數字灌區是一種基于現代信息技術的智能化灌溉管理系統，通過傳感器、通信網絡和決策支持系統等技術手段，實現對農田灌溉的精確控制和優化管理。數字灌區實現方法及其技術應用綜述指出：數字灌區是數字水利的內容之一，較數字水利來說數字灌區僅僅是數字水利系統的一個子系統，它只關注灌區中與農田灌溉相關聯的部分內容，這里逐步就灌區的水價改革和數字灌區管理進行論述，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《數字灌區實現方法及其技術應用綜述》。
在我國大中小型灌區是公益性水利基礎設施，是農業的命脈，是鄉村振興的基礎支撐，是綠水青山就金山銀山的保障。灌區用全國 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。許多數字灌區試圖通過灌溉技術與3S技術、IT技術、仿真等現代化技術相結合，利用衛星遙感數據和現場傳感器來收集灌區中的實時數據，通過通信技術來傳輸信息，實現對灌區的實時監督、有效管理及時決策。數字灌區通過安裝在農田中的傳感器來實時監測土壤水分、氣象條件和作物生長狀態等關鍵參數。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，然后利用決策支持系統對數據進行分析和處理。最后，系統根據分析結果制定灌溉方案，并通過智能控制設備實現對灌溉的精確控制。
數字灌區的發展背景可以追溯到傳統灌溉管理的不足和現代信息技術的快速發展。傳統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，數字灌區的概念被提出并得到了廣泛關注。數字灌區是利用數字技術構建灌區孿生數字模型，這是未來灌區管理的必然趨勢。數字灌區可以實現對灌區的實時監測、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工程管理有重要的推動作用。
數字灌區的發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和需水量進行個性化的灌溉管理。此外，數字灌區還可以通過數據分析和決策支持系統提供農民管水和灌區調度決策者更準確的決策依據，促進農田灌溉的可持續發展。
要充分發揮數字灌區的作用，不僅需要引進高效的、實用的和穩定的數字灌區系統，還需要嚴格制定系統管理維護和人員技術培訓的工作制度。通過專業的培訓和技術指導，可以讓工作人員更好地理解和使用數字灌區系統，從而提高灌區管理的效率和效果。
灌區的水價改革和數字灌區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，但它們也帶來了巨大的機遇。政府、涉農企業、農民和技術團隊應該共同努力，推動灌區的水價改革和數字灌區管理的實施，以實現灌區的可持續發展和水資源的合理利用。
續建配套與節水改造的需要
近年來，國家一直在努力推進大中型灌區續建配套與節水改造，這使得灌區嚴重病險、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，隨著社會主義現代化建設的全面推進，新的社會經濟形勢下灌區服務功能不斷拓展。在水資源緊缺、極端降雨與干旱頻繁出現的大背景下，糧食穩產高產、城鄉供水、生態安全等用水需求日益迫切。
因此，灌區的管理思路亟待轉變。未來需要采用現代技術和手段提升管理水平。數字孿生灌區建設作為新階段水利高質量發展的重要內容，是深化智慧水利建設的重要一環。數字孿生技術可以實現通過數字化場景、智慧化模擬、精準化決策來提升灌區的服務水平，實現灌區“供水可靠、調度靈活、用水精準、防災有力、管理智能”。
數字孿生灌區建設具有重要意義，它可以通過數字化技術提高灌區的效率和精確度，實現精準調度和優化管理，為我國農業現代化和農業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，需要我們不斷探索和創新。
灌區數字化建設的需要
從發展階段來看，灌區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，灌區信息化的建設主要集中在數據入庫上圖，實現查詢、瀏覽和監視等功能。
2、數字孿生階段
在這個階段，灌區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，實現灌區水資源優化配置、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。數字孿生灌區是以物理灌區為單元、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，與物理灌區同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，實現對物理灌區的實時監控、發現問題、優化調度的新型基礎設施。數字孿生灌區建設包括信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用平臺、網絡安全體系、運行維護體系等方面。從數字孿生灌區的定位看，重點是提升灌區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同提升。
3、智能智慧化階段
在這個階段，灌區信息化建設將實現自我判斷、自我決策和自我執行，實現無人值班、少人值守。
在數據方面，灌區應基于地形條件和管理需求，利用3S、物聯網、人工智能、5G等現代信息技術，匯集多種類型的傳感終端，構建灌區涉水信息的透徹感知體系。同時，灌區應按照基礎數據、地理空間數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據的分類方式，依據統一數據標準對多源異構數據進行調整，全面建設灌區數據底板。在算法方面，灌區用水的供、輸、配、灌、耗、排全過程是一個整體聯動的水循環過程，涉及來水預報、需水預測、水資源配置。
灌區和高標準農田建設并重
灌區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生產條件具有重要意義。
目前，水利部和農業農村部正指導各地統籌大中型灌區和高標準農田建設，將兩者建設相互融合。灌區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。通過優先將大中型灌區建成高標準農田，可以有效地提高農田水利工程的效益和農業生產條件。
在數字孿生灌區建設過程中，水利部門和農業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對物理灌區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生產條件，為保障國家糧食安全作出積極貢獻。
數字灌區建設面臨的挑戰
數字孿生灌區建設確實面臨許多挑戰，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調：數字孿生灌區建設涉及到多個部門，包括水利、農業、科技、環保等，應加強與這些部門的溝通協調，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：
建立跨專業協作機制：水利專業人員和信息專業人員需要密切協作，建立跨專業協作機制，實現知識和技能的共享與整合，共同推進數字孿生灌區建設。
加強人才培養與引進：加大對數字孿生灌區相關領域專業人才的培養和引進力度，培養一批具備數字孿生灌區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：
引入第三方物業化托管：將數字孿生灌區運維工作委托給第三方管理公司或專業運維團隊，能夠提高運維的專業性和效率，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，確保系統能夠適應技術和業務需求的變化，持續發揮效用。
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建設前，應對灌區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。
建立標準規范體系：制定數字孿生灌區的標準規范體系，統一數據格式、接口標準、安全防護等方面要求，保障系統的可用性和安全性。
加強技術研發與創新：積極開展數字孿生灌區相關技術研發與創新，提高自主創新能力和核心競爭力，推動數字孿生灌區建設不斷向前發展。
數字孿生灌區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、建立標準規范體系、加強技術研發與創新等問題，推動數字孿生灌區建設的順利實施。
總 結
隨著信息技術的不斷進步和應用的推廣，數字灌區在全球范圍內得到了廣泛應用。許多國家和地區已經建立了數字灌區項目，并取得了顯著的成效。
灌區應按照基礎數據、地理空間數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據的分類方式，依據統一數據標準對多源異構數據進行調整，全面建設灌區數據底板。
通過灌區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、建立標準規范體系、加強技術研發與創新等問題，推動數字孿生灌區建設的順利實施。
數字灌區的發展還面臨一些挑戰，如傳感器技術的穩定性和準確性、通信網絡的可靠性、決策支持系統的精確性等。但隨著技術的不斷改進和應用經驗的積累，數字灌區將在農田灌溉管理中發揮越來越重要的作用。