“数字黄河”工程建设“三步走”发展战略

李国英

（水利部黄河水利委员会，450003，郑州）

根据黄河治理开发与管理事业发展的需求，同时考虑数字技术的发展水平，确立“数字黄河”工程建设“三步走”的发展战略。

一、第一步：建设基础设施和六大应用系统

2001年7月，水利部黄河水利委员会提出建设“数字黄河”工程，经过8年研究和开发建设，取得了丰硕成果。

一是按照“以我为主，博采众长”的思路，提出了“数字黄河”三层体系构架。第一层，以数据采集、传输、存储等为主要内容的基础设施；第二层，以应用服务器中间件、数据服务等为主要内容的应用服务平台；第三层，以防汛减灾、水量调度、水资源保护、水土保持等为主要内容的应用系统。2002年编制完成了《“数字黄河”工程规划》，2003年4月得到水利部批复。

二是在《“数字黄河”工程规划》指导下整合已有信息系统，重点开展了基础设施、应用系统建设，“数字黄河”工程框架基本建成。

基础设施方面，进行了水文测验现代化升级，完善了数据观测采集体系；结合公网和专网完善了黄河通信网络，建成了计算机骨干网和广域网，建成了覆盖地域广泛的视频异地会商系统，数据采集、传输、存储的软硬件环境日趋完善，基本形成了“数字黄河”的信息高速公路，有效支持了应用系统的开发和应用。

应用系统方面，开展了防汛减灾、水资源管理与调度、水土保持、水资源保护、建设管理、电子政务等六大应用系统建设。如今，“数字黄河”工程已广泛应用于黄河治理开发与管理的主要业务领域，为保障黄河防洪安全、改善流域生态环境、维持黄河健康生命发挥了重要作用，产生了巨大的经济、社会和生态环境效益。运用“数字黄河”的水资源管理与调度系统，成功实施了黄河水资源精细调度管理，确保了黄河不断流，多次成功向天津、青岛、白洋淀等城市和地区调水，为保障生活、生产、生态用水发挥了重要作用。运用“数字黄河”的防汛减灾系统模拟制定调水调沙调度方案，并在实施过程中根据反馈信息进行滚动优化调整，为成功实施9次调水调沙提供了强有力的技术支撑。

三是研究制定了 “数字黄河”工程标准体系，编制了具有黄河特点的60余项“数字黄河”工程标准和办法，主要包括信息采集、信息传输、信息存储、数据管理和地理空间信息、建设管理等，为实现系统开发、信息资源共享、工程有序建设和科学管理提供了保障。

“数字黄河”工程的研究和实践，形成了大规模数字流域有关规划、建设、管理、应用等方面的系统化思想，创建了黄河特色的数字流域建设标准规范体系。“数字黄河”工程在黄河治理开发与管理的各项工作中已发挥了重要的作用，成为不可或缺的科技支撑平台。

虽然“数字黄河”工程建设已取得显著的成绩，但目前还存在着基础设施不完善、应用服务平台建设滞后、综合会商支撑能力薄弱等问题。目前，国家已批复实施 《黄河下游近期防洪非工程措施初步设计报告》和《黄河水量调度管理系统项目建议书》，“数字黄河”工程的基础设施和应用系统作为重要内容列入其中，应以此为契机，进一步完善“数字黄河”工程的基础设施和防汛减灾、水量调度、水资源保护等应用系统，继续建设应用服务平台，力争在2010年基本实现 “数字黄河”工程“第一步”发展目标。

二、第二步：建设以六大数学模型为主体的数学模拟系统

为提高“数字黄河”工程的决策支持能力，黄河水利委员会2006年提出将数学模型研发作为“数字黄河”工程的核心，明确了建设以黄土高原土壤侵蚀、水库联合调度、河道水沙演进、河口演变、冰凌预报、污染物输移扩散等六大模型为代表的黄河数学模拟系统。为保障数学模拟系统的持续研发和应用集成，确定了“首席专家＋团队”的研发机制，编制了《“数字黄河”工程数学模拟系统建设规划》。

在已有工作基础上，各团队刻苦攻关，六大数学模型研发和应用取得新的进展。正式启动了黄土高原水土流失数学模型研发，搭建了模型系统的研发框架，初步研发了相关数学模型。进一步完善了三门峡、小浪底、陆浑、故县4库水沙联合调度模型，有力支持了黄河防汛预案的编制和调水调沙期间的水库联合调度。基本完成了基于GIS的黄河下游二维非恒定流水沙模型，为下游河道洪水演进、河道冲淤分布、防洪减灾风险分析、调水调沙方案决策提供了科学支撑。黄河口模型、冰凌预报模型、水污染物输移扩散模型等模型研发，也取得了一定的进展。

数学模型是自然现象和自然规律的数学表达，其研发水平的高低主要取决于对自然现象及其规律的认识和掌握程度。今后一个时期，要进一步加大对基础理论的研究，努力夯实模型研发的理论基础，提高模型研发的支持水平。

对于黄土高原水土流失数学模型研发，目前仍有许多基础理论和关键技术问题尚未解决，包括不同类型区水土流失机理、坡面径流运动规律及侵蚀机理、坡—沟泥沙输移关系、沟道重力侵蚀规律等。其中缺少可用的观测数据是影响研发工作的主要因素之一。因此，要加快“模型黄土高原”工程建设，搭建有效的水土流失科学试验研究平台，丰富科研观测数据，为黄土高原水土流失数学模型的研发提供基础支持。

水库群联合调度模型研发，要针对小浪底水库洪水泥沙实时调度和黄河水沙调控体系联合运用的要求，加强水库泥沙冲淤变化规律和水库群多目标优化调控理论与技术研究，尽快完善不同空间层次的水库水沙过程模拟模型，建设以小浪底水库为中心的水库群水沙多目标模拟和联合优化调度模型，为在更大空间尺度上实施水沙调控对接和延长水库拦沙使用年限提供强有力的技术支持。

河道水沙演进模型研发，要加强河道水沙运动规律、特别是游荡型河段河势变化规律的研究，在基本完成的下游河道二维水沙数学模型的基础上，完善河势变化过程模拟功能，为制定科学的调水调沙和实时调度方案以及下游河道治理方案提供技术支持。

黄河水资源保护数学模型研发，要重点研究流域主要城市和工矿区入河污染物预测、黄河重点河段的水质预警预报、突发性污染事故下污染物的输移扩散过程及其影响等模型。黄河是多沙河流，与一般的清水河流不同，污染物在多泥沙水体中的输移扩散机理极其复杂，加之黄河水质监测数据不足，水质预警预报模型的研发难度较大。要建立联合攻关团队，挖掘利用现有的监测数据，深入研究多沙河流水环境动力学的关键问题，耦合水质、河道水沙数学模型，以满足生产急需。同时，要研究提出进一步优化监测站网的措施，加强原型黄河水质监测数据的获取与积累。

宁蒙河段冰凌预报模型研发，虽然取得了一些研究成果，但依然满足不了防凌调度、利用桃汛洪水冲刷降低潼关高程等生产需求。影响冰凌预报数学模型研发的主要难点，一是原型观测数据监测体系不完善，无法获取建模需要的基础数据；二是冰凌洪水形成机理的研究还没有突破。因此，要尽快建设完善这一河段的水文测验体系，加大冰凌洪水形成机理研究力度，在此基础上建立数学模型。

河口数学模型研发，要加大河口演变规律的研究力度，特别是要深入研究不同入海流路海洋动力与河流动力的关系、海洋动力分布规律及输沙能力的研究，在此基础上，建立符合黄河河口演变特点的数学模型。

此外，还需要进一步完善黄河洪水、径流、泥沙预报模型，在已建立的黄河中下游水量调度模型的基础上，研究建立黄河龙羊峡以下干流及主要支流水量调度模型，完善流域水资源优化配置模型和其他流域规划模型。

与此同时，黄河及相关地区的经济社会发展特点和流域生态系统演变规律的研究要同步开展，积极探索研究开发黄河流域经济社会发展预测及水资源需求、生态系统水资源模拟等模型。力争到2015年，实现“数字黄河”工程“第二步”发展目标，即基本建成黄河数学模拟系统和可视化集成平台。

三、第三步：建设自然—经济—生态耦合系统

预测未来，经济、社会、生态发展的系统性越来越强，关联度越来越大，黄河治理开发与管理的重大决策方案无法脱离经济、社会、生态相互关联的有机整体，无不受到这一巨系统中多维视角的综合考量。因此，研究论证、决策黄河治理开发与管理的发展规划、重大方案及重大水利工程，要求必须将黄河自然系统、经济社会系统、流域生态系统作为一个有机整体，在这个大系统的背景下，进行多方案的模拟和比选。

我们长期致力于研究河流自然系统，即河流的洪水、径流、泥沙及其变化、河道水沙演进、河道冲淤和河势演变、水利工程等，但对经济社会系统、流域生态系统相对陌生，已建的“数字黄河”工程基本上没有包括经济社会发展信息及流域生态系统信息，使得我们制定方案、决策过程缺乏多维视角，不仅影响了方案的全面性，而且也影响了方案的有效性。因此，“数字黄河”工程仅考虑河流自然系统是不够的，还应考虑与黄河治理开发与管理有关的经济社会系统和流域生态系统，以提高流域综合管理和决策的前瞻性、科学性与系统性。

在黄河水资源管理与调度上，要合理配置水资源，提高水资源的利用效率，在科学合理的前提下，千方百计地提高供水保障能力以促进流域及相关地区经济社会的发展。但黄河流域属资源性缺水地区，水资源供需矛盾日益尖锐，为了统筹考虑生活、生产、生态用水，必须实行最严格的水资源管理制度，建立水资源开发利用的三条“红线”，对水资源的使用提出限制标准。当经济发展规模超出了水资源承载能力时，应对经济发展规模划定以水资源为约束条件的 “红线”。为此，需要进行两个方面的研究，一是无水资源约束条件下，黄河流域各省（自治区）和相关地区经济社会不同的发展水平对黄河水资源的需求，以及向黄河排放的污水和其他污染物的情况；二是在维持黄河健康生命的前提下，黄河流域各省（自治区）和相关地区经济社会可以达到的发展水平。目前“数字黄河”工程已建设的水资源管理与调度系统，可以进行径流预报、调度方案编制、枯水调度，实现了黄河水资源的统一调度。但以往我们对经济社会发展和流域生态系统需水方面研究得较少，对需水量的合理性无法作出准确、科学的评估与预测。为进一步保证水资源管理的科学性、有效性和合理性，不但要建立完善的水资源联合调度模型，还需要建立经济社会发展和流域生态系统需水预测模型，对供水和需水两个方面都要进行深入研究，力争达到对水资源需求的把握更全面、更详细、更准确。

从长远看，解决黄河资源性缺水问题，支撑流域经济社会可持续发展，维持黄河健康生命，需要建设南水北调西线及其他跨流域调水工程。在南水北调西线工程的论证中，受水区的论证决定了项目的必要性，而受水区的用水需要，应考虑经济、社会、生态等各个方面。具体地说，其供水对象，除了沿黄城市、能源基地外，还要考虑为黄河河道补充生态环境水量，尤其是补充部分输沙水量。为此，要进行两方面的研究，一是如果不调水，由于黄河水资源短缺，对黄河流域及相关地区农业、工业发展、人民生活水平、流域生态系统的影响；二是如果调水，研究不同调水方案、不同配置方案对农业、工业发展、人民生活水平提高、流域生态系统改善的作用。为科学论证南水北调工程的投入时机、调水规模、水量配置、调水对经济社会发展的作用等，都要通过经济社会系统模型和流域生态系统模型的模拟，才能进行科学决策。

为了维持黄河河流生态系统的良性循环，要进行生态调度，努力实现黄河功能性不断流。目前我们对黄河河流生态系统研究不多，对群体生物、主体生物及其生存和繁衍规律认识不够，难以形成系统和主导研究方向。因此，要求建立生态系统模拟模型，对生态系统进行模拟，提出生态调度的时间、水量以及过程，为科学开展生态调度提供支持。

为了维持黄河健康生命，支持流域经济社会可持续发展，要求治黄工作的立足点要体现河流自然系统与经济社会系统并重，黄河规律性的探索要体现自然规律与经济规律并重，水量调度要体现供水管理与需水管理并重，水资源管理要体现用水保障与划定水资源约束“红线”并重，流域治理要体现除害兴利与维持河流健康生命并重。因此，要全面系统地研究黄河自然系统、经济社会系统、流域生态系统的发展变化规律，在构建完善的河流自然系统的同时，努力构建黄河流域及相关地区经济社会系统和流域生态系统，并逐步实现自然系统、经济社会系统、流域生态系统的耦合（简称“自然—经济—生态耦合系统”），使“数字黄河”能够全面支持黄河治理开发与管理的各项业务工作。

构建黄河流域经济社会系统的主要任务，是通过采集黄河流域及相关地区农业、工业、第三产业及人口增长及其分布等数据并存储于“数字黄河”工程的数据存储系统，开发流域经济社会发展相关的数学模型，模拟预测流域经济不同发展阶段与水资源的需求关系、水资源与经济社会协调发展的关系，将重要治黄方案和重大水利工程论证置于经济社会发展的大系统中，进行多方案模拟、比选，为科学决策提供支持。

构建黄河经济社会系统，一是要研究建立完善的黄河流域经济和用水统计指标体系，为流域经济发展的数据标准化提供保证。要发挥流域管理机构的自身优势，研究建立流域机构与省（自治区）、部门信息资源共享机制，充分利用流域各省（自治区）拥有的经济社会发展数据。二是要深入研究不同行业、不同产业结构格局下经济发展对水资源的需求，研究预测不同节水方案和不同经济增长情景下经济和水资源需求的增长趋势，研究水资源约束条件下经济增长情况。三是建立黄河流域经济发展和水资源需求动态模型，开发宏观经济预测、水资源需求、水资源投入产出、人口增长预测、土地利用与农业经济增长、节水与需水预测等系列模型。

构建流域生态系统的主要任务，是通过先进的监测手段采集黄河河流生态系统的湿地及分布，水生物种类、数量、栖息地等相关数据，分析生态系统演变特点和变化趋势，研究黄河生态系统的经济价值、环境价值，建立生态系统模拟模型，为生态系统的良性维持、实现黄河功能性不断流提供决策支持。

黄河源区是黄河主要的来水区和水源涵养区。要利用卫星遥感、GPS等现代化监测技术，建立完善的河源区生态环境监测系统，及时掌握和科学预测河源区生态情势演变，为保护源区生态系统提供决策支持。

黄河河口湿地具有重大的生态价值，在我国生物多样性维持中具有重要地位。建立河口生态系统监测体系，利用卫星遥感、GPS等现代化监测技术，采集河口生态系统的基本数据，包括动植物多样性、湿地变化数据，建立生态需水数学模型，研究预测不同时段的需水量和需水过程，为实施河口生态调度、逐步实现黄河功能性不断流、维持生态系统良性循环提供支持。

将建立黄河“自然—经济—生态耦合系统”作为“数字黄河”工程长远发展方向，不仅将极大地丰富“数字黄河”工程的科学内涵，也将极大地扩展“数字黄河”工程的发展空间。建成完善的信息基础设施、业务应用系统、数学模拟系统和应用服务平台，可以为构建黄河“自然—经济—生态耦合系统”创造基础条件。随着黄河数学模拟系统的建成，就能够实现对黄河自然系统、经济社会系统、流域生态系统的数学模拟，在此基础上，通过进一步完善应用服务平台，到2020年前后，基本建立黄河自然—经济—生态耦合系统。依托这种河流自然、经济社会、流域生态耦合系统的“数字黄河”，就可以进行黄河治理开发与保护的重大工程、重大方案的论证和决策，从而实现黄河治理开发与管理的现代化。