“数字渭河”工程在渭河治理中应用设想

◎张志强

◆作者系陕西省水环境工程勘测设计研究院副院长，高级工程师。

1 对“数字渭河”工程的理解

“数字渭河”工程是我省水利信息化建设的重要内容之一，加快推进“数字渭河”工程，支撑和保障渭河综合整治目标的全面实现，促进并带动渭河治理现代化，是一项事关渭河及全省水利发展全局的重大战略任务。要解决渭河所存在的突出问题，促使渭河管理工作再上新台阶，不仅需要尽快建设完备的工程措施，同时也需要加强非工程措施的建设，需要科学的决策支持系统，应用先进有效的管理手段。

“数字渭河”通俗地说就是把渭河装进计算机，从而更方便地模拟、分析、研究渭河的自然现象，探索其内在规律，为渭河治理、开发和管理的各种方案决策提供科学技术支持。“数字渭河”工程主体上分为三层结构，主要包括基础设施、应用服务平台、应用系统以及技术支持和工程保障体系等。

“数字渭河”工程需要多学科、多技术的支撑，主要是在各类水利数据基础上围绕水利技术，应用遥感、地理信息系统、全球定位技术、宽带网络技术、大容量数据存取和处理技术、智能化信息提取技术、动态互操作技术、科学计算技术、可视化和虚拟现实与仿真技术等，对渭河流域的资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的各类信息进行数字化，通过数据整合、虚拟仿真进行信息的集成应用，为渭河治理开发、重大问题决策提供科学支持和可视化表现。

2 渭河防洪及水资源管理的主要内容

渭河流域洪水主要来源于泾河、咸阳以上干流和南山支流，洪水具有暴涨暴落、洪峰高、含沙量大的特点。历史上渭河曾发生过多次大洪水，自上世纪60年代以后，渭河下游泥沙急剧淤积，小水大灾频繁发生，灾害损失极其严重。经过多年的治理，渭河防洪减灾能力有了新的提升，但仍不能从根本上解决渭河防汛安全问题，洪涝灾害仍然是我省最大的心腹之患。确保渭河防洪安澜，单纯的靠加高、加宽河流堤防，安全保障总是有限度的。在新的形势下，必须更新防洪理念。一要由洪水控制向洪水管理转变。二要由工程修复向生态修复转变。三要将蓄滞洪区建设、植被修复作为防洪、生态修复的主要措施，重视洪水预报等非工程措施对防洪减灾的作用。

渭河流域自产水资源总量73.13亿m3，人均、亩均占有水资源量分别为329m3和318m3，相当于全国平均水平的15.3%和20.8%，水资源总量不足，承载能力有限，属资源性缺水地区。20世纪90年代以来，由于水量锐减，农业灌溉引水保证率很低，关中地区的灌区有50%的灌溉面积不能适时适量灌溉，2005年陕西省渭河流域农田有效灌溉面积中有218万余亩失灌，灌区水资源供需矛盾十分突出。由于渭河流域内情况复杂、河情特殊，加之软件和硬件都很薄弱，目前渭河水量调度仅仅局限于计划用水阶段，即：通过统计上报的用水资料编制渭河年度调度计划和月调度方案，通过对流域主要取水口的计划用水管理，满足渭河水量统一调度对华县站90%保证率日平均流量大于12m3/s的要求，减缓省内河道断流。渭河水量调度仍然面临着供需矛盾突出、用水计划管理不到位、量水设施不完善、水文监测站网不健全、基础研究薄弱、调度手段落后等许多亟待解决的问题，并且随着水调工作的进一步深入，其制约作用将越来越突出，必须尽快解决。同时，渭河的水量调度还远没有覆盖全流域，距离水量调度精细化的要求，以及黄河流域干支流水量统一调度要求差距较大。

3 “数字渭河”工程在渭河治理中应用设想

从渭河防洪及水资管理的主要内容可以看出，随着经济和社会的发展，渭河“洪水灾害依然存在、水资源供需矛盾十分突出、生态环境恶化尚未得到有效遏制”三大问题愈显突出，已严重制约着国民经济和社会发展。目前，防汛任务依然严峻，不仅需要尽快建设完备的防汛工程措施，同时也需要加强防汛非工程措施的建设，更需要准备充分的防汛预案和科学有效的决策支持系统的应用；国民经济的发展和人民生活的提高，解决生态环境的日益恶化，不仅对水资源的利用有很高的要求，同时也对水质提出了更高的要求，需要有更先进、更科学的水量调度管理办法和水质监测监督措施。

“数字渭河”工程最大的特点就是能通过先进的技术及时获得流域内系统的各种信息资源，同时还提供了各类信息的集成分析环境及先进的方案评价手段。“数字渭河”工程将为流域管理提供全面系统的技术支持。“数字渭河”工程在流域管理中的应用主要体现在三个方面：一是“数字渭河”工程可以为流域治理和管理提供全面系统的、历史的、实时的基础信息资源；二是“数字渭河”工程可以为流域治理和管理提供先进的模型和知识库；三是“数字渭河”可以为流域治理和管理提供综合模拟、研究、决策的可视化分析环境。

3.1 提供全面系统的基础信息资源

流域治理和管理基础是全面系统的基础数据，其所需数据涉及领域较广，如流域水资源规划所需的基本资料就涵盖了流域自然概况、经济社会、水文、水资源利用、空间基础信息以及研究区经济社会发展情况、防洪工程及重点水利工程现状、法律法规等多方面多领域的数据。在以往及现在的管理工作中，基础资料的收集和整理是一项非常复杂和庞大的工作。

根据“数字渭河”工程的功能描述，“数字渭河”的“数字采集系统”将可以提供大量的与流域空间数据相对应的自然环境数据、社会经济数据、水文气象数据、防汛与工程管理数据、水资源保护数据、水量调度数据、水土保持数据等。这些数据将存贮在“数字渭河”的数据中心被共享使用，方便地为流域管理工作提供了较为全面、系统、规范的基础数据，为做好流域管理工作奠定了坚实的基础。

3.2 提供先进的模型和知识库

“数字渭河”工程将为流域治理与管理如防汛、水量调度等方案的生成、模拟、比选提供先进的模型和知识库。主要包含以下几个方面：

（1）空间信息基础模型。针对空间基础信息如对矢量图、数字高程模型、遥感图像等数据进行处理的模型。空间信息基础模型包括多尺度信息融合数字模型、多源信息融合数字模型、空间数据结构模型、信息传输模型、数据可视化模型、地图绘制模型等几类。

（2）专业模型。按照业务要求分为防汛减灾、水量调度、水资源保护、水土保持、水利工程建设与管理等几类。如气象预报模型、径流预报模型、灾情预测模型、需水计算模型、水资源优化配置模型、水量实时调度模型、水资源承载能力分析模型、水土流失分析预测模型、工程安全评估模型等几类。

（3）公用模型。主要用到的通用模型或算法，这些模型包括：计算流域面积的方法，划分子流域的方法，生成河网的方法，标准的数学分析计算，如回归分析模型、矩阵求逆、计算相互系数、频率分析计算等。

（4）知识库。“数字渭河”工程应用服务平台中的知识库及其管理系统，实质上是把专家知识，整理后按知识库的层次及表示方式，加入到决策支持系统中去，形成智能型的决策支持系统，以提高系统的决策水平和决策自动化的程度。

3.3 提供综合模拟、研究、决策的可视化分析环境

“数字渭河”工程将建立内容全面的数据仓库。数据仓库应涵盖诸如国家有关法律、法规及各种政策，历史上处理同类问题的经验和教训，流域规划、区域规划、工程规划的布局及其具体要求，经济社会发展的制约因素等内容，从而形成一个方案决策的大背景，将各种方案结果置身于这一大背景下进行优化分析，从中选择一个可行的方案。

通过“数字渭河”工程提供的决策分析环境，可以应用虚拟现实技术，如在防汛会商业务中，在计算机中虚拟仿真出险地点的情况、洪水演进情况等；在水量调度业务中，虚拟调水，并对调度成效进行分析，判断流域环境用水满足情况、灌区灌溉情况等。虚拟现实的应用还表现在“规划设计”及“后果评估”。数字规划设计就是在三维表现的自然渭河上，加入规划设计的地物对象，并能使这些对象根据不同的方案变动和展现变动后的状况，以直观的可视化表现丰富决策者的想像力。后果评估是在预测预报技术的支持下，利用虚拟现实，对即将采取的工程或非工程措施的后果进行交互式的可视化评价。让决策者进入未来，评判现在，是虚拟现实技术在管理领域的应用。建立渭河流域防洪及水资源管理决策支持应用平台，通过该平台可以把渭河治理与管理中的防洪、工程建设与管理、水量调度、水行政执法、采砂管理等方案放到流域规划综合大背景下进行综合、分析、评价研究，在可视化的条件下进行优化决策，确保所有的方案对于流域整体来说都是最优的。

4 结语

“数字渭河”工程在流域治理开发中的作用是巨大的，建设需要一个长期的过程。为保证“数字渭河”工程顺利有序地实施，应遵循“统一领导、统一规划、统一组织、统一管理”的建设原则，在保障项目建设所需经费投入的同时，还应对工程建设管理从制度和组织上给予落实，建立严密的工程建设组织管理体系、工程运行维护管理体系和人才培训与引进机制，要按照基本建设管理的有关规定，实施计划进度管理和过程控制，确保工程高质量、高水平、按计划完成。

“数字渭河”工程要实现信息资源的高度共享，需建立资源共享机制，在资源共享管理规则与标准体系的支撑下，保证系统的开放性、通用性和可扩展性。在系统设计开发和运行维护等的各个阶段，严格按照有关标准进行，保证工程建设和运行的规范化和标准化。随着“数字渭河”工程建设的深入，解决渭河水问题的手段和方法将更为科学，我们期待着“数字渭河”工程能尽快地发挥作用。

[1]陕西省渭河流域管理局.“渭河论坛”渭河水资源论文集[M].西安：陕西科学技术出版社,2009.

[2]水利部黄河水利委员会.“数字黄河”工程规划[M].郑州：黄河水利出版社,2003.