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历史证明，20世纪以工业革命为标志的第一次现代化，深刻改变了世界和中国的面貌。当人类社会进入21世纪，以信息革命为标志的第二次现代化浪潮扑面而来，信息化正在成为当今世界发展的最新潮流。面对这样的形势，要实现黄河治理开发和管理的现代化，必须首先全面实现黄河的信息化，而实现信息化的关键途径则是数字化，即建设“数字黄河”工程。
一、“数字黄河”工程的基本概念
“数字黄河”，就是借助全数字摄影测量、遥测、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等现代化手段及传统手段采集基础数据，通过微波、超短波、光缆、卫星等快捷传输方式，对黄河流域及其相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。在这一平台和环境中，以功能强大的系统软件与数学模型对黄河治理开发和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，增强决策的科学性和预见性。简单地说，“数字黄河”就是物理黄河的虚拟对照体，即通过全数字化数据库平台的构建，建立黄河流域及其相关地区的数字化（虚拟）研究环境，采用数学模型对黄河治理开发和管理的各种方案进行模拟、分析和研究。通俗地讲，“数字黄河”就是把黄河装进我们的计算机，从而可方便地模拟、分析、研究黄河的自然现象，探索其内在规律，为黄河治理、开发和管理的各种方案决策提供科学技术支持。
“数字黄河”是一个过程。一般来讲，过程至少应包括以下五个环节，即数据采集、数据传输、数据存储及处理、数学模拟和决策支持。
1、数据采集系统
数据采集系统是“数字黄河”工程建设的基础。“数字黄河”要求的数据采集系统必须同时具备以下功能：一是数据的广泛性，应包括自然、经济、社会、人文等各个方面；二是数据采集的快捷性，一般多采用传感器微电子技术，通过传感器迅速转化为电子信号传到控制中心，实现远程自动化遥测和遥控；三是数据存在的应时性，即在要求的时间内，确保数据得到及时更新。
2、数据传输系统
数据传输系统就是通信网络建设。根据防汛指挥、水资源管理及配置、水质及水土保持监测等对通信网功能的要求，如数据、图像、声音、视频等，测算通信网需要的带宽及有关参数，从而选择合适的通信方式。
3、数据存储及处理系统
“数字黄河”的数据和信息量将是海量的，其存储目前主要依赖于分布式存储系统，各种数据库都需要以字段编码的形式按一定的表结构有效地组织起来形成“数字黄河”的数据库。通过海量的数据库存储及处理系统建设，将构建以地理信息系统(GIS)为承载体的水文观测成果，遥感解译成果，数字摄影测量成果，经济、社会与人文等数据融为一体的数字化集成平台，创造数字仿真研究手段可以依附的二次开发环境。
4、数学模拟系统
数学模拟，是运用数学模型和计算机技术对自然系统进行仿真模拟的技术。随着计算机主频的不断提高和内存的不断扩大，对天气系统、水流及泥沙运动、生态及水环境变化等都能进行各种尺度的实时模拟，为准确揭示和把握河流自然现象及其内在规律提出了先进的技术手段。数学模拟系统是“数字黄河”的核心，在数据集成平台支持下，通过各种水利专业模型，形成一个面向具体应用的虚拟仿真系统，对有关黄河的各种信息进行综合处理。
5、决策支持系统
建立内容全面的知识库，该知识库应涵盖诸如国家有关法律、法规及各种政策，历史上处理同类问题的经验和教训，黄河流域规划、流域内及相关省区区域规划、干支流工程规划的布局及其具体要求，经济社会发展的制约因素等内容，从而形成一个方案决策的大背景，将数学模拟的各种方案结果置于这一大背景下进行优化分析，从中选择一个可行的方案。为便于决策者研究讨论问题，必须对数学模拟的结果进行后处理，使其具有较强的可视化表现。
应当特别指出，之所以在“数字黄河”之后缀以“工程”二字，主要是考虑要真正使数学模型的运算结果成为决策的支持，就必须下功夫对模型的各种边界条件进行及时更新。这就要求必须将“数字黄河”当作一项工程来建设，不仅需要一次性的工程建设，而且也需要长期的运行维护。概括地讲，我们要像对待黄河下游防洪工程那样对待“数字黄河”工程的建设与维护。
二、“数字黄河”工程建设的应用内容
“数字黄河”工程建设的最终目的是为了应用，各应用单位是“数字黄河”工程的最终用户。根据黄河治理开发和管理的具体情况，确定“数字黄河”工程建设的应用内容主要应包括以下五个方面：
（一）防汛减灾
防汛减灾是“数字黄河”工程建设的首要目标，即“数字黄河”工程首先从“数字防汛”开始。
1、降雨预报
多年防汛的经验教训告诉我们，降雨预报精度的高低，预见期的长短，是防汛决策最关键的依据。因此，“数字防汛”的首要任务是降雨预报。黄河流域暴雨的重要特征是历时短、强度大，再加上黄河流域的主要暴雨区的下垫面大多沟壑纵横，支流特多，呈羽毛状汇入黄河，易于形成陡峻的洪峰。对黄河流域防汛来说，若在降雨预报上不能延长预见期的话，那就很难通过洪水人槽后的演进提供其下游洪水预见期来满足防汛要求。
过去受科技手段的限制，我们在气象预报上所达到的精度比较低，对降雨的预见期也较短。现在遥测、遥感与卫星技术已飞速发展起来，并在气象水文预报上发挥了重要作用，它大量提供了以往不可能获得的水文信息，使得我们完全有条件提高降雨预报的精度，同时，也完全有条件延长降雨的预见期。考虑到黄河小浪底至花园口河段的特殊位置，目前，迫切需要开发建设这一区域的现代化暴雨洪水预警预报系统，即“数字防汛”从小浪底至花园口区间暴雨预警预报系统开始。
2、洪水预报
目前，黄河流域的洪水预报主要采取三种方法：第一种是降雨径流相关法，第二种是洪峰流量相关法，第三种是利用洪水预报模型预报。应该说，在预报的方法上不存在困难，难就难在对流域产汇流规律的认识和把握上。黄河主要暴雨洪水来源区是大面积的黄土高原，干旱半干旱地区，下垫面条件极其复杂。近年来由于人类活动加剧，下垫面条件始终处于不断的变化之中，因此，在“数字防汛”工作中，一定要下大力气弄清流域内下垫面条件，及时掌握其不断变化的新情况，通过卫星获取高质量的影像，配合遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)平台，对下垫面数据进行立体管理。
3、防洪工程联合调度
根据洪水预报结果，可对三门峡、陆浑、故县、小浪底四座水库（将来还有沁河河口村水库）在计算机上进行多方案模拟调度运用，从中选择最优方案，科学地确定各水库对某种洪水的防洪运用次序及蓄洪量在各水库之间的分配，以充分发挥中游水库的防洪作用。
4、洪水演进
由于3S和数字高程模型(DEM)技术的日渐成熟，传统的洪水演进技术正在向以下两个方向发展：一个是在二维数字化地形图上叠加各种水文要素、经济社会及生态信息，借助数字高程模型(DEM)和遥感影像图形成三维可视化模型，进行三维量测和分析模拟。另一个是直接建立三维数字模型，综合地表达流域水文要素和各种地理实体的空间分布。有了这样的洪水演进系统，下游滩区什么时间洪水演进到什么地方；哪个地方先淹，哪个地方后淹；哪座控导工程靠溜，哪座控导工程不靠溜；哪段堤防临水，哪段堤防不临水等，与防汛有关的重要信息都可以非常直观地反映在计算机的显示器上。
5、制订防汛预案
根据洪水演进结果，可对下游滩区作出详细的人员撤退方案或采取其它有效的避险措施；可对任何一座可能出现险情的控导工程、险工、堤段提前做好料物、人员、机械设备等抢险准备，真正做到有的放矢，变被动防洪为主动防洪，从而大大降低黄河下游滩区的洪水损失及防洪工程出险的几率。
（二）水资源统一管理与水量调度
随着黄河流域及相关地区经济社会的飞速发展，黄河流域水资源的供需矛盾日益尖锐。为了使有限的黄河水资源得到科学合理的分配，必须对黄河水量调度实现现代化。因此，要积极建设黄河水量调度中心，并使之早日投入使用。
1、枯水期径流预报
枯水期径流预报是水量分配的重要依据。过去，我们较多地注重汛期洪水预报，而对枯水期的径流预报考虑得较少。在这方面，我们与当今国际水平有相当差距。目前，美国国家气象局组织开发的“河流水情预报系统”，可以提供中长期（旬、月、季节）的水情概率预报，能够较好地服务于水资源的管理。欧洲开发的NASIM降水径流模型已广泛应用干枯水期的水管理。今后，应积极借鉴国际先进经验，下大力气研究黄河流域枯水期的径流预报，并将其作为“数字黄河”工程的重要内容进行建设。
2、建立河口地区生态模拟系统
黄河河口地区生态系统处在比较原始的状态，被科学界视为极其珍贵的自然界的原始“底本”，保存着一个天然的物种基因库，黄河的淡水补给是河口地区生态系统得以维持的基本前提，也是河口地区生物多样性的基本保障。应将河口地区的生态系统实现数字化，通过分析主体生物的繁殖率，以及群体生物的新陈代谢等生态指标对黄河淡水补给量的要求，提出不同季节不同时段黄河入海应保持的最小流量和最小径流量。
3、水资源实时调配
当我们已经知道了上游的来水流量和来水量，又通过河口地区生态模拟系统知道了某一时段需要黄河维持的最小人海流量或水量，区间的水资源如何在不同行业或同一行业内不同用水户之间进行科学分配呢？这需要通过建立现代化的水资源实时调配系统来解决。不同行业之间按照用水保证率进行分配，即第一，城市居民生活用水；第二，工业用水；第三，农业用水。其中，农业是用水大户，对于农业用水分配，可将每个灌区的作物种植结构及生育期不同时段作物需水量输入计算机，通过遥感遥测手段对灌区内土壤墒情进行分析，再根据每个灌区控制面积大小等因素作出在各个灌区引水闸之间的合理分配。当然，系统建设还应包括研制开发径流在河道里的演进及传播模型等。
4、引水口门的自动监控系统
配水流量的监测和控制主要是通过对各引水口门的流量测量来实现的。流量的测量可采用超声波技术，对重要的引水口门采用视频监控并逐步推广到所有的引水口。将摄像头摄录的图像信号通过数据通信网络传输到中央控制室，通过软件自动扫描现场不同位置摄像头的图像，实现自动触发报警。
5、地下水观测系统
地表水与地下水有着极其密切的关系，为实现黄河流域水资源的优化配置和科学调度，对地表水和地下水必须统一考虑，特别是在宁蒙河套灌区和黄河下游引黄灌区。要将采集到的分布在这些地区地下水长观井的数据信息及时存储于计算机数据库，以可视化的形式对地下水位及其变化作出反映。通过构造地下水水流测试模型，对区域水量平衡进行分析。
（三）水质监控
在黄河干流省（区）际断面和主要支流入黄口设置水质监测断面，对各断面水质状况进行实时监测，并建立实时监测数据库。通过构造河流中污染物的扩散输移模型，对污染物的扩散及输移进行模拟分析，进而对河流水质状况及其变化作出预测，为用水户特别是为城市居民用水的引水口作出水质预警预报。
（四）水土流失治理与监测
黄河流域的水土流失主要分布在黄土高原，其间水土流失面积达45.4万平方公里。过去，我们对黄土高原水土流失及其治理的情况一般是通过层层上报及人工调查统计来掌握的，暂且不说这种传统的手段精确率有多高，仅是上报和人工调查统计的周期就很长。而“数字黄河”工程建设则是要把黄土高原水土流失治理与监测作为其重要内容；大力推广运用3S技术，通过GPS的准确定位，借助RS及时获取水土流失及治理信息，可以对某一小流域或某一区域的水土流失状况及治理程度进行动态了解和掌握，同时借助GIS对水土流失治理的经济、社会及生态效益作出宏观评价。
（五）水利工程运行与管理
要建立黄河干流控制性水利工程与堤防的运行和管理系统。通过远程视频技术的应用，实时了解和掌握黄河干流上重要的水利枢纽工程的运行状况，为防洪调度及全河水资源的统一调度提供准确的实时依据。确保黄河下游地上悬河堤防的防汛运行安全，是黄河水利委员会水利工程运行与管理极其重要的任务之一，堤防安全的监测仅靠以往大洪水发生后发动群众进行徒步拉网式检查险情已远远不能适应现代防汛的需要，要研究光缆变形的方法，即堤防发生渗水、沉陷变形后，通过光缆传感器将某一段已发生变形的堤防其准确位置及时传至管理中心，从而及时发出指令，使之迅速得到处理。
三、“数字黄河”工程的基础平台
“数字黄河”工程的应用内容，由于其目标不同，专业性质不同，所以建设的内容也是不同的。这就好比高速公路上行驶的各种各样的车辆，车子型号不同，驶往目的地也不相同。“数字黄河”工程的基础平台就好比高速公路，以及高速公路适当位置设置的加油站和生活服务区。
（一）通信网络
1、通信网
各应用部门或单位采集的信息，包括各种数据、声音、图像等，都要通过一定带宽的通信网进行传输。经过多年的建设，黄河系统的通信设施逐步得到改善，但距离全面建设“数字黄河”工程的目标要求还有相当的差距。因此，要结合国家通讯事业的迅速发展，对黄河流域及其相关地区的通信网在建设“数字黄河”的目标下进行全面规划和建设。
2、计算机网络
计算机网络是指不同用户层次的局域网。根据“数字黄河”工程建设的需要，黄河系统要建设三级计算机网络，即第一级为黄河治理开发与管理的指挥中心，第二级为沿河各省区的黄河管理机构，第三级为各重要信息采集站点。
（二）电子地图与数字高程模型(DEM)
目前，全国范围的1：10万土地利用及其生态系统背景数据库的建设、1：25万的电子地图和数字高程模型(DEM)的制作已经完成，全国1：5万的电子地图和数字高程模型(DEM)的制作也正在进行。电子地图和数字高程模型(DEM)是“数字黄河”工程建设的最为基础的平台之一，各应用系统建设应在统一的平台上进行。因此，“数字黄河”工程建设的组织部门要对电子地图和数字高程模型(DEM)的统一性作出明确规定，统一组织进行更细化分层。
（三）基础数据库
按照“资源共享、数据一致性和标准性”的原则，“数字黄河”工程建设必须建立统一标准和规范的基础数据库系统，主要包括水文泥沙数据库、水质数据库、水库及河道断面资料数据库、工情数据库及人口、经济、社会资料数据库等。要特别注意不同信息来源数据的实时动态采集、整理及入库，将数据以统一、规范的信息格式向“数字黄河”工程各应用系统提供。
四、“数字黄河”工程建设的保障措施
“数字黄河”工程是一个庞大、复杂的系统工程，需要一个相对较长的建设周期。要将这项工程作为黄河治理开发的一项重点工程，争取经过3到5年的建设，取得阶段性成果。为使“数字黄河”工程得以顺利实施，拟采取以下保障措施。
1、统一组织，统一规划
统一组织。面对“数字黄河”这样一项庞大、复杂的系统工程建设，必须加强统一组织领导，首先要成立工程建设领导小组和办公室，为其提供强有力的组织保障。
做好规划。没有一个高水平的规划，就不可能建成一个高水平的“数字黄河”工程。该项工程的规划一定要遵循“整体布局、分步实施、先进实用、共建共享”的原则，以应用为中心，力求高起点，使其具有开放性、兼容性、扩展性，能适应现代信息技术的飞速发展，满足未来功能升级的要求。
2、确保投入
“数字黄河”工程建设，不仅要有一次性的投入，而且还要有运行维护费的长期保障。以往这方面的教训很多，模型开发后，由于没有资金渠道，使模型中的基本资料得不到更新，从而使模型无法再行运转、改进，即使运转，其结果也没有实用价值。“数字黄河”工程建设一定要吸取教训，将这项工程按照基本建设项目进行管理，千方百计筹措资金，以确保工程建设与运行的顺利实施。
3、应用牵引
“数字黄河”工程建设的目的是为了应用，其最终的用户是防汛、水量调度、水环境保护、水土保持、水利工程管理等部门，要充分认识到，“数字黄河”工程是提高工作效率、增强工作的准确性、科学性、前瞻性的重要手段，因此，在黄河治理开发与管理的各项工作中一定要很好地应用这一高科技手段，并不断发现问题、解决问题，使之逐步得到改进和完善。