数字灌区的定义和背景

数字灌区是一种基于现代信息技术的智能化灌溉管理系统，通过传感器、通信网络和决策支持系统等技术手段，实现对农田灌溉的精确控制和优化管理。数字灌区实现方法及其技术应用综述指出：数字灌区是数字水利的内容之一，较数字水利来说数字灌区仅仅是数字水利系统的一个子系统，它只关注灌区中与农田灌溉相关联的部分内容，这里逐步就灌区的水价改革和数字灌区管理进行论述，并不代表其它内容不重要，也不包含对其它水利数字化软硬件的任何潜力和先进性技术的暗示。有关数字水利的内容可以参考其它相关的文章。更多内容参见《数字灌区实现方法及其技术应用综述》。

在我国大中小型灌区是公益性水利基础设施，是农业的命脉，是乡村振兴的基础支撑，是绿水青山就金山银山的保障。灌区用全国 49% 的耕地面积和 62. 3% 的总用水量， 生产出占全国 75% 的粮食和 90% 以上的经济作物。但是，灌区粗放的用水管理模式和灌溉方式，从有关文章得知灌溉水利用系数仅仅是 0. 548左右。许多数字灌区试图通过灌溉技术与3S技术、IT技术、仿真等现代化技术相结合，利用卫星遥感数据和现场传感器来收集灌区中的实时数据，通过通信技术来传输信息，实现对灌区的实时监督、有效管理及时决策。数字灌区通过安装在农田中的传感器来实时监测土壤水分、气象条件和作物生长状态等关键参数。这些传感器可以将采集到的数据通过通信网络传输到中央控制系统，然后利用决策支持系统对数据进行分析和处理。最后，系统根据分析结果制定灌溉方案，并通过智能控制设备实现对灌溉的精确控制。

数字灌区的发展背景可以追溯到传统灌溉管理的不足和现代信息技术的快速发展。传统的灌溉管理通常依赖于人工经验和定期巡视，存在着水资源浪费、灌溉不均匀和管理效率低下等问题。而随着传感器技术、通信技术和计算机技术的进步，数字灌区的概念被提出并得到了广泛关注。数字灌区是利用数字技术构建灌区孪生数字模型，这是未来灌区管理的必然趋势。数字灌区可以实现对灌区的实时监测、智能化管理和高效运营，能够提高灌溉用水的效率，减少浪费，对于农村水价改革和灌区工程管理有重要的推动作用。

数字灌区的发展旨在提高农田灌溉的效率和精确性，减少水资源的浪费，提高农作物的产量和品质。它不仅可以根据实时的土壤水分和气象条件调整灌溉量，还可以根据作物的生长状态和需水量进行个性化的灌溉管理。此外，数字灌区还可以通过数据分析和决策支持系统提供农民管水和灌区调度决策者更准确的决策依据，促进农田灌溉的可持续发展。

要充分发挥数字灌区的作用，不仅需要引进高效的、实用的和稳定的数字灌区系统，还需要严格制定系统管理维护和人员技术培训的工作制度。通过专业的培训和技术指导，可以让工作人员更好地理解和使用数字灌区系统，从而提高灌区管理的效率和效果。

灌区的水价改革和数字灌区管理是解决水资源短缺和气候变化问题的重要措施。尽管实施这些改革和管理策略面临一些挑战，但它们也带来了巨大的机遇。政府、涉农企业、农民和技术团队应该共同努力，推动灌区的水价改革和数字灌区管理的实施，以实现灌区的可持续发展和水资源的合理利用。

续建配套与节水改造的需要

近年来，国家一直在努力推进大中型灌区续建配套与节水改造，这使得灌区严重病险、工程“卡脖子”得到了有效解决，骨干工程配套率和设施完好率也明显提高。这些改进使得灌区灌排基础设施薄弱、灌溉效益衰减的状况得到了有效改善。

然而，随着社会主义现代化建设的全面推进，新的社会经济形势下灌区服务功能不断拓展。在水资源紧缺、极端降雨与干旱频繁出现的大背景下，粮食稳产高产、城乡供水、生态安全等用水需求日益迫切。

因此，灌区的管理思路亟待转变。未来需要采用现代技术和手段提升管理水平。数字孪生灌区建设作为新阶段水利高质量发展的重要内容，是深化智慧水利建设的重要一环。数字孪生技术可以实现通过数字化场景、智慧化模拟、精准化决策来提升灌区的服务水平，实现灌区“供水可靠、调度灵活、用水精准、防灾有力、管理智能”。

数字孪生灌区建设具有重要意义，它可以通过数字化技术提高灌区的效率和精确度，实现精准调度和优化管理，为我国农业现代化和农业强国建设提供有力支持。当然，数字孪生技术的运用将带来更多机遇和挑战，需要我们不断探索和创新。

灌区数字化建设的需要

从发展阶段来看，灌区信息化方面的建设可以分为以下三个阶段：

1、信息化阶段

在这个阶段，灌区信息化的建设主要集中在数据入库上图，实现查询、浏览和监视等功能。

2、数字孪生阶段

在这个阶段，灌区信息化建设进入了一个更高级的阶段，即数字孪生阶段。这个阶段主要是通过数字赋能，实现灌区水资源优化配置、需水实时感知、供水精准调度和应急处置等功能，强化“四预”（预报、预警、预演、预案）能力。数字孪生灌区是以物理灌区为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理灌区全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理灌区同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理灌区的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。数字孪生灌区建设包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用平台、网络安全体系、运行维护体系等方面。从数字孪生灌区的定位看，重点是提升灌区用水管理的精准决策能力，建设重点是数据、算法和算力方面的协同提升。

3、智能智慧化阶段

在这个阶段，灌区信息化建设将实现自我判断、自我决策和自我执行，实现无人值班、少人值守。

在数据方面，灌区应基于地形条件和管理需求，利用3S、物联网、人工智能、5G等现代信息技术，汇集多种类型的传感终端，构建灌区涉水信息的透彻感知体系。同时，灌区应按照基础数据、地理空间数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据的分类方式，依据统一数据标准对多源异构数据进行调整，全面建设灌区数据底板。在算法方面，灌区用水的供、输、配、灌、耗、排全过程是一个整体联动的水循环过程，涉及来水预报、需水预测、水资源配置。

灌区和高标准农田建设并重

灌区建设和高标准农田建设都是我国粮食生产能力和国家粮食安全的关键举措，两者之间有效衔接、相互促进，形成有机整体，对于提高农田水利工程效益和农业生产条件具有重要意义。

目前，水利部和农业农村部正指导各地统筹大中型灌区和高标准农田建设，将两者建设相互融合。灌区建设侧重骨干灌排工程体系，高标准农田建设侧重田间工程体系，但两者需要相互衔接，形成从水源到田间的灌排工程体系。通过优先将大中型灌区建成高标准农田，可以有效地提高农田水利工程的效益和农业生产条件。

在数字孪生灌区建设过程中，水利部门和农业农村部门需要形成合力，加强骨干工程与田间工程的衔接。数字孪生技术可以实现对物理灌区的同步仿真运行和虚实交互，提高农田水利工程的效率和精度。在数字孪生技术应用中，需要从立体感知、自动控制、支撑保障、数字孪生、业务应用、网络安全、运行维护等方面同步推进，相互促进和有效共享。

通过灌区建设和高标准农田建设的有效衔接，可以共同巩固和保障我国粮食生产能力，提高农田水利工程效益和农业生产条件，为保障国家粮食安全作出积极贡献。

数字灌区建设面临的挑战

数字孪生灌区建设确实面临许多挑战，以下是针对这些问题的一些解决方案：

对于顶层设计可以从以下两方面着手：

参考成熟的理论框架和实施方法：可以参考数字孪生城市、工业等领域的设计框架和方法，如新加坡的“智慧国家2025”、美国的“国家信息基础设施”等计划，结合灌区的特点进行适应性的改造和拓展。

加强与相关部门的沟通协调：数字孪生灌区建设涉及到多个部门，包括水利、农业、科技、环保等，应加强与这些部门的沟通协调，明确各自的职责和分工，形成合力推动建设。

对于人才队伍的整合，可以采取以下措施：

建立跨专业协作机制：水利专业人员和信息专业人员需要密切协作，建立跨专业协作机制，实现知识和技能的共享与整合，共同推进数字孪生灌区建设。

加强人才培养与引进：加大对数字孪生灌区相关领域专业人才的培养和引进力度，培养一批具备数字孪生灌区建设技能和经验的高素质人才。

对于运维模式的选择，可以考虑以下方案：

引入第三方物业化托管：将数字孪生灌区运维工作委托给第三方管理公司或专业运维团队，能够提高运维的专业性和效率，同时降低成本。

长期迭代更新服务：建立长期迭代更新服务的运维模式，确保系统能够适应技术和业务需求的变化，持续发挥效用。

此外，还需要注意以下几点：

充分调研和论证：在实施数字孪生灌区建设前，应对灌区的实际情况进行充分调研和论证，了解实际需求和问题，制定可行的实施方案。

建立标准规范体系：制定数字孪生灌区的标准规范体系，统一数据格式、接口标准、安全防护等方面要求，保障系统的可用性和安全性。

加强技术研发与创新：积极开展数字孪生灌区相关技术研发与创新，提高自主创新能力和核心竞争力，推动数字孪生灌区建设不断向前发展。

数字孪生灌区建设需要从多个方面入手，加强顶层设计、人才队伍整合、运维模式选择等方面的工作，同时注意充分调研和论证、建立标准规范体系、加强技术研发与创新等问题，推动数字孪生灌区建设的顺利实施。

总  结

随着信息技术的不断进步和应用的推广，数字灌区在全球范围内得到了广泛应用。许多国家和地区已经建立了数字灌区项目，并取得了显著的成效。

灌区应按照基础数据、地理空间数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据的分类方式，依据统一数据标准对多源异构数据进行调整，全面建设灌区数据底板。

通过灌区建设和高标准农田建设的有效衔接，可以共同巩固和保障我国粮食生产能力，提高农田水利工程效益和农业生产条件，为保障国家粮食安全作出积极贡献。

数字孪生灌区建设需要从多个方面入手，加强顶层设计、人才队伍整合、运维模式选择等方面的工作，同时注意充分调研和论证、建立标准规范体系、加强技术研发与创新等问题，推动数字孪生灌区建设的顺利实施。

数字灌区的发展还面临一些挑战，如传感器技术的稳定性和准确性、通信网络的可靠性、决策支持系统的精确性等。但随着技术的不断改进和应用经验的积累，数字灌区将在农田灌溉管理中发挥越来越重要的作用。