“數(shù)字渭河”工程在渭河治理中應(yīng)用設(shè)想

◎張志強(qiáng)

◆作者系陜西省水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院副院長(zhǎng)，高級(jí)工程師。

1 對(duì)“數(shù)字渭河”工程的理解

“數(shù)字渭河”工程是我省水利信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一，加快推進(jìn)“數(shù)字渭河”工程，支撐和保障渭河綜合整治目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)并帶動(dòng)渭河治理現(xiàn)代化，是一項(xiàng)事關(guān)渭河及全省水利發(fā)展全局的重大戰(zhàn)略任務(wù)。要解決渭河所存在的突出問(wèn)題，促使渭河管理工作再上新臺(tái)階，不僅需要盡快建設(shè)完備的工程措施，同時(shí)也需要加強(qiáng)非工程措施的建設(shè)，需要科學(xué)的決策支持系統(tǒng)，應(yīng)用先進(jìn)有效的管理手段。

“數(shù)字渭河”通俗地說(shuō)就是把渭河裝進(jìn)計(jì)算機(jī)，從而更方便地模擬、分析、研究渭河的自然現(xiàn)象，探索其內(nèi)在規(guī)律，為渭河治理、開(kāi)發(fā)和管理的各種方案決策提供科學(xué)技術(shù)支持。“數(shù)字渭河”工程主體上分為三層結(jié)構(gòu)，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)以及技術(shù)支持和工程保障體系等。

“數(shù)字渭河”工程需要多學(xué)科、多技術(shù)的支撐，主要是在各類水利數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上圍繞水利技術(shù)，應(yīng)用遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)存取和處理技術(shù)、智能化信息提取技術(shù)、動(dòng)態(tài)互操作技術(shù)、科學(xué)計(jì)算技術(shù)、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)等，對(duì)渭河流域的資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的各類信息進(jìn)行數(shù)字化，通過(guò)數(shù)據(jù)整合、虛擬仿真進(jìn)行信息的集成應(yīng)用，為渭河治理開(kāi)發(fā)、重大問(wèn)題決策提供科學(xué)支持和可視化表現(xiàn)。

2 渭河防洪及水資源管理的主要內(nèi)容

渭河流域洪水主要來(lái)源于涇河、咸陽(yáng)以上干流和南山支流，洪水具有暴漲暴落、洪峰高、含沙量大的特點(diǎn)。歷史上渭河曾發(fā)生過(guò)多次大洪水，自上世紀(jì)60年代以后，渭河下游泥沙急劇淤積，小水大災(zāi)頻繁發(fā)生，災(zāi)害損失極其嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多年的治理，渭河防洪減災(zāi)能力有了新的提升，但仍不能從根本上解決渭河防汛安全問(wèn)題，洪澇災(zāi)害仍然是我省最大的心腹之患。確保渭河防洪安瀾，單純的靠加高、加寬河流堤防，安全保障總是有限度的。在新的形勢(shì)下，必須更新防洪理念。一要由洪水控制向洪水管理轉(zhuǎn)變。二要由工程修復(fù)向生態(tài)修復(fù)轉(zhuǎn)變。三要將蓄滯洪區(qū)建設(shè)、植被修復(fù)作為防洪、生態(tài)修復(fù)的主要措施，重視洪水預(yù)報(bào)等非工程措施對(duì)防洪減災(zāi)的作用。

渭河流域自產(chǎn)水資源總量73.13億m3，人均、畝均占有水資源量分別為329m3和318m3，相當(dāng)于全國(guó)平均水平的15.3%和20.8%，水資源總量不足，承載能力有限，屬資源性缺水地區(qū)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于水量銳減，農(nóng)業(yè)灌溉引水保證率很低，關(guān)中地區(qū)的灌區(qū)有50%的灌溉面積不能適時(shí)適量灌溉，2005年陜西省渭河流域農(nóng)田有效灌溉面積中有218萬(wàn)余畝失灌，灌區(qū)水資源供需矛盾十分突出。由于渭河流域內(nèi)情況復(fù)雜、河情特殊，加之軟件和硬件都很薄弱，目前渭河水量調(diào)度僅僅局限于計(jì)劃用水階段，即：通過(guò)統(tǒng)計(jì)上報(bào)的用水資料編制渭河年度調(diào)度計(jì)劃和月調(diào)度方案，通過(guò)對(duì)流域主要取水口的計(jì)劃用水管理，滿足渭河水量統(tǒng)一調(diào)度對(duì)華縣站90%保證率日平均流量大于12m3/s的要求，減緩省內(nèi)河道斷流。渭河水量調(diào)度仍然面臨著供需矛盾突出、用水計(jì)劃管理不到位、量水設(shè)施不完善、水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)不健全、基礎(chǔ)研究薄弱、調(diào)度手段落后等許多亟待解決的問(wèn)題，并且隨著水調(diào)工作的進(jìn)一步深入，其制約作用將越來(lái)越突出，必須盡快解決。同時(shí)，渭河的水量調(diào)度還遠(yuǎn)沒(méi)有覆蓋全流域，距離水量調(diào)度精細(xì)化的要求，以及黃河流域干支流水量統(tǒng)一調(diào)度要求差距較大。

3 “數(shù)字渭河”工程在渭河治理中應(yīng)用設(shè)想

從渭河防洪及水資管理的主要內(nèi)容可以看出，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，渭河“洪水災(zāi)害依然存在、水資源供需矛盾十分突出、生態(tài)環(huán)境惡化尚未得到有效遏制”三大問(wèn)題愈顯突出，已嚴(yán)重制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。目前，防汛任務(wù)依然嚴(yán)峻，不僅需要盡快建設(shè)完備的防汛工程措施，同時(shí)也需要加強(qiáng)防汛非工程措施的建設(shè)，更需要準(zhǔn)備充分的防汛預(yù)案和科學(xué)有效的決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用；國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的提高，解決生態(tài)環(huán)境的日益惡化，不僅對(duì)水資源的利用有很高的要求，同時(shí)也對(duì)水質(zhì)提出了更高的要求，需要有更先進(jìn)、更科學(xué)的水量調(diào)度管理辦法和水質(zhì)監(jiān)測(cè)監(jiān)督措施。

“數(shù)字渭河”工程最大的特點(diǎn)就是能通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)及時(shí)獲得流域內(nèi)系統(tǒng)的各種信息資源，同時(shí)還提供了各類信息的集成分析環(huán)境及先進(jìn)的方案評(píng)價(jià)手段?！皵?shù)字渭河”工程將為流域管理提供全面系統(tǒng)的技術(shù)支持。“數(shù)字渭河”工程在流域管理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是“數(shù)字渭河”工程可以為流域治理和管理提供全面系統(tǒng)的、歷史的、實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)信息資源；二是“數(shù)字渭河”工程可以為流域治理和管理提供先進(jìn)的模型和知識(shí)庫(kù)；三是“數(shù)字渭河”可以為流域治理和管理提供綜合模擬、研究、決策的可視化分析環(huán)境。

3.1 提供全面系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息資源

流域治理和管理基礎(chǔ)是全面系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其所需數(shù)據(jù)涉及領(lǐng)域較廣，如流域水資源規(guī)劃所需的基本資料就涵蓋了流域自然概況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水文、水資源利用、空間基礎(chǔ)信息以及研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況、防洪工程及重點(diǎn)水利工程現(xiàn)狀、法律法規(guī)等多方面多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。在以往及現(xiàn)在的管理工作中，基礎(chǔ)資料的收集和整理是一項(xiàng)非常復(fù)雜和龐大的工作。

根據(jù)“數(shù)字渭河”工程的功能描述，“數(shù)字渭河”的“數(shù)字采集系統(tǒng)”將可以提供大量的與流域空間數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的自然環(huán)境數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、防汛與工程管理數(shù)據(jù)、水資源保護(hù)數(shù)據(jù)、水量調(diào)度數(shù)據(jù)、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)將存貯在“數(shù)字渭河”的數(shù)據(jù)中心被共享使用，方便地為流域管理工作提供了較為全面、系統(tǒng)、規(guī)范的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為做好流域管理工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 提供先進(jìn)的模型和知識(shí)庫(kù)

“數(shù)字渭河”工程將為流域治理與管理如防汛、水量調(diào)度等方案的生成、模擬、比選提供先進(jìn)的模型和知識(shí)庫(kù)。主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）空間信息基礎(chǔ)模型。針對(duì)空間基礎(chǔ)信息如對(duì)矢量圖、數(shù)字高程模型、遙感圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的模型。空間信息基礎(chǔ)模型包括多尺度信息融合數(shù)字模型、多源信息融合數(shù)字模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型、信息傳輸模型、數(shù)據(jù)可視化模型、地圖繪制模型等幾類。

（2）專業(yè)模型。按照業(yè)務(wù)要求分為防汛減災(zāi)、水量調(diào)度、水資源保護(hù)、水土保持、水利工程建設(shè)與管理等幾類。如氣象預(yù)報(bào)模型、徑流預(yù)報(bào)模型、災(zāi)情預(yù)測(cè)模型、需水計(jì)算模型、水資源優(yōu)化配置模型、水量實(shí)時(shí)調(diào)度模型、水資源承載能力分析模型、水土流失分析預(yù)測(cè)模型、工程安全評(píng)估模型等幾類。

（3）公用模型。主要用到的通用模型或算法，這些模型包括：計(jì)算流域面積的方法，劃分子流域的方法，生成河網(wǎng)的方法，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)分析計(jì)算，如回歸分析模型、矩陣求逆、計(jì)算相互系數(shù)、頻率分析計(jì)算等。

（4）知識(shí)庫(kù)?！皵?shù)字渭河”工程應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)中的知識(shí)庫(kù)及其管理系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是把專家知識(shí)，整理后按知識(shí)庫(kù)的層次及表示方式，加入到?jīng)Q策支持系統(tǒng)中去，形成智能型的決策支持系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的決策水平和決策自動(dòng)化的程度。

3.3 提供綜合模擬、研究、決策的可視化分析環(huán)境

“數(shù)字渭河”工程將建立內(nèi)容全面的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)應(yīng)涵蓋諸如國(guó)家有關(guān)法律、法規(guī)及各種政策，歷史上處理同類問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，流域規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃、工程規(guī)劃的布局及其具體要求，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約因素等內(nèi)容，從而形成一個(gè)方案決策的大背景，將各種方案結(jié)果置身于這一大背景下進(jìn)行優(yōu)化分析，從中選擇一個(gè)可行的方案。

通過(guò)“數(shù)字渭河”工程提供的決策分析環(huán)境，可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如在防汛會(huì)商業(yè)務(wù)中，在計(jì)算機(jī)中虛擬仿真出險(xiǎn)地點(diǎn)的情況、洪水演進(jìn)情況等；在水量調(diào)度業(yè)務(wù)中，虛擬調(diào)水，并對(duì)調(diào)度成效進(jìn)行分析，判斷流域環(huán)境用水滿足情況、灌區(qū)灌溉情況等。虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用還表現(xiàn)在“規(guī)劃設(shè)計(jì)”及“后果評(píng)估”。數(shù)字規(guī)劃設(shè)計(jì)就是在三維表現(xiàn)的自然渭河上，加入規(guī)劃設(shè)計(jì)的地物對(duì)象，并能使這些對(duì)象根據(jù)不同的方案變動(dòng)和展現(xiàn)變動(dòng)后的狀況，以直觀的可視化表現(xiàn)豐富決策者的想像力。后果評(píng)估是在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的支持下，利用虛擬現(xiàn)實(shí)，對(duì)即將采取的工程或非工程措施的后果進(jìn)行交互式的可視化評(píng)價(jià)。讓決策者進(jìn)入未來(lái)，評(píng)判現(xiàn)在，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在管理領(lǐng)域的應(yīng)用。建立渭河流域防洪及水資源管理決策支持應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)可以把渭河治理與管理中的防洪、工程建設(shè)與管理、水量調(diào)度、水行政執(zhí)法、采砂管理等方案放到流域規(guī)劃綜合大背景下進(jìn)行綜合、分析、評(píng)價(jià)研究，在可視化的條件下進(jìn)行優(yōu)化決策，確保所有的方案對(duì)于流域整體來(lái)說(shuō)都是最優(yōu)的。

4 結(jié)語(yǔ)

“數(shù)字渭河”工程在流域治理開(kāi)發(fā)中的作用是巨大的，建設(shè)需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。為保證“數(shù)字渭河”工程順利有序地實(shí)施，應(yīng)遵循“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一組織、統(tǒng)一管理”的建設(shè)原則，在保障項(xiàng)目建設(shè)所需經(jīng)費(fèi)投入的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)工程建設(shè)管理從制度和組織上給予落實(shí)，建立嚴(yán)密的工程建設(shè)組織管理體系、工程運(yùn)行維護(hù)管理體系和人才培訓(xùn)與引進(jìn)機(jī)制，要按照基本建設(shè)管理的有關(guān)規(guī)定，實(shí)施計(jì)劃進(jìn)度管理和過(guò)程控制，確保工程高質(zhì)量、高水平、按計(jì)劃完成。

“數(shù)字渭河”工程要實(shí)現(xiàn)信息資源的高度共享，需建立資源共享機(jī)制，在資源共享管理規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐下，保證系統(tǒng)的開(kāi)放性、通用性和可擴(kuò)展性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行維護(hù)等的各個(gè)階段，嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，保證工程建設(shè)和運(yùn)行的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。隨著“數(shù)字渭河”工程建設(shè)的深入，解決渭河水問(wèn)題的手段和方法將更為科學(xué)，我們期待著“數(shù)字渭河”工程能盡快地發(fā)揮作用。

[1]陜西省渭河流域管理局.“渭河論壇”渭河水資源論文集[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2009.

[2]水利部黃河水利委員會(huì).“數(shù)字黃河”工程規(guī)劃[M].鄭州：黃河水利出版社,2003.