数字流域技术在流域现代化管理中的应用

谭德宝

(长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

1 概述

全球气候变化和人类活动加剧使得流域下垫面状况发生了巨大的变化，这对流域现代化管理提出了新的挑战。河流调蓄能力下降、洪涝干旱的强度和频度增加、水污染严重、水土流失与地质滑坡增多、水资源供需矛盾日益突出，已经成为水利行业急需解决的新问题［1］。

当前，党和国家高度重视水利行业的战略性基础地位。2011年中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年)》、《全国水利发展“十二五”规划》等明确要求强化水利科技支撑，提出“健全水利科技创新体系、强化基础条件平台建设、加强基础研究和技术研发、力争在水利重点领域、关键环节和核心技术上实现新突破”。为了积极适应这一新形势要求，必须充分利用现代信息技术发展的最新成果，抓紧开展数字流域研究，深入分析数字流域建设的关键技术，为数字流域建立创造良好条件，并为流域现代化管理打下坚实的基础。

2 数字流域技术

2.1 数字流域定义

流域是一个具有明确边界的地理单元，以水为纽带，将上游、中游、下游组成一个普遍具有因果联系的复合生态系统，是实现资源和环境管理的最佳单元。

“数字流域”是综合运用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统 (GPS)、计算机网络技术、多媒体及虚拟现实等高新技术对全流域的地理环境、自然资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各种信息进行采集和数字化管理，构建覆盖全流域的综合信息平台和三维模型，使得各级部门能够有效管理整个流域的经济建设，做出科学、合理的资源利用与开发决策［2，3］。

“数字流域”以先进的高新技术手段实现对传统流域综合管理方法的创新，其根本宗旨是实现信息技术标准化、信息采集自动化、信息传输网络化、信息管理集成化、业务处理智能化，是提高流域综合管理科技含量和管理水平的有效途径，其建设与应用将有力地推动流域管理现代化的进程［4，5］。

2.2 数字流域研究进展

近年来，国内外已经在数字流域方面开展了大量的研究工作，其成果已逐步付诸应用。美国在密西西比流域已建立了完善的水情自动测报网络系统、防洪自动预警系统及实时监测系统，同时以气象预报模型、降雨径流模型、河道水流演算模型为基础，建立了河流水情预报系统。不仅提供短期洪水预报，而且提供中长期(旬、月、季)的水情概率预报。能够用于防洪减灾和水资源的管理［2］。黄河水利委员会在2003年提出《“数字黄河”工程规划》，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6大模型为代表的黄河数学模拟系统，并应用在黄河水量调度等方面［2］。

长江水利委员会在流域数字化方面进行了大量的工作，取得了一定成果。在信息化资源的基础设施方面，与流域内六省二市网络已经联通，在全国率先实现了118个中央报汛站自动报汛，各类信息自动采集点达到3 000多个。以三峡水库为核心的长江干支流控制性水库群综合调度正在进行中，已取得阶段性成果。世界银行贷款项目“长江防洪模型”已完成实施，该项目主要通过实体模型试验、数学模型计算、原型资料分析等多种手段对三峡工程建成后长江流域干流河道、湖区河网的泥沙运动、洪水演进和防洪调度进行综合研究，为防洪规划、工程建设和防洪决策提供科学依据。“长江防洪模型”作为实体物理模型，能够与长江流域整体数字模型上加载的洪水演进模型进行相互的校验，为数字流域研究奠定了坚实的基础。

2.3 数字流域建设的关键技术

2.3.1 数字流域框架基础研究

研究数字流域建设框架性问题，形成新形势下的流域管理模式与信息化建设思路，促进数字流域的关键性技术研究。

(1)数字流域框架结构:深入研究数字流域基础设施层、应用支撑层、应用层与层次间的逻辑关系，设计逻辑结构和物理结构，构建数字流域系统框架。

(2)流域等级划分技术:根据流域综合管理需求，参考水资源管理3条红线的制定，研究流域等级划分标准及划分方法，确定数字流域不同尺度下的计算单元。

(3)流域综合指标体系:探讨数字流域综合监测体系的规划原则，结合流域立体监测网相关研究，开展流域水量、水质、泥沙、水生物、河道形态、土地利用等指标及其相关性研究，制定流域综合监测指标体系，构成编码标准规范。

(4)数字流域支持下流域现代化管理的适应性分析与评价:综合考虑流域信息化建设需求，探索数字流域框架的关键作用，分析并评价数字流域框架支持下流域现代化管理的适应性方法。

(5)数字流域技术标准体系研究:构建数字流域技术标准体系框架，开展现有技术标准及适用性研究和数字流域相关标准研究，为数字流域技术标准奠定基础。

2.3.2 数字流域立体监测网技术

探讨立体监测站网优化布局，深入分析新型传感器技术和监测手段的应用研究、物联网技术应用研究2大关键应用环节，为搭建指标丰富、布局合理、运行稳定、数据及时准确的数字流域综合监测体系提供技术支撑。

(1)立体监测站网优化布局研究:针对长江流域内河段、支流、小流域本身特点，研究立体监测网布局原则;分析长江流域内现有的水文、水生态、水环境监测站网的空间分布状况，规划新增水文、水生态、水环境监测站网的优化布局位置;结合长江流域综合规划，分阶段、分步骤实现新增监测站网建设和立体监测站网优化布局。

(3)物联网等新型网络技术应用研究:采用以传感器网络、RFID、视频监控技术为代表的物联网技术，探索新型网络技术在数字流域数据采集、数据传输、快速可视化中的综合集成应用，实现数字流域中物联网技术的深化应用。

2.3.3 多源海量数据组织、处理与共享服务技术

研究数字流域涉及的不同格式、不同结构、不同时态以及不同坐标系的多源海量数据组织、数据处理以及数据服务模式，建设海量数据共享服务平台，实现多源海量数据的高性能存储和高效管理。

(1)海量时空数据组织与查询技术:研究海量时空数据分层存储、动态更新与按需调度技术，分析跨投影带多源时空数据层次组织方法，探讨基于流域单元的多级空间索引与快速查询技术，实现海量时空数据智能化搜索。

(2)多源综合监测信息的数据融合和挖掘技术:研究基于多源观测信息的立体监测网数据融合和数据挖掘，如河道与水文监测数据挖掘示范应用，实现基于多源综合监测信息的知识挖掘。

(3)海量影像数据处理及三维信息精确提取技术:研究海量影像数据考虑投影差的无缝镶嵌及影像过渡技术，分析海量遥感影像数据的多级并行处理技术，探讨逐级影像金字塔上的自动匹配技术，构建算子提取影像关键地物特征点的信息提取技术，实现三维空间信息精确提取。

(4)多源海量数据共享服务平台:研究基于国家标准的异构空间数据标准化服务技术，分析基于网络服务的多源分布式GIS数据访问技术，探讨基于OGC的空间数据目录索引与发现服务技术，构建基于中间件的多源空间元数据语义模型分析与互操作服务技术，研究多网络环境下空间数据一体化索引与按需调度服务技术，研发多源海量数据共享服务平台。

2.3.4 长江流域多专业数字模型集成与应用

入选标准：（1）符合《中国帕金森病治疗指南（第二版）》［6］；（2）接受抗帕金森病药物治疗达剂量稳定期至少30 d；（3）年龄介于30～80岁；（4）签署书面知情同意书。

研究适合于长江流域综合管理的多任务多目标的专业模型集成技术，建立长江流域专业数字模型集成应用系统。

(1)专业数字模型集成技术:分析专业模型结构功能标准化设计和入库管理机制;研究专业模型应用过程中的尺度效应问题;探讨具有多尺度的专业模型集成与耦合应用方案;分析多模型的协同调度与分布式计算方法;进行基于案例及模型库的知识挖掘。

(2)长江流域专业数字模型集成应用:分析海量数据和模型计算并行处理的智能分配管理机制，探讨系统硬件平台环境搭建方案;建立长江流域专业数字模型集成应用系统;研究动态时空数据模型的耦合关系，探讨数字流域决策支持模型与优化方法。

(3)三维可视化与模拟仿真技术应用:针对数字流域中可视化与仿真计算的具体需求，分析现有成熟的流计算、三维可视化、模拟仿真技术，研究其在数字流域中的应用集成方法，开展基于三维数据场可视化的水利仿真模拟等。

2.4 从数字流域到智慧流域

当前，数字流域正从以静态几何表达发展到动态过程描述分析的新阶段。将物联网引入数字流域中，便可构成智慧流域，其主要特征是:①天地一体化同步观测，有利于提高数据处理的速度和精度;②传感器通过IP地址进入计算机网络，实现传输和实时处理;③通过网络计算从数据中提取信息和知识，有利于及时提供决策支持;④使数字流域研究走向动态、多维和实时。

3 数字流域技术在三峡工程运行管理中的应用实践

3.1 数据采集与数据库制作

综合运用数字流域技术采集了三峡水库蓄水前库底最完整、精度最高、实时性最强的基础地形地貌数据资料，这些数据是不可再次获取的重要珍贵档案资料［6］。制作生成了全库区1∶5 000大比例尺的DOM，DEM和DLG等基础地理数据，并建立了水库基础地理空间数据库，如图1所示。

图1 长江三峡水库蓄水前的数字高程模型(DEM)Fig.1 Digital Elevation Model(DEM)of the Three Gorges Reservoir before the impoundment

3.2 水库库容计算与复核方法

数字流域技术在特大型水库的库容计算与复核方法上取得突破，具有计算速度快、精度高、可实现任意高程下的库容计算等突出特点，显示了运用数字流域技术方法对大型水库库容计算结果的精确性、合理性及广泛的适用性。

3.3 水库运行管理平台

研发了基于数字流域技术的大型水库运行管理平台。以空间地理数据库为基础，综合集成了水库调度管理所需的各类监测数据，集成了水动力学模型、水库典型污染物扩散过程模型等多种专业数学模型，开发了模型与基础数据的接口，实现了多模型的协同调用，模型计算成果能快速地在二维、三维地理环境下可视化展示，为大型水库运行管理优化调度及决策支持搭建了良好的管理平台［7，8］。

3.4 模型开发及应用研究

基于自主研发的运行管理平台开展了三峡水库运行管理中关键问题的应用研究。基于动库容的调洪演算、突发性水污染事件应急管理、汛期回水位计算、洪水淹没风险分析等方面的研究成果已经应用于三峡水库运行管理中，并取得了突出的经济、社会与环境效益。

通过对典型洪水过程按照调度规程进行调洪演算，得到各典型洪水过程调洪结果。调洪结果表明:百年一遇洪水控制枝城流量56 700 m3/s，1954年洪水凤凰山水位最高，防洪高水位为167 m;千年一遇洪水控制枝城最大泄流量76 000 m3/s，1954年洪水凤凰山水位最高，水位为175 m;万年一遇洪水在计算过程中增加了10%的校核值，1982年洪水凤凰山水位最高，最大泄流量为107 000 m3/s，水位为178.3 m，比三峡水库校核洪水位(180.4 m)略低，说明在万年一遇洪水作用下，大坝是安全的。

在万年一遇典型洪水作用下，全库区沿线最大水位基本上都处于四期移民线以上;千年一遇洪水作用下，自奉节以上有部分区域水位超过四期移民线;百年一遇洪水自周家院子以上区域最高水位超过四期移民线，但淹没范围较小;五十年一遇洪水自长寿以上水位超过移民线。万年一遇洪水超过移民线的淹没范围主要集中在小江、江里河、大洪河以及清溪场以上长江干流上。

该研究成果对水库的防洪调度、发电与航运管理、库区移民以及库区突发性水污染的应急响应有重要的意义。对于提高三峡水库防洪调度决策的预见性和可靠性，从而显著提高梯级电站的发电效益，为决策者组织、协调、指导和指挥防洪调度及快速有效地应对洪水风险，保证三峡枢纽和下游防洪安全充分发挥枢纽综合效益，起到了至关重要的作用。

4 总结与展望

水利现代化对数字流域技术提出了现实的紧迫需求。数字流域技术将在流域下垫面数据获取、动态变化监测、现象过程模拟分析与仿真、应急处置决策支持等方面发挥重要的作用［2］。数字流域技术正在走向成熟，在数字流域基础框架与技术标准、空天地协同流域综合监测体系、多源海量数据组织、处理与共享服务、多专业模型集成及应用等关键技术方面仍然有待于进一步的深化［4，5］。数字流域技术已经在长江流域综合管理中得到初步应用，取得了一定的经验，为今后大规模深入应用打下了良好的基础［6－8］。

当前，数字流域研究需要着力做好如下工作:

(1)面向流域管理需求:结合流域现代化管理的现实需求，从全面辨识流域下垫面性状、科学预测河流水系等动态变化过程、运筹帷幄应急决策、实现宏观把握与微观控制相结合的流域科学管理等方面提高数字流域技术应用水平，推动流域管理水平上一个新台阶。

(2)解决关键技术问题:加强定量遥感、智能GIS、数字流域等基础理论与方法研究;推动数字流域原型系统建设的规范化与标准化;以数字流域为实验与应用平台，研究解决复杂的流域重大科学技术问题。

(3)强化推广应用:针对流域现代化管理面临的重大科学问题，充分应用传感器网络、RFID、视频监控、北斗卫星导航系统、高分辨率卫星遥感等高新技术，大力推广数字流域技术，促进其在水利行业的深入应用，进一步推动水信息学科的发展。

［1］长江水利委员会技术委员会.长江流域综合利用规划研究［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.(Changjiang Water Resource Commission.Comprehensive Utilization Planning of the Yangtze River Basin［M］.Beijing:China Water Power Press，2003.(in Chinese))

［2］李纪人，潘世兵，张建立，等.中国数字流域［M］.北京:电子工业出版社，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］陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论［M］.北京:科学出版社，1999.(CHEN Shu-peng，LU Xue-jun，ZHOU Cheng-hu.Introduction to Geographical Information System［M］.Beijing:Science Press，1999.(in Chinese))

［4］赵儒生，杨崇俊.空间数据仓库的技术与实践［J］.遥感学报，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，景贵飞，等.第四代 GIS软件研究［J］.中国图象图形学报，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］谭德宝，冯正鹏.三峡水库库底地形地貌遥感图集［M］.武汉:长江出版社，2006.(TAN De-bao，FENG Zheng-peng.Picture Collection of the Remote Sensed Terrain and Topography of Three Gorges Reservoir［M］.Wuhan:Changjiang Press，2006.(in Chinese))

［7］程学军，谭德宝，汪朝辉，等.长江流域生态环境信息库总体方案设计与示范区建立［J］.长江科学院院报，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，谭德宝，程学军，等.基于GeoDatabase的长江流域生态环境信息库模型［J］.长江科学院院报，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))