數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)思考

Thoughts on construction of digital twin rural water supply projects

胡孟李連香徐瑋彤

（1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，100054，北京；2.水利部農(nóng)村飲水安全中心，100054，北京

摘要：數(shù)智化建設(shè)是推動(dòng)農(nóng)村供水現(xiàn)代化發(fā)展的必由之路。在梳理數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析當(dāng)前部分存在需求分析不清、投入產(chǎn)出效率不高、可持續(xù)運(yùn)行較困難等問題，解析了農(nóng)村供水?dāng)?shù)字孿生“是什么、建什么、怎么建”，系統(tǒng)性思考并提出針對(duì)性建議。數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持需求牽引和問題導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)安全供水、自動(dòng)供水、經(jīng)濟(jì)供水、長(zhǎng)效供水、便捷供水為目標(biāo)，構(gòu)建以數(shù)字為基礎(chǔ)、孿生為路徑、智慧為大腦、供水為目標(biāo)的虛實(shí)融合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水工藝和供水系統(tǒng)數(shù)字化映射、智能化模擬和智慧化決策。具體實(shí)施中，系統(tǒng)建設(shè)包括工程級(jí)智慧供水系統(tǒng)和區(qū)域級(jí)智慧供水管理平臺(tái)，工程級(jí)智慧供水系統(tǒng)聚焦智能感知體系、數(shù)字孿生平臺(tái)與業(yè)務(wù)應(yīng)用體系閉環(huán)，區(qū)域級(jí)智慧供水管理平臺(tái)側(cè)重全域監(jiān)管與多業(yè)務(wù)協(xié)同。農(nóng)村供水?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)以“管用、實(shí)用、好用”為導(dǎo)向，監(jiān)控設(shè)備以“穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、便捷”為準(zhǔn)則，軟件設(shè)計(jì)以“有效、簡(jiǎn)約、直觀”為目的，系統(tǒng)運(yùn)行以“安全、可控、適配”為要素，推動(dòng)農(nóng)村供水從傳統(tǒng)管理向數(shù)智化管理轉(zhuǎn)變，為農(nóng)村供水高質(zhì)量發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)提供數(shù)智賦能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村供水；數(shù)字孿生；智慧供水；數(shù)智化；智能感知；供水安全；建設(shè)思路

作者簡(jiǎn)介：胡孟，副主任，正高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)村水利水電相關(guān)研究

基金項(xiàng)目：重大項(xiàng)目管理-農(nóng)村飲水安全工程項(xiàng)目管理（2-1-2130304）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2026.02.002

建設(shè)背景

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出“構(gòu)建智慧水利體系”。“十四五”以來，水利部黨組把智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展六條實(shí)施路徑之一，印發(fā)一系列文件，統(tǒng)籌推進(jìn)建設(shè)由數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程組成的數(shù)字孿生水利體系。2023年，水利部辦公廳印發(fā)《數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)技術(shù)指南（試行）》及相關(guān)通知，加快推進(jìn)數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)。2024年，水利部部長(zhǎng)李國(guó)英在數(shù)字孿生水利建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上強(qiáng)調(diào)，要以縣域?yàn)閱卧涌鞌?shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)，依托數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水源、水量、水質(zhì)、水壓等要素的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握凈水設(shè)施設(shè)備、泵站、消毒設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)，提前開展風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警，形成科學(xué)有效的防控處置方案，切實(shí)保障農(nóng)村居民飲水安全。同年，李國(guó)英部長(zhǎng)提出推動(dòng)農(nóng)村供水管理從“傳統(tǒng)管理”向“數(shù)智化管理”轉(zhuǎn)變。黨的二十屆四中全會(huì)審議通過的《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十五個(gè)五年規(guī)劃的建議》提出“推進(jìn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施更新和數(shù)智化改造”。2026年全國(guó)水利工作會(huì)議將“構(gòu)建數(shù)字孿生水利體系取得決定性進(jìn)展”列為“十五五”時(shí)期六大戰(zhàn)略任務(wù)之一。李國(guó)英部長(zhǎng)指出，要以縣域?yàn)閱卧涌鞌?shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)，依托數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水全要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能模擬與前瞻預(yù)警，切實(shí)提升供水安全保障水平。

農(nóng)村供水事關(guān)民生福祉，數(shù)智化建設(shè)是推動(dòng)農(nóng)村供水現(xiàn)代化發(fā)展的必由之路。從保障農(nóng)村供水安全角度看，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，農(nóng)村居民對(duì)供水的水量、水質(zhì)、水壓、供水保證率及服務(wù)水平提出了更高要求，必須依托現(xiàn)代化裝備、管理和服務(wù)手段，推動(dòng)農(nóng)村居民飲水從“有水喝”向“喝好水”轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)群眾的獲得感、幸福感、安全感。從供水工程良性運(yùn)維角度看，傳統(tǒng)的人工巡查與現(xiàn)場(chǎng)管理模式成本高、效率低，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)測(cè)和防范供水安全風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制等現(xiàn)代技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水工程從“傳統(tǒng)管理”向“數(shù)智化管理”轉(zhuǎn)變，以降低運(yùn)營(yíng)成本、提高服務(wù)效能。從政府部門行業(yè)監(jiān)管角度看，截至2025年年底，全國(guó)農(nóng)村供水工程達(dá)380余萬處，這是一項(xiàng)重大民生工程，覆蓋面廣、監(jiān)管任務(wù)重、難度大，必須借助數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化手段，提升行業(yè)監(jiān)管能力，實(shí)現(xiàn)從“單體工程管理”向“縣域統(tǒng)一監(jiān)管”轉(zhuǎn)變。本文結(jié)合數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)現(xiàn)狀，分析了存在的問題，進(jìn)一步提煉了要素和功能，提出了數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)思路、系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)建議。

要素功能和發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程是以物理供水系統(tǒng)為對(duì)象、時(shí)空數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)模型為核心、供水知識(shí)為支撐的新型基礎(chǔ)設(shè)施，通過對(duì)農(nóng)村供水工程“取水—輸水—凈水—配水—用水”全鏈條、“水源—水廠—管網(wǎng)—用戶”全流程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬和前瞻預(yù)演，實(shí)現(xiàn)與物理系統(tǒng)同步仿真、虛實(shí)交互和迭代優(yōu)化，從而支持對(duì)農(nóng)村供水工程運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、問題診斷與優(yōu)化調(diào)度。

數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程可從4個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行要素分析：第一是“數(shù)字”，即將物理工程接入全面感知體系，通過數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化工程；第二是“孿生”，通過構(gòu)建農(nóng)村供水工程的數(shù)字鏡像，融合全景一張圖（集成GIS、BIM與設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系）、監(jiān)控組態(tài)圖（表征供水工藝邏輯與實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)）、視頻監(jiān)視（提供現(xiàn)場(chǎng)視覺反饋）以及必要的三維建模等多源信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的高保真視景再現(xiàn)、工藝過程模擬與動(dòng)態(tài)行為仿真；第三是“智慧”，在數(shù)據(jù)庫、模型庫與知識(shí)庫的支撐下，提供智能決策依據(jù)，開展優(yōu)化調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和應(yīng)急處置，提升預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力；第四是“供水”，通過智能化決策和自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)供水無人值守、少人值守、遠(yuǎn)程管理和良性運(yùn)行。四要素中“數(shù)字”是基礎(chǔ)，“孿生”是路徑，“智慧”是大腦，“供水”是目標(biāo)。

數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程從應(yīng)用層面看，是通過將農(nóng)村供水工程基礎(chǔ)信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)以一定頻率采集并傳輸至系統(tǒng)平臺(tái)，形成與現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)一致的“虛擬孿生體”。這一孿生體的準(zhǔn)確性取決于數(shù)據(jù)采集的精度、上傳頻率以及模型構(gòu)建的可靠性，其本質(zhì)是數(shù)字化的農(nóng)村供水工程。主要功能可概括為3個(gè)方面：一是“感知監(jiān)測(cè)”，在數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，健全完善“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全覆蓋、全空間、全要素、全天候的監(jiān)測(cè)感知，動(dòng)態(tài)掌握供水系統(tǒng)運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水量水質(zhì)水壓異常、設(shè)施設(shè)備運(yùn)行故障等問題；二是“仿真驗(yàn)證”，通過虛擬場(chǎng)景模擬不同的運(yùn)行工況和調(diào)度方案，預(yù)演運(yùn)行效果并提出智能優(yōu)化管理決策方案；三是“預(yù)測(cè)預(yù)警”，基于氣象、水文、水源和設(shè)施設(shè)備等運(yùn)行數(shù)據(jù)以及對(duì)突發(fā)供水事件開展前瞻性分析，提前預(yù)報(bào)供水安全風(fēng)險(xiǎn)并制定針對(duì)性的干預(yù)和防范措施，從而有效保障農(nóng)村供水安全，提升決策效率和效能。

實(shí)踐中，寧夏回族自治區(qū)早在2017年就在固原市彭陽縣啟動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+人飲”試點(diǎn)建設(shè)，實(shí)踐探索成效顯著并在全自治區(qū)推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)讓“數(shù)據(jù)多跑路，群眾少跑腿”；2020年，水利部批復(fù)同意寧夏開展“互聯(lián)網(wǎng)+城鄉(xiāng)供水”示范省（區(qū)）建設(shè)，并兩次在寧夏召開全國(guó)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)。浙江省自2022年起全面推進(jìn)“浙水好喝”數(shù)字平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)全省7900余座供水水廠（站）、7500余處供水水源全部入庫、上圖、聯(lián)網(wǎng)，水量、水壓、水質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)，覆蓋全省98%的人口，助力用水戶喝上優(yōu)質(zhì)水。在地方積極探索基礎(chǔ)上，水利部2023年啟動(dòng)數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)，指導(dǎo)地方結(jié)合農(nóng)村供水工程建設(shè)加快推進(jìn)數(shù)字孿生等新技術(shù)應(yīng)用，經(jīng)過大力推進(jìn)，目前全國(guó)有230個(gè)數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)取得了階段性成效，并在此基礎(chǔ)上推出了30個(gè)可復(fù)制可推廣的典型案例，有力提升了農(nóng)村供水?dāng)?shù)字化、網(wǎng)格化、智能化管理水平。但是實(shí)踐中也存在一些問題值得進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和思考。

浙江省“浙水好喝”數(shù)字平臺(tái)

主要問題分析

1.從需求分析看，部分未能做到需求牽引和以問題為導(dǎo)向

截至2025年年底，全國(guó)建成農(nóng)村集中供水工程43萬余處，其中千噸萬人供水工程1.3萬余處，約68%的千噸萬人供水工程配置了具備一定功能的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或視頻安防監(jiān)視系統(tǒng)。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分?jǐn)?shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)缺乏頂層設(shè)計(jì)和全局謀劃，未能有效解決實(shí)際供水問題。有的主管部門和建設(shè)單位參與或研究不夠，未能提出明確的系統(tǒng)建設(shè)需求，過度依賴系統(tǒng)開發(fā)單位，存在“不知道為什么建”和“為了建而建”現(xiàn)象；有的系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容重點(diǎn)不突出，沒有聚焦解決生產(chǎn)需求和實(shí)際問題，導(dǎo)致建設(shè)目標(biāo)發(fā)散、內(nèi)容缺乏針對(duì)性；有的在需求分析階段思路模糊、表達(dá)不清，造成后期修改頻繁、效率低下，難以達(dá)到預(yù)期成效。

2.從系統(tǒng)建設(shè)看，部分存在投入產(chǎn)出效率不高現(xiàn)象

有的系統(tǒng)建設(shè)投入未能形成預(yù)期收益，資金投入和使用缺乏精準(zhǔn)性。在感知體系建設(shè)方面，有的系統(tǒng)出現(xiàn)不同渠道資金建設(shè)的監(jiān)測(cè)信息、不同建設(shè)階段監(jiān)測(cè)信息未全面共享等問題。在設(shè)備選型與布點(diǎn)上，有的存在系統(tǒng)配置高但監(jiān)測(cè)點(diǎn)位少、布局不合理現(xiàn)象，如有的水廠范圍小卻布設(shè)了較多監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)水源和管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置不足，導(dǎo)致無法有效掌握供水系統(tǒng)全貌。在軟件系統(tǒng)開發(fā)方面，有的過度重視大屏建設(shè)和三維建模演示，投入過高，忽視其實(shí)用性。有的模型庫精度不足，與實(shí)際情況差異較大，知識(shí)庫缺乏提煉，實(shí)用性不強(qiáng)。

3.從運(yùn)行管護(hù)看，部分存在難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)行和維護(hù)的困難

部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施階段對(duì)后期運(yùn)維需求考慮不周，未能充分考慮運(yùn)維人員技術(shù)能力水平和運(yùn)行費(fèi)用負(fù)擔(dān)成本。部分設(shè)備和系統(tǒng)操作復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)難度大，對(duì)基層管水人員專業(yè)素質(zhì)要求較高。有的數(shù)據(jù)采集與傳輸費(fèi)用高，設(shè)備維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)投入需求大；有的系統(tǒng)架構(gòu)未進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，更新迭代費(fèi)用高，技術(shù)升級(jí)滯后且與物理工程脫節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)行。

4.從應(yīng)用成效看，部分存在“重建設(shè)、輕應(yīng)用”問題

有的系統(tǒng)過度突出三維建模和動(dòng)畫展示，缺乏實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用操作，實(shí)戰(zhàn)性不強(qiáng)。如農(nóng)村供水管網(wǎng)多為地下設(shè)施，有的水廠規(guī)模較小，三維建模缺乏必要性。部分系統(tǒng)無法根據(jù)水源取水水量和水質(zhì)狀況對(duì)加藥量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致供水水質(zhì)不穩(wěn)定；有的系統(tǒng)管網(wǎng)漏點(diǎn)和漏損水量判斷不準(zhǔn)確，未能根據(jù)管網(wǎng)承壓狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整水壓，易發(fā)生爆管等情況，難以實(shí)現(xiàn)安全調(diào)控和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。另外，有的系統(tǒng)仍停留在展示和演示層面，未進(jìn)入日常實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用和績(jī)效考核工作。

建設(shè)思路和系統(tǒng)架構(gòu)

1.建設(shè)目標(biāo)

數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)智賦能、提升能力”原則，主要包括以下5個(gè)方面建設(shè)目標(biāo)。

（1）安全供水

安全是農(nóng)村供水的底線要求。安全供水的要求包括水量、水質(zhì)、水壓、供水保證率等指標(biāo)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)供水安全；水源、水廠、泵站和管網(wǎng)工程穩(wěn)定可靠，做到工程安全；取水、輸水、凈水、配水等環(huán)節(jié)功能完好，供水正常穩(wěn)定，制水、產(chǎn)水等安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)可控，做到運(yùn)行安全。通過數(shù)智賦能，進(jìn)一步提升農(nóng)村供水工程安全韌性水平，實(shí)現(xiàn)高水平安全。

（2）自動(dòng)供水

自動(dòng)化是智慧供水的重要條件和標(biāo)志。通過對(duì)水廠進(jìn)廠水的水量、水質(zhì)和出廠水、管網(wǎng)水、末梢水的水質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)確定混凝劑和消毒劑的投加量，自動(dòng)控制凈化消毒設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)；通過水量、壓力監(jiān)測(cè)及供用水需求平衡分析，滿足安全調(diào)控和故障保護(hù)需求，自動(dòng)控制水泵機(jī)組的啟停、變頻調(diào)速、臺(tái)數(shù)切換及控制性閥門的開關(guān)、開度調(diào)節(jié)等遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)無人值守或少人值守。

（3）經(jīng)濟(jì)供水

降本增效是智慧供水的動(dòng)力。通過建立制水、產(chǎn)水環(huán)節(jié)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)和管網(wǎng)漏損控制系統(tǒng)，降低水廠自用水量和管網(wǎng)漏損率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水；建立“預(yù)警—派單—處置—銷號(hào)”閉環(huán)，利用現(xiàn)代技術(shù)手段節(jié)省人工巡查成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)工；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出廠水關(guān)鍵指標(biāo)的量質(zhì)變化情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)藥劑投加量，實(shí)現(xiàn)節(jié)藥；通過構(gòu)建泵站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，優(yōu)化水泵機(jī)組的開機(jī)臺(tái)數(shù)、組合模式與電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（4）長(zhǎng)效供水

智慧供水應(yīng)能做到可持續(xù)運(yùn)行。根據(jù)氣象和水文預(yù)報(bào)、水源來水需水狀況和可供水量動(dòng)態(tài)分析，優(yōu)化調(diào)節(jié)供水和節(jié)水方案，延長(zhǎng)可供天數(shù)和保供能力。對(duì)凈水各個(gè)環(huán)節(jié)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成分析，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理、常規(guī)處理（混凝、沉淀、過濾、消毒）和強(qiáng)化常規(guī)處理等工藝聯(lián)動(dòng)調(diào)控，提升水質(zhì)穩(wěn)定性。根據(jù)管材、管齡和管道承壓能力研判分析，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力和流量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，降低爆管頻率。

（5）便捷供水

打造線下便民服務(wù)中心、鄉(xiāng)村服務(wù)站點(diǎn)、線上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)（如網(wǎng)上營(yíng)業(yè)廳+客服熱線+移動(dòng)終端）等綜合服務(wù)體系，開通線上咨詢、報(bào)裝、報(bào)修、繳費(fèi)、查詢等“一網(wǎng)通辦”服務(wù)渠道，推行服務(wù)事項(xiàng)“零上門”辦理、“一鍵式”操作和“一次性”服務(wù)，讓群眾省心。推行維修、水質(zhì)、水價(jià)、服務(wù)等信息公開，讓群眾放心。壓縮報(bào)修響應(yīng)時(shí)間，提升供水質(zhì)量和服務(wù)水平，降低群眾投訴率，讓群眾舒心。

2.系統(tǒng)架構(gòu)和建設(shè)內(nèi)容與案例

為解決農(nóng)村供水點(diǎn)多面廣、小散工程占比大、專業(yè)化運(yùn)營(yíng)程度低、供水不穩(wěn)定以及其他群眾反映比較強(qiáng)烈的問題，應(yīng)充分發(fā)揮統(tǒng)管單位的規(guī)模優(yōu)勢(shì)和專業(yè)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“以大帶小、以豐補(bǔ)欠”，變各處工程分散管理為縣域集中統(tǒng)一管理，整體提升農(nóng)村供水工程專業(yè)化運(yùn)行管護(hù)水平和供水保障能力。“十四五”期間，水利部加快推進(jìn)農(nóng)村供水縣域統(tǒng)管，截至2025年年底農(nóng)村供水縣域統(tǒng)管比例達(dá)到72%，“十五五”期末農(nóng)村供水縣域統(tǒng)管比例目標(biāo)為90%。

按照建設(shè)內(nèi)容、運(yùn)行機(jī)制和管理層級(jí)劃分，數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程系統(tǒng)架構(gòu)可分為工程級(jí)智慧供水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱工程級(jí)系統(tǒng)）與區(qū)域級(jí)智慧供水管理平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱區(qū)域級(jí)平臺(tái)）兩個(gè)層級(jí)。一般而言，工程級(jí)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容主要包括監(jiān)測(cè)感知體系、數(shù)字孿生平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、保障體系、網(wǎng)絡(luò)安全體系等；區(qū)域級(jí)平臺(tái)按照管理層級(jí)可分為省級(jí)、地市級(jí)、縣級(jí)。

數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程系統(tǒng)架構(gòu)示意

（1）工程級(jí)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

工程級(jí)系統(tǒng)聚焦于單個(gè)數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)，除通用性的建設(shè)內(nèi)容外，結(jié)合農(nóng)村供水特點(diǎn)，主要涵蓋以下方面。

①監(jiān)測(cè)感知體系建設(shè)方面。利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，在水源地取水口監(jiān)測(cè)水位、取水量、水質(zhì)、水溫等參數(shù)；在水廠監(jiān)測(cè)出廠水水量、水質(zhì)，以及加藥、混凝、沉淀、過濾、消毒等各凈水工藝的運(yùn)行參數(shù)；在干支管網(wǎng)適宜位置監(jiān)測(cè)壓力、流量、水質(zhì)等參數(shù)和閥門運(yùn)行狀態(tài)；在取水、供水、配水泵站和水廠監(jiān)測(cè)水泵機(jī)組、凈化消毒等設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用視頻監(jiān)視水源地取水口、水廠、泵站、高位水池等關(guān)鍵部位運(yùn)行狀況，并盡可能共享相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全面動(dòng)態(tài)掌握農(nóng)村供水系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

②數(shù)字孿生平臺(tái)方面。堅(jiān)持需求牽引和問題導(dǎo)向，構(gòu)建監(jiān)測(cè)感知全面、數(shù)據(jù)治理有效、信息互聯(lián)互通、通信安全可靠的數(shù)據(jù)庫。模型庫應(yīng)涵蓋泵站優(yōu)化調(diào)度、水廠智能加藥、管網(wǎng)漏損控制等模型，用于全流程動(dòng)態(tài)模擬和調(diào)度優(yōu)化，加強(qiáng)人工智能等數(shù)智技術(shù)與專業(yè)模型融合應(yīng)用。受技術(shù)和資金投入限制，在模型庫難以覆蓋和有效解決的環(huán)節(jié)，可通過知識(shí)庫匯集多年運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)、調(diào)度規(guī)則及應(yīng)急方案，形成經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐支撐。模型庫強(qiáng)調(diào)精準(zhǔn)模擬和精確控制，知識(shí)庫依托歷史場(chǎng)景和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，兩者相輔相成。

③業(yè)務(wù)應(yīng)用體系建設(shè)方面。基于感知體系實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、組態(tài)軟件搭建和應(yīng)用軟件開發(fā)，構(gòu)建精準(zhǔn)自動(dòng)控制系統(tǒng)。支持水廠加藥、水泵機(jī)組啟停、凈化消毒設(shè)備開關(guān)、閥門啟閉與調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)的命令自動(dòng)執(zhí)行與遠(yuǎn)程控制，形成“監(jiān)測(cè)—控制—反饋”閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智慧生產(chǎn)。構(gòu)建全天候、適配供水工藝流程、自定義路線和自動(dòng)生成可追溯報(bào)告的智能巡檢系統(tǒng)，建立基于GIS平臺(tái)和DMA分區(qū)計(jì)量的管網(wǎng)漏損監(jiān)控與精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，形成“發(fā)現(xiàn)問題—實(shí)時(shí)預(yù)警—專業(yè)處置”閉環(huán)處置鏈，降低管網(wǎng)漏損率，做到從“被動(dòng)運(yùn)維”到“主動(dòng)管控”，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維。構(gòu)建熱線、微信公眾號(hào)、手機(jī)App等便捷水費(fèi)收繳方式，提供咨詢、報(bào)修、問題受理處置等便民服務(wù)，實(shí)現(xiàn)群眾服務(wù)“零跑腿”，促進(jìn)智慧服務(wù)。

④保障體系方面。合理配置監(jiān)控軟硬件設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)通信方式，降低后期運(yùn)行成本和維護(hù)難度。設(shè)立專門的運(yùn)行管理部門和人員，明確崗位職責(zé)與應(yīng)用考核機(jī)制，定期開展技能培訓(xùn)。通過增加效益、水費(fèi)提留和申請(qǐng)財(cái)政補(bǔ)助等方式落實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)資金，用于供水設(shè)施設(shè)備日常維護(hù)、故障維修及系統(tǒng)升級(jí)改造，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行和穩(wěn)定發(fā)揮作用。

⑤網(wǎng)絡(luò)安全體系方面。遵循國(guó)家信息安全保護(hù)相關(guān)要求，構(gòu)建統(tǒng)一的安全保障體系，工程級(jí)系統(tǒng)安全保護(hù)等級(jí)不宜低于二級(jí)。傳感器與現(xiàn)地控制單元等近距離布線、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性要求高的固定場(chǎng)景，宜采用有線通信方式；山區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)、管網(wǎng)等布線難度大、成本高的場(chǎng)景，可采用無線通信方式。泵站、水廠等關(guān)鍵供水設(shè)施設(shè)備的自動(dòng)控制，宜采用專線保障通信安全。監(jiān)控設(shè)備在線暢通率應(yīng)不低于95%。

案例簡(jiǎn)介：黑龍江省鶴崗市綏濱縣連生鄉(xiāng)供水廠通過安裝水量、水質(zhì)、水壓等近千個(gè)感知設(shè)備，搭建供水一張圖、運(yùn)行管理、用戶服務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)管理、標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)、賦能培訓(xùn)等功能模塊，依托BIM+ GIS+AR+VR等技術(shù)，構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的數(shù)字孿生供水體系，實(shí)現(xiàn)供水水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)，線下每日人工巡檢次數(shù)由5次變?yōu)?次，每年人力成本節(jié)省效益顯著，22個(gè)村屯1.6萬余人受益。湖南省長(zhǎng)沙市望城區(qū)東城水廠數(shù)字孿生平臺(tái)緊扣需求，在實(shí)踐中打磨出用水智能調(diào)度、水質(zhì)預(yù)警、“一圖統(tǒng)管全域”綜合運(yùn)營(yíng)和設(shè)備故障預(yù)測(cè)性維護(hù)等四大業(yè)務(wù)應(yīng)用，保障5139戶居民供水安全，實(shí)現(xiàn)供水保證率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、用戶滿意率、水費(fèi)收繳率大幅度提升。

（2）區(qū)域級(jí)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

區(qū)域級(jí)平臺(tái)建設(shè)面向省、市、縣級(jí)農(nóng)村供水系統(tǒng)，遵循“標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、耦合貫通、共享共用、協(xié)同高效”原則，強(qiáng)調(diào)全域監(jiān)管與多業(yè)務(wù)協(xié)同，主要包括以下內(nèi)容。

①構(gòu)建區(qū)域級(jí)平臺(tái)。對(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)縣域統(tǒng)管的縣，縣域智慧供水管理平臺(tái)對(duì)納入縣域統(tǒng)管范圍的所有農(nóng)村供水工程實(shí)現(xiàn)智慧生產(chǎn)、智慧運(yùn)維和智慧服務(wù)，這與工程級(jí)系統(tǒng)建設(shè)要求沒有本質(zhì)區(qū)別。對(duì)于未實(shí)現(xiàn)縣域統(tǒng)管的縣，利用水利部已建成運(yùn)行的農(nóng)村水利水電信息系統(tǒng)，對(duì)“省—市—縣”農(nóng)村供水實(shí)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理和行業(yè)管理兩個(gè)功能；同時(shí)，積極推進(jìn)縣域統(tǒng)管，同步建設(shè)縣級(jí)農(nóng)村供水統(tǒng)管平臺(tái)。地市級(jí)平臺(tái)與省級(jí)平臺(tái)與縣級(jí)平臺(tái)相比，主要是轄區(qū)管理范圍不同，只有“監(jiān)測(cè)”，沒有“控制”功能。區(qū)域級(jí)平臺(tái)安全保護(hù)等級(jí)不宜低于三級(jí)。

②構(gòu)建農(nóng)村供水管理“一張圖”。基于GIS地圖，以縣域行政區(qū)劃為單元，以農(nóng)村供水水源、水廠（站）、泵站、干支管網(wǎng)分布、工藝流程、感知監(jiān)測(cè)點(diǎn)、供水覆蓋范圍、用水大戶等為關(guān)鍵要素，實(shí)現(xiàn)全域農(nóng)村供水系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和位置的可視化展示、數(shù)字化映射與運(yùn)行狀態(tài)的“一圖總覽、動(dòng)態(tài)可視”，助力行業(yè)監(jiān)管部門和統(tǒng)管單位快速掌握轄區(qū)供水全貌，提升優(yōu)化調(diào)度和智能決策能力。強(qiáng)化農(nóng)村供水風(fēng)險(xiǎn)管理，構(gòu)建供水風(fēng)險(xiǎn)管理圖。通過建立科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，梳理分析靜態(tài)與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，提供風(fēng)險(xiǎn)查找、研判、預(yù)警、防范、處置和隱患排查治理措施，為供水安全和應(yīng)急保供提供智慧決策支持。

③業(yè)務(wù)應(yīng)用體系建設(shè)。除構(gòu)建農(nóng)村供水管理“一張圖”外，還包括供水信息管理、水資源配置和優(yōu)化調(diào)度、應(yīng)急保供、便民服務(wù)等內(nèi)容。在接入農(nóng)村供水工程在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，匯集工程建設(shè)和運(yùn)行管理、供用水管理、行政區(qū)劃和用水戶等靜態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)供水信息管理和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能業(yè)務(wù)應(yīng)用重點(diǎn)聚焦干旱、洪澇、冰凍、臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害和水污染等突發(fā)事件下的供水安全需求，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)天氣變化和突發(fā)事件影響下的供水量與水質(zhì)變化，留出提前應(yīng)對(duì)時(shí)間；建立多維度異常指標(biāo)自動(dòng)觸發(fā)下的分級(jí)預(yù)警機(jī)制，將預(yù)警信息快速傳達(dá)至主管部門、供水單位及受影響區(qū)域用戶，指導(dǎo)巡查、調(diào)度、引水調(diào)水、維修、應(yīng)急供水和儲(chǔ)水節(jié)水工作；以AI算法等模型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行干旱等災(zāi)情預(yù)演和基于“正向—逆向—正向”的水資源配置和優(yōu)化調(diào)度方案預(yù)演，提前發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整供水策略；制定不同場(chǎng)景和工況下的優(yōu)化調(diào)度、資源配置及應(yīng)急保供方案，集成歷史場(chǎng)景、調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)，形成輔助決策預(yù)案，實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”的全流程應(yīng)用。此外，通過整合農(nóng)村供水規(guī)章制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程檔案、調(diào)度方案、運(yùn)行策略、專家經(jīng)驗(yàn)、本地?cái)?shù)據(jù)、歷史場(chǎng)景等，聚焦用水戶和農(nóng)村供水工程運(yùn)行管理中出現(xiàn)的高頻問題及需求，構(gòu)建交互式、沉浸式的智慧平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)符合本地供用水特點(diǎn)和語言習(xí)慣的專業(yè)技術(shù)搜索、咨詢問答交互、巡查維護(hù)方案編制、漏損控制方案生成、水資源調(diào)度方案優(yōu)化、應(yīng)急保供方案預(yù)演、用戶個(gè)性化服務(wù)支持、便民服務(wù)等功能。

案例簡(jiǎn)介：山西省晉中市祁縣將7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、103處水源、263座水廠（站）、249個(gè)自然村、8.7萬戶農(nóng)村居民飲水全部納入智慧供水平臺(tái)進(jìn)行管理；全縣實(shí)現(xiàn)24h穩(wěn)定供水、水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)，管網(wǎng)漏損率降至5%左右，應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間縮短至30min以內(nèi)。山東省聊城市陽谷縣構(gòu)建1個(gè)智慧水務(wù)平臺(tái)基座和安全監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策、便民服務(wù)、智能運(yùn)維、水費(fèi)營(yíng)收等5個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，安裝1550個(gè)流量、水質(zhì)和壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)1000余km主管網(wǎng)、3.2萬個(gè)附屬設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化模擬，關(guān)聯(lián)20余萬臺(tái)閥門、水表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成“一張圖”可視化管理和全流程全覆蓋的智能管控體系，建立“零上門”服務(wù)清單，故障平均修復(fù)時(shí)間從4h縮短至1h以內(nèi)，用水戶服務(wù)投訴量下降80%，惠及70余萬人。

思考和建議

1.系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)突出“管用、實(shí)用、好用”導(dǎo)向

“管用”就是要遵循目標(biāo)導(dǎo)向與需求牽引，聚焦安全、自動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)效、便捷等關(guān)鍵供水需求，有效解決農(nóng)村供水運(yùn)行管理中存在的實(shí)際問題，提升供水系統(tǒng)的整體運(yùn)行水平和供水保障程度，支撐高質(zhì)量的發(fā)展需求和目標(biāo)。“實(shí)用”就是要聚焦系統(tǒng)的可操作性與實(shí)用性，明確應(yīng)用主體是供水單位、主管部門和用水戶，確保使用者能夠便捷高效地操作運(yùn)用系統(tǒng)，做到日常工作離不開系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)與供水業(yè)務(wù)的深度融合。“好用”就是通過數(shù)智賦能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水“三節(jié)”（節(jié)水、節(jié)能、節(jié)工）、“三增”（增大水量供給能力、增加管網(wǎng)安全運(yùn)行能力、增強(qiáng)水質(zhì)保障水平）與“三提”（提高運(yùn)行效率、提增經(jīng)濟(jì)效益、提升管理效能）。

2.設(shè)備選擇應(yīng)以“穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、便捷”為準(zhǔn)則

設(shè)備選擇“穩(wěn)定”是前提，優(yōu)先選擇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠、測(cè)量誤差小、數(shù)據(jù)漂移低的傳感器和運(yùn)行穩(wěn)定可靠、控制指令安全的控制器、工控機(jī)等“硬件”設(shè)備。設(shè)備性能和安全需具備較好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在室外、野外等復(fù)雜環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足安全等級(jí)、電能消耗低及數(shù)據(jù)傳輸安全要求。設(shè)備選擇“經(jīng)濟(jì)”是關(guān)鍵，在保證性能的前提下，優(yōu)先選擇一次性投資低和運(yùn)行維護(hù)成本低的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，盡可能實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的投入產(chǎn)出。設(shè)備選擇還應(yīng)考慮后期維修養(yǎng)護(hù)和服務(wù)的“便捷性”，同一工程、同一縣域或片區(qū)、同一類型的水泵機(jī)組、閥門、凈化、消毒、電氣與自控等設(shè)備宜選用同一供應(yīng)商的產(chǎn)品。同時(shí)，應(yīng)合理布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)位，在功能達(dá)效的同時(shí)，便于施工安裝和后期運(yùn)維。

3.軟件設(shè)計(jì)應(yīng)以“有效、簡(jiǎn)約、直觀”為目的

軟件設(shè)計(jì)要以解決實(shí)際供水問題、實(shí)現(xiàn)建設(shè)目標(biāo)、便于操作應(yīng)用為前提，明確系統(tǒng)的“有效”需求和功能定位。“簡(jiǎn)約”就是在需求分析、模型定制和軟件開發(fā)時(shí)，要本著節(jié)約夠用和搭建模塊化架構(gòu)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，供水監(jiān)測(cè)控制單元數(shù)量適宜、安裝位置合理，切忌進(jìn)行大范圍、高精度的三維建模和歷史場(chǎng)景動(dòng)畫設(shè)計(jì)，以免“中看不中用”。在軟件開發(fā)和系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，要充分考慮水廠和基層管水人員的理解能力、操作習(xí)慣和技術(shù)水平，提供“直觀形象”“量身定制”“便于拓展”的設(shè)計(jì)方案，建設(shè)單位、供水單位及使用者要深度參與軟件開發(fā)的全過程，包括需求提出、系統(tǒng)架構(gòu)和界面設(shè)計(jì)、測(cè)試、培訓(xùn)、驗(yàn)收和移交等。

4.系統(tǒng)運(yùn)行要以“安全、可控、適配”為要素

“安全”“可控”是數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)和運(yùn)行的底線要求。對(duì)高精度地圖、海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、控制指令、水質(zhì)等敏感信息以及水廠運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，要嚴(yán)格執(zhí)行數(shù)據(jù)管理要求，確保數(shù)據(jù)在采集、傳輸與存儲(chǔ)過程中的安全性與可控性。同時(shí)，按照網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)建安全的物理環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域邊界與計(jì)算環(huán)境，強(qiáng)化數(shù)據(jù)防護(hù)與安全訪問控制。在系統(tǒng)安全、算法安全與工程安全等方面，要統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同防控，構(gòu)建全鏈條、全周期的安全防護(hù)體系，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。“適配”是數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程能否正常運(yùn)行和達(dá)效的關(guān)鍵。隨著物理供水工程的更新改造和管理需求的不斷提升，數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)映射和同步校準(zhǔn)，相關(guān)模型算法和軟件系統(tǒng)功能要適時(shí)進(jìn)行迭代優(yōu)化與升級(jí)改造，不斷提升系統(tǒng)的適配性和應(yīng)用效能。

Abstract: The construction of digital and intelligent systems is the inevitable path to promoting the modernization of rural water supply. Based on an analysis of the current status of digital twin rural water supply projects, this paper identified some existing problems such as unclear demand analysis, low input-output efficiency, and challenging sustainable operation. It also delved into the essence, construction content, and methods of digital twin rural water supply, offering systematic thinking and targeted implementation suggestions. The construction of digital twin rural water supply projects should adhere to demand-driven and problem-oriented approaches, aiming to achieve safe, automatic, economic, long-term, and convenient water supply. It is necessary to build a virtual-real integration system with digital technology, twin paths, smart decision-making, and water supply as the object, to realize the digital mapping, intelligent simulation, and smart decision-making of water supply processes and systems. In a specific implementation, the system construction includes an engineering-level smart water supply system and a regional-level smart water supply management platform. The engineering-level system focuses on the closed loop of the intelligent perception system, digital twin platform, and business application system, while the regional-level platform emphasizes comprehensive supervision and multi-business collaboration. The construction of a digital twin rural water supply system should be guided by the principles of “practicality, usability, and ease of use”, with monitoring equipment following the criteria of “stability, economy, and convenience”, software design aiming for “effectiveness, simplicity, and intuitiveness”, and system operation emphasizing “safety, controllability, and adaptability”. This will facilitate the transformation of rural water supply management from traditional management to digital and intelligent management, providing digital and intelligent empowerment for the high-quality development and modernization of rural water supply

Keywordsrural water supply; digital twin; smart water supply; digital and intelligent; intelligent perception; water supply safety; construction idea

本文引用格式：

胡孟，李連香，徐瑋彤.數(shù)字孿生農(nóng)村供水工程建設(shè)思考[J].中國(guó)水利，2026（2）：11-18.

責(zé)編李盧祎

校對(duì)董林玥

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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