“數字黃河”工程建設“三步走”發展戰略

李國英

（水利部黃河水利委員會，450003，鄭州）

根據黃河治理開發與管理事業發展的需求，同時考慮數字技術的發展水平，確立“數字黃河”工程建設“三步走”的發展戰略。

一、第一步：建設基礎設施和六大應用系統

2001年7月，水利部黃河水利委員會提出建設“數字黃河”工程，經過8年研究和開發建設，取得了豐碩成果。

一是按照“以我為主，博采眾長”的思路，提出了“數字黃河”三層體系構架。第一層，以數據采集、傳輸、存儲等為主要內容的基礎設施；第二層，以應用服務器中間件、數據服務等為主要內容的應用服務平臺；第三層，以防汛減災、水量調度、水資源保護、水土保持等為主要內容的應用系統。2002年編制完成了《“數字黃河”工程規劃》，2003年4月得到水利部批復。

二是在《“數字黃河”工程規劃》指導下整合已有信息系統，重點開展了基礎設施、應用系統建設，“數字黃河”工程框架基本建成。

基礎設施方面，進行了水文測驗現代化升級，完善了數據觀測采集體系；結合公網和專網完善了黃河通信網絡，建成了計算機骨干網和廣域網，建成了覆蓋地域廣泛的視頻異地會商系統，數據采集、傳輸、存儲的軟硬件環境日趨完善，基本形成了“數字黃河”的信息高速公路，有效支持了應用系統的開發和應用。

應用系統方面，開展了防汛減災、水資源管理與調度、水土保持、水資源保護、建設管理、電子政務等六大應用系統建設。如今，“數字黃河”工程已廣泛應用于黃河治理開發與管理的主要業務領域，為保障黃河防洪安全、改善流域生態環境、維持黃河健康生命發揮了重要作用，產生了巨大的經濟、社會和生態環境效益。運用“數字黃河”的水資源管理與調度系統，成功實施了黃河水資源精細調度管理，確保了黃河不斷流，多次成功向天津、青島、白洋淀等城市和地區調水，為保障生活、生產、生態用水發揮了重要作用。運用“數字黃河”的防汛減災系統模擬制定調水調沙調度方案，并在實施過程中根據反饋信息進行滾動優化調整，為成功實施9次調水調沙提供了強有力的技術支撐。

三是研究制定了 “數字黃河”工程標準體系，編制了具有黃河特點的60余項“數字黃河”工程標準和辦法，主要包括信息采集、信息傳輸、信息存儲、數據管理和地理空間信息、建設管理等，為實現系統開發、信息資源共享、工程有序建設和科學管理提供了保障。

“數字黃河”工程的研究和實踐，形成了大規模數字流域有關規劃、建設、管理、應用等方面的系統化思想，創建了黃河特色的數字流域建設標準規范體系。“數字黃河”工程在黃河治理開發與管理的各項工作中已發揮了重要的作用，成為不可或缺的科技支撐平臺。

雖然“數字黃河”工程建設已取得顯著的成績，但目前還存在著基礎設施不完善、應用服務平臺建設滯后、綜合會商支撐能力薄弱等問題。目前，國家已批復實施 《黃河下游近期防洪非工程措施初步設計報告》和《黃河水量調度管理系統項目建議書》，“數字黃河”工程的基礎設施和應用系統作為重要內容列入其中，應以此為契機，進一步完善“數字黃河”工程的基礎設施和防汛減災、水量調度、水資源保護等應用系統，繼續建設應用服務平臺，力爭在2010年基本實現 “數字黃河”工程“第一步”發展目標。

二、第二步：建設以六大數學模型為主體的數學模擬系統

為提高“數字黃河”工程的決策支持能力，黃河水利委員會2006年提出將數學模型研發作為“數字黃河”工程的核心，明確了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、污染物輸移擴散等六大模型為代表的黃河數學模擬系統。為保障數學模擬系統的持續研發和應用集成，確定了“首席專家＋團隊”的研發機制，編制了《“數字黃河”工程數學模擬系統建設規劃》。

在已有工作基礎上，各團隊刻苦攻關，六大數學模型研發和應用取得新的進展。正式啟動了黃土高原水土流失數學模型研發，搭建了模型系統的研發框架，初步研發了相關數學模型。進一步完善了三門峽、小浪底、陸渾、故縣4庫水沙聯合調度模型，有力支持了黃河防汛預案的編制和調水調沙期間的水庫聯合調度。基本完成了基于GIS的黃河下游二維非恒定流水沙模型，為下游河道洪水演進、河道沖淤分布、防洪減災風險分析、調水調沙方案決策提供了科學支撐。黃河口模型、冰凌預報模型、水污染物輸移擴散模型等模型研發，也取得了一定的進展。

數學模型是自然現象和自然規律的數學表達，其研發水平的高低主要取決于對自然現象及其規律的認識和掌握程度。今后一個時期，要進一步加大對基礎理論的研究，努力夯實模型研發的理論基礎，提高模型研發的支持水平。

對于黃土高原水土流失數學模型研發，目前仍有許多基礎理論和關鍵技術問題尚未解決，包括不同類型區水土流失機理、坡面徑流運動規律及侵蝕機理、坡—溝泥沙輸移關系、溝道重力侵蝕規律等。其中缺少可用的觀測數據是影響研發工作的主要因素之一。因此，要加快“模型黃土高原”工程建設，搭建有效的水土流失科學試驗研究平臺，豐富科研觀測數據，為黃土高原水土流失數學模型的研發提供基礎支持。

水庫群聯合調度模型研發，要針對小浪底水庫洪水泥沙實時調度和黃河水沙調控體系聯合運用的要求，加強水庫泥沙沖淤變化規律和水庫群多目標優化調控理論與技術研究，盡快完善不同空間層次的水庫水沙過程模擬模型，建設以小浪底水庫為中心的水庫群水沙多目標模擬和聯合優化調度模型，為在更大空間尺度上實施水沙調控對接和延長水庫攔沙使用年限提供強有力的技術支持。

河道水沙演進模型研發，要加強河道水沙運動規律、特別是游蕩型河段河勢變化規律的研究，在基本完成的下游河道二維水沙數學模型的基礎上，完善河勢變化過程模擬功能，為制定科學的調水調沙和實時調度方案以及下游河道治理方案提供技術支持。

黃河水資源保護數學模型研發，要重點研究流域主要城市和工礦區入河污染物預測、黃河重點河段的水質預警預報、突發性污染事故下污染物的輸移擴散過程及其影響等模型。黃河是多沙河流，與一般的清水河流不同，污染物在多泥沙水體中的輸移擴散機理極其復雜，加之黃河水質監測數據不足，水質預警預報模型的研發難度較大。要建立聯合攻關團隊，挖掘利用現有的監測數據，深入研究多沙河流水環境動力學的關鍵問題，耦合水質、河道水沙數學模型，以滿足生產急需。同時，要研究提出進一步優化監測站網的措施，加強原型黃河水質監測數據的獲取與積累。

寧蒙河段冰凌預報模型研發，雖然取得了一些研究成果，但依然滿足不了防凌調度、利用桃汛洪水沖刷降低潼關高程等生產需求。影響冰凌預報數學模型研發的主要難點，一是原型觀測數據監測體系不完善，無法獲取建模需要的基礎數據；二是冰凌洪水形成機理的研究還沒有突破。因此，要盡快建設完善這一河段的水文測驗體系，加大冰凌洪水形成機理研究力度，在此基礎上建立數學模型。

河口數學模型研發，要加大河口演變規律的研究力度，特別是要深入研究不同入海流路海洋動力與河流動力的關系、海洋動力分布規律及輸沙能力的研究，在此基礎上，建立符合黃河河口演變特點的數學模型。

此外，還需要進一步完善黃河洪水、徑流、泥沙預報模型，在已建立的黃河中下游水量調度模型的基礎上，研究建立黃河龍羊峽以下干流及主要支流水量調度模型，完善流域水資源優化配置模型和其他流域規劃模型。

與此同時，黃河及相關地區的經濟社會發展特點和流域生態系統演變規律的研究要同步開展，積極探索研究開發黃河流域經濟社會發展預測及水資源需求、生態系統水資源模擬等模型。力爭到2015年，實現“數字黃河”工程“第二步”發展目標，即基本建成黃河數學模擬系統和可視化集成平臺。

三、第三步：建設自然—經濟—生態耦合系統

預測未來，經濟、社會、生態發展的系統性越來越強，關聯度越來越大，黃河治理開發與管理的重大決策方案無法脫離經濟、社會、生態相互關聯的有機整體，無不受到這一巨系統中多維視角的綜合考量。因此，研究論證、決策黃河治理開發與管理的發展規劃、重大方案及重大水利工程，要求必須將黃河自然系統、經濟社會系統、流域生態系統作為一個有機整體，在這個大系統的背景下，進行多方案的模擬和比選。

我們長期致力于研究河流自然系統，即河流的洪水、徑流、泥沙及其變化、河道水沙演進、河道沖淤和河勢演變、水利工程等，但對經濟社會系統、流域生態系統相對陌生，已建的“數字黃河”工程基本上沒有包括經濟社會發展信息及流域生態系統信息，使得我們制定方案、決策過程缺乏多維視角，不僅影響了方案的全面性，而且也影響了方案的有效性。因此，“數字黃河”工程僅考慮河流自然系統是不夠的，還應考慮與黃河治理開發與管理有關的經濟社會系統和流域生態系統，以提高流域綜合管理和決策的前瞻性、科學性與系統性。

在黃河水資源管理與調度上，要合理配置水資源，提高水資源的利用效率，在科學合理的前提下，千方百計地提高供水保障能力以促進流域及相關地區經濟社會的發展。但黃河流域屬資源性缺水地區，水資源供需矛盾日益尖銳，為了統籌考慮生活、生產、生態用水，必須實行最嚴格的水資源管理制度，建立水資源開發利用的三條“紅線”，對水資源的使用提出限制標準。當經濟發展規模超出了水資源承載能力時，應對經濟發展規模劃定以水資源為約束條件的 “紅線”。為此，需要進行兩個方面的研究，一是無水資源約束條件下，黃河流域各省（自治區）和相關地區經濟社會不同的發展水平對黃河水資源的需求，以及向黃河排放的污水和其他污染物的情況；二是在維持黃河健康生命的前提下，黃河流域各省（自治區）和相關地區經濟社會可以達到的發展水平。目前“數字黃河”工程已建設的水資源管理與調度系統，可以進行徑流預報、調度方案編制、枯水調度，實現了黃河水資源的統一調度。但以往我們對經濟社會發展和流域生態系統需水方面研究得較少，對需水量的合理性無法作出準確、科學的評估與預測。為進一步保證水資源管理的科學性、有效性和合理性，不但要建立完善的水資源聯合調度模型，還需要建立經濟社會發展和流域生態系統需水預測模型，對供水和需水兩個方面都要進行深入研究，力爭達到對水資源需求的把握更全面、更詳細、更準確。

從長遠看，解決黃河資源性缺水問題，支撐流域經濟社會可持續發展，維持黃河健康生命，需要建設南水北調西線及其他跨流域調水工程。在南水北調西線工程的論證中，受水區的論證決定了項目的必要性，而受水區的用水需要，應考慮經濟、社會、生態等各個方面。具體地說，其供水對象，除了沿黃城市、能源基地外，還要考慮為黃河河道補充生態環境水量，尤其是補充部分輸沙水量。為此，要進行兩方面的研究，一是如果不調水，由于黃河水資源短缺，對黃河流域及相關地區農業、工業發展、人民生活水平、流域生態系統的影響；二是如果調水，研究不同調水方案、不同配置方案對農業、工業發展、人民生活水平提高、流域生態系統改善的作用。為科學論證南水北調工程的投入時機、調水規模、水量配置、調水對經濟社會發展的作用等，都要通過經濟社會系統模型和流域生態系統模型的模擬，才能進行科學決策。

為了維持黃河河流生態系統的良性循環，要進行生態調度，努力實現黃河功能性不斷流。目前我們對黃河河流生態系統研究不多，對群體生物、主體生物及其生存和繁衍規律認識不夠，難以形成系統和主導研究方向。因此，要求建立生態系統模擬模型，對生態系統進行模擬，提出生態調度的時間、水量以及過程，為科學開展生態調度提供支持。

為了維持黃河健康生命，支持流域經濟社會可持續發展，要求治黃工作的立足點要體現河流自然系統與經濟社會系統并重，黃河規律性的探索要體現自然規律與經濟規律并重，水量調度要體現供水管理與需水管理并重，水資源管理要體現用水保障與劃定水資源約束“紅線”并重，流域治理要體現除害興利與維持河流健康生命并重。因此，要全面系統地研究黃河自然系統、經濟社會系統、流域生態系統的發展變化規律，在構建完善的河流自然系統的同時，努力構建黃河流域及相關地區經濟社會系統和流域生態系統，并逐步實現自然系統、經濟社會系統、流域生態系統的耦合（簡稱“自然—經濟—生態耦合系統”），使“數字黃河”能夠全面支持黃河治理開發與管理的各項業務工作。

構建黃河流域經濟社會系統的主要任務，是通過采集黃河流域及相關地區農業、工業、第三產業及人口增長及其分布等數據并存儲于“數字黃河”工程的數據存儲系統，開發流域經濟社會發展相關的數學模型，模擬預測流域經濟不同發展階段與水資源的需求關系、水資源與經濟社會協調發展的關系，將重要治黃方案和重大水利工程論證置于經濟社會發展的大系統中，進行多方案模擬、比選，為科學決策提供支持。

構建黃河經濟社會系統，一是要研究建立完善的黃河流域經濟和用水統計指標體系，為流域經濟發展的數據標準化提供保證。要發揮流域管理機構的自身優勢，研究建立流域機構與省（自治區）、部門信息資源共享機制，充分利用流域各省（自治區）擁有的經濟社會發展數據。二是要深入研究不同行業、不同產業結構格局下經濟發展對水資源的需求，研究預測不同節水方案和不同經濟增長情景下經濟和水資源需求的增長趨勢，研究水資源約束條件下經濟增長情況。三是建立黃河流域經濟發展和水資源需求動態模型，開發宏觀經濟預測、水資源需求、水資源投入產出、人口增長預測、土地利用與農業經濟增長、節水與需水預測等系列模型。

構建流域生態系統的主要任務，是通過先進的監測手段采集黃河河流生態系統的濕地及分布，水生物種類、數量、棲息地等相關數據，分析生態系統演變特點和變化趨勢，研究黃河生態系統的經濟價值、環境價值，建立生態系統模擬模型，為生態系統的良性維持、實現黃河功能性不斷流提供決策支持。

黃河源區是黃河主要的來水區和水源涵養區。要利用衛星遙感、GPS等現代化監測技術，建立完善的河源區生態環境監測系統，及時掌握和科學預測河源區生態情勢演變，為保護源區生態系統提供決策支持。

黃河河口濕地具有重大的生態價值，在我國生物多樣性維持中具有重要地位。建立河口生態系統監測體系，利用衛星遙感、GPS等現代化監測技術，采集河口生態系統的基本數據，包括動植物多樣性、濕地變化數據，建立生態需水數學模型，研究預測不同時段的需水量和需水過程，為實施河口生態調度、逐步實現黃河功能性不斷流、維持生態系統良性循環提供支持。

將建立黃河“自然—經濟—生態耦合系統”作為“數字黃河”工程長遠發展方向，不僅將極大地豐富“數字黃河”工程的科學內涵，也將極大地擴展“數字黃河”工程的發展空間。建成完善的信息基礎設施、業務應用系統、數學模擬系統和應用服務平臺，可以為構建黃河“自然—經濟—生態耦合系統”創造基礎條件。隨著黃河數學模擬系統的建成，就能夠實現對黃河自然系統、經濟社會系統、流域生態系統的數學模擬，在此基礎上，通過進一步完善應用服務平臺，到2020年前后，基本建立黃河自然—經濟—生態耦合系統。依托這種河流自然、經濟社會、流域生態耦合系統的“數字黃河”，就可以進行黃河治理開發與保護的重大工程、重大方案的論證和決策，從而實現黃河治理開發與管理的現代化。