桂林理工大学

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数字孪生灌区智慧监测系统

申报人：莫育断 申报日期：2025-05-12

基本情况

2025年批次
数字孪生灌区智慧监测系统 学生申报
创新训练项目
工学
水利类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目构建了一套数字孪生技术化、智慧监测节水灌溉系统。该系统是一种基于物联网、大数据、云计算和数字孪生技术的新型水资源管理系统。该系统通过实时监测、数据分析与智能决策，实现对水资源的高效、精准管理，旨在提高水资源利用效率，减少水资源浪费，保障水资源的可持续利用。该系统于渠道中段及末端装设水位计、流量计、土壤测定仪、温度传感器、湿度传感器等监测设备，能够第一时间收集土壤湿度、pH值、营养成分等数据，为后续的节水灌溉决策提供数据支持。与此同时，该系统还搭建起了云管理与计算平台，通过分析土壤湿度、作物需水量以及气象条件等因素，能够制定出科学合理的灌溉策略，包括灌溉量、灌溉时间以及灌溉方式等。同时，控制中心还具备远程监控和故障诊断功能，确保系统的稳定运行。此外，基于作物种植结构解译技术，可明晰不同作物种类的灌溉用水需求，从而为农业灌溉用水“把脉定向”
中国国际大学生创新大赛（2025）桂林理工大学校内选拔赛铜奖
张帅普：主持国家自然科学基金地区项目——基于时间稳定性分析的石漠化坡地土壤水分植被承载力研究（项目编号42267045；起止时间2023.01-2026.12）和参与广西重点研发计划项目——大石山区经果林坡地多界面径流集蓄与智能灌溉技术研究与示范（项目编号桂科AB22035058；起止时间2022.03-2025.5），发表学术论文10余篇，申请专利5项。

白凯华：主要从事气候变化与水资源、节水灌溉理论等方面的研究，具有丰富的灌溉系统设计及实践经验，主讲《环境地质学》《水利经济》《城市水文学》等课程，多次带领学生赴桂林灌溉试验中心站实习和开展合作，主持桂林理工大学课程思政教改项目1项，参与校级教改项目2项，以第一作者发表论文3篇;多次指导学生在智慧水利方面开展研究并在创新设计大赛中获奖。
本项目指导老师主要从事农业水资源开发利用研究，基于现有基金项目和研究成果为本项目提供技术支持，指导课题组收集资料并进行技术研发设计，能够保障项目的顺利开展。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
莫育断 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 总体规划与协调
黄莹 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2022 收集资料并整
黄家娟 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2024 整理数据与撰写报告
余智家 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2024 整理数据与撰写报告
邓以诺 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2022 收集资料并整

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
张帅普 环境科学与工程学院 否
白凯华 环境科学与工程学院 否

立项依据

  今年是习近平总书记提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路以及发表保障国家水安全重要讲话的十一周年。十年来，全国建成了145个节水型城市以及1763个节水型社会达标县，耕地灌溉总面积达10.55亿亩。并且自2019年《国家节水行动方案》印发实施之后，31个省（自治区、直辖市）编制出台了省级实施方案，28个省（自治区、直辖市）出台了省级节水法规或规章。

  2024年11月5日，水利部党组书记、部长李国英主持召开专题会议，研究建立健全节水制度政策体系。会议要求，要把握针对性、专业性、精准性，加快完善农业节水行业管理制度政策，建立健全农业节水增效“五项制度体系”，即科学灌溉制度体系、用水计量监测体系、农业水价政策体系、节水市场制度体系、节水技术及服务体系。加快完善工业节水行业管理制度政策，建立健全工业节水减排“五项制度体系”,即定额管理体系、精准计量体系、循环利用体系、用水权交易体系、节水产业发展体系。要把握引领性、约束性、激励性，完善城镇节水社会管理制度政策，建立健全城镇节水降损“五项制度体系”，即水预算管理体系、水价水税管理体系、合同节水管理体系、再生水利用体系、节水型社会管理体系。要加强政策和机制保障，加快完善支持节水事业发展的金融、财税、激励引导政策和合理水价形成机制、协调推进机制、节水成效评价机制，推动节水制度政策体系落细落实落地。由此可见，怎样安全且高效地推进节约用水事业的发展，乃是我国当下研究治水管水的重要课题。

  我国是世界上水情最为繁杂的国家之一，凭借占全球6%的淡水资源，支撑着全球近20%人口的用水需求，故而我国人均淡水占有量仅为2240立方米，大约为世界人均的四分之一。在全球的用水生产结构中，农业属于投入水资源最多的生产活动，农业水资源用水量约占全球水资源总量的79%。鉴于此，在这相对稀缺的人均水资源状况下，对农业灌溉节水技术展开研究，在一定程度上尽可能地降低农业用水量，是极为必要的。

  切实保护好水资源，积极发展节水型农业灌溉产品。我国的农田灌溉面积位列世界之首，从2017年至2023年，我国高效节水灌溉面积总体上呈现出上升态势，至2023年其面积已达4.2462亿亩。并且我国于今年将开启实施1200余处大中型灌区现代化改造升级工作，进一步优化灌排工程体系，待其建成后，预期可新增及恢复改善灌溉面积6000万亩以上。由此可以看出，节水灌溉在我国仍然具有极为广阔的发展空间。

  为提升农业生产效率并保障可持续发展，大力促进更为智能化和科学化的节水灌溉技术研究是极其必要的。通过对中国各地灌溉水利设施的实际状况以及水资源的使用现状进行调查研究，并切实落实农田水利工程建设与技术改造等措施后可以发现，节水灌溉技术与精准灌溉技术相较于传统灌溉，在提升灌溉效率方面具有显著优势。它们不仅能节约水资源、减少水资源浪费，还能显著地实现降本增效。

  在现代信息技术的推动下，信息化建设已逐步成为优化灌区水资源配置的重要手段，能有效提升灌区管理质量和服务水平[3-5]。2021年以来，国家高度重视数字孪生在水利中的应用，提出了“十四五”智慧水利建设总体目标，将数字孪生建设作为下一步的重点目标和任务，数字孪生灌区建设就是其重要内容之一。2023年在山东召开数字孪生灌区现场会，强调要建设“管用”“实用”“好用”的数字孪生灌区。数字赋能历程表明，信息化的发展为数字孪生灌区建设提供了良好的基础条件，营造了高效的发展环境，但应充分认识到由于经济发展水平和区域地理气候特征及水资源禀赋差异，信息化在各地大中型灌区中还处于不同的发展阶段，因此在做好数字孪生灌区先行先试的同时，应因地制宜，积极开展灌区信息化建设、数字灌区建设和现代化数字灌区建设，努力为建设数字孪生灌区创造良好的发展条件和发展环境。

  为加快农业灌溉的智慧化、数字化建设进程，积极引入数字孪生技术已成必然。通过结合信息化技术手段作为农业灌溉的辅助建设管理手段，涉及灌溉系统建设、运维养护、安全监测、智能检修等全环节，节水的同时保证了灌溉工程的的可靠性，对于中国农业灌溉的全面开展与智能升级具有重大意义。
       近些年来，国内农业用水量显现出逐年上升的趋向，然而伴随国内工业的迅猛发展，用水需求显著提升，对农业用水份额形成了严重挤压，水资源的供需矛盾愈发尖锐。为达成农业的可持续发展，持续提升耕作效率并确保农作物的水分需求，本项目团队积极对各种灌溉技术展开研究。其中，节水灌溉与精准灌溉成为研究的重点与热点。
节水灌溉技术的研究内容主要包括以下几个方面：
（1）灌区管理与调度：通过优化灌区布局和灌溉系统建设，改善灌溉设施，合理调度水量、灌水时间和间隔等，从而实现节水灌溉的目标。
（2）节水灌溉技术创新：包括采用低压喷灌、滴灌、管灌等灌溉方式，研究提高水分利用效率的新型灌溉设备和技术。

精准灌溉技术的研究内容主要包括以下几个方面：
（1）智能感知技术应用：在多源遥感卫星影像和智能算法的支持下，利用气象站、土壤水分传感器、植物生长传感器等多种传感技术，对农田作物种植结构、作物长势、土壤墒情、实际灌溉面积等进行实时监测和定量判断，从而精准调控灌溉量，优化灌溉效果。
（2）决策支持系统建设：将气象站点实测气象数据、公共天气预报数据和灌溉试验站实测ET数据经过模型处理和参数校正，得出作物需水量预报。再结合开发短期天气预报的深度学习灌溉决策模型，根据农田水情和预测降雨模式选择最合适的灌溉决策，优化农田管理和决策水平。
（3）三维虚拟仿真技术。通过无人机倾斜摄影、720全景合成、模拟仿真、虚拟引擎、人工智能等现代先进信息技术，构建灌区三维可视化场景，实现物理灌区与数字孪生灌区的一一映射和同步仿真运行，形象直观地展示灌区灌溉实况。
  根据这些研究内容设计出一种能实现节水灌溉与精准灌溉效果的系统。
      自我国引入国外灌水设备以来，其应用规模在逐年扩大。然而，就各节水灌溉设备而言，目前仍存在许多问题。在喷灌系统方面，对喷灌喷头基础理论缺乏系统性深入的研究，对喷头内部水流的流动理论研究较为薄弱，喷头的能源消耗大、工作压力相对较高，喷头喷洒均匀程度不高，喷头的智能化、自动化程度有待提高等。在微灌系统方面，关于如何提高微灌过程中灌溉水质的方案尚未完善，灌水中存在的微小颗粒、泥沙、盐分等杂质，会导致微灌设备堵塞和土壤盐碱化，对灌溉的可持续发展不利。在采用膜下滴灌时，大量塑料膜导致的白色污染问题没有得到有效解决，且滴灌带使用寿命较短，仅能灌溉1~2季，使用成本相对较高。在低压管道灌溉方面，管灌具有节水、节地、增产和高效等优点，但低压管道仍存在遇含沙水源易产生淤积、输水工程的标准偏低、系列配套设备不完备、规划设计水平不高、投资较少和管道设备利用率低等问题。

  俞卫东等设计了由智能监控系统、专家决策系统、灌溉施肥系统组成的智能水肥灌溉系统，以物联网技术为基础，从而实现智能化灌溉目的。袁洪波等设计了一种实现水肥循环利用的灌溉系统，实现了节水、节肥的目的。张雪飞等通过环境传感精准获取设施蔬菜的全生育期的环境参数；采用水量下限以及小额灌溉的策略，小量多次的实现方式。
       
  节水灌溉技术在现代农田水利工程中有着巨大的应用价值，对推动农业现代化发展、减少农业灌溉水资源浪费、提高农业生产经济效益等有着重要意义。地方农业部门需要高度重视节水灌溉技术的推广和应用工作，因地制宜地做好相应规划，深化农田水利工程建设运行管理和节水灌溉技术的有机结合，推动节水农业发展进程的有效推进。精准灌溉系统要求能够进行自动化运行，且对灌溉过程中的水源、水质、硬件运行状态以及管网的运行状态进行实时监测，根据实际的使用和运行情况对管网和相关硬件进行调节。在精准灌溉控制系统运行的过程中，依托数字孪生平台，实现了灌区动态水资源配置、达成了预报调度一体化系统。突出了灌区运行管理的数字化应用，让灌溉更加“智慧”。其与传统灌溉模式相比，不仅降低了成本，还减少了实际建设过程中的试验和错误，使决策和工程进展更加高效。此外，还能有效降低灌水量，节省农业生产成本，对灌溉数据可进行有效保存，并实现历史 查阅和数据报表显示功能，为农业种植过程的自动化精准控制提供参考依据。

  尽管前人在精准灌溉与节水灌溉的相关研究方面已有不少成果，但仍存在一定程度上系统机制的缺失。因此，本项目构建了一个以数字孪生为核心技术进行设计的系统，能够有效地实现数字化节水灌溉和精准灌溉的成效。
创新点：

1.物联网技术的应用
通过在农田中布置各类传感器，实时监测土壤湿度、气温、湿度等环境参数，并将数据传输到云端服务器进行分析处理。传感器技术能够实时采集土壤湿度、作物环境和植物所需水量等信息，进而有效提升了水资源的利用效率并降低了用水量。

2.大数据与云计算的支持
利用大数据技术对农田环境、作物生长节律、市场需求土壤状况、气象变化及植物生长等丰富数据进行分析，为农业生产提供更为精准、科学的决策依据。

3.人工智能的决策与自适应调整
结合作物生长模型和灌溉制度，系统能够生成灌溉决策指令，再通过智能灌溉设备执行灌溉操作，人工智能技术使系统具备自主决策与自适应调整的能力，根据实时环境状况和作物需求灵活制定灌溉策略。


项目特色：

 本项目在通过对节水灌溉与精准灌溉的内容进行研究的基础上，经过不断摸索，从而设计出具有该成效的系统对于提升农业灌溉的效率具有重大意义。

  基于节水与精准灌溉研究的智慧管水系统能够有效解决明渠水量精确估算这一难题，进而实现定量灌溉之目的。通过分析实验数据，该系统在节水方面展现出了极高的效率。其精准灌溉策略有效避免了传统灌溉中的“一刀切”现象，即无论作物实际需水量如何，均按固定量进行灌溉。这种粗放的管理方式往往导致水资源的大量浪费。而智能节水灌溉系统则能够根据作物生长周期、土壤类型、气候条件等多种因素进行动态调整，确保每一滴水都能精准送达作物根部，从而实现了高达95%以上的节水率。此外，该系统还带来了显著的经济效益。一方面，通过减少用水量直接降低了灌溉成本；另一方面，由于作物生长条件的优化促进了产量的增加和品质的提升，进而提高了农产品的市场竞争力和销售价格。这些积极的变化为农民带来了实实在在的收入增长，也为农业产业的转型升级提供了有力支撑。
技术路线：

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拟解决的问题：

  灌区作为水资源调配的关键工程，是农业发展的重要保障，在中国农业发展过程中起着重要的作用。但相关研究表明，中国目前农业用水方式仍然为粗放型，截至目前，中国农田灌溉水有效利用系数不到0.58，与发达国家0.7以上的有效利用系数仍有很大差距。因此，本项目致力于推进数字孪生灌区发展，通过科学技术提升灌区管理水平，所构建的系统能够最大化利用农业灌溉水，实现数字化节水灌溉和精准灌溉。

预期成果：

1.所做出的系统能用于大部分地区，达到节水灌溉，精准灌溉的效果。
2.预计申请发明专利一项，撰写技术研究报告一份。
  1. 2024年8月-2024年11月：研究成员了解相关背景资料，明确团队创新设计的方向。
  2. 2024年11月-2025年2月：根据相关理论知识，不断试验优化设计系统，最后设计出达到拟预期成果的系统。
  3. 2025年2月-2025年5月：将系统应用于实际农田灌溉，进行野外实地调研。
  4. 2025年5月-2025年8月：总结阶段，撰写结题报告，提交材料。
（1）项目已在灵川南圩村建立示范区，通过蓄水+微灌技术结合数字孪生灌区智慧管水系统实时监测智能浇灌，为当地脐橙果径增加了0.75厘米，果裂率减少3.8%，增产30%，省水40%，每亩增收500元。

（2）项目也在桂林市农田灌溉实验中心站形成应用示范点，科学制定间歇灌溉70%化学肥料+30%菌肥配比方案，水稻增产20%，省水60%。利用系统模拟科学灌溉为其百香果灌溉实验区增产20%，省水50%。

 本项目后续工作开展需资金投入，通过申报2025年桂林理工大学大学生创新创业计划项目获得经费支持。

已具备条件：
（一）技术基础扎实
  项目团队构建了数字化智能精灌节水系统，该系统在渠道中段和末端安装了水位计、流量计、土壤测定仪等监测设施，可实时收集土壤湿度、pH 值、营养成分等数据。同时，基于作物种植结构解译技术，能分析不同作物的种植分布及其生长规律，明确其灌溉用水需求。此外，还搭建了云管理与计算平台，通过数据分析自动调节智慧闸门系统，实现土壤肥力水分的自动调节，为项目的开展奠定了坚实的技术基础。

（二）实践应用成效显著
   项目已在灵川南圩村建立示范区，通过蓄水 + 微灌技术结合数字孪生灌区智慧管水系统实时监测智能浇灌，成效显著。当地脐橙果径增加了 0.75 厘米，果裂率减少3.8%，增产30%，省水40%，每亩增收500 元。在桂林市农田灌溉实验中心站也形成了应用示范点，科学制定间歇灌溉70% 化学肥料 + 30% 菌肥配比方案，水稻增产20%，省水60%，利用系统模拟科学灌溉为其百香果灌溉实验区增产 20%，省水50%。这些实践成果充分证明了项目的可行性和有效性，为后续工作提供了有力的支撑。

（三）团队与指导教师优势突出
  项目团队成员来自环境科学与工程学院相关专业，具备扎实的专业知识和创新能力。指导教师张帅普和白凯华在农业水资源开发利用、节水灌溉等领域有深厚的研究积累。张帅普主持国家自然科学基金地区项目，参与广西重点研发计划项目，发表多篇学术论文并申请多项专利；白凯华主要从事气候变化与水资源、节水灌溉理论等方面的研究，具有丰富的灌溉系统设计及实践经验，多次指导学生在智慧水利方面开展研究并获奖。他们能为项目提供专业的技术指导和支持，保障项目的顺利进行。

尚缺少的条件：
1.技术推广与应用的挑战
  虽然项目在示范区和示范点取得了良好的效果，但要将该系统在更大范围内推广应用，还面临着一些挑战。例如，部分地区的农业基础设施相对薄弱，可能需要对现有灌溉设施进行改造和升级，这需要额外的资金和技术支持。此外，农民对新技术的接受程度和操作能力也可能影响系统的推广，需要开展大量的培训和宣传工作。

2.数据共享与合作机制不完善
  数字孪生灌区智慧监测系统涉及大量的数据收集、分析和应用，需要与相关部门、科研机构和企业进行数据共享和合作。目前，项目在数据共享方面还存在一定的障碍，缺乏有效的合作机制，可能导致数据资源的浪费和重复建设，影响项目的整体效益。

解决方法：
1.加强技术推广与培训
  针对技术推广与应用的挑战，项目团队可以与当地政府和农业部门合作，开展示范推广活动，展示系统的优势和效果，提高农民对新技术的认识和接受度。同时，制定详细的培训计划，为农民提供操作技能培训和技术指导，确保他们能够熟练使用该系统。此外，还可以建立技术服务团队，及时解决农民在使用过程中遇到的问题，保障系统的正常运行。

2.建立数据共享与合作机制
  积极与相关部门、科研机构和企业沟通协调，建立数据共享平台和合作机制。通过签订合作协议，明确各方的权利和义务，实现数据的实时共享和协同创新。同时，加强与高校和科研机构的合作，开展联合研究和技术攻关，提高项目的技术水平和创新能力。通过整合各方资源，形成合力，共同推动数字孪生灌区智慧监测系统的发展和应用。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 无 3850.00 4150.00
1. 业务费 6000.00 实地调查路途车费、打印材料、资料检索、发表论文 2500.00 3500.00
（1）计算、分析、测试费 2000.00 打印费，仪器测试费 1500.00 500.00
（2）能源动力费 500.00 系统耗费的能源费用 200.00 300.00
（3）会议、差旅费 500.00 实地调研 200.00 300.00
（4）文献检索费 1000.00 查阅文献网站会员费，购买图书、资料 600.00 400.00
（5）论文出版费 2000.00 论文版面费用 0.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 1000.00 实验所需仪器 700.00 300.00
3. 实验装置试制费 500.00 实验装置试制费 300.00 200.00
4. 材料费 500.00 浮筒、闸门、连杆 350.00 150.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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