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

在我國大中小型灌區(qū)是公益性水利基礎(chǔ)設(shè)施，是農(nóng)業(yè)的命脈，是鄉(xiāng)村振興的基礎(chǔ)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(chǎn)出占全國 75% 的糧食和 90% 以上的經(jīng)濟(jì)作物。但是，灌區(qū)粗放的用水管理模式和灌溉方式，從有關(guān)文章得知灌溉水利用系數(shù)僅僅是 0. 548左右。許多數(shù)字灌區(qū)試圖通過灌溉技術(shù)與3S技術(shù)、IT技術(shù)、仿真等現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場傳感器來收集灌區(qū)中的實時數(shù)據(jù)，通過通信技術(shù)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(shù)字灌區(qū)通過安裝在農(nóng)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(guān)鍵參數(shù)。這些傳感器可以將采集到的數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，然后利用決策支持系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。最后，系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果制定灌溉方案，并通過智能控制設(shè)備實現(xiàn)對灌溉的精確控制。

數(shù)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(shù)的快速發(fā)展。傳統(tǒng)的灌溉管理通常依賴于人工經(jīng)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(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字灌區(qū)的概念被提出并得到了廣泛關(guān)注。數(shù)字灌區(qū)是利用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建灌區(qū)孿生數(shù)字模型，這是未來灌區(qū)管理的必然趨勢。數(shù)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(nóng)村水價改革和灌區(qū)工程管理有重要的推動作用。

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

要充分發(fā)揮數(shù)字灌區(qū)的作用，不僅需要引進(jìn)高效的、實用的和穩(wěn)定的數(shù)字灌區(qū)系統(tǒng)，還需要嚴(yán)格制定系統(tǒng)管理維護(hù)和人員技術(shù)培訓(xùn)的工作制度。通過專業(yè)的培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)，可以讓工作人員更好地理解和使用數(shù)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(shù)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(jī)遇。政府、涉農(nóng)企業(yè)、農(nóng)民和技術(shù)團(tuán)隊?wèi)?yīng)該共同努力，推動灌區(qū)的水價改革和數(shù)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(jìn)大中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，這使得灌區(qū)嚴(yán)重病險、工程“卡脖子”得到了有效解決，骨干工程配套率和設(shè)施完好率也明顯提高。這些改進(jìn)使得灌區(qū)灌排基礎(chǔ)設(shè)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(shè)的全面推進(jìn)，新的社會經(jīng)濟(jì)形勢下灌區(qū)服務(wù)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(chǎn)高產(chǎn)、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(zhuǎn)變。未來需要采用現(xiàn)代技術(shù)和手段提升管理水平。數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容，是深化智慧水利建設(shè)的重要一環(huán)。數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)通過數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策來提升灌區(qū)的服務(wù)水平，實現(xiàn)灌區(qū)“供水可靠、調(diào)度靈活、用水精準(zhǔn)、防災(zāi)有力、管理智能”。

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)具有重要意義，它可以通過數(shù)字化技術(shù)提高灌區(qū)的效率和精確度，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度和優(yōu)化管理，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)強(qiáng)國建設(shè)提供有力支持。當(dāng)然，數(shù)字孿生技術(shù)的運用將帶來更多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要我們不斷探索和創(chuàng)新。

灌區(qū)數(shù)字化建設(shè)的需要

從發(fā)展階段來看，灌區(qū)信息化方面的建設(shè)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(shè)主要集中在數(shù)據(jù)入庫上圖，實現(xiàn)查詢、瀏覽和監(jiān)視等功能。

2、數(shù)字孿生階段

在這個階段，灌區(qū)信息化建設(shè)進(jìn)入了一個更高級的階段，即數(shù)字孿生階段。這個階段主要是通過數(shù)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(zhǔn)調(diào)度和應(yīng)急處置等功能，強(qiáng)化“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）能力。數(shù)字孿生灌區(qū)是以物理灌區(qū)為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對物理灌區(qū)全要素和建設(shè)運行全過程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)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(diào)度的新型基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺、網(wǎng)絡(luò)安全體系、運行維護(hù)體系等方面。從數(shù)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(zhǔn)決策能力，建設(shè)重點是數(shù)據(jù)、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(shè)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(shù)據(jù)方面，灌區(qū)應(yīng)基于地形條件和管理需求，利用3S、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等現(xiàn)代信息技術(shù)，匯集多種類型的傳感終端，構(gòu)建灌區(qū)涉水信息的透徹感知體系。同時，灌區(qū)應(yīng)按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)的分類方式，依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，全面建設(shè)灌區(qū)數(shù)據(jù)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(yù)報、需水預(yù)測、水資源配置。

灌區(qū)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)并重

灌區(qū)建設(shè)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)都是我國糧食生產(chǎn)能力和國家糧食安全的關(guān)鍵舉措，兩者之間有效銜接、相互促進(jìn)，形成有機(jī)整體，對于提高農(nóng)田水利工程效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件具有重要意義。

目前，水利部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部正指導(dǎo)各地統(tǒng)籌大中型灌區(qū)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，將兩者建設(shè)相互融合。灌區(qū)建設(shè)側(cè)重骨干灌排工程體系，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)側(cè)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(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，可以有效地提高農(nóng)田水利工程的效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。

在數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)過程中，水利部門和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門需要形成合力，加強(qiáng)骨干工程與田間工程的銜接。數(shù)字孿生技術(shù)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(nóng)田水利工程的效率和精度。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用中，需要從立體感知、自動控制、支撐保障、數(shù)字孿生、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全、運行維護(hù)等方面同步推進(jìn)，相互促進(jìn)和有效共享。

通過灌區(qū)建設(shè)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的有效銜接，可以共同鞏固和保障我國糧食生產(chǎn)能力，提高農(nóng)田水利工程效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，為保障國家糧食安全作出積極貢獻(xiàn)。

數(shù)字灌區(qū)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)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(shè)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(shù)字孿生城市、工業(yè)等領(lǐng)域的設(shè)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(chǔ)設(shè)施”等計劃，結(jié)合灌區(qū)的特點進(jìn)行適應(yīng)性的改造和拓展。

加強(qiáng)與相關(guān)部門的溝通協(xié)調(diào)：數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)涉及到多個部門，包括水利、農(nóng)業(yè)、科技、環(huán)保等，應(yīng)加強(qiáng)與這些部門的溝通協(xié)調(diào)，明確各自的職責(zé)和分工，形成合力推動建設(shè)。

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(jī)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(jī)制，實現(xiàn)知識和技能的共享與整合，共同推進(jìn)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)。

加強(qiáng)人才培養(yǎng)與引進(jìn)：加大對數(shù)字孿生灌區(qū)相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的培養(yǎng)和引進(jìn)力度，培養(yǎng)一批具備數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)技能和經(jīng)驗的高素質(zhì)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(shù)字孿生灌區(qū)運維工作委托給第三方管理公司或?qū)I(yè)運維團(tuán)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(wù)：建立長期迭代更新服務(wù)的運維模式，確保系統(tǒng)能夠適應(yīng)技術(shù)和業(yè)務(wù)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(diào)研和論證：在實施數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)前，應(yīng)對灌區(qū)的實際情況進(jìn)行充分調(diào)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系：制定數(shù)字孿生灌區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、接口標(biāo)準(zhǔn)、安全防護(hù)等方面要求，保障系統(tǒng)的可用性和安全性。

加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新：積極開展數(shù)字孿生灌區(qū)相關(guān)技術(shù)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(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)不斷向前發(fā)展。

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)需要從多個方面入手，加強(qiáng)頂層設(shè)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(diào)研和論證、建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新等問題，推動數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的順利實施。

總  結(jié)

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的推廣，數(shù)字灌區(qū)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。許多國家和地區(qū)已經(jīng)建立了數(shù)字灌區(qū)項目，并取得了顯著的成效。

灌區(qū)應(yīng)按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)的分類方式，依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，全面建設(shè)灌區(qū)數(shù)據(jù)底板。

通過灌區(qū)建設(shè)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的有效銜接，可以共同鞏固和保障我國糧食生產(chǎn)能力，提高農(nóng)田水利工程效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，為保障國家糧食安全作出積極貢獻(xiàn)。

數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)需要從多個方面入手，加強(qiáng)頂層設(shè)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(diào)研和論證、建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新等問題，推動數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的順利實施。

數(shù)字灌區(qū)的發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，如傳感器技術(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性、通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、決策支持系統(tǒng)的精確性等。但隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)和應(yīng)用經(jīng)驗的積累，數(shù)字灌區(qū)將在農(nóng)田灌溉管理中發(fā)揮越來越重要的作用。