的二三维一体化可视化展示，支持空间查询、统计分析、动态渲染，可视化交互响应延迟不超过2秒，支持PC端、移动端、大屏端多终端适配。5.2智能灌溉调度应用（1）需水预报：基于实时墒情、作物生长期、未来7-15日天气预报，自动计算各个灌溉控制单元的灌溉需水量。（2）优化配水：结合水源来水预报、灌区蓄水情况，以提高灌溉保证率、减少输水损失为目标，自动生成干支渠系最优配水方案，大型灌区配水优化可降低输水损失不低于8%。（3）调度仿真预演：模拟不同配水方案下渠系水位流量变化过程，预演调度效果，发现输水风险，自动生成调度指令并下发到管控单元，调度方案生成时间不超过10分钟。（4）动态调整：根据实时水情变化自动调整配水方案，实现精准灌溉。5.3工程全生命周期管理应用实现骨干工程从建设、运维到报废的全生命周期信息管理，支持无人机巡检、人工巡检数据自动接入，自动识别工程裂缝、渗漏、滑坡等隐患，自动推送整改工单，跟踪整改进度；工程异常自动预警，预警信息推送延迟不超过5分钟。5.4水资源监管与水费计收应用落实灌区取用水总量控制要求，实时统计各区域、各用户用水量，超计划用水自动预警；基于斗口实际计量数据自动核算水费，支持线上查询、线上缴费，大型灌区计量水费收取率达到100%，中型灌区达到95%以上，减少水费计收人工成本不低于60%。5.5应急处置应用建立灌区干旱、暴雨洪水、工程险情等突发事件预案库，针对突发险情自动匹配预案，模拟不同处置方案下的险情发展过程，预演处置效果，优化处置方案，可将应急响应时间缩短不低于30%。5.6拓展应用支持对接农业物联网、气象服务、农产品溯源系统，拓展作物施肥建议、病虫害预警、产销对接等农业服务，支撑灌区现代农业发展。6基础设施与安全保障体系建设6.1基础设施建设要求（1）网络：灌区所有监测点位实现4G/5G网络全覆盖，骨干汇聚节点网络带宽不低于100Mbps，偏远无信号区域可采用卫星通信补盲，监测数据传输成功率不低于99%。（2）供电：野外监测设备优先采用太阳能供电系统，电池续航能力满足连续7天阴雨天气正常工作要求。（3）云基础设施：数字孪生灌区系统优先部署在各级水利政务云，满足网络安全要求，计算存储资源满足未来5年业务扩展需求，支持10万级并发访问，模型仿真计算响应时间不超过30秒。6.2安全保障体系建设要求（1）分级安全防护：大型灌区数字孪生系统需达到《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》（GB/T22239-2019）三级防护要求，中型灌区达到二级防护要求，每半年开展一次漏洞扫描，每年开展一次安全测评。（2）数据安全：落实数据分级分类保护要求，涉及国家秘密、敏感信息的数据实现加密存储与传输，采用SSL加密协议传输数据，每日开展一次数据全备份，每周开展一次异地备份，恢复时间目标（RTO）≤4小时，恢复点目标（RPO）≤24小时。（3）终端与访问安全：所有野外监测终端植入安全芯片，实现设备身份统一认证，防止非法接入与数据篡改；应用系统落实身份认证、细粒度访问控制，操作日志留存时间不低于6个月。7验收与运行维护7.1建设验收要求数字孪生灌区建设完成后需开展竣工验收，验收核心指标包括：（1）数据指标：大型灌区斗口计量覆盖率100%、骨干工程监测覆盖率100%，数据完整率≥95%、数据准确率≥98%；中型灌区斗口计量覆盖率≥95%，指标符合要求。（2）模型指标：水动力学模型、需水模型等精度符合本指南要求，仿真误差在允许范围内。（3）应用指标：所有功能100%满足需求文档要求，对接上级平台完成数据交互，数据上传成功率不低于99%。（4）安全指标：网络安全等级保护测评合格，数据安全措施落实到