关于“数字南水北调工程”的设想

前南水北调东线工程已开工建设，以此为标志，我国将在本世纪大规模地修建不同规模的调水工程，以满足国民经济持续发展的需要。

随着“数字地球”“数字北京”“数字黄河”“数字长江”等发展新战略的出台，为建设、管理南水北调工程提供了一条新的发展战略思路，应在建设真实工程的同时建立“数字南水北调工程”（简称数字工程）。

一、数字南水北调工程及其特点

“数字南水北调工程”的概念源自于“数字地球”，是对真实南水北调工程及其相关现象统一性的数字化重现与认识。具体说，就是通过全数字化模拟平台的构建，建立调水工程及其相关地区的数字化研究环境，采用各种应用模型对调水工程开发和管理的各种方案进行模拟、分析和研究。

数字南水北调工程主要由三部分组成：

1．浏览界面

不同分辨率尺度下的调水工程三维可视化的浏览界面是与用户交流的接口。通过浏览界面，允许用户在虚拟的数字调水工程中漫游，对工程的各种景观，如水库、输水流道、泵站、甚至闸阀和水流的运动，以及周围地理环境进行任意角度的观察。

2．网络化的地理信息世界

包括：地理信息系统数据库，储存输水管道、渠道、闸门、泵站、水库、地下管道、机电设备、自动控制系统等空间数据及沿线区域内经济、人文环境等多层次的隐性信息；运行数据库，储存来自自动检测系统实时检测得到的全系统的运行动态信息。为用户提供公用信息和运行信息，甚至可以为各类网络用户开辟一个认识“南水北调工程”的“没有围墙的实验室”。

3．多源信息的集成和显示机制

融合和利用现有的多源信息、各种预测预报软件、运行动态过程仿真软件、人工智能决策软件，将其嵌入数字南水北调工程的框架，进行三维描述和智能化的网络虚拟分析。

数字南水北调工程与数字地球、数字黄河不同，其显著的特点是：它不仅是一个信息系统，更是一个实时数字仿真系统、实时分析决策系统和辅助控制系统。建成后的南水北调中线工程将像一部机器一样工作，数字工程将像“影子”伴随真实工程运行，随时向运行人员提供咨询意见，甚至在授权后自动与真实工程联系，控制和调度全系统的安全、经济运行。

二、建设数字南水北调工程的必要性

1．促使南水北调工程的建设有一个高起点和高标准

数字南水北调工程的建设过程，也是一个对现有工程的规划设计方案的评估分析过程，可以从技术经济上对各种方案的优劣作出定性和定量的评价，及时发现工程设计中的问题，指明改进的方向。此外，它的可视化功能、动态仿真预测功能、分析决策功能，可以让决策者在很短的时间内对一种规划设计方案的情况有一个全面的、直观的、清楚的了解，从而提高决策的科学性。另一方面，建成后的数字南水北调工程也是一个知识库和工具库，可以为后续建设的调水工程提供宝贵经验。

2．为南水北调工程建成后的运行管理提供一个强有力的工具

南水北调中线工程跨越5省、直辖市，输水线路长达1200多公里，采用明渠结合管涵的输水方式，部分地区可能采用泵站加压输水，用水量是时间的随机变量，对于这样的大型水惯性系统，单纯依靠常规设计的网络系统、通信系统、自动监测监控实施调度，不可能达到安全、经济运行的目的，需要一个智慧的“头脑”从中协调各子系统的工作，数字工程就是真实工程的“头脑”。此外，数字工程也是一个对新管理运行人员进行离线和在线培训的有力工具。

3．促进相关水利科学研究及软件设计水平的提高

从目前已建的调水工程来看，计算机网络系统、信息检测系统、自动控制系统硬件设备已经达到相当先进的程度，但是，由于缺乏与之配套的软件，例如实时水力控制调度软件、故障诊断软件等，其功能大打折扣，不能充分发挥作用。究其原因，主要是我国相关水利科学研究及软件设计水平不能达到在线运行的要求，从短期来看，可以通过从国外引进技术以解燃眉之急，但毕竟不是长久之计。应该站在战略的高度，尽快推动我国的水利科学研究及软件工业的发展，以提高我国在这方面的竞争能力。数字南水北调工程将为改变这种状况提供一个很好的发展契机，在建设过程中，不同学科的研究人员为了一个共同的目标分工协作，为水利科学从其他学科汲取营养和养分提供了便利条件，能促使和加快水利科学研究及软件设计水平的提高。

4．促使大型调水工程规划设计新模式的形成

调水工程的规划设计是一项复杂的系统工程，目前在我国是以设计院为主的模式进行，缺乏科研单位的深度介入。在我国，大型水利水电科研单位学科门类齐全，研究实力雄厚，在创新能力和对宏观系统决策的研究方面有优势。但是，在现有的工程规划设计模式下，不可能充分发挥科研人员的主观能动性。当务之急是形成调水工程规划设计的新模式，不仅充分发挥设计院的作用，而且充分发挥大型研究院的作用，以提高工程规划设计质量和缩短规划设计周期。

数字南水北调工程的建设需要采用大量的高新科学技术，在这方面大型研究院具有优势，可以组成以研究院为主的研究队伍，在工程主管部门的统一管理协调下，与设计院并行开展工程的总体规划设计、运行研究。因此，从一定程度上说，数字南水北调工程可以促使调水工程规划设计新模式的形成。

三、建设数字南水北调工程的有利条件

众所周知，为了获取数字地球、数字北京、数字黄河、数字长江等数字工程需要的空间数据，需要8个方面的技术：空间对地观测技术、计算机技术、网络技术、通信技术、遥感、地理信息系统、全球定位系统和地学数字技术；需要投入巨资，建立必要的硬件支持系统；需要专门的系统操作人员。与此类似，建设数字南水北调工程也需要这些条件，但是它具有上述系统没有的有利条件。

首先，在规划设计的过程中，设计者已经对工程沿线地形地貌做了准确的测量，并对周围人文环境、水资源状况进行了调查研究，数字南水北调工程需要的绝大多数空间数据，包括水库、渠道、管涵、渡槽、泵站、机电设备、自动监测监控设备等的空间数据，可以由各设计院的设计资料、图纸、光盘得到。

其次，南水北调工程本身配备有遥测遥感系统、卫星定位系统、计算机系统、网络系统、通信系统和自动监测监控系统（包括数据采集系统），以及专门的工程运行管理人员和系统操作人员，只要充分利用这些现有条件，可以在少量投资的支持下完成数字工程所需硬件系统的建设。所以，从一定程度上讲，数字南水北调工程的建设，主要是数据库和应用软件的开发。

此外，为了满足南水北调工程设计安全、可靠的要求，目前已经对很多重要的关键问题进行了大量的模型试验和数字计算研究，并且开发了一些数字预测预报软件、过程仿真软件，只要继续做一些深化工作，就可以将这些成果嵌入数字南水北调工程。

四、数字南水北调工程的工作主线

建设数字南水北调工程的工作千头万绪，为了在短时期内建成一个实用的数字南水北调工程，应当突出主要矛盾，首先确定它的工作主线。一旦确定了工作主线，其他工作就可以围绕它自然展开。

众所周知，修建调水工程的实质就是通过对水力的控制改变水流的自然流动方向。修建人工渠道、泵站，建立计算机网络系统、自动监测监控系统、通信系统的目的，都是为了更好地实施对水流的水力控制，所以数字南水北调工程的工作主线应当是水力控制。

就数字南水北调工程而言，首先应当开发能够在线运行的实时水力控制仿真软件?包括动态过程数字仿真软件、优化调度决策软件、故障诊断软件和泄漏检测软件等　，然后根据需要，有针对性地配置相应的硬件和其他运行管理应用软件。

五、开展数字南水北调工程的最佳时机

如果在南水北调工程建成后再考虑数字工程的建设，则存在一个问题，即已有的遥测遥感系统、卫星定位系统、计算机系统、网络系统、通信系统是否满足数字工程的性能要求。如果不能，势必对原有系统进行改造，甚至单独为数字工程新建一套与之配套的硬件系统。显然，这种做法是不可取的。

开展数字南水北调工程的最佳时机应该是现在，即在规划真实工程的同时进行数字工程的建设。其优点主要是：可以公用遥测遥感系统、卫星定位系统、计算机系统、网络系统、通信系统等高科技硬件设备，避免重复投资；数字工程的建设过程也是一个辅助真实工程规划设计的过程，获得一箭双雕的双重效益；在建成真实南水北调工程的同时，完成数字南水北调工程，充分发挥数字工程指导管理运行的作用。