“數字渭河”工程在渭河治理中應用設想

◎張志強

◆作者系陜西省水環境工程勘測設計研究院副院長，高級工程師。

1 對“數字渭河”工程的理解

“數字渭河”工程是我省水利信息化建設的重要內容之一，加快推進“數字渭河”工程，支撐和保障渭河綜合整治目標的全面實現，促進并帶動渭河治理現代化，是一項事關渭河及全省水利發展全局的重大戰略任務。要解決渭河所存在的突出問題，促使渭河管理工作再上新臺階，不僅需要盡快建設完備的工程措施，同時也需要加強非工程措施的建設，需要科學的決策支持系統，應用先進有效的管理手段。

“數字渭河”通俗地說就是把渭河裝進計算機，從而更方便地模擬、分析、研究渭河的自然現象，探索其內在規律，為渭河治理、開發和管理的各種方案決策提供科學技術支持。“數字渭河”工程主體上分為三層結構，主要包括基礎設施、應用服務平臺、應用系統以及技術支持和工程保障體系等。

“數字渭河”工程需要多學科、多技術的支撐，主要是在各類水利數據基礎上圍繞水利技術，應用遙感、地理信息系統、全球定位技術、寬帶網絡技術、大容量數據存取和處理技術、智能化信息提取技術、動態互操作技術、科學計算技術、可視化和虛擬現實與仿真技術等，對渭河流域的資源、環境、社會、經濟等各個復雜系統的各類信息進行數字化，通過數據整合、虛擬仿真進行信息的集成應用，為渭河治理開發、重大問題決策提供科學支持和可視化表現。

2 渭河防洪及水資源管理的主要內容

渭河流域洪水主要來源于涇河、咸陽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。歷史上渭河曾發生過多次大洪水，自上世紀60年代以后，渭河下游泥沙急劇淤積，小水大災頻繁發生，災害損失極其嚴重。經過多年的治理，渭河防洪減災能力有了新的提升，但仍不能從根本上解決渭河防汛安全問題，洪澇災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。在新的形勢下，必須更新防洪理念。一要由洪水控制向洪水管理轉變。二要由工程修復向生態修復轉變。三要將蓄滯洪區建設、植被修復作為防洪、生態修復的主要措施，重視洪水預報等非工程措施對防洪減災的作用。

渭河流域自產水資源總量73.13億m3，人均、畝均占有水資源量分別為329m3和318m3，相當于全國平均水平的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。20世紀90年代以來，由于水量銳減，農業灌溉引水保證率很低，關中地區的灌區有50%的灌溉面積不能適時適量灌溉，2005年陜西省渭河流域農田有效灌溉面積中有218萬余畝失灌，灌區水資源供需矛盾十分突出。由于渭河流域內情況復雜、河情特殊，加之軟件和硬件都很薄弱，目前渭河水量調度僅僅局限于計劃用水階段，即：通過統計上報的用水資料編制渭河年度調度計劃和月調度方案，通過對流域主要取水口的計劃用水管理，滿足渭河水量統一調度對華縣站90%保證率日平均流量大于12m3/s的要求，減緩省內河道斷流。渭河水量調度仍然面臨著供需矛盾突出、用水計劃管理不到位、量水設施不完善、水文監測站網不健全、基礎研究薄弱、調度手段落后等許多亟待解決的問題，并且隨著水調工作的進一步深入，其制約作用將越來越突出，必須盡快解決。同時，渭河的水量調度還遠沒有覆蓋全流域，距離水量調度精細化的要求，以及黃河流域干支流水量統一調度要求差距較大。

3 “數字渭河”工程在渭河治理中應用設想

從渭河防洪及水資管理的主要內容可以看出，隨著經濟和社會的發展，渭河“洪水災害依然存在、水資源供需矛盾十分突出、生態環境惡化尚未得到有效遏制”三大問題愈顯突出，已嚴重制約著國民經濟和社會發展。目前，防汛任務依然嚴峻，不僅需要盡快建設完備的防汛工程措施，同時也需要加強防汛非工程措施的建設，更需要準備充分的防汛預案和科學有效的決策支持系統的應用；國民經濟的發展和人民生活的提高，解決生態環境的日益惡化，不僅對水資源的利用有很高的要求，同時也對水質提出了更高的要求，需要有更先進、更科學的水量調度管理辦法和水質監測監督措施。

“數字渭河”工程最大的特點就是能通過先進的技術及時獲得流域內系統的各種信息資源，同時還提供了各類信息的集成分析環境及先進的方案評價手段。“數字渭河”工程將為流域管理提供全面系統的技術支持。“數字渭河”工程在流域管理中的應用主要體現在三個方面：一是“數字渭河”工程可以為流域治理和管理提供全面系統的、歷史的、實時的基礎信息資源；二是“數字渭河”工程可以為流域治理和管理提供先進的模型和知識庫；三是“數字渭河”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境。

3.1 提供全面系統的基礎信息資源

流域治理和管理基礎是全面系統的基礎數據，其所需數據涉及領域較廣，如流域水資源規劃所需的基本資料就涵蓋了流域自然概況、經濟社會、水文、水資源利用、空間基礎信息以及研究區經濟社會發展情況、防洪工程及重點水利工程現狀、法律法規等多方面多領域的數據。在以往及現在的管理工作中，基礎資料的收集和整理是一項非常復雜和龐大的工作。

根據“數字渭河”工程的功能描述，“數字渭河”的“數字采集系統”將可以提供大量的與流域空間數據相對應的自然環境數據、社會經濟數據、水文氣象數據、防汛與工程管理數據、水資源保護數據、水量調度數據、水土保持數據等。這些數據將存貯在“數字渭河”的數據中心被共享使用，方便地為流域管理工作提供了較為全面、系統、規范的基礎數據，為做好流域管理工作奠定了堅實的基礎。

3.2 提供先進的模型和知識庫

“數字渭河”工程將為流域治理與管理如防汛、水量調度等方案的生成、模擬、比選提供先進的模型和知識庫。主要包含以下幾個方面：

（1）空間信息基礎模型。針對空間基礎信息如對矢量圖、數字高程模型、遙感圖像等數據進行處理的模型。空間信息基礎模型包括多尺度信息融合數字模型、多源信息融合數字模型、空間數據結構模型、信息傳輸模型、數據可視化模型、地圖繪制模型等幾類。

（2）專業模型。按照業務要求分為防汛減災、水量調度、水資源保護、水土保持、水利工程建設與管理等幾類。如氣象預報模型、徑流預報模型、災情預測模型、需水計算模型、水資源優化配置模型、水量實時調度模型、水資源承載能力分析模型、水土流失分析預測模型、工程安全評估模型等幾類。

（3）公用模型。主要用到的通用模型或算法，這些模型包括：計算流域面積的方法，劃分子流域的方法，生成河網的方法，標準的數學分析計算，如回歸分析模型、矩陣求逆、計算相互系數、頻率分析計算等。

（4）知識庫。“數字渭河”工程應用服務平臺中的知識庫及其管理系統，實質上是把專家知識，整理后按知識庫的層次及表示方式，加入到決策支持系統中去，形成智能型的決策支持系統，以提高系統的決策水平和決策自動化的程度。

3.3 提供綜合模擬、研究、決策的可視化分析環境

“數字渭河”工程將建立內容全面的數據倉庫。數據倉庫應涵蓋諸如國家有關法律、法規及各種政策，歷史上處理同類問題的經驗和教訓，流域規劃、區域規劃、工程規劃的布局及其具體要求，經濟社會發展的制約因素等內容，從而形成一個方案決策的大背景，將各種方案結果置身于這一大背景下進行優化分析，從中選擇一個可行的方案。

通過“數字渭河”工程提供的決策分析環境，可以應用虛擬現實技術，如在防汛會商業務中，在計算機中虛擬仿真出險地點的情況、洪水演進情況等；在水量調度業務中，虛擬調水，并對調度成效進行分析，判斷流域環境用水滿足情況、灌區灌溉情況等。虛擬現實的應用還表現在“規劃設計”及“后果評估”。數字規劃設計就是在三維表現的自然渭河上，加入規劃設計的地物對象，并能使這些對象根據不同的方案變動和展現變動后的狀況，以直觀的可視化表現豐富決策者的想像力。后果評估是在預測預報技術的支持下，利用虛擬現實，對即將采取的工程或非工程措施的后果進行交互式的可視化評價。讓決策者進入未來，評判現在，是虛擬現實技術在管理領域的應用。建立渭河流域防洪及水資源管理決策支持應用平臺，通過該平臺可以把渭河治理與管理中的防洪、工程建設與管理、水量調度、水行政執法、采砂管理等方案放到流域規劃綜合大背景下進行綜合、分析、評價研究，在可視化的條件下進行優化決策，確保所有的方案對于流域整體來說都是最優的。

4 結語

“數字渭河”工程在流域治理開發中的作用是巨大的，建設需要一個長期的過程。為保證“數字渭河”工程順利有序地實施，應遵循“統一領導、統一規劃、統一組織、統一管理”的建設原則，在保障項目建設所需經費投入的同時，還應對工程建設管理從制度和組織上給予落實，建立嚴密的工程建設組織管理體系、工程運行維護管理體系和人才培訓與引進機制，要按照基本建設管理的有關規定，實施計劃進度管理和過程控制，確保工程高質量、高水平、按計劃完成。

“數字渭河”工程要實現信息資源的高度共享，需建立資源共享機制，在資源共享管理規則與標準體系的支撐下，保證系統的開放性、通用性和可擴展性。在系統設計開發和運行維護等的各個階段，嚴格按照有關標準進行，保證工程建設和運行的規范化和標準化。隨著“數字渭河”工程建設的深入，解決渭河水問題的手段和方法將更為科學，我們期待著“數字渭河”工程能盡快地發揮作用。

[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：陜西科學技術出版社,2009.

[2]水利部黃河水利委員會.“數字黃河”工程規劃[M].鄭州：黃河水利出版社,2003.