南水北調(diào)西線工程虛擬仿真及應(yīng)用研究設(shè)想

南水北調(diào)西線工程虛擬仿真及應(yīng)用研究設(shè)想

摘要：該文設(shè)想構(gòu)建南水北調(diào)西線工程數(shù)字化平臺和虛擬環(huán)境，以完成多比例尺、多數(shù)據(jù)類型的水資源利用、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會與國土狀況信息的數(shù)字集成；通過西線調(diào)水區(qū)、輸水沿線、受水區(qū)和后備水源區(qū)的數(shù)字仿真手段，對不同現(xiàn)有及存在的可能調(diào)水方案的工程可行性、有效性等予以綜合分析和比選，并制定受水區(qū)水資源可持續(xù)利用與優(yōu)化配置方案。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)西線工程虛擬仿真

1背景

南水北調(diào)西線工程規(guī)劃從長江上游大渡河、雅礱江、通天河上筑壩建水庫，采用隧洞穿過巴顏喀拉山，向黃河上游補水，以補充黃河水資源不足，是解決我國西北地區(qū)干旱缺水問題的重大戰(zhàn)略措施。同時，南水北調(diào)西線工程和東、中線工程共同組成一個有機整體，在一定條件和時間內(nèi)，三條線可相互補充，尤其可通過適當調(diào)整黃河水量分配，使南水北調(diào)工程與北方東、中、西部水資源相互補償，共同實現(xiàn)我國的水資源優(yōu)化配置,保證本世紀中葉我國人口高峰時國民經(jīng)濟和人民生活用水安全。

南水北調(diào)西線工程大規(guī)模的跨流域調(diào)水改變了原有水資源的時間、空間分布狀況，相應(yīng)地引起了調(diào)水區(qū)、受水區(qū)的自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的變化，并產(chǎn)生諸多有利的和不利的影響；同時，在施工和運行調(diào)度管理等方面，西線又是一個復(fù)雜、龐大、艱巨的系統(tǒng)工程，存在著許多世界性的難題。如：如何正確評價南水北調(diào)西線工程調(diào)水后對促進受水區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境改善的作用、對調(diào)水區(qū)可能引起的自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境變化？如何評價西線調(diào)水對黃河水資源的補償作用？如何分析不同調(diào)水量的供水目標和供水范圍？如何優(yōu)化確定合適的壩高與洞線長度？如何研究遠景規(guī)劃中的后續(xù)水源的戰(zhàn)略性問題？等等，對工程的規(guī)劃決策及工程建成后的運行管理都有著重要意義。未雨綢繆，必須認真研究這些問題。

為解決南水北調(diào)西線工程實施中的一些世界性難題，通過全數(shù)字化數(shù)據(jù)平臺的構(gòu)建和數(shù)字仿真技術(shù)的應(yīng)用，建立全新的數(shù)字化研究環(huán)境和虛擬調(diào)水工程環(huán)境，依靠大尺度、高精度情景數(shù)字模擬研究和實際驗證，構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化決策模型，為回答西線調(diào)水中涉及國民經(jīng)濟建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重大戰(zhàn)略問題以及工程的可行性和科學(xué)性問題提供工作平臺。

2目的

南水北調(diào)西線工程虛擬仿真及應(yīng)用研究的目的：為解決南水北調(diào)西線工程實施中的一些世界性難題，集成全數(shù)字攝影測量、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計、數(shù)字三維仿真和多源空間數(shù)據(jù)無縫集成(SeamlessIntegrationofMulti-sourceSpatialData)等高新技術(shù)，建設(shè)南水北調(diào)西線工程勘測設(shè)計一體化數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，完成多比例尺、多數(shù)據(jù)類型資料的數(shù)字集成，以功能強大的系統(tǒng)軟件與模型為支撐，為相關(guān)科學(xué)家、工程規(guī)劃設(shè)計人員高效的工作提供詳實靈活便捷的數(shù)字流域研究環(huán)境，通過對南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)、輸水沿線、受水區(qū)和后備水源區(qū)的數(shù)字仿真手段，對調(diào)水工程的可行性、有效性及存在的可能方案進一步予以綜合分析與論證?？稍谡{(diào)水線路沿線依據(jù)其地形、地震、工程地質(zhì)等條件，對不同調(diào)水實施方案的投資規(guī)模、工程實施條件進行比選，并初步估計其生態(tài)環(huán)境影響；依據(jù)調(diào)水前提對受水區(qū)社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境效益做出分析，提出客水分配與利用的優(yōu)化模式；通過對后備水源區(qū)的相關(guān)研究，探討后續(xù)擴大調(diào)水的可行性及其影響。為水資源跨流域配置方案的優(yōu)化選擇提供全新的高技術(shù)支撐工具，加快南水北調(diào)西線工程的準備，為規(guī)劃決策及工程實施提供科學(xué)依據(jù)。

3南水北調(diào)西線工程虛擬仿真及應(yīng)用研究主要內(nèi)容

研究內(nèi)容主要包括兩個方面，第一個方面，針對南水北調(diào)西線工程研究多信息源集成的數(shù)字平臺和虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建一個涵蓋調(diào)水區(qū)、輸水沿線、受水區(qū)的數(shù)字平臺和虛擬仿真系統(tǒng)；第二方面，在數(shù)字平臺和虛擬仿真系統(tǒng)的支持下，對西線調(diào)水工程中的不同調(diào)水量、供水目標、外調(diào)水和內(nèi)地水分配利用、輸水路線以及對生態(tài)環(huán)境影響等問題進行系統(tǒng)分析和優(yōu)化研究。

南水北調(diào)西線數(shù)字集成系統(tǒng)研究

研究如何以南水北調(diào)西線跨流域調(diào)水工程規(guī)劃勘測設(shè)計準備工作為需求背景，在調(diào)水線路區(qū)、受水區(qū)、水源區(qū)構(gòu)建一體化的數(shù)字集成平臺，提供數(shù)字仿真研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要內(nèi)容包括：

空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究——1)數(shù)字化集成平臺設(shè)計、數(shù)據(jù)標準規(guī)范制定、數(shù)據(jù)字典和表結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含的內(nèi)容、數(shù)據(jù)項、涵蓋范圍、組織策略等；2)海量多數(shù)據(jù)源、多類型、多要素、多尺度、多時相空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的研究。在以往工作積累的基礎(chǔ)上根據(jù)本項目的要求，完善大型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使之能夠管理圖形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維高程數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)等多類型數(shù)據(jù)，探討數(shù)據(jù)庫多源數(shù)據(jù)邏輯一致性協(xié)調(diào)與管理方法。完善系統(tǒng)安全管理設(shè)計，最大限度地實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的互操作。

南水北調(diào)西線數(shù)據(jù)庫集成——開展西線調(diào)水環(huán)境與工程數(shù)據(jù)庫建設(shè)。分別在調(diào)水工程線路、受水區(qū)和調(diào)出區(qū)建設(shè)多比例尺系列的多要素地理環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫，作為宏觀和典型區(qū)域環(huán)境虛擬仿真研究的數(shù)據(jù)本底。在各方面數(shù)據(jù)條件允許的情況下具體內(nèi)容為：1)區(qū)域背景影像數(shù)據(jù)庫,覆蓋全部區(qū)域，配合1/5萬、1/25萬尺度分析需要，擬采用2000年ETM影像圖為基礎(chǔ)，對圖像時相不佳的圖像以2000年以后的夏季影像更替后制作成相應(yīng)比例尺影像圖；在需用1/1萬數(shù)據(jù)的工程線路典型區(qū)段，如地圖條件不能滿足需要的情況下，不排斥使用高分辨率衛(wèi)星立體對影像數(shù)據(jù)。2)區(qū)域電子地形圖、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫：1/25萬數(shù)據(jù)覆蓋全部工作區(qū)，1/5萬數(shù)據(jù)覆蓋調(diào)水區(qū)線路兩側(cè)、受水區(qū)黃河干流兩側(cè)300m高程區(qū)間，1/1萬數(shù)據(jù)覆蓋工程線路典型區(qū)段。3)區(qū)域土地覆蓋、土地資源數(shù)據(jù)庫：1/25萬土地覆蓋數(shù)據(jù)庫覆蓋全部工作區(qū)域，1/5萬土地覆蓋數(shù)據(jù)庫覆蓋調(diào)水區(qū)線路兩側(cè)、受水區(qū)黃河干流兩側(cè)200M高程區(qū)間，1/1萬土地覆蓋數(shù)據(jù)庫覆蓋工程線路典型區(qū)段。依據(jù)影像數(shù)據(jù)參照2000年1/10萬土地利用現(xiàn)狀圖解譯編繪制作。1/100萬土地資源數(shù)據(jù)庫覆蓋全部工作區(qū)域，由已有成果移植修編完成。4)區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)、地勘數(shù)據(jù)庫：1/20萬普通地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫覆蓋全部調(diào)水水源區(qū);1/20萬或更大比例尺普通地質(zhì)電子地圖、水文地質(zhì)電子地圖覆蓋調(diào)水工程典型地段。5)區(qū)域氣象、水文數(shù)據(jù)庫：兼顧受水區(qū)、重點在調(diào)水區(qū)和后備水源區(qū)，盡可能長地搜集時間序列基本氣象(如氣溫、地溫、降水、風(fēng)速、蒸發(fā)、輻射等參數(shù))、水文數(shù)據(jù)，在展布觀測站空間位置的基礎(chǔ)上，內(nèi)插構(gòu)成各要素的空間等值線分布或沿程分布數(shù)據(jù)庫。6)區(qū)域社會經(jīng)濟、人文綜合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：在全部工作區(qū)以縣為基本單位的人口、耕地面積、產(chǎn)值等社會經(jīng)濟狀況統(tǒng)計數(shù)據(jù)，工程沿線展布到圖斑。將重要文物、重點宗教設(shè)施等標定在電子地形圖數(shù)據(jù)基底上構(gòu)成人文綜合數(shù)據(jù)庫層面。7)區(qū)域水資源數(shù)據(jù)庫：以受水區(qū)水資源利用三級分區(qū)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，補充調(diào)水區(qū)相應(yīng)分區(qū)構(gòu)成覆蓋全部工作區(qū)的水資源及利用分區(qū)數(shù)據(jù)庫；以地形數(shù)據(jù)為基底將全部工作區(qū)水利工程現(xiàn)狀和規(guī)劃資料展布在二維空間上。8)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫：生物多樣性、林草地表覆蓋度、土壤類型和質(zhì)量、土壤侵蝕、人口承載力、荒漠化、鹽堿地、主要野生動植物分布等。

南水北調(diào)西線虛擬仿真系統(tǒng)研究

虛擬仿真系統(tǒng)是在數(shù)據(jù)集成平臺軟硬件環(huán)境的支持下，研制模擬仿真、綜合分析的工具。內(nèi)容包括：

空間分析與仿真基本算法研究及開發(fā)擴展GIS的空間分析功能，研究三維疊置分析、三維緩沖分析、三維最優(yōu)路徑與工程優(yōu)化分析，為虛擬仿真研究提供基本三維空間分析函數(shù)庫。

工程沿線可視化的三維虛擬地理環(huán)境構(gòu)建構(gòu)建南水北調(diào)西線工程沿線可視化的三維虛擬地理環(huán)境，模擬地表質(zhì)地、地表覆蓋、道路交通、高程、坡度、氣候等地理環(huán)境因素為不同調(diào)水方案工程實施研究提供三維地理環(huán)境。

工程沿線可視化的三維工程施工虛擬環(huán)境構(gòu)建構(gòu)建南水北調(diào)西線工程沿線可視化的三維工程施工虛擬環(huán)境，模擬不同調(diào)水方案的各種工程參數(shù)，提供進行線路投資空間三維分布的計算手段；以三維工程施工虛擬環(huán)境提供解決壩高與洞線長度優(yōu)化、多庫聯(lián)調(diào)輸水方式優(yōu)化等技術(shù)問題的工具。

工程沿線可視化的三維地質(zhì)虛擬環(huán)境構(gòu)建在三維虛擬地理環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合南水北調(diào)西線工程沿線的活動斷裂帶、地震烈度區(qū)劃、崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害資料，對不同選線方案主要地質(zhì)災(zāi)害危害和風(fēng)險性進行虛擬研究和評估提供可視化平臺和手段。

虛擬系統(tǒng)集成應(yīng)用在虛擬系統(tǒng)工具組件開發(fā)的基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)水區(qū)、受水區(qū)、水源區(qū)不同的應(yīng)用目標，在數(shù)據(jù)集成平臺的支持下，結(jié)合各專業(yè)模型，使虛擬系統(tǒng)平臺將水資源優(yōu)化配置、調(diào)水方案優(yōu)化、調(diào)水線路及聯(lián)合調(diào)度、生態(tài)環(huán)境影響等仿真模型能夠完整地集成在一起，形成一個面向具體應(yīng)用的虛擬仿真系統(tǒng)。

南水北調(diào)西線水資源合理配置研究

西北地區(qū)作為21世紀我國新的經(jīng)濟增長點，在國家糧食安全、能源、原材料工業(yè)等方面擁有無可替代的作用，突出的區(qū)位優(yōu)勢和相對薄弱的水資源條件，形成了該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要矛盾。在西部大開發(fā)和西部地區(qū)嚴重缺水的背景下，依據(jù)受水區(qū)對水資源的內(nèi)在需求，就水資源開發(fā)、利用、配置、保護、管理等問題，進行受水區(qū)不同水平年的需水預(yù)測和缺水識別；論證南水北調(diào)西線外調(diào)水與當?shù)厮Y(jié)合利用方式；對不同調(diào)水量的供水目標及供水范圍進行分析，為確定西線各期調(diào)水工程合理的供水范圍、供水線路提供決策手段和方法。主要內(nèi)容包括：

受水區(qū)水資源演變內(nèi)在規(guī)律研究區(qū)域產(chǎn)水量變化的趨勢，將直接影響水資源危機發(fā)生的頻次和程度。伴隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程以及不當用水方式，受水區(qū)生態(tài)環(huán)境有繼續(xù)惡化的趨勢。事實上，所研究的受水區(qū)的生態(tài)退化是水危機即將發(fā)生的重大征兆。根據(jù)流域水循環(huán)演變趨勢，利用區(qū)域水資源二元演化模型，模擬受水區(qū)水資源在一定演變速率情景下流域供水和缺水變化趨勢，揭示未來水資源演變對受水區(qū)供水和缺水形勢的影響。

不同水平年需水與缺水預(yù)測隨著人口增加和經(jīng)濟發(fā)展，西北地區(qū)水資源需求不斷上升，而脆弱的生態(tài)環(huán)境和資源型缺水的自然條件，加劇了城市與農(nóng)村、工業(yè)與農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟與生態(tài)之間的用水競爭。以經(jīng)濟社會發(fā)展的長期態(tài)勢和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需要為基礎(chǔ)，在西部大開發(fā)的宏觀戰(zhàn)略指導(dǎo)下，結(jié)合受水區(qū)土地功能分區(qū)的分析，研究受水區(qū)不同水平年的需水預(yù)測，進行水資源供需形勢和對經(jīng)濟發(fā)展影響展望，分析缺水性質(zhì)以及缺水分布等態(tài)勢。

供水工程方案研究利用數(shù)字動態(tài)模擬系統(tǒng)，對受水區(qū)的不同供水線路、供水工程進行虛擬仿真，為確定供水工程的規(guī)模指標，分析供水工程的可能性、可行性，提供技術(shù)方案和建議。

水資源合理配置研究根據(jù)受水區(qū)缺水分布和調(diào)水區(qū)的不同輸出水量方案，利用虛擬研究環(huán)境平臺，針對不同供水范圍和供水目標，進行技術(shù)和經(jīng)濟合理性分析，提出不同來水條件下的水資源合理配置方案。

外調(diào)水與當?shù)厮脫Q方式研究基于虛擬仿真環(huán)境，對南水北調(diào)西線外調(diào)水與當?shù)厮Y(jié)合利用方式進行研究，主要內(nèi)容包括：對黃河流域各支流進行流域水量的綜合平衡，合理確定從各支流的引水量，合理確定受水區(qū)的用水規(guī)模，進一步確定支流向黃河干流的入流減少量，并通過水資源供需分析，合理確定南水北調(diào)西線工程需要對黃河干流增加的補水量。

沿線輸水方式優(yōu)化布置及調(diào)度研究西線調(diào)水區(qū)的蓄水水庫分處不同的河流，在同一年份其水量豐枯不同，為滿足調(diào)水需要，對多庫聯(lián)合調(diào)度進行研究。輸水方式若采用無壓流，則輸水隧洞斷面大，但襯砌要求相對簡單；若采用有壓輸水則斷面可縮小，但襯砌要求高，不同方式的輸水能力也不同，通過對輸水方式進行優(yōu)化研究，對合理確定西線工程的輸水方式提供技術(shù)方案和建議。

南水北調(diào)西線后備水源戰(zhàn)略研究

在建立的南水北調(diào)西線遠景調(diào)水區(qū)虛擬仿真平臺的基礎(chǔ)上，重點研究西線調(diào)出區(qū)自然變化和人類活動影響下的水資源狀況，遠景調(diào)水區(qū)調(diào)水線路評價以及可調(diào)水量分析，主要內(nèi)容有：

水源區(qū)水資源評價。調(diào)出區(qū)人跡罕至，水文、氣象資料極度缺乏通過對時空變異規(guī)律的分析，提出不同類型地區(qū)水文、水資源仿真模擬模型，從而在過去工作的基礎(chǔ)上，進一步摸清調(diào)出區(qū)不同地區(qū)、不同海拔、不同時間水資源的數(shù)量與質(zhì)量，較好地填補這一地區(qū)水資源時空分布和垂直變化的空白，為西線調(diào)水奠定可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)。

遠景調(diào)水區(qū)工程線路與規(guī)模研究根據(jù)我國地勢西高東低的特點，在大量空間數(shù)據(jù)支持下，采用地理信息技術(shù)，在可預(yù)見的時間尺度內(nèi)，進一步探討和評價西線調(diào)水可能實施的路線和調(diào)水路線上各種參數(shù)以及配套的工程型式和規(guī)模。在綜合分析的前提下，客觀反映各種調(diào)水線路的優(yōu)缺點和存在的主要問題，為西線南水北調(diào)遠期決策服務(wù)。

遠景調(diào)水區(qū)可調(diào)水量研究可調(diào)水量在一定程度上取決于水源區(qū)的各種限制條件,通過中長期社會經(jīng)濟發(fā)展需水分析、豐平枯不同頻率下的影響模擬、流域生態(tài)系統(tǒng)用水預(yù)測、調(diào)水工程系統(tǒng)水量損失仿真以及調(diào)水區(qū)可能外援的水量，然后結(jié)合受水區(qū)的實際需要，擬定不同調(diào)水線路的調(diào)出水量。

南水北調(diào)西線調(diào)水對生態(tài)環(huán)境影響研究

調(diào)水對受水區(qū)土地利用/覆蓋影響研究在對受水區(qū)土地利用和生態(tài)環(huán)境評價基礎(chǔ)上，研究不同調(diào)水量對土地利用/覆蓋變化和生態(tài)環(huán)境的影響。進一步分析西線調(diào)水對生態(tài)建設(shè)的影響；研究西線調(diào)水對風(fēng)沙帶的影響。

調(diào)水對調(diào)出區(qū)生態(tài)環(huán)境影響研究在不同調(diào)水方案基礎(chǔ)上，研究不同調(diào)水量對調(diào)出區(qū)土地利用和生態(tài)環(huán)境的影響。分析調(diào)水對水源調(diào)出區(qū)在不同的水量調(diào)出方案(包括不同年調(diào)水總量和季節(jié)分配方案)，對土地利用和生態(tài)環(huán)境變化的影響。模擬供水量的時空變化對旱澇災(zāi)害調(diào)節(jié)與防災(zāi)減災(zāi)的影響，并提出綜合應(yīng)對策略