水利：当代大禹的隐形臂膀

许　磊

治水是人类与自然博弈史中最悠久的形式之一。上古大禹,治水有功,成一代圣主;李冰修都江堰,至今仍效益巨大;孙叔敖、西门豹、范仲淹、王安石……许多功垂千古之士均建有治水功绩。

虽然河流数量与欧洲差不多,但复杂的水文情况,决定了中国必然是一个水旱频发之地。以北方河流为例,一二月 “枯水期”与六七月“丰水期”水量的“丰枯比”能达到几十比一。直至今日,每年汛期,许多地方仍视防汛为首务。

1981年,冯明珲考入清华大学水利工程系,在课堂上他第一次见到了计算机,随即就对这个能学BASIC编程的打孔机敬若神明。冯明珲现在已经是中国水利水电科学研究院的教授级高工,在他看来,水利工作中,信息技术已经从辅助走向主导,影响着水利事业的未来方向。

水利建设由于其特殊性,信息技术应用水平一直较高,从对大坝硬度、坝高的简单计算到现在的复杂水情预测预报,从一级级拍电报、区域性微波站发展到利用宽带、卫星传输水情信息,可以说,中国水利行业利用信息技术用于信息采集传输、数据存储处理等方面,早就走在了其他行业前面。

“知己知彼,百战不殆。”采访中一名“老水利”将水利信息化称为“大禹臂膀”,在他看来,对水利信息化的探索将是永无止境,因为它是做到“知己知彼”的重要途径。

一场大水拉开信息化大幕

1975年8月上旬,淮河流域发生特大洪水。据统计,仅河南一省,就受淹32个县、1800多万亩耕地,受灾地区人口约1000万……

而事实上,淮河是新中国第一条进行全面治理的大河。早在1950年10月,《关于治理淮河的决定》是中央政府就大江大河治理做出的第一个决定。然而造成严重损失的淮河“75•8”洪水的主要原因却是“通信中断、情况不明、失去指挥,同时气象、降水和工情等信息采集、传输、处理和应用手段落后。”

针对这一“始料未及”的情况,1975年底,全国防汛和水库安全会议在郑州召开,首次提出了建立畅通可靠的报汛电信网,并有重点地应用计算机进行预报和调度,逐步实现水利调度现代化。这被视为中国水利信息化的开端。

“75•8”以后,水利通信网经历了从无到有、从有线到无线,逐步建成了包括有线、短波、超短波在内的通信网络。“VAX系列机实时水情信息接收处理系统”和“水情、气象信息传输实时处理预报调度系统”等系统开发完成,解决了实时水情信息的计算机自动接收、水情电报的计算机译电处理。不过限于当时技术和应用水平,数据通信还要依赖邮政电报系统,很长一段时间,水利信息化还以单机辅助计算为主。直到1981年,水利信息化专门机构——水文水利调度中心正式成立,开始负责利用信息技术收集整理雨、水、工情等信息、为防汛工作服务的任务。

成效初显

水利信息化的推进与信息技术本身的发展和应用轨迹基本吻合,国家防汛抗旱指挥系统项目建设办公室(以下简称“防汛系统”)总工程师倪伟新说:“兴水利是政府重要职能,但水利信息化从技术上讲没什么特别之处,因为用到的都是通用技术。”

防汛是带动水利建设的龙头,而防汛信息化的重点是信息采集。以“防汛系统”一期工程为例,信息采集系统在项目数量和资金投入上都超过了60%的比例,20世纪80年代中期,广东西枝江首次建立非人工信息采集系统,由南京水利水文自动化研究所承担了其中核心部件——雨量水位传感器的研发。但由于当时的信息传输和存储的成本非常高,这一系统没能在全国推广实施,全国性的防汛指挥体系也就一直没能建立。

数据库管理技术出现后,水利部门分别对“防洪调度系统”和“水情监测和预报技术”进行了针对性研究,并开发了“淮河干流实时水情预报综合分析系统”、“水情信息及洪水预报预测业务系统”和“雨情气象信息接收处理应用系统”。此后,以“全国实时水情计算机广域网系统”为代表的信息系统的建成和投入生产运行,初步解决了实时水情信息的网络传输问题,信息的收集时间和信息量都得到了明显提高,为防汛指挥决策提高了精度、赢得了时间,标志水利信息化进入了网络时代。

1999年8月,水利部将水文水利调度中心与水利部信息中心整合,成立水利部水文局(水利信息中心),水利通信和信息化行业管理职能得到进一步明确。之后,“以水利信息化带动水利现代化”的发展思路得到确立,水利信息化建设被定名为“金水工程”(即国家“十二金”工程之一),建立一套统领全局的国家防汛抗旱指挥系统也再次被提上了日程。

2005年5月,发改委正式批准国家防汛抗旱指挥系统一期工程建设,总投资为8.02亿元。工程由五部分组成:信息采集系统、通信系统、计算机网络系统、决策支持系统和天气雷达应用系统,分为280个单项工程进行建设。

目前,覆盖水利部机关、7个流域机构、31个省(自治区、直辖市)的水利信息骨干网络和异地会商视频会议系统已经建设完成。125个水情分中心实施方案已全部得到批复,并先后启动建设。洪水预报、防洪调度等决策支持系统等单项工程正在积极组织实施中。

实际应用情况表明,“防汛系统”在近年的抗御洪水中已经发挥了显著作用,为国家防总和各级防汛部门的决策提供了科学、便捷、高效的支撑手段。

2007年夏,淮河干流发生了建国以来仅次于1954年的大洪水。7月3日20时,王家坝水文站超过警戒水位。淮河水利委员会水文局充分利用“防汛系统”,于7月4日8时前做出雨水情信息预报:“王家坝水文站7月5日夜里将出现洪峰,洪峰水位28.4米,流量4200立方米/秒。”7月6日凌晨5时,降雨如期而至。王家坝出现洪峰水位28.38米,超警戒水位0.88米,相应流量4200立方米/秒,预报与实况相符。

这场洪水历时一个多月,但其造成的洪涝灾害损失却是历年几次流域性大洪水中最少的一次。随着信息化水平的不断提高,水情预报的速度和准确度也在不断提高。据倪伟新介绍,如今利用国家防汛指挥系统,全国3000多个中央报汛水文站可以在30分钟内(最快的仅需要几分钟)将水情信息直接传送到国家防总和水利部。

扎实基础 决策支持

1991年淮河洪水发生时,淮委水文局所有的天气信息全部来自天气图,而且当时接收的天气云图是4个小时一张照片,还需要在暗室中冲洗。洪水预报所需要的信息是靠邮政电报传输到淮委,再经过人工译电。全流域水情电报收集齐全大约需要2～3个小时,再由预报人员通过图上操作计算,两个小时后才能做出一个站的洪水预报。

而现在天气云图、测雨雷达、天气预报、流域各地的水情等海量信息的接收全是自动化的,洪水预报的计算已经全部由软件完成,一个工作人员在一两分钟内,就能做出20个站的洪水预报。水利部淮河水利委员会信息中心主任罗泽旺说: “如今做出一个站的预报就是敲两下‘回车键的时间,甚至连一分钟都不到。”这种效率提升的背后,正是中国的水利防汛专用通信网初步建成以及信息化基础设施建设稳步推进的结果。

经过几十年的建设,目前中国水利系统已初步建成了可满足语音、数据和视频等综合业务传输的防汛专用通信网。其中微波通信干线达1.5万多公里,微波站500多个,分别在武汉、沙市、郑州等19个防汛重点地区建成了集群移动通信网,初步建立了26个重要蓄滞洪区的县、乡、镇级洪水预警反馈系统,并依托国家防汛抗旱指挥系统一期工程建成了水利信息骨干网。

“数字黄河”是冯明珲眼中用数字化手段研究解决水利问题的典型案例。该项目由水利部黄河水利委员会于2001年7月提出,主要是借助现代化手段及传统手段采集基础数据,对全流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境,以功能强大的系统软件和数学模型对黄河治理开发与管理的各种方案进行模拟、分析和研究,并在可视化的条件下提供决策支持。

“束水攻沙”是明朝治黄水利专家潘季驯组织推广的一套治水理论,沿用至今。当时,潘季驯发现黄河的问题不仅是水患问题,水患是个表象。由于河水多沙,泥沙堵塞河道是个根本问题。如果流速缓慢,泥沙沉淀,河床抬高的速度一定加快,必然导至更为严重的洪灾。所以他提出“筑堤束水,以水攻沙,水不奔溢于两旁,则必直刷乎河底。”其核心是将水力集中起来攻沙,但如何实施才能取得最优效果一直是一个难题,水流太小冲不动沙,水太大也不行,因为水层太厚,流速同样会慢。“数字黄河”的实施使这一理论的科学性和预见性得到了质的飞跃,通过数学模拟,能够迅速形成关于水量、时间、区域协同的精确方案。几千年来一直困扰人们的黄河泥沙问题,在信息化的作用下,初步得到了部分解决。

水利事业的发展是永无止境的,因为建设环境和水利观念的不同,不同阶段有不同工作。冯明珲说,“最初靠修水库抵御洪水,后来发现通畅下游河道也很重要,如今环保效果则越来越受到重视。”

倪伟新也认为,虽然经过几十年的建设实践,尤其是近20多年来几次大的工程项目,中国的水利信息化建设水平与水利工程设计施工水平、科研能力一样已经位于世界前列,但将信息技术与水利建设有效结合起来的探索才刚刚开始。

国家防汛抗旱指挥系统

国家防汛抗旱指挥系统工程是“金水工程”的重要组成部分和骨干工程,是“金水工程”先期启动的重点建设项目。它是根据中国防汛抗旱工作的需要,建成的一个以水雨工旱灾信息采集和雷达测雨系统为基础、通信系统为保障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心的指挥系统。其目标是为各级防汛抗旱部门提供各类防汛抗旱信息,较准确地做出降雨、洪水和旱情的预测预报,为防汛抗旱调度决策和指挥抢险救灾提供有力的技术支持和科学决策依据。

2005年5月,发改委正式批准国家防汛抗旱指挥系统一期工程建设,总投资为8.02亿元。一期工程的建设为水利信息化打下了良好的基础,提高了水情信息采集自动化水平,建设了水利行业信息“高速公路”,全面提升了水利信息基础设施的技术水平与能力。目前,一期工程进入项目验收阶段,二期工程前期工作也正式启动,可行性研究报告已通过水规总院组织的审查。

新安江水利枢纽是新中国建国后自行设计、自制设备、自主建设的第一座大型水利枢纽,图为20世纪60年代的新安江水库大坝。

三峡大坝开闸泄洪。