數字灌區(qū)的定義和背景

數字灌區(qū)是一種基于現(xiàn)代信息技術的智能化灌溉管理系統(tǒng)，通過傳感器、通信網絡和決策支持系統(tǒng)等技術手段，實現(xiàn)對農田灌溉的精確控制和優(yōu)化管理。數字灌區(qū)實現(xiàn)方法及其技術應用綜述指出：數字灌區(qū)是數字水利的內容之一，較數字水利來說數字灌區(qū)僅僅是數字水利系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它只關注灌區(qū)中與農田灌溉相關聯(lián)的部分內容，這里逐步就灌區(qū)的水價改革和數字灌區(qū)管理進行論述，并不代表其它內容不重要，也不包含對其它水利數字化軟硬件的任何潛力和先進性技術的暗示。有關數字水利的內容可以參考其它相關的文章。更多內容參見《數字灌區(qū)實現(xiàn)方法及其技術應用綜述》。

在我國大中小型灌區(qū)是公益性水利基礎設施，是農業(yè)的命脈，是鄉(xiāng)村振興的基礎支撐，是綠水青山就金山銀山的保障。灌區(qū)用全國 49% 的耕地面積和 62. 3% 的總用水量， 生產出占全國 75% 的糧食和 90% 以上的經濟作物。但是，灌區(qū)粗放的用水管理模式和灌溉方式，從有關文章得知灌溉水利用系數僅僅是 0. 548左右。許多數字灌區(qū)試圖通過灌溉技術與3S技術、IT技術、仿真等現(xiàn)代化技術相結合，利用衛(wèi)星遙感數據和現(xiàn)場傳感器來收集灌區(qū)中的實時數據，通過通信技術來傳輸信息，實現(xiàn)對灌區(qū)的實時監(jiān)督、有效管理及時決策。數字灌區(qū)通過安裝在農田中的傳感器來實時監(jiān)測土壤水分、氣象條件和作物生長狀態(tài)等關鍵參數。這些傳感器可以將采集到的數據通過通信網絡傳輸到中央控制系統(tǒng)，然后利用決策支持系統(tǒng)對數據進行分析和處理。最后，系統(tǒng)根據分析結果制定灌溉方案，并通過智能控制設備實現(xiàn)對灌溉的精確控制。

數字灌區(qū)的發(fā)展背景可以追溯到傳統(tǒng)灌溉管理的不足和現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展。傳統(tǒng)的灌溉管理通常依賴于人工經驗和定期巡視，存在著水資源浪費、灌溉不均勻和管理效率低下等問題。而隨著傳感器技術、通信技術和計算機技術的進步，數字灌區(qū)的概念被提出并得到了廣泛關注。數字灌區(qū)是利用數字技術構建灌區(qū)孿生數字模型，這是未來灌區(qū)管理的必然趨勢。數字灌區(qū)可以實現(xiàn)對灌區(qū)的實時監(jiān)測、智能化管理和高效運營，能夠提高灌溉用水的效率，減少浪費，對于農村水價改革和灌區(qū)工程管理有重要的推動作用。

數字灌區(qū)的發(fā)展旨在提高農田灌溉的效率和精確性，減少水資源的浪費，提高農作物的產量和品質。它不僅可以根據實時的土壤水分和氣象條件調整灌溉量，還可以根據作物的生長狀態(tài)和需水量進行個性化的灌溉管理。此外，數字灌區(qū)還可以通過數據分析和決策支持系統(tǒng)提供農民管水和灌區(qū)調度決策者更準確的決策依據，促進農田灌溉的可持續(xù)發(fā)展。

要充分發(fā)揮數字灌區(qū)的作用，不僅需要引進高效的、實用的和穩(wěn)定的數字灌區(qū)系統(tǒng)，還需要嚴格制定系統(tǒng)管理維護和人員技術培訓的工作制度。通過專業(yè)的培訓和技術指導，可以讓工作人員更好地理解和使用數字灌區(qū)系統(tǒng)，從而提高灌區(qū)管理的效率和效果。

灌區(qū)的水價改革和數字灌區(qū)管理是解決水資源短缺和氣候變化問題的重要措施。盡管實施這些改革和管理策略面臨一些挑戰(zhàn)，但它們也帶來了巨大的機遇。政府、涉農企業(yè)、農民和技術團隊應該共同努力，推動灌區(qū)的水價改革和數字灌區(qū)管理的實施，以實現(xiàn)灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和水資源的合理利用。

續(xù)建配套與節(jié)水改造的需要

近年來，國家一直在努力推進大中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，這使得灌區(qū)嚴重病險、工程“卡脖子”得到了有效解決，骨干工程配套率和設施完好率也明顯提高。這些改進使得灌區(qū)灌排基礎設施薄弱、灌溉效益衰減的狀況得到了有效改善。

然而，隨著社會主義現(xiàn)代化建設的全面推進，新的社會經濟形勢下灌區(qū)服務功能不斷拓展。在水資源緊缺、極端降雨與干旱頻繁出現(xiàn)的大背景下，糧食穩(wěn)產高產、城鄉(xiāng)供水、生態(tài)安全等用水需求日益迫切。

因此，灌區(qū)的管理思路亟待轉變。未來需要采用現(xiàn)代技術和手段提升管理水平。數字孿生灌區(qū)建設作為新階段水利高質量發(fā)展的重要內容，是深化智慧水利建設的重要一環(huán)。數字孿生技術可以實現(xiàn)通過數字化場景、智慧化模擬、精準化決策來提升灌區(qū)的服務水平，實現(xiàn)灌區(qū)“供水可靠、調度靈活、用水精準、防災有力、管理智能”。

數字孿生灌區(qū)建設具有重要意義，它可以通過數字化技術提高灌區(qū)的效率和精確度，實現(xiàn)精準調度和優(yōu)化管理，為我國農業(yè)現(xiàn)代化和農業(yè)強國建設提供有力支持。當然，數字孿生技術的運用將帶來更多機遇和挑戰(zhàn)，需要我們不斷探索和創(chuàng)新。

灌區(qū)數字化建設的需要

從發(fā)展階段來看，灌區(qū)信息化方面的建設可以分為以下三個階段：

1、信息化階段

在這個階段，灌區(qū)信息化的建設主要集中在數據入庫上圖，實現(xiàn)查詢、瀏覽和監(jiān)視等功能。

2、數字孿生階段

在這個階段，灌區(qū)信息化建設進入了一個更高級的階段，即數字孿生階段。這個階段主要是通過數字賦能，實現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、需水實時感知、供水精準調度和應急處置等功能，強化“四預”（預報、預警、預演、預案）能力。數字孿生灌區(qū)是以物理灌區(qū)為單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對物理灌區(qū)全要素和建設運行全過程進行數字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理灌區(qū)同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，實現(xiàn)對物理灌區(qū)的實時監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調度的新型基礎設施。數字孿生灌區(qū)建設包括信息化基礎設施、數字孿生平臺、業(yè)務應用平臺、網絡安全體系、運行維護體系等方面。從數字孿生灌區(qū)的定位看，重點是提升灌區(qū)用水管理的精準決策能力，建設重點是數據、算法和算力方面的協(xié)同提升。

3、智能智慧化階段

在這個階段，灌區(qū)信息化建設將實現(xiàn)自我判斷、自我決策和自我執(zhí)行，實現(xiàn)無人值班、少人值守。

在數據方面，灌區(qū)應基于地形條件和管理需求，利用3S、物聯(lián)網、人工智能、5G等現(xiàn)代信息技術，匯集多種類型的傳感終端，構建灌區(qū)涉水信息的透徹感知體系。同時，灌區(qū)應按照基礎數據、地理空間數據、監(jiān)測數據、業(yè)務管理數據、外部共享數據的分類方式，依據統(tǒng)一數據標準對多源異構數據進行調整，全面建設灌區(qū)數據底板。在算法方面，灌區(qū)用水的供、輸、配、灌、耗、排全過程是一個整體聯(lián)動的水循環(huán)過程，涉及來水預報、需水預測、水資源配置。

灌區(qū)和高標準農田建設并重

灌區(qū)建設和高標準農田建設都是我國糧食生產能力和國家糧食安全的關鍵舉措，兩者之間有效銜接、相互促進，形成有機整體，對于提高農田水利工程效益和農業(yè)生產條件具有重要意義。

目前，水利部和農業(yè)農村部正指導各地統(tǒng)籌大中型灌區(qū)和高標準農田建設，將兩者建設相互融合。灌區(qū)建設側重骨干灌排工程體系，高標準農田建設側重田間工程體系，但兩者需要相互銜接，形成從水源到田間的灌排工程體系。通過優(yōu)先將大中型灌區(qū)建成高標準農田，可以有效地提高農田水利工程的效益和農業(yè)生產條件。

在數字孿生灌區(qū)建設過程中，水利部門和農業(yè)農村部門需要形成合力，加強骨干工程與田間工程的銜接。數字孿生技術可以實現(xiàn)對物理灌區(qū)的同步仿真運行和虛實交互，提高農田水利工程的效率和精度。在數字孿生技術應用中，需要從立體感知、自動控制、支撐保障、數字孿生、業(yè)務應用、網絡安全、運行維護等方面同步推進，相互促進和有效共享。

通過灌區(qū)建設和高標準農田建設的有效銜接，可以共同鞏固和保障我國糧食生產能力，提高農田水利工程效益和農業(yè)生產條件，為保障國家糧食安全作出積極貢獻。

數字灌區(qū)建設面臨的挑戰(zhàn)

數字孿生灌區(qū)建設確實面臨許多挑戰(zhàn)，以下是針對這些問題的一些解決方案：

對于頂層設計可以從以下兩方面著手：

參考成熟的理論框架和實施方法：可以參考數字孿生城市、工業(yè)等領域的設計框架和方法，如新加坡的“智慧國家2025”、美國的“國家信息基礎設施”等計劃，結合灌區(qū)的特點進行適應性的改造和拓展。

加強與相關部門的溝通協(xié)調：數字孿生灌區(qū)建設涉及到多個部門，包括水利、農業(yè)、科技、環(huán)保等，應加強與這些部門的溝通協(xié)調，明確各自的職責和分工，形成合力推動建設。

對于人才隊伍的整合，可以采取以下措施：

建立跨專業(yè)協(xié)作機制：水利專業(yè)人員和信息專業(yè)人員需要密切協(xié)作，建立跨專業(yè)協(xié)作機制，實現(xiàn)知識和技能的共享與整合，共同推進數字孿生灌區(qū)建設。

加強人才培養(yǎng)與引進：加大對數字孿生灌區(qū)相關領域專業(yè)人才的培養(yǎng)和引進力度，培養(yǎng)一批具備數字孿生灌區(qū)建設技能和經驗的高素質人才。

對于運維模式的選擇，可以考慮以下方案：

引入第三方物業(yè)化托管：將數字孿生灌區(qū)運維工作委托給第三方管理公司或專業(yè)運維團隊，能夠提高運維的專業(yè)性和效率，同時降低成本。

長期迭代更新服務：建立長期迭代更新服務的運維模式，確保系統(tǒng)能夠適應技術和業(yè)務需求的變化，持續(xù)發(fā)揮效用。

此外，還需要注意以下幾點：

充分調研和論證：在實施數字孿生灌區(qū)建設前，應對灌區(qū)的實際情況進行充分調研和論證，了解實際需求和問題，制定可行的實施方案。

建立標準規(guī)范體系：制定數字孿生灌區(qū)的標準規(guī)范體系，統(tǒng)一數據格式、接口標準、安全防護等方面要求，保障系統(tǒng)的可用性和安全性。

加強技術研發(fā)與創(chuàng)新：積極開展數字孿生灌區(qū)相關技術研發(fā)與創(chuàng)新，提高自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，推動數字孿生灌區(qū)建設不斷向前發(fā)展。

數字孿生灌區(qū)建設需要從多個方面入手，加強頂層設計、人才隊伍整合、運維模式選擇等方面的工作，同時注意充分調研和論證、建立標準規(guī)范體系、加強技術研發(fā)與創(chuàng)新等問題，推動數字孿生灌區(qū)建設的順利實施。

總  結

隨著信息技術的不斷進步和應用的推廣，數字灌區(qū)在全球范圍內得到了廣泛應用。許多國家和地區(qū)已經建立了數字灌區(qū)項目，并取得了顯著的成效。

灌區(qū)應按照基礎數據、地理空間數據、監(jiān)測數據、業(yè)務管理數據、外部共享數據的分類方式，依據統(tǒng)一數據標準對多源異構數據進行調整，全面建設灌區(qū)數據底板。

通過灌區(qū)建設和高標準農田建設的有效銜接，可以共同鞏固和保障我國糧食生產能力，提高農田水利工程效益和農業(yè)生產條件，為保障國家糧食安全作出積極貢獻。

數字孿生灌區(qū)建設需要從多個方面入手，加強頂層設計、人才隊伍整合、運維模式選擇等方面的工作，同時注意充分調研和論證、建立標準規(guī)范體系、加強技術研發(fā)與創(chuàng)新等問題，推動數字孿生灌區(qū)建設的順利實施。

數字灌區(qū)的發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，如傳感器技術的穩(wěn)定性和準確性、通信網絡的可靠性、決策支持系統(tǒng)的精確性等。但隨著技術的不斷改進和應用經驗的積累，數字灌區(qū)將在農田灌溉管理中發(fā)揮越來越重要的作用。