譚德寶

(長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)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(fā)生了巨大的變化，這對流域現(xiàn)代化管理提出了新的挑戰(zhàn)。河流調(diào)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(zhì)滑坡增多、水資源供需矛盾日益突出，已經(jīng)成為水利行業(yè)急需解決的新問題［1］。

當前，黨和國家高度重視水利行業(yè)的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)地位。2011年中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》、《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006－2020年)》、《全國水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃》等明確要求強化水利科技支撐，提出“健全水利科技創(chuàng)新體系、強化基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)、加強基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)、力爭在水利重點領(lǐng)域、關(guān)鍵環(huán)節(jié)和核心技術(shù)上實現(xiàn)新突破”。為了積極適應(yīng)這一新形勢要求，必須充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的最新成果，抓緊開展數(shù)字流域研究，深入分析數(shù)字流域建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字流域建立創(chuàng)造良好條件，并為流域現(xiàn)代化管理打下堅實的基礎(chǔ)。

2 數(shù)字流域技術(shù)

2.1 數(shù)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(lián)系的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是實現(xiàn)資源和環(huán)境管理的最佳單元。

“數(shù)字流域”是綜合運用遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng) (GPS)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體及虛擬現(xiàn)實等高新技術(shù)對全流域的地理環(huán)境、自然資源、生態(tài)環(huán)境、人文景觀、社會和經(jīng)濟狀態(tài)等各種信息進行采集和數(shù)字化管理，構(gòu)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(jīng)濟建設(shè)，做出科學(xué)、合理的資源利用與開發(fā)決策［2，3］。

“數(shù)字流域”以先進的高新技術(shù)手段實現(xiàn)對傳統(tǒng)流域綜合管理方法的創(chuàng)新，其根本宗旨是實現(xiàn)信息技術(shù)標準化、信息采集自動化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息管理集成化、業(yè)務(wù)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(shè)與應(yīng)用將有力地推動流域管理現(xiàn)代化的進程［4，5］。

2.2 數(shù)字流域研究進展

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

長江水利委員會在流域數(shù)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(chǔ)設(shè)施方面，與流域內(nèi)六省二市網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)聯(lián)通，在全國率先實現(xiàn)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(diào)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(shù)學(xué)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(qū)河網(wǎng)的泥沙運動、洪水演進和防洪調(diào)度進行綜合研究，為防洪規(guī)劃、工程建設(shè)和防洪決策提供科學(xué)依據(jù)?！伴L江防洪模型”作為實體物理模型，能夠與長江流域整體數(shù)字模型上加載的洪水演進模型進行相互的校驗，為數(shù)字流域研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)字流域建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 數(shù)字流域框架基礎(chǔ)研究

研究數(shù)字流域建設(shè)框架性問題，形成新形勢下的流域管理模式與信息化建設(shè)思路，促進數(shù)字流域的關(guān)鍵性技術(shù)研究。

(1)數(shù)字流域框架結(jié)構(gòu):深入研究數(shù)字流域基礎(chǔ)設(shè)施層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層與層次間的邏輯關(guān)系，設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字流域系統(tǒng)框架。

(2)流域等級劃分技術(shù):根據(jù)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(shù)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(shù)字流域綜合監(jiān)測體系的規(guī)劃原則，結(jié)合流域立體監(jiān)測網(wǎng)相關(guān)研究，開展流域水量、水質(zhì)、泥沙、水生物、河道形態(tài)、土地利用等指標及其相關(guān)性研究，制定流域綜合監(jiān)測指標體系，構(gòu)成編碼標準規(guī)范。

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

(5)數(shù)字流域技術(shù)標準體系研究:構(gòu)建數(shù)字流域技術(shù)標準體系框架，開展現(xiàn)有技術(shù)標準及適用性研究和數(shù)字流域相關(guān)標準研究，為數(shù)字流域技術(shù)標準奠定基礎(chǔ)。

2.3.2 數(shù)字流域立體監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)

探討立體監(jiān)測站網(wǎng)優(yōu)化布局，深入分析新型傳感器技術(shù)和監(jiān)測手段的應(yīng)用研究、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究2大關(guān)鍵應(yīng)用環(huán)節(jié)，為搭建指標豐富、布局合理、運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)及時準確的數(shù)字流域綜合監(jiān)測體系提供技術(shù)支撐。

(1)立體監(jiān)測站網(wǎng)優(yōu)化布局研究:針對長江流域內(nèi)河段、支流、小流域本身特點，研究立體監(jiān)測網(wǎng)布局原則;分析長江流域內(nèi)現(xiàn)有的水文、水生態(tài)、水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)的空間分布狀況，規(guī)劃新增水文、水生態(tài)、水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)的優(yōu)化布局位置;結(jié)合長江流域綜合規(guī)劃，分階段、分步驟實現(xiàn)新增監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)和立體監(jiān)測站網(wǎng)優(yōu)化布局。

(3)物聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究:采用以傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、視頻監(jiān)控技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探索新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)字流域數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、快速可視化中的綜合集成應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字流域中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深化應(yīng)用。

2.3.3 多源海量數(shù)據(jù)組織、處理與共享服務(wù)技術(shù)

研究數(shù)字流域涉及的不同格式、不同結(jié)構(gòu)、不同時態(tài)以及不同坐標系的多源海量數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)服務(wù)模式，建設(shè)海量數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺，實現(xiàn)多源海量數(shù)據(jù)的高性能存儲和高效管理。

(1)海量時空數(shù)據(jù)組織與查詢技術(shù):研究海量時空數(shù)據(jù)分層存儲、動態(tài)更新與按需調(diào)度技術(shù)，分析跨投影帶多源時空數(shù)據(jù)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(shù)，實現(xiàn)海量時空數(shù)據(jù)智能化搜索。

(2)多源綜合監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)融合和挖掘技術(shù):研究基于多源觀測信息的立體監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘，如河道與水文監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘示范應(yīng)用，實現(xiàn)基于多源綜合監(jiān)測信息的知識挖掘。

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

(4)多源海量數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺:研究基于國家標準的異構(gòu)空間數(shù)據(jù)標準化服務(wù)技術(shù)，分析基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的多源分布式GIS數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，探討基于OGC的空間數(shù)據(jù)目錄索引與發(fā)現(xiàn)服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建基于中間件的多源空間元數(shù)據(jù)語義模型分析與互操作服務(wù)技術(shù)，研究多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)一體化索引與按需調(diào)度服務(wù)技術(shù)，研發(fā)多源海量數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。

2.3.4 長江流域多專業(yè)數(shù)字模型集成與應(yīng)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(wěn)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(wù)多目標的專業(yè)模型集成技術(shù)，建立長江流域?qū)I(yè)數(shù)字模型集成應(yīng)用系統(tǒng)。

(1)專業(yè)數(shù)字模型集成技術(shù):分析專業(yè)模型結(jié)構(gòu)功能標準化設(shè)計和入庫管理機制;研究專業(yè)模型應(yīng)用過程中的尺度效應(yīng)問題;探討具有多尺度的專業(yè)模型集成與耦合應(yīng)用方案;分析多模型的協(xié)同調(diào)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?qū)I(yè)數(shù)字模型集成應(yīng)用:分析海量數(shù)據(jù)和模型計算并行處理的智能分配管理機制，探討系統(tǒng)硬件平臺環(huán)境搭建方案;建立長江流域?qū)I(yè)數(shù)字模型集成應(yīng)用系統(tǒng);研究動態(tài)時空數(shù)據(jù)模型的耦合關(guān)系，探討數(shù)字流域決策支持模型與優(yōu)化方法。

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

2.4 從數(shù)字流域到智慧流域

當前，數(shù)字流域正從以靜態(tài)幾何表達發(fā)展到動態(tài)過程描述分析的新階段。將物聯(lián)網(wǎng)引入數(shù)字流域中，便可構(gòu)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(shù)據(jù)處理的速度和精度;②傳感器通過IP地址進入計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳輸和實時處理;③通過網(wǎng)絡(luò)計算從數(shù)據(jù)中提取信息和知識，有利于及時提供決策支持;④使數(shù)字流域研究走向動態(tài)、多維和實時。

3 數(shù)字流域技術(shù)在三峽工程運行管理中的應(yīng)用實踐

3.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫制作

綜合運用數(shù)字流域技術(shù)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(chǔ)地形地貌數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)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(qū)1∶5 000大比例尺的DOM，DEM和DLG等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，并建立了水庫基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

圖1 長江三峽水庫蓄水前的數(shù)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(fù)核方法

數(shù)字流域技術(shù)在特大型水庫的庫容計算與復(fù)核方法上取得突破，具有計算速度快、精度高、可實現(xiàn)任意高程下的庫容計算等突出特點，顯示了運用數(shù)字流域技術(shù)方法對大型水庫庫容計算結(jié)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(fā)了基于數(shù)字流域技術(shù)的大型水庫運行管理平臺。以空間地理數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，綜合集成了水庫調(diào)度管理所需的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，集成了水動力學(xué)模型、水庫典型污染物擴散過程模型等多種專業(yè)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了模型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的接口，實現(xiàn)了多模型的協(xié)同調(diào)用，模型計算成果能快速地在二維、三維地理環(huán)境下可視化展示，為大型水庫運行管理優(yōu)化調(diào)度及決策支持搭建了良好的管理平臺［7，8］。

3.4 模型開發(fā)及應(yīng)用研究

基于自主研發(fā)的運行管理平臺開展了三峽水庫運行管理中關(guān)鍵問題的應(yīng)用研究。基于動庫容的調(diào)洪演算、突發(fā)性水污染事件應(yīng)急管理、汛期回水位計算、洪水淹沒風(fēng)險分析等方面的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于三峽水庫運行管理中，并取得了突出的經(jīng)濟、社會與環(huán)境效益。

通過對典型洪水過程按照調(diào)度規(guī)程進行調(diào)洪演算，得到各典型洪水過程調(diào)洪結(jié)果。調(diào)洪結(jié)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(qū)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(jié)以上有部分區(qū)域水位超過四期移民線;百年一遇洪水自周家院子以上區(qū)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(diào)度、發(fā)電與航運管理、庫區(qū)移民以及庫區(qū)突發(fā)性水污染的應(yīng)急響應(yīng)有重要的意義。對于提高三峽水庫防洪調(diào)度決策的預(yù)見性和可靠性，從而顯著提高梯級電站的發(fā)電效益，為決策者組織、協(xié)調(diào)、指導(dǎo)和指揮防洪調(diào)度及快速有效地應(yīng)對洪水風(fēng)險，保證三峽樞紐和下游防洪安全充分發(fā)揮樞紐綜合效益，起到了至關(guān)重要的作用。

4 總結(jié)與展望

水利現(xiàn)代化對數(shù)字流域技術(shù)提出了現(xiàn)實的緊迫需求。數(shù)字流域技術(shù)將在流域下墊面數(shù)據(jù)獲取、動態(tài)變化監(jiān)測、現(xiàn)象過程模擬分析與仿真、應(yīng)急處置決策支持等方面發(fā)揮重要的作用［2］。數(shù)字流域技術(shù)正在走向成熟，在數(shù)字流域基礎(chǔ)框架與技術(shù)標準、空天地協(xié)同流域綜合監(jiān)測體系、多源海量數(shù)據(jù)組織、處理與共享服務(wù)、多專業(yè)模型集成及應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)方面仍然有待于進一步的深化［4，5］。數(shù)字流域技術(shù)已經(jīng)在長江流域綜合管理中得到初步應(yīng)用，取得了一定的經(jīng)驗，為今后大規(guī)模深入應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)［6－8］。

當前，數(shù)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(jié)合流域現(xiàn)代化管理的現(xiàn)實需求，從全面辨識流域下墊面性狀、科學(xué)預(yù)測河流水系等動態(tài)變化過程、運籌帷幄應(yīng)急決策、實現(xiàn)宏觀把握與微觀控制相結(jié)合的流域科學(xué)管理等方面提高數(shù)字流域技術(shù)應(yīng)用水平，推動流域管理水平上一個新臺階。

(2)解決關(guān)鍵技術(shù)問題:加強定量遙感、智能GIS、數(shù)字流域等基礎(chǔ)理論與方法研究;推動數(shù)字流域原型系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)范化與標準化;以數(shù)字流域為實驗與應(yīng)用平臺，研究解決復(fù)雜的流域重大科學(xué)技術(shù)問題。

(3)強化推廣應(yīng)用:針對流域現(xiàn)代化管理面臨的重大科學(xué)問題，充分應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、視頻監(jiān)控、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、高分辨率衛(wèi)星遙感等高新技術(shù)，大力推廣數(shù)字流域技術(shù)，促進其在水利行業(yè)的深入應(yīng)用，進一步推動水信息學(xué)科的發(fā)展。

［1］長江水利委員會技術(shù)委員會.長江流域綜合利用規(guī)劃研究［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.(Changjiang Water Resource Commission.Comprehensive Utilization Planning of the Yangtze River Basin［M］.Beijing:China Water Power Press，2003.(in Chinese))

［2］李紀人，潘世兵，張建立，等.中國數(shù)字流域［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.(LI Ji-ren，PAN Shi-bing，ZHANG Jian-li，et al.Digital Basin of China［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2003.(in Chinese))

［3］陳述彭，魯學(xué)軍，周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，1999.(CHEN Shu-peng，LU Xue-jun，ZHOU Cheng-hu.Introduction to Geographical Information System［M］.Beijing:Science Press，1999.(in Chinese))

［4］趙儒生，楊崇俊.空間數(shù)據(jù)倉庫的技術(shù)與實踐［J］.遙感學(xué)報，2000，4(2):157－160.(ZHAO Ru-sheng，YANG Chong-jun.The Technology and Application of Spatial Data Warehouse［J］.Journal of Remote Sensing，2000，4(2):157－160.(in Chinese))

［5］方 裕，周成虎，景貴飛，等.第四代 GIS軟件研究［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2001，(9):817－823.(FANG Yu，ZHOU Cheng-hu，JING Gui-fei，et al.The Fourth Generation of GIS Software［J］.Chinese Journal of Image and Graphics，2001，(9):817－823.(in Chinese))

［6］譚德寶，馮正鵬.三峽水庫庫底地形地貌遙感圖集［M］.武漢:長江出版社，2006.(TAN De-bao，F(xiàn)ENG Zheng-peng.Picture Collection of the Remote Sensed Terrain and Topography of Three Gorges Reservoir［M］.Wuhan:Changjiang Press，2006.(in Chinese))

［7］程學(xué)軍，譚德寶，汪朝輝，等.長江流域生態(tài)環(huán)境信息庫總體方案設(shè)計與示范區(qū)建立［J］.長江科學(xué)院院報，2009，(2):48 － 52.(CHENG Xue-jun，TAN De-bao，WANG Zhao-hui，et al.General Design of Changjiang River Basin Eco-environmental Information Database and Demonstration Area Establishment［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，(2):48－52.(in Chinese))

［8］李 喆，譚德寶，程學(xué)軍，等.基于GeoDatabase的長江流域生態(tài)環(huán)境信息庫模型［J］.長江科學(xué)院院報，2010，(1):5－11.(LI Zhe，TAN De-bao，CHENG Xuejun，et al.Spatial Data Model of Yangtze River Eco-environment Information Database Based on GeoDatabase［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，(1):5－11.(in Chinese))