惟楚科教 科普同行

      跟隨中國水利學會李貴寶教授走進黑河水資源與生態(tài)保護研究中心，研究中心主任董國濤接待了我們，這是一家中央駐地方垂直管理單位，由水利部黃河水利委員會批準成立，是水利部所屬唯一的內(nèi)陸河流科研單位。主要從事對黑河流域水資源管理與規(guī)劃、水量調(diào)度與配置、生態(tài)修復、數(shù)字孿生與智慧水利等科學技術(shù)研究。聽著董主任講述河西走廊黑河治水、人文、歷史的故事。

     黑河，發(fā)源于祁連山腹地、高處的八一冰川。從祁連山冰川出發(fā)的河流中，黑河流經(jīng)路途最長，流域面積最大。它告別冰川與高原后，成為劈開祁連山，穿越河西走廊，澆灌沙漠綠洲的900多千米長河，流經(jīng)青海，甘肅和內(nèi)蒙古3個省(區(qū))，在中國的內(nèi)陸河中排名第二。這條蜿蜒穿越河西走廊的內(nèi)陸河，不僅是西北干旱區(qū)的生態(tài)命脈，更是中華文明多元一體格局中一條沉默而堅韌的文化血脈。它如一條綠色的綢帶，串聯(lián)起冰川，森林，綠洲與荒漠，滋養(yǎng)了沿岸百萬生靈，見證了絲綢之路的駝鈴與現(xiàn)代文明的脈動。

     當黑河水撲向河西走廊的戈壁，一場人類與自然合作的奇跡就此展開。張掖綠洲，正是黑河水被“馴化”的杰作。古人依水而居，開閘渠道，構(gòu)建了延續(xù)千年的灌溉系統(tǒng)，最終使張掖成為了大漠綠洲中的“塞上江南”。祁連山脈的雪線之上，是另一種時間的刻度。黑河的源頭并非汩汩清泉，而是“固體水庫”冰川在陽光下的悄然融化。這些冰川如同巨大的“高山水塔”，年復一年地儲存降水，又在夏季釋放細流，成為黑河最初的生命信號。黑河水穿越綠洲，繼續(xù)向北，最終在巴丹吉林沙漠腹地的額濟納注入居延海。這片沙漠中的尾閭湖，是黑河水系命運的終章，也是生態(tài)的晴雨表。它的漲縮記錄著人類與自然博弈的痕跡，提醒著流域共生的必要性。

1.平臺運行過程中所需的水存儲、水泵泵送、管道輸水、水庫蓄水，渠道通水、農(nóng)田灌溉用水及余水回收等一系列過程和環(huán)節(jié)展示，其部件通過螺栓連接、粘結(jié)及熔接技術(shù)構(gòu)成一個水循環(huán)系統(tǒng)。

2.人工降雨系統(tǒng)作為人工模擬自然降雨過程的裝置，在模擬降雨過程中所需的水泵泵送、管道輸水、噴頭雨量調(diào)節(jié)等一系列過程和環(huán)節(jié)展示，其部件通過螺栓連接、粘結(jié)及熔接技術(shù)構(gòu)成一個人工降雨系統(tǒng)。

3.田間排水系統(tǒng)為暗管排水系統(tǒng)，為便于直觀的進行排水系統(tǒng)的展示。

4.仿真設備及作物作為展示節(jié)水灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃布置，包括節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要組成部分及采用仿真植物對平臺進行美化。

5.三通型流道灌水器研發(fā)裝置可用于對三通型流道邊界流場；進出水口流態(tài)；水力特性；局部水頭損失機理射流附壁效應。

6.穿孔型流道灌水器研發(fā)裝置可用于對穿孔型流道邊界流場；進出水口流態(tài)；水力特性；局部水頭損失機理；射流附壁效應等進行展示分析。

7.旋渦型流道灌水器研發(fā)裝置可用于對流道邊界流場；進出水口流態(tài)；水力特性；局部水頭損失機理；射流附壁效應等進行展示分析。

8.支持對校外實訓基地上布置的流量、壓力、土壤墑情等傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集，并支持接入數(shù)字孿生系統(tǒng)。

9.支持對校外實訓基地上監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進行實時采集，支持將采集的圖形圖像數(shù)據(jù)進行輸出，即接入數(shù)字孿生系統(tǒng)

10.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括用于對雨量，流量，溫濕度，壓力等進行監(jiān)測傳感器及其數(shù)顯裝置，采集的數(shù)據(jù)可實時展示于數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)展示系統(tǒng)中。

11.定制PLC控制盤柜可完成設備自動化控制，具備網(wǎng)絡通訊功能，性能穩(wěn)定、可擴展、抗干擾強等特點。

12.數(shù)字化模型是智慧節(jié)水灌溉數(shù)字孿生平臺的模型基礎，需要具備三維可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息集成化等特性，同時數(shù)字化模型的體量與數(shù)據(jù)量較大，在導入數(shù)字孿生平臺時需要進行優(yōu)化處理，對數(shù)字化模型進行減面、修模等操作。

13.監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)展示功能是對物理世界中的校外實訓基地及室內(nèi)節(jié)水灌溉物理模型平臺上的節(jié)水灌溉系統(tǒng)運行狀態(tài)的映射，針對實際工程灌區(qū)、校外實訓基地、室內(nèi)沙盤模型這三處數(shù)據(jù)發(fā)生源，開發(fā)出工程模式、校外實訓基地模式、室內(nèi)節(jié)水灌溉物理模型沙盤模式，對接與轉(zhuǎn)化三處傳入的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在三維仿真場景中進行展示。

14.運行控制功能是智慧運行調(diào)度的控制基礎，針對校外實訓基地與室內(nèi)節(jié)水灌溉物理模型平臺上布置的水泵、閥門等設備，通過綜合控制柜、數(shù)據(jù)通信光端機、PCI擴展卡等硬件設備實現(xiàn)對設備的遠程及自動化控制，并通過構(gòu)建的節(jié)水灌溉三維虛擬仿真場景，將設備控制的交互按鍵與水泵與閥門等設備三維仿真模型進行關(guān)聯(lián)，同時支持以虛擬交互的形式進行設備自動化運行腳本的編制。

15.綜合采用三維仿真技術(shù)、Unity3d、數(shù)據(jù)庫、數(shù)學模型、C#和Fortran聯(lián)合編程等技術(shù)手段，從后臺計算分析程序與前端互動界面開發(fā)兩個層面進行智慧運行調(diào)度模塊的開發(fā)。智慧運行調(diào)度是基于作物原理、氣象預報、土質(zhì)資料等方面進行數(shù)學模型的構(gòu)建，以作物適宜土壤含水量為目標水量進行計算分析。

16.根據(jù)灌溉設備的教學要求與特色灌溉設備的三維可視化展示需求，綜合應用三維虛擬仿真技術(shù)、三維引擎技術(shù)等先進技術(shù)，打造特色灌溉設備三維虛擬仿真展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是針對灌溉設備、創(chuàng)新自研設備進行三維可視化展示。