数字孪生灌区建设核心要义与关键技术探讨

梳理了数字孪生技术缘起背景和发展进程,分析指出数字灌区是建设数字孪生灌区的重要基础,现代化数字灌区是推进数字孪生灌区建设的重要发展阶段。基于对数学模型的功能认知,在数字孪生灌区框架下,首次提出将数学模型划分为3个层次,即普适性平台模型、针对性应用模型和友好性交互模型。同时,基于数字孪生灌区定义,分析指出数字孪生模型具有实时动态性及闭环反馈性本质特征,物理灌区与孪生灌区存在同步仿真、虚实交互与迭代优化的过程,二者在灌区全生命周期相互影响,相互促进,孪生灌区不仅随着物理灌区的改变而实时改变,而且基于孪生灌区所做的分析和决策也会实时反馈给物理灌区,并影响物理灌区的行为。因此,具体工作实践中,应基于物理灌区现代化改造需要,发现问题,遵循确有需要、节水高效和可以持续的原则,精准选择灌区数字孪生对象,优化创新数学模型,着力突破关键技术,有序开发重点应用,强化网络安全和数据安全,以期能够更有序、更精准、更高效地推进数字孪生灌区建设。

现代化数字灌区建设主体功能及主要应用结构体系探讨

基于对物理灌区的现代化和模拟灌区的数字化认知,分析总结了现代化数字灌区建设应着力完成的“灌区识别”“立体感知”“精准控制”“信息交互”“管理调度”等“五大主体功能”结构体系;基于智慧水利建设和灌区高效运管需求,高效地模拟渠系水流,系统梳理了以“节点流量过程”为输入和输出的灌区概化图,研究提出了现代化数字灌区建设主要业务应用结构体系,即构建以“数据库”为载体,“数学模型”为支撑,基于“灌区一张图”基础之上的“组织管理、工程管理、安全管理、泵站管理、农业节水与供用水管理、经济管理、信息化管理、公共服务”等“九大业务应用”为交互的的整体架构,以期有效提升灌溉供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性。

山东滨州市三大引黄灌区数字孪生灌区建设与技术应用

山东滨州市簸箕李、小开河和韩墩3个大型灌区是水利部大型灌区数字孪生灌区先行先试建设试点之一。本文系统介绍了滨州市3个大型灌区数字孪生灌区设计构架与建设及研究内容,包括数字孪生灌区建设顶层设计,数据底板、立体感知体系、闸门自动化控制、模型开发应用、支撑保障体系建设和业务应用平台。滨州市3大灌区数字孪生建设是在灌区已经开展的信息化建设基础上开展的,已经投入4280多万元,数字孪生灌区大部分建设内容已经完成并投入使用,取得了良好应用成效,助力了灌区水资源的精细化管理,灌区用水计划制定时间较用传统方法缩短60%以上,实现了精准调水配水,年可节水6%;闸门自动化控制应用节省管理用工40%以上。随着三大引黄灌区数字孪生灌区建设的进展和应用技术的不断提升完善与优化迭代,将进一步提升灌区用水管理的数字化、智能化和精准化水平,服务于灌区的可持续发展和高质量发展。

内蒙古河套灌区农业深度节水控水的现状调查与对策建议

在保障国家粮食安全的前提下,实施农业节水增效是黄河流域降低水资源开发利用强度的重要着力点。内蒙古沿黄农业用水集中于大中型灌区,河套灌区等大中型灌区是开展农业深度节水控水的重点地区。为提高输配水效率、水土资源利用效率等,河套灌区积极推进灌区改造,提升农业用水综合效率,但与国内农业灌溉先进地区相比有一定差距。河套灌区需完善各类保障措施,加快深度节水控水实践探索的步伐。

平原河网地区大型灌区规范化监管体系研究

为进一步提高灌区管理水平和服务质量,研究基于平原河网地区大型灌区实际,提出了以灌区规范化管理为基础、监管考核打分为方法、灌区补助资金为奖惩手段的一套规范化监管体系,主要从组织制度、安全监管、供用水监管和经济监管四个方面开展考核,采用“自下而上汇报+自上而下抽检”与“综合考核+技术考核”的监管运行方式,配合补助资金奖惩措施,达到监管目的。

湖南省酒埠江灌区坚持新发展理念 建设现代化灌区的探索和实践

为高质量建设现代化灌区,实现灌区标化规范化,湖南省酒埠江灌区围绕“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展新理念,将酒埠江灌区建设成节水灌区、生态灌区、智慧灌区和人文灌区,2020年总干渠被评为“湖南省美丽河湖”。目前灌区受益范围覆盖两省三县市的23个乡镇,受益人口82万,是湘东地区重要的生产生活命脉。

玉米种植改变了引黄灌区盐渍化土壤细菌多样性与功能

为了明确植物修复对盐渍化土壤细菌群落结构及多样性的影响,本文对宁夏引黄灌区盐渍化土壤玉米种植地根际和非根际土壤以及荒地土壤细菌多样性、群落结构及功能、细菌群落与环境因子之间的相关关系等进行研究。结果表明:玉米种植能够增加盐渍化土壤细菌物种数(OTU, Operational Taxonomic Unit)和多样性,各土壤细菌总物种数和特有物种数(OTU)从高到低依次为:非根际土壤>根际土壤>荒地土壤;土壤细菌多样性(即ACE指数、Chao1指数、Simpson指数与Shannon指数)由大到小均依次为:根际土壤>非根际土壤>荒地土壤, 3种土壤细菌多样性之间差异不显著。玉米种植改变了盐渍化土壤细菌群落结构和功能多样性,玉米种植显著提高了变形菌门(Proteobacteria)与放线菌门(Actinobacteria)两种优势菌门的相对丰度;丛毛单胞菌属(Comamonadaceae)、丝状菌属(Hyphomircobiales)和根瘤菌属(Rhizobiaceae)为3种土壤组间差异贡献最大的物种;玉米种植增加了盐渍化土壤中细菌参与新陈代谢功能与遗传信息处理功能物种的相对丰度,且有效磷、全磷、速效氮、全盐和pH是影响二级功能相对丰度的重要因子。玉米种植后其根际和非根际土壤细菌群落在生态位上与荒地之间存在明显分异。种植玉米修复盐渍化土壤能够改变土壤细菌群落结构、功能和多样性,对改善盐渍化土壤微环境,促进盐渍化土壤微生物功能发挥和盐渍化土壤种植结构优化具有重要意义。

淠史杭清凉寺现代化灌区示范点建设实践探析

“十四五”期间,国家将大型灌区续建配套与现代化改造列为150项重大水利工程,选取淠史杭清凉寺灌区作为示范点进行现代化建设。淠史杭清凉寺灌区示范点实现了水资源的精准化配水、调水、用水和排水等全过程管理,文章具体介绍了示范点建设实践以及取得的效益,为后期全灌区现代化建设提供管理、建设、运行、维护方面经验。

小银河灌区节水改造项目水土资源平衡分析

五台县小银河灌区设计灌溉面积1673.3hm^(2),有效灌溉面积1520hm^(2),项目实施后可恢复灌溉面积153.3 hm^(2)。文章在分析灌区水土资源利用现状、灌区供水量、灌区需水量的基础上,进行了规划水平年水利工程可供水量、土地资源复核、水土资源优化配置等相关方面水土资源的平衡分析。结果表明,项目实施后灌区渠系水有效利用系数提高到0.7,田间水有效利用系数为0.9,灌溉水有效利用系数提高到0.63。

湖北漳河灌区中稻气象产量变化特征及预测模型

准确的气象产量是正确评估气象条件对粮食产量影响的前提。为了探究湖北漳河灌区单季稻气象产量的时间序列变化规律,尝试通过三点滑动平均法、HP滤波法和一次指数平滑法、二次指数平滑法4种方法将漳河灌区1975—2020年的水稻单产数据分离为水稻趋势产量及气象产量,通过相关分析筛选水稻8个生育阶段的主要气象因子,然后与分离的气象产量构建水稻预测模型。结果表明:4种分割方法均能较好地反映气象产量序列与湖北省生产力发展水平的区域一致性特点,多年平均气象产量占总产量的比例约为3.39%,但2008年以后其占比达到10.1%。相关分析识别出抽穗开花期最低气温、拔节孕穗期最高气温、分蘖后期平均气温、返青期最低气温、乳熟期蒸发量和育苗最低气温是影响气象产量的主要因子,该模型在率定期(1976—2014年)和验证期(2015—2020年)的相对误差均在5%以内,模型的决定系数R 2为0.994。预测模型有助于研究未来气候变化下的区域水稻产量的变化。

基于Sentinel-2的青铜峡灌区水稻和玉米种植分布早期识别

及时准确地掌握灌区内作物种植分布对于灌溉水资源高效配置、农田精准管理具有重要指导意义。以宁夏青铜峡灌区为研究对象,利用多时相Sentinel-2卫星数据,通过水稻和玉米早期特征分析,提取关键的“水淹”信号和“植被”信号,构建时序归一化差异水体指数(MNDWI)和归一化植被指数(NDVI)特征值数据集,并通过样本分析关键特征阈值,构建水稻和玉米早期种植分布决策树模型,提取2022年宁夏青铜峡灌区水稻和玉米种植的空间分布。结果表明(:1)玉米和水稻苗期的后半段5月15—31日,水淹信号和植被信号是区分二者关键时期。(2)基于早期作物物候特征的方法,在5月16—31日获取的水稻和玉米图像制图精度高于90%,用户精度超过91%,总体精度超过90%,Kappa系数高于0.88,明显高于同时期随机森林方法的分类精度。(3)本研究提出的方法在早期水稻和玉米种植分布提取方面具有较强的适用性,并且能够在时空尺度上以较少的实地样本进行延展,同时在时间上也更有优势。因此,该方法为青铜峡灌区水稻和玉米种植分布早期调查提供了重要的方法支撑。

河套灌区生态排水沟净化农田排水污染物效应试验研究

文章针对现阶段河套灌区农业面源污染日趋严重、河套灌区传统排水系统存在问题,在河套灌区进行了现场尺度生态排水沟示范段建设,并开展生态排水沟对农田排水营养性污染物拦截净化效果的试验研究,旨在通过试验研究为生态排水沟净化农田排水提供理论依据。现场试验表明:生态排水沟对TN、TP及COD的净化效果总体上优于土质排水沟道,生态排水沟渠对氮、磷等营养性污染物有较好的净化作用,可减轻农田排水对周围环境受纳水体的污染负荷。植物对于TN的去除率为11.90%~16.22%,微生物基质对于TN的去除率为15.32%~17.41%;植物对于TP的去除率为8.94%~13.19%,微生物基质对于TP的去除率为13.57%~14.22%;植物对于COD的去除率为10.66%~21.31%,微生物基质对于COD的去除率为25.21%~36.72%。

宁夏灌区不同牧草复种模式综合效益分析

针对宁夏引黄灌区饲草产量低、栽培技术落后、季节性青饲料极其短缺导致草畜矛盾尖锐等现状,本研究设置了秋播饲用小黑麦(×Triticosecale Wittmack)+高丹草(Sorghum bicolor×S.sudanense)(T-SS)、饲用小黑麦+饲用高粱(S.bicolor)(T-FS)、饲用小黑麦+饲用谷子(Setaria italica)(T-FM)和饲用小黑麦+青贮玉米(Zea mays)(T-SM)4个复种模式处理,通过检测分析不同处理的生长指标、草产量、营养品质(粗蛋白、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维)、经济效益及土壤养分含量,旨在探明4种不同饲草复种模式的生产性能和综合效益,为该区牧草复种技术提供理论依据。结果表明:4种复种牧草的株高、茎粗和SPAD差异极显著,不同复种系统对牧草鲜草、干草产量、枝条数、粗蛋白产量、品质、土壤理化性状和经济效益均有极显著影响。高丹草复种系统草产量最高、枝条数最多、粗蛋白产量最高,饲用谷子粗蛋白含量最大,青贮玉米酸性和中性洗涤纤维含量最低,而相对饲用价值最大;对土壤有机质、全盐和pH的影响不显著,对速效钾和碱解氮含量的影响显著,对速效磷影响极显著;高丹草复种系统的产投比最高。综合评价筛选出饲用小黑麦复种饲用谷子和高丹草的种植模式可推广为宁夏引黄灌区牧草周年栽培模式。

宁夏引黄灌区农业灌溉测控闸门应用现状调查与评估

测控设施作为灌区用水管理的重要工具、数字化灌区建设的基础硬件支撑,可有效帮助管理者准确掌握水源来水及用户实时用水量情况,也可为灌区水费收取、用水总量控制与定额管理提供有力保障。以宁夏引黄灌区测控闸门为例,系统分析其应用现状,重点从提高灌区管理水平、夯实用水权确权成果、提高水费计收透明度等方面总结凝练了取得的主要成效,从设备硬件水平、规划设计、运行维护等方面提出了应用中存在的关键问题,并对今后测控设施选型设计提出了相关意见和建议。

宁夏引黄灌区果园生草处理对土壤理化性质的影响

本研究选用多年生黑麦草、紫花苜蓿、高羊茅、长柔毛野豌豆4种功能草种,以清耕和自然生草作为对照,探究不同生草处理对果园土壤理化性质的影响。结果表明,与多年生黑麦草生草处理相比,紫花苜蓿与长柔毛野豌豆生草处理可以显著提高0~20 cm土层土壤总孔隙度和0~20 cm、21~40 cm土层田间持水量(P<0.05),显著降低0~20 cm土层土壤容重(P<0.05)。与处理前相比,2022年10月紫花苜蓿与长柔毛野豌豆生草处理的土壤有机质含量、全盐含量、碱解氮含量(0~20 cm土层)、有效钾含量(0~20 cm土层)显著提高(P<0.05),土壤pH(0~20 cm土层)显著降低(P<0.05)。因此,在干旱和半干旱地区可以选择苜蓿和长柔毛野豌豆进行果园生草处理。本研究结果为改良果园土壤,提高水果产量提供了理论依据。

基于水库旱限水位的大型灌区水资源空间均衡优化调控

由于自然地理特征和经济社会活动的差异,大型灌区水资源分布和利用在时空上是不平衡的,尤其是受水文气象波动影响的农业灌溉供水,需要借助水利工程进行水资源空间均衡调控。目前按典型水平年制订的常规调配水方案无法展现水资源空间均衡状态在年内的变化响应过程,也无法考虑水资源在年际间调配的需求。鉴此,本文基于灌区水资源系统空间均衡评价模型和半分布式水资源系统模拟模型,以干旱年缺水时段平均水资源系统空间均衡度最大为目标,以骨干水库分期分级旱限水位和灌区分单元分用水户限供比例为调控变量,运用遗传算法开展大型灌区水资源系统空间均衡优化调控研究。淠河灌区应用结果显示:骨干水库的分级分期旱限水位能够实现水资源在年内和年际时间上的均衡调节,而分单元分用水户的限制供水措施能够使水资源在空间上得到合理配置。二者共同作用能更好地协调灌区供需水在时程分布和空间均衡间的关系,相较于运行现状能大幅提升水资源系统空间均衡度,增强灌区的可持续发展能力,为基于旱限水位的复杂水资源系统管理和应用提供新的思路。

宁夏引黄灌区饲用小黑麦复种青贮玉米高效栽培技术

随着农业产业结构的调整,宁夏畜牧养殖业发展迅速,对饲草饲料的需求量显著增加。为了有效缓解灌区饲草产量低、栽培技术落后、季节性青饲料极其短缺造成的草畜发展极不平衡现状,通过2020—2022年连续3年的大田试验,从饲用小黑麦播前准备、品种选择、机械播种、轮灌区组划分、水肥管理、越冬管理、适时收获和复种青贮玉米从播前准备、品种选择、机械播种、水肥管理、病虫草害防治、适时收获等方面总结出了宁夏引黄灌区饲用小黑麦复种青贮玉米一年两熟高效栽培技术模式。改变了传统的种植模式,提高了土地、光热和养分等资源利用率及饲草产量和经济效益,为灌区多熟种植改革及草畜产业高质量发展提供了理论支撑。

基于时序Sentinel-2影像的引黄灌区作物结构提取和供需水分析

在黄河流域用水指标严格控制的背景下,以山东省东营市垦利区引黄灌区为例,利用2022年时序Sentinel-2遥感影像构建作物生育期的NDVI时间序列,采用决策树分类方法提取灌区作物种植结构,基于垦利站气象资料和Penman-Monteith公式,分析了1973—2022年各作物的需水特性,利用遥感影像解译的各作物种植面积,计算了2022年灌区作物在不同降水保证率(5%、25%、50%、75%、95%)条件下的灌溉总需水量,结合2023年分配给灌区作物的灌溉水指标探究了灌溉水资源供需之间的平衡。结果表明:基于NDVI时间序列构建决策树分类方法可有效提取作物的种植结构,总体分类精度为85.07%,Kappa系数为0.819,能够满足作物灌溉需水量的研究。作物净灌溉需水量年际波动较大,水稻和冬小麦补充灌溉水量在所有作物中位列前两位,均值分别为913 mm和410 mm;处于雨季生长的夏玉米、夏大豆补充灌溉水量较小且灌溉需求均值较小。研究区2023年分配的灌溉水指标在降水保证率为50%时研究区灌溉水亏缺量为235.5万m^(3),在降水保证率为75%和95%时灌溉水亏缺量分别为1 754.5万m^(3)和2 261.5万m^(3)。

不饱和灌区胡麻种质资源主要农艺性状鉴定与筛选

研究引进胡麻种质资源的主要农艺性状和抗旱性能,以期为不饱和灌区胡麻优质品种选育和利用提供参考依据。在甘肃省中部不饱和灌区以不同生态区引进的209份胡麻种质资源为材料,利用15个数量性状和3个质量性状对种质资源进行描述性统计、遗传多样性分析、相关性分析、主成分分析、系统聚类和抗旱性能鉴定。结果表明,209份胡麻资源15个数量性状的变异系数范围在4.57%~57.42%,均值为25.01%,18个农艺性状遗传多样性指数范围在1.632 5~2.096 9,具有较高的遗传多样性。各性状相关性分析得出,生育期性状中营养生长天数与高度、主茎分枝数等呈显著正相关,生殖生长天数与蒴果直径、千粒重、果重等呈显著正相关,高度、主茎分枝数等因子与蒴果直径、千粒重、果重等呈显著负相关。主成分分析中,6个主成分累计贡献率达到78.73%,分别代表了单株产量、果型、株型、株色、生殖生长周期和营养生长周期等因子特性,前2个主成分占43.46%,从中筛选出的10份品种可以作为特异性种质利用。根据表型和亲缘关系,将209份胡麻种质资源分为5个类群,类群Ⅰ为早熟群体,类群Ⅱ为宜机收、小粒耐密型群体,类群Ⅲ为大粒型群体,类群Ⅳ、Ⅴ属高产种质资源,对各类群代表性品种产量进行鉴定发现,类群Ⅱ、Ⅲ的代表性品种具有较强的抗旱性能。研究筛选出的特异性种质资源,后期可以善加利用。

基于GIS的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统

为了解决工业发展导致的灌区土壤投入品残留污染问题,给出一种基于地理信息系统(geographic information system,GIS)的土壤污染监测预警系统。该系统结合VOC-PF1型传感器、STM32主控芯片和GSM通信模块,实现了高效的数据采集和通信功能。通过反距离加权(inverse distance weighted,IDW)插值法进行空间分析,并设立预警阈值,实现对灌区土壤投入品残留污染的实时监测和预警。实验结果表明:该系统的监测精度高达98%,监测时长最高为49 s,具有很高的实用性和效率。研究结果不仅为灌区土壤投入品残留污染监测提供了有效手段,也为环境保护和农业可持续发展提供有力支持。