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数字孪生赋能黄泥埠水库灌区管理新动力

黄泥埠灌区,江西省吉安市新干县3处重点中型灌区之一。2024年12月完成续建配套与节水改造,2025年5月基本完成数字孪生构建,实现灌区管理现代化提升。改“明渠输水”为“低压管道输水”的全域换装,数字孪生体构建的数智加盟,两次建设先后落地、协同推进,实现灌区由“低效粗放灌溉”向“高效精细灌溉”转变,业务工作由“事后现场管理”向“事前远程管理”转变,实现业务全生命周期的闭环管理,为黄泥埠灌区业务管理提供超前、快速、精准的决策支持。

(一)

改明渠输水为低压管道输水,节水改造提灌扩面增效益。

黄泥埠水库属单一水源灌区,水库总库容1728万立方米,有效灌溉面积1.76万亩,以种植水稻为主。2023年启动黄泥埠灌区续建配套与节水改造工程建设,至今累计完成投资6470余万元,新建39.8公里干支管道、3座升压泵站,灌区输水系统旧貌换新颜,一改60多年来低效粗放的明渠输水灌溉方式,升级为高效精准的低压管道输水灌溉方式,放水周期由10~15天缩减至1~3天,渠系水有效利用系数由不足0.55提高至0.9以上,年均可节水约350万立方米,相当于一座中等规模的小(一)型水库蓄水量。节水产生富余水量与升压泵站的提水加持,为水库提灌扩面创造了有利条件,金川腊月红基地、长港蔬菜基地、共兴农业发展有限公司共计6958亩耕地纳入提水灌溉范围,有效解决了农业生产基地灌溉缺水问题,是为灌区节水增效的成功案例。

(二)

建成数字孪生灌区,数字赋能强力驱动提能效。

黄泥埠水库灌区的单一水源供水、低压管道输水的优势明显,为成功纳入水利部数字孪生灌区先行先试项目创造了有利条件。今年5月基本完成包括立体感知体系、数字孪生平台、业务应用平台、支撑保障体系、网络安全体系等主要内容的数字孪生灌区建设任务。从方案的编制到项目的实施,新干县始终坚持“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的智慧球探篮球比分,竞彩足球比分理念,立足县情实际,走出一条由点带面的小而精到全域覆盖的大而全的建设路子。

2025年5月30日,纯蓝为底色的“黄泥埠数字孪生灌区管理系统”呈现在新干县水库建设养护中心一楼会议室的显示大屏上。灌区管理员在承建方工程师指导下登录管理系统,忙着数据调阅、信息查询、远程控制等业务操作,标志着该系统正式进入试运行。

系统采用物联网、无人机、移动互联、人工智能、云计算、大数据等技术,完善信息化基础设施,构建数字孪生灌区平台,形成以黄泥埠水库灌区水资源管理与调配为核心的智能业务应用体系,基本实现灌区水资源管理精细化、水工程调度科学化、水生态监督智慧化,趋向科学、精准、高效目标。

完善信息化基础设施。信息化基础设施建设包括监测感知、通信网络、信息基础环境等方面的构建。新建5处雨量监测站、3处墒情站、4处农田水位站、13处视频监控站、187处智能水表、6处超声波流量计,对接省统建的水库大坝安全监测、水库水位雨量监测、气象预报系统,使用现有专线网络和水利局政务专网、4G物联卡等收集、传输、共享数据。

构建数字孪生平台。数据底板是构建数字孪生平台的基石,是智慧灌区数字化映射的成果、数字化场景构建的基础、智慧化参数计算与迭代更新的依据。L1级数据底板为不同时期、不同分辨率、不同尺度的灌区基础数据和监测数据,基础数据包括地理信息数据、水库工程数据、河流水系数据、不同年代的社会经济数据,监测数据包括水库、渠道、管网的水雨工情站点的实时监测数据和融合数据。在灌区三维地理空间可视化场景基础上,通过叠加渲染日照、降雨、降雪、冰雹等天气要素,实现物理灌区场景与数字灌区场景的映射和模拟仿真、同步运行。L2级数据底板为黄泥埠水库上游库区及灌区数字化场景数据。L3级数据底板为黄泥埠水库大坝、水闸、渠道管网、试点田块、水动力流场等的三维精细化建模,用于精准化工程调度与交互式数字孪生,实现物理水利工程与数字孪生水利工程的可视化仿真映射和同步运行。灌区专题模型库是数字孪生平台的核心。主要服务于灌区的灌溉供水,兼顾防洪功能需求。水库下游有1.76万亩农田灌溉用水需求,采取低压管道输水模式。据此需求开发了水库中长期来水预测模型、短期来水预测模型,灌区中长期需水预测模型、短期需水预测模型、水资源精细化调度模型。水库中长期来水预测模型,针对年内逐旬的水库入库流量过程进行预测,建立以定性气象预报法为基础,以旬为时段长的中长期来水预测模型,并根据历史资料对模型进行率定验证,使得模型精度符合要求,预报方案科学合理。水库短期来水预测模型针对旬内逐日的水库入库流量过程进行预测。灌区中长期需水预测模型,采用用水定额法对灌区中长期需水进行预测。灌区短期需水预测模型通过作物需水预测指标与土壤有效含水量预测指标的模拟预测,获取不同区块的需水预测模型。水资源精细化调度模型,以灌溉用水需求为目标,将黄泥埠水库灌区划分为多个片区,基于水库来水预报、灌区需水预测成果,构建年、旬水资源调度模型,获取不同情况下水资源调度分配方案的最优解。

   构建业务应用平台。涉及供需水感知与预报、水资源配置与供用水调度、大坝安全、灌区安全、工程管理、灌区数字化管理系统、移动APP升级等N项业务应用。供需水感知与预报。在对接统建、改造已建、增加新建的基础上完善立体感知体系,实现对可供水量、农作物种植结构、水库来水、灌区需水等数据采集、汇聚、分析。水资源配置与供用水调度。借助降雨径流模型、作物需水模型、灌区管网水动力模型、灌区水资源精细化调度模型,进行水资源配置与供用水调度的整体计算,据此制定相应的调度方案进行调度管理,动态掌握并及时更新水资源监测计量台账,实现气象预测预报、灌区需水预测预报、灌区来水预报、水资源来水预警、水库超限汛预警、灌区干旱预警、供需水平衡预警、实时水情预警、水资源管理、水资源调度预演、水资源调度预案等水资源监管预警功能。大坝安全。对黄泥埠水库大坝的整体安全性进行综合监控管理,主要功能有大坝导览、大坝安全监控、坝体有限元分析、监测预警等。大坝导览提供整个大坝三维建模的综合展示。大坝监控提供大坝渗流、渗压、位移等安全指标的实时监测与异常预警。坝体有限元则是通过对大坝有限元模型进行计算,通过生成不同色度的颜色反映监测数据大小。监测预警包括水位、渗压、流流、位移、上游来水等指标预警。提供大坝前端竖井式闸门启闭信息的监控记录和启闭过程的三维动态仿真,水库库容随水位涨落而变化的3D动态演示。灌区安全。灌区安全是对整个灌区内部的数据进行安全管理,主要包括输水管网的三维展示、安全监控、计量监控、用水管理、远程控制,以及灌区种植结构、种植面积等农情监测和地块管理等。工程管理。支持空间巡查监控,包括:对水库、渠道、管道等巡检路线的空间渲染,巡检人员的空间监控,水事巡查任务、保卫巡查任务、设备巡查任务、工程巡查任务问题处置等空间监控。开发可应用于手机终端的巡查APP,实现对巡查人员APP配置管理,包括账户管理、人员信息、机构管理、任务分发、考勤打卡、问题上报、执行反馈等。灌区数字化管理系统。该系统系基于农业水价综合改革管理平台的升级版,结合现有的水雨情监测信息、水库、河道水位信息及相关水利信息、三维倾斜摄影、电子地图、灌区测绘信息等进行全面综合三维可视化展示,形成全新的数字孪生体,实现对灌区重点水利工程建筑物空间分布情况的全面掌控,灌区工程信息、工程维养、工程巡查、实时监测、水量计量、水费计收等相关业务的综合监管。灌区移动APP升级。对原有农业水价综合管理平台的维养管理进行升级,构建并完善工作台、监测监控、工程维养、工程巡查、设备监控等功能模块,信息采集、查询、传递的时效性与准确度大幅提高。