數字流域技術在流域現代化管理中的應用

譚德寶

(長江科學院空間信息技術應用研究所，武漢 430010)

1 概述

全球氣候變化和人類活動加劇使得流域下墊面狀況發生了巨大的變化，這對流域現代化管理提出了新的挑戰。河流調蓄能力下降、洪澇干旱的強度和頻度增加、水污染嚴重、水土流失與地質滑坡增多、水資源供需矛盾日益突出，已經成為水利行業急需解決的新問題［1］。

當前，黨和國家高度重視水利行業的戰略性基礎地位。2011年中央一號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》、《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006－2020年)》、《全國水利發展“十二五”規劃》等明確要求強化水利科技支撐，提出“健全水利科技創新體系、強化基礎條件平臺建設、加強基礎研究和技術研發、力爭在水利重點領域、關鍵環節和核心技術上實現新突破”。為了積極適應這一新形勢要求，必須充分利用現代信息技術發展的最新成果，抓緊開展數字流域研究，深入分析數字流域建設的關鍵技術，為數字流域建立創造良好條件，并為流域現代化管理打下堅實的基礎。

2 數字流域技術

2.1 數字流域定義

流域是一個具有明確邊界的地理單元，以水為紐帶，將上游、中游、下游組成一個普遍具有因果聯系的復合生態系統，是實現資源和環境管理的最佳單元。

“數字流域”是綜合運用遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統 (GPS)、計算機網絡技術、多媒體及虛擬現實等高新技術對全流域的地理環境、自然資源、生態環境、人文景觀、社會和經濟狀態等各種信息進行采集和數字化管理，構建覆蓋全流域的綜合信息平臺和三維模型，使得各級部門能夠有效管理整個流域的經濟建設，做出科學、合理的資源利用與開發決策［2，3］。

“數字流域”以先進的高新技術手段實現對傳統流域綜合管理方法的創新，其根本宗旨是實現信息技術標準化、信息采集自動化、信息傳輸網絡化、信息管理集成化、業務處理智能化，是提高流域綜合管理科技含量和管理水平的有效途徑，其建設與應用將有力地推動流域管理現代化的進程［4，5］。

2.2 數字流域研究進展

近年來，國內外已經在數字流域方面開展了大量的研究工作，其成果已逐步付諸應用。美國在密西西比流域已建立了完善的水情自動測報網絡系統、防洪自動預警系統及實時監測系統，同時以氣象預報模型、降雨徑流模型、河道水流演算模型為基礎，建立了河流水情預報系統。不僅提供短期洪水預報，而且提供中長期(旬、月、季)的水情概率預報。能夠用于防洪減災和水資源的管理［2］。黃河水利委員會在2003年提出《“數字黃河”工程規劃》，建設以黃土高原土壤侵蝕、水庫聯合調度、河道水沙演進、河口演變、冰凌預報、污染物輸移擴散等6大模型為代表的黃河數學模擬系統，并應用在黃河水量調度等方面［2］。

長江水利委員會在流域數字化方面進行了大量的工作，取得了一定成果。在信息化資源的基礎設施方面，與流域內六省二市網絡已經聯通，在全國率先實現了118個中央報汛站自動報汛，各類信息自動采集點達到3 000多個。以三峽水庫為核心的長江干支流控制性水庫群綜合調度正在進行中，已取得階段性成果。世界銀行貸款項目“長江防洪模型”已完成實施，該項目主要通過實體模型試驗、數學模型計算、原型資料分析等多種手段對三峽工程建成后長江流域干流河道、湖區河網的泥沙運動、洪水演進和防洪調度進行綜合研究，為防洪規劃、工程建設和防洪決策提供科學依據。“長江防洪模型”作為實體物理模型，能夠與長江流域整體數字模型上加載的洪水演進模型進行相互的校驗，為數字流域研究奠定了堅實的基礎。

2.3 數字流域建設的關鍵技術

2.3.1 數字流域框架基礎研究

研究數字流域建設框架性問題，形成新形勢下的流域管理模式與信息化建設思路，促進數字流域的關鍵性技術研究。

(1)數字流域框架結構:深入研究數字流域基礎設施層、應用支撐層、應用層與層次間的邏輯關系，設計邏輯結構和物理結構，構建數字流域系統框架。

(2)流域等級劃分技術:根據流域綜合管理需求，參考水資源管理3條紅線的制定，研究流域等級劃分標準及劃分方法，確定數字流域不同尺度下的計算單元。

(3)流域綜合指標體系:探討數字流域綜合監測體系的規劃原則，結合流域立體監測網相關研究，開展流域水量、水質、泥沙、水生物、河道形態、土地利用等指標及其相關性研究，制定流域綜合監測指標體系，構成編碼標準規范。

(4)數字流域支持下流域現代化管理的適應性分析與評價:綜合考慮流域信息化建設需求，探索數字流域框架的關鍵作用，分析并評價數字流域框架支持下流域現代化管理的適應性方法。

(5)數字流域技術標準體系研究:構建數字流域技術標準體系框架，開展現有技術標準及適用性研究和數字流域相關標準研究，為數字流域技術標準奠定基礎。

2.3.2 數字流域立體監測網技術

探討立體監測站網優化布局，深入分析新型傳感器技術和監測手段的應用研究、物聯網技術應用研究2大關鍵應用環節，為搭建指標豐富、布局合理、運行穩定、數據及時準確的數字流域綜合監測體系提供技術支撐。

(1)立體監測站網優化布局研究:針對長江流域內河段、支流、小流域本身特點，研究立體監測網布局原則;分析長江流域內現有的水文、水生態、水環境監測站網的空間分布狀況，規劃新增水文、水生態、水環境監測站網的優化布局位置;結合長江流域綜合規劃，分階段、分步驟實現新增監測站網建設和立體監測站網優化布局。

(3)物聯網等新型網絡技術應用研究:采用以傳感器網絡、RFID、視頻監控技術為代表的物聯網技術，探索新型網絡技術在數字流域數據采集、數據傳輸、快速可視化中的綜合集成應用，實現數字流域中物聯網技術的深化應用。

2.3.3 多源海量數據組織、處理與共享服務技術

研究數字流域涉及的不同格式、不同結構、不同時態以及不同坐標系的多源海量數據組織、數據處理以及數據服務模式，建設海量數據共享服務平臺，實現多源海量數據的高性能存儲和高效管理。

(1)海量時空數據組織與查詢技術:研究海量時空數據分層存儲、動態更新與按需調度技術，分析跨投影帶多源時空數據層次組織方法，探討基于流域單元的多級空間索引與快速查詢技術，實現海量時空數據智能化搜索。

(2)多源綜合監測信息的數據融合和挖掘技術:研究基于多源觀測信息的立體監測網數據融合和數據挖掘，如河道與水文監測數據挖掘示范應用，實現基于多源綜合監測信息的知識挖掘。

(3)海量影像數據處理及三維信息精確提取技術:研究海量影像數據考慮投影差的無縫鑲嵌及影像過渡技術，分析海量遙感影像數據的多級并行處理技術，探討逐級影像金字塔上的自動匹配技術，構建算子提取影像關鍵地物特征點的信息提取技術，實現三維空間信息精確提取。

(4)多源海量數據共享服務平臺:研究基于國家標準的異構空間數據標準化服務技術，分析基于網絡服務的多源分布式GIS數據訪問技術，探討基于OGC的空間數據目錄索引與發現服務技術，構建基于中間件的多源空間元數據語義模型分析與互操作服務技術，研究多網絡環境下空間數據一體化索引與按需調度服務技術，研發多源海量數據共享服務平臺。

2.3.4 長江流域多專業數字模型集成與應用

入選標準：（1）符合《中國帕金森病治療指南（第二版）》［6］；（2）接受抗帕金森病藥物治療達劑量穩定期至少30 d；（3）年齡介于30～80歲；（4）簽署書面知情同意書。

研究適合于長江流域綜合管理的多任務多目標的專業模型集成技術，建立長江流域專業數字模型集成應用系統。

(1)專業數字模型集成技術:分析專業模型結構功能標準化設計和入庫管理機制;研究專業模型應用過程中的尺度效應問題;探討具有多尺度的專業模型集成與耦合應用方案;分析多模型的協同調度與分布式計算方法;進行基于案例及模型庫的知識挖掘。

(2)長江流域專業數字模型集成應用:分析海量數據和模型計算并行處理的智能分配管理機制，探討系統硬件平臺環境搭建方案;建立長江流域專業數字模型集成應用系統;研究動態時空數據模型的耦合關系，探討數字流域決策支持模型與優化方法。

(3)三維可視化與模擬仿真技術應用:針對數字流域中可視化與仿真計算的具體需求，分析現有成熟的流計算、三維可視化、模擬仿真技術，研究其在數字流域中的應用集成方法，開展基于三維數據場可視化的水利仿真模擬等。

2.4 從數字流域到智慧流域

當前，數字流域正從以靜態幾何表達發展到動態過程描述分析的新階段。將物聯網引入數字流域中，便可構成智慧流域，其主要特征是:①天地一體化同步觀測，有利于提高數據處理的速度和精度;②傳感器通過IP地址進入計算機網絡，實現傳輸和實時處理;③通過網絡計算從數據中提取信息和知識，有利于及時提供決策支持;④使數字流域研究走向動態、多維和實時。

3 數字流域技術在三峽工程運行管理中的應用實踐

3.1 數據采集與數據庫制作

綜合運用數字流域技術采集了三峽水庫蓄水前庫底最完整、精度最高、實時性最強的基礎地形地貌數據資料，這些數據是不可再次獲取的重要珍貴檔案資料［6］。制作生成了全庫區1∶5 000大比例尺的DOM，DEM和DLG等基礎地理數據，并建立了水庫基礎地理空間數據庫，如圖1所示。

圖1 長江三峽水庫蓄水前的數字高程模型(DEM)Fig.1 Digital Elevation Model(DEM)of the Three Gorges Reservoir before the impoundment

3.2 水庫庫容計算與復核方法

數字流域技術在特大型水庫的庫容計算與復核方法上取得突破，具有計算速度快、精度高、可實現任意高程下的庫容計算等突出特點，顯示了運用數字流域技術方法對大型水庫庫容計算結果的精確性、合理性及廣泛的適用性。

3.3 水庫運行管理平臺

研發了基于數字流域技術的大型水庫運行管理平臺。以空間地理數據庫為基礎，綜合集成了水庫調度管理所需的各類監測數據，集成了水動力學模型、水庫典型污染物擴散過程模型等多種專業數學模型，開發了模型與基礎數據的接口，實現了多模型的協同調用，模型計算成果能快速地在二維、三維地理環境下可視化展示，為大型水庫運行管理優化調度及決策支持搭建了良好的管理平臺［7，8］。

3.4 模型開發及應用研究

基于自主研發的運行管理平臺開展了三峽水庫運行管理中關鍵問題的應用研究。基于動庫容的調洪演算、突發性水污染事件應急管理、汛期回水位計算、洪水淹沒風險分析等方面的研究成果已經應用于三峽水庫運行管理中，并取得了突出的經濟、社會與環境效益。

通過對典型洪水過程按照調度規程進行調洪演算，得到各典型洪水過程調洪結果。調洪結果表明:百年一遇洪水控制枝城流量56 700 m3/s，1954年洪水鳳凰山水位最高，防洪高水位為167 m;千年一遇洪水控制枝城最大泄流量76 000 m3/s，1954年洪水鳳凰山水位最高，水位為175 m;萬年一遇洪水在計算過程中增加了10%的校核值，1982年洪水鳳凰山水位最高，最大泄流量為107 000 m3/s，水位為178.3 m，比三峽水庫校核洪水位(180.4 m)略低，說明在萬年一遇洪水作用下，大壩是安全的。

在萬年一遇典型洪水作用下，全庫區沿線最大水位基本上都處于四期移民線以上;千年一遇洪水作用下，自奉節以上有部分區域水位超過四期移民線;百年一遇洪水自周家院子以上區域最高水位超過四期移民線，但淹沒范圍較小;五十年一遇洪水自長壽以上水位超過移民線。萬年一遇洪水超過移民線的淹沒范圍主要集中在小江、江里河、大洪河以及清溪場以上長江干流上。

該研究成果對水庫的防洪調度、發電與航運管理、庫區移民以及庫區突發性水污染的應急響應有重要的意義。對于提高三峽水庫防洪調度決策的預見性和可靠性，從而顯著提高梯級電站的發電效益，為決策者組織、協調、指導和指揮防洪調度及快速有效地應對洪水風險，保證三峽樞紐和下游防洪安全充分發揮樞紐綜合效益，起到了至關重要的作用。

4 總結與展望

水利現代化對數字流域技術提出了現實的緊迫需求。數字流域技術將在流域下墊面數據獲取、動態變化監測、現象過程模擬分析與仿真、應急處置決策支持等方面發揮重要的作用［2］。數字流域技術正在走向成熟，在數字流域基礎框架與技術標準、空天地協同流域綜合監測體系、多源海量數據組織、處理與共享服務、多專業模型集成及應用等關鍵技術方面仍然有待于進一步的深化［4，5］。數字流域技術已經在長江流域綜合管理中得到初步應用，取得了一定的經驗，為今后大規模深入應用打下了良好的基礎［6－8］。

當前，數字流域研究需要著力做好如下工作:

(1)面向流域管理需求:結合流域現代化管理的現實需求，從全面辨識流域下墊面性狀、科學預測河流水系等動態變化過程、運籌帷幄應急決策、實現宏觀把握與微觀控制相結合的流域科學管理等方面提高數字流域技術應用水平，推動流域管理水平上一個新臺階。

(2)解決關鍵技術問題:加強定量遙感、智能GIS、數字流域等基礎理論與方法研究;推動數字流域原型系統建設的規范化與標準化;以數字流域為實驗與應用平臺，研究解決復雜的流域重大科學技術問題。

(3)強化推廣應用:針對流域現代化管理面臨的重大科學問題，充分應用傳感器網絡、RFID、視頻監控、北斗衛星導航系統、高分辨率衛星遙感等高新技術，大力推廣數字流域技術，促進其在水利行業的深入應用，進一步推動水信息學科的發展。

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