《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)》1.1目的依据为规范数字孪生灌区建设流程、统一技术标准、保障建设质量，充分发挥数字孪生技术在灌区水资源调度、工程运维、灾害防控、便民服务等场景的支撑作用，依据《“十四五”数字孪生水利建设规划》《数字孪生水利建设导则（试行）》《灌区现代化改造导则》《水利信息化标准体系》等文件，制定本指南。1.2适用范围本指南适用于设计灌溉面积1万亩以上的大中型灌区数字孪生建设，小型灌区可结合实际需求参照执行。1.3建设原则坚持需求导向、统筹规划：以灌区管理实际痛点为核心，统筹现有信息化基础，避免重复建设；坚持急用先行、迭代升级：优先建设核心业务功能，逐步拓展增值服务，按需迭代优化系统；坚持安全可控、创新引领：落实网络安全等级保护要求，优先采用自主可控技术，适配灌区管理场景创新应用模式。1.4建设目标近期（2024-2025年）：完成大型灌区、重点中型灌区数字孪生核心功能建设，实现骨干渠系感知节点全覆盖，具备基本的“预报、预警、预演、预案”功能，灌溉水利用系数较建设前提升5%以上，灌溉保证率提升8%以上；中期（2026-2030年）：实现中型灌区数字孪生建设全覆盖，小型灌区按需建设，感知体系延伸至田间地块，“四预”功能全面成熟，灌溉决策智能化水平显著提升；远期（2031-2035年）：建成全国统一的数字孪生灌区数据互联体系，实现跨灌区、跨区域水资源协同调度，全面支撑灌区现代化管理。2.1分层架构数字孪生灌区采用“感知层-数据层-模型与平台层-应用层-用户层”五级分层架构，各层互联互通、协同运行：1.感知层：部署覆盖灌区骨干工程、田间地块的各类监测终端，包括水位计、流量计、墒情监测站、气象站、闸门开度仪、泵站运行监测终端、AI视频监控设备等，实现对灌区水情、工情、墒情、农情、灾情的全要素实时感知；2.数据层：构建统一的灌区数据资源池，整合基础地理、工程属性、动态监测、业务管理、外部共享等各类数据，实现数据的统一存储、统一管理、统一服务；3.模型与平台层：依托数字孪生水利核心平台，搭建灌区专属数字孪生底座，集成水文水资源、工程安全、灌溉调度、灾害模拟等专业模型，形成通用能力中台，为上层应用提供支撑；4.应用层：围绕灌区管理核心业务需求，开发“四预”核心应用及特色增值应用，覆盖灌溉调度、工程运维、灾害处置、便民服务等全业务场景；5.用户层：服务对象包括各级水行政主管部门、灌区管理单位、用水户（农户、涉农企业）、相关涉农部门等，按权限分配不同的功能服务。2.2支撑体系建立贯穿建设、运行、维护全生命周期的两大支撑体系：1.标准规范体系：统一数据格式、接口标准、模型要求、业务流程，确保各系统互联互通、数据共享；2.安全防护体系：落实网络安全等级保护要求，保障数据安全、系统安全、业务安全。3.1数据归集范围需归集覆盖灌区全业务的四类数据，明确采集频率与更新责任：1.基础数据：包括灌区1:2000基础地理信息数据（重点区域精度不低于1:500）、灌区行政边界与灌排范围矢量数据、灌排工程设施属性与矢量数据（含渠系、闸门、泵站、渡槽、倒虹吸、隧洞、蓄水池、田间出水口等，明确工程设计参数、建设时间、控制范围等属性）、耕地资源数据（地块边界、土壤类型、肥力等级、种植结构、作物生育期等）、水利工程确权划界数据。基础数据每年更新1次，发生工程改造、种植结构调整等变化时实时更新，责任主体为灌区管理单位；2.动态监测数据：包括渠系水位、流量、流速，闸门开度、运行状态，泵站电压、电流、能耗、运行状态，土壤墒情（体积含水率）、地温，气象数据（降雨量、蒸发量、气温、风速、风向、相对湿度），AI视频识别的工程隐患、非法取水、渠边违建等事件数据。采集频率要求：闸门、泵站运行状态每5分钟采集1次，水位、流量、气象数据每15分钟采集1次，墒情数据每1小时采集1次，事件数据实时上报，责任主体为系统运维单位；3.业务管理数据：包括年度灌溉计划、配水调度记录、水费收缴数据、工程运维记录、灾损处置记录、用水户信息数据等，按业务流程实时更新，历史数据留存期限不低于10年，责任主体为灌区管理单位；4.外部共享数据：包括气象部门的短中长期气象预报、雨情预警数据，自然资源部门的耕地变化、国土空间规划数据，农业农村部门的种植结构调整、病虫害预报数据，应急管理部门的灾害预警、应急处置数据，水文部门的流域来水预报数据。共享频率按需对接，气象预报、来水预报数据逐小时更新，责任主体为数据提供部门。3.2数据治理要求建立数据全生命周期治理机制，开展数据清洗、格式转换、去重、纠错、关联融合，统一数据编码、字段格式、计量单位，建立数据质量校验规则，数据合格率不低于95%。建立数据质量考核机制，每月开展一次数据质量巡检，对缺失、错误数据及时补录修正，确保数据的真实性、准确性、完整性。3.3数据共享服务构建统一的数据服务接口平台，采用API、服务调用等方式提供数据共享服务：对内支撑各业务系统数据互通，避免数据孤岛；对外按权限开放数据服务，各级水行政主管部门可调取灌区运行全量数据，灌区管理单位可操作全部业务功能，用水户可查询自身地块的配水计划、用水量、水费缴纳信息，涉农部门可共享灌溉、墒情、种植结构等相关数据。4.1三维建模要求按场景需求分三级构建高精度三维模型：1.L1级全域场景模型：采用倾斜摄影测量技术构建灌区全域三维模型，地面分辨率不低于0.5m，覆盖灌区全部灌排范围，准确还原地形地貌、渠系走向、村庄、道路等宏观要素，满足全域调度、灾害模拟的空间支撑需求；2.L2级重点工程模型：对骨干渠段、中型以上闸门、泵站、渡槽等重点工程开展精细化建模，地面分辨率不低于0.1m，准确还原工程的外观结构、关键参数，满足工程运行状态实时映射、安全监测的需求；3.L3级核心节点BIM模型：对大型泵站、大型渡槽、跨区域分水闸等核心工程节点，采用BIM技术构建1:1高精度模型，集成工程设计、施工、运维全生命周期参数，满足工程结构安全分析、故障诊断的需求。4.2孪生映射机制建立感知数据与三维场景的实时联动机制，数据映射延迟不超过10秒，实现动态数据的可视化展示：闸门开度变化时三维场景内闸门同步动作，水位变化时同步更新渠系水面高度，墒情数据按地块着色展示，工程故障、预警事件在三维场景中高亮弹窗提示。4.3专业模型库建设构建四大类专业模型，明确精度要求：1.水文水资源模型：集成灌区产汇流模型、渠系一维水动力学模型、水资源供需平衡模型，可模拟不同降雨、来水、配水方案下的渠系水位、流量变化过程，模拟精度不低于90%；可计算不同保证率下的灌区水资源供需缺口，为水量调度提供支撑；2.工程安全模型：构建渠坡稳定分析模型、闸门结构安全模型、泵站机组健康诊断模型，可基于实时监测数据预判渠坡滑移、闸门渗漏、机组故障等安全隐患，预警准确率不低于85%；3.灌溉调度模型：构建骨干渠系优化配水模型、田间精准灌溉模型，结合作物需水规律、墒情监测数据、来水情况自动生成最优配水方案，可实现干支渠水量精准分配，较人工调度灌溉水利用系数提升5%以上；4.灾害模拟模型：构建干旱灾害评估模型、渠系洪涝模拟模型、工程溃决演化模型，可模拟不同等级干旱、洪涝、工程溃决的影响范围、受灾人口、经济损失，模拟精度不低于80%，预演时长不超过30分钟。4.4模型迭代优化建立模型定期校验迭代机制，每季度采用实际运行数据对模型精度进行校验，当模型精度低于要求阈值时及时调整模型参数；每年结合年度运行数据、工程改造情况对模型进行一次全面更新，确保模型持续适配灌区实际情况。5.1预报应用1.来用水预报：提供1-30天的流域来水预报、作物需水预报，短期（1-7天）预报准确率不低于90%，中长期（7-30天）预报准确率不低于80%，为灌溉计划制定提供支撑；2.工程安全预报：提前24小时以上预报渠坡滑移、闸门故障、泵站机组故障等安全风险，明确风险等级、影响范围，为提前处置提供依据；3.灾害预报：提前72小时以上发布干旱、洪涝灾害预报，明确灾害等级、受影响区域、预估损失，为防灾减灾提供支撑。5.2预警应用建立蓝、黄、橙、红四级预警机制，明确各等级预警触发阈值：蓝色预警为轻度风险（如渠系水位超设计水位5%、墒情低于适宜值10%），黄色预警为中度风险（水位超设计10%、墒情低于适宜值20%），橙色预警为重度风险（水位超设计15%、墒情低于适宜值30%），红色预警为极度风险（水位超设计20%、连续无雨超30天）。预警信息采用系统弹窗、短信、APP推送等方式同步发送至相关责任人，预警响应时间不超过15分钟，预警处置闭环率达到100%，所有预警处置记录全留存可追溯。5.3预演应用1.调度方案预演：可对不同配水方案进行可视化预演，直观展示渠系水位、流量变化过程，对比不同方案的灌溉保证率、水利用系数、能耗等指标，辅助管理人员选择最优调度方案；2.灾害处置预演：可模拟不同灾害处置方案的实施效果，对比不同方案的受灾范围缩减比例、抢险成本、处置时间，辅助制定最优抢险方案；3.工程运维预演：可模拟工程检修、改造期间的供水影响范围，提前制定替代供水方案，降低工程运维对灌溉的影响。5.4预案应用建立覆盖灌溉调度、工程安全、灾害处置的预案库，明确不同等级事件的处置流程、责任主体、物资调度要求。预案与预演功能联动，可根据预演结果自动生成适配的处置预案，预案可操作性不低于90%。每次事件处置完成后，自动将处置过程数据同步至预案库，更新优化预案内容。5.5特色增值应用开发用水量智能计量、水费线上核算缴纳、墒情与灌溉建议推送、病虫害预警等便民服务应用，为用水户提供一站式服务；开发灌区资产智能化管理、能耗统计分析、灌溉效益评估等管理应用，提升灌区管理精细化水平。6.1物理安全监测终端、机房等物理设施符合《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》（GB/T22239）规定，机房配备防雷、防火、防水、防静电设施，配置UPS不间断电源，续航时间不低于4小时；野外监测设备配备防盗、防破坏、防雷电保护装置，设备完好率不低于98%。6.2网络安全灌区核心业务系统按照网络安全等级保护2.0三级要求建设，网络边界部署防火墙、入侵检测系统、防病毒系统，定期开展漏洞扫描和渗透测试，每半年不少于1次；采用专线传输核心业务数据，公共网络传输数据采用加密通道，防止数据泄露。6.3数据安全建立数据分级分类管理制度，将工程核心参数、用水户隐私数据、调度预案数据列为核心数据，采用加密存储，传输全程加密；建立数据备份机制，本地备份每日1次，异地备份每周1次，数据恢复时间不超过4小时；建立数据访问审计机制，核心数据访问日志留存不少于6个月。6.4应用安全建立统一身份认证体系，按角色分配不同操作权限，严格控制核心功能的访问权限；所有操作日志全留存，可追溯操作人、操作时间、操作内容；定期开展应用安全漏洞检测，及时修复安全隐患。6.5安全应急管理制定网络安全、数据安全应急预案，每年开展不少于2次应急演练，提升安全事件处置能力；建立安全事件上报机制，发生重大安全事件1小时内上报上级水行政主管部门。7.1前期筹备阶段开展灌区现状调研，调研覆盖灌区管理单位、用水户、涉农部门三类主体，需求识别率不低于90%；编制数字孪生灌区建设方案，明确建设目标、建设内容、技术路线、投资估算、进度安排，建设方案需经省级及以上水行政主管部门组织专家论证通过后方可实施。7.2开发建设阶段采用迭代开发模式，优先建设感知体系、数据资源池、核心调度功能，每3个月交付一个可试用版本，及时收集用户反馈优化功能；严格落实项目监理制度，确保建设质量符合相关标准要求。7.3试运行阶段系统开发完成后开展不少于3个月的试运行，试运行期间重点验证数据准确性、模型精度、系统稳定性，系统可用率不低于95%；针对试运行发现的问题及时整改，整改完成后方可申请验收。8.1人员保障灌区管理单位配备不少于2名专职数字孪生系统运维人员，运维人员需具备水利信息化、灌区管理相关专业背景；每年组织不少于4次运维培训，提升运维人员专业能力。8.2经费保障数字孪生灌区建设经费纳入灌区现代化改造总投资统筹安排，运行维护经费纳入地方财政年度预算，每年运维经费不低于建设总投资的3%，确保系统长期稳定运行。8.3运维管理建立日常运维巡检制度，野外监测设备每周巡检1次，平台系统每日巡检1次，发现故障24小时内处置完成；建立设备更新机制，监测设备使用年限不超过6年，服务器等硬件设备使用年限不超过8年，到期及时更新。8.4迭代升级每年开展一次需求调研，结合业务需求变化、技术发展情况，对系统功能、模型参数进行迭代升级，每3年开展一次系统全面升级，确保系统持续符合灌区管理需求。9.1验收流程分为初步验收和竣工验收两个阶段，初步验收由建设单位组织，邀请行业专家、用户代表参与，重点核查建设内容完成情况、系统试运行情况；初步验收通过后试运行满6个月，可申请竣工验收，竣工验收由省级及以上水行政主管部门组织，按照本指南及相关规范要求开展验收，验收合格后方可正式投入运行。9.2评估指标体系建立三级评估指标体系：1.基础指标：骨干渠系感知