水利工程論文-南水北調(diào)西線工程虛擬仿真及應(yīng)用研究設(shè)想.doc

水利工程論文-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(tái)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(jì)社會(huì)與國(guó)土狀況信息的數(shù)字集成；通過(guò)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(duì)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(zhǎng)江上游大渡河、雅礱江、通天河上筑壩建水庫(kù)，采用隧洞穿過(guò)巴顏喀拉山，向黃河上游補(bǔ)水，以補(bǔ)充黃河水資源不足，是解決我國(guó)西北地區(qū)干旱缺水問(wèn)題的重大戰(zhàn)略措施。同時(shí)，南水北調(diào)西線工程和東、中線工程共同組成一個(gè)有機(jī)整體，在一定條件和時(shí)間內(nèi)，三條線可相互補(bǔ)充，尤其可通過(guò)適當(dāng)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(bǔ)償，共同實(shí)現(xiàn)我國(guó)的水資源優(yōu)化配置,保證本世紀(jì)中葉我國(guó)人口高峰時(shí)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shí)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化，并產(chǎn)生諸多有利的和不利的影響；同時(shí)，在施工和運(yùn)行調(diào)度管理等方面，西線又是一個(gè)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(píng)價(jià)南水北調(diào)西線工程調(diào)水后對(duì)促進(jìn)受水區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境改善的作用、對(duì)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(píng)價(jià)西線調(diào)水對(duì)黃河水資源的補(bǔ)償作用？如何分析不同調(diào)水量的供水目標(biāo)和供水范圍？如何優(yōu)化確定合適的壩高與洞線長(zhǎng)度？如何研究遠(yuǎn)景規(guī)劃中的后續(xù)水源的戰(zhàn)略性問(wèn)題？等等，對(duì)工程的規(guī)劃決策及工程建成后的運(yùn)行管理都有著重要意義。未雨綢繆，必須認(rèn)真研究這些問(wèn)題。為解決南水北調(diào)西線工程實(shí)施中的一些世界性難題，通過(guò)全數(shù)字化數(shù)據(jù)平臺(tái)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(shí)際驗(yàn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重大戰(zhàn)略問(wèn)題以及工程的可行性和科學(xué)性問(wèn)題提供工作平臺(tái)。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(shí)施中的一些世界性難題，集成全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)字三維仿真和多源空間數(shù)據(jù)無(wú)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(cè)設(shè)計(jì)一體化數(shù)字集成平臺(tái)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(qiáng)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(jì)人員高效的工作提供詳實(shí)靈活便捷的數(shù)字流域研究環(huán)境，通過(guò)對(duì)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(duì)調(diào)水工程的可行性、有效性及存在的可能方案進(jìn)一步予以綜合分析與論證。可在調(diào)水線路沿線依據(jù)其地形、地震、工程地質(zhì)等條件，對(duì)不同調(diào)水實(shí)施方案的投資規(guī)模、工程實(shí)施條件進(jìn)行比選，并初步估計(jì)其生態(tài)環(huán)境影響；依據(jù)調(diào)水前提對(duì)受水區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(guò)對(duì)后備水源區(qū)的相關(guān)研究，探討后續(xù)擴(kuò)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(zhǔn)備，為規(guī)劃決策及工程實(shí)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?jī)?nèi)容主要包括兩個(gè)方面，第一個(gè)方面，針對(duì)南水北調(diào)西線工程研究多信息源集成的數(shù)字平臺(tái)和虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)涵蓋調(diào)水區(qū)、輸水沿線、受水區(qū)的數(shù)字平臺(tái)和虛擬仿真系統(tǒng)；第二方面，在數(shù)字平臺(tái)和虛擬仿真系統(tǒng)的支持下，對(duì)西線調(diào)水工程中的不同調(diào)水量、供水目標(biāo)、外調(diào)水和內(nèi)地水分配利用、輸水路線以及對(duì)生態(tài)環(huán)境影響等問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析和優(yōu)化研究。3.1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（含后備水源區(qū)）跨流域調(diào)水工程規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(tái)，提供數(shù)字仿真研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要內(nèi)容包括：3.1.l空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究1)數(shù)字化集成平臺(tái)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、數(shù)據(jù)字典和表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包含的內(nèi)容、數(shù)據(jù)項(xiàng)、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(shí)相空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(xiàng)目的要求，完善大型空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(jì)，最大限度地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的互操作。3.1.2南水北調(diào)西線數(shù)據(jù)庫(kù)集成開展西線調(diào)水環(huán)境與工程數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)，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(kù),覆蓋全部區(qū)域，配合1/5萬(wàn)、1/25萬(wàn)尺度分析需要，擬采用2000年ETM影像圖為基礎(chǔ)，對(duì)圖像時(shí)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(wàn)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(duì)影像數(shù)據(jù)。2)區(qū)域電子地形圖、數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)庫(kù)：1/25萬(wàn)數(shù)據(jù)覆蓋全部工作區(qū)，1/5萬(wàn)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(wàn)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(kù)：1/25萬(wàn)土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋全部工作區(qū)域，1/5萬(wàn)土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)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(wàn)土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)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(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖解譯編繪制作。1/100萬(wàn)土地資源數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)：1/20萬(wàn)普通地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋全部調(diào)水水源區(qū)；1/20萬(wàn)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(kù)：兼顧受水區(qū)、重點(diǎn)在調(diào)水區(qū)和后備水源區(qū)，盡可能長(zhǎng)地搜集時(shí)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（流量、水位、懸移質(zhì)含量、水質(zhì)等參數(shù)）數(shù)據(jù)，在展布觀測(cè)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(kù)。6)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文綜合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：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(huì)經(jīng)濟(jì)狀況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工程沿線展布到圖斑。將重要文物、重點(diǎn)宗教設(shè)施等標(biāo)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(kù)層面。7)區(qū)域水資源數(shù)據(jù)庫(kù)：以受水區(qū)水資源利用三級(jí)分區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，補(bǔ)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(kù)；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(kù)：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(dòng)植物分布等。3.2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(tái)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：3.2.1空間分析與仿真基本算法研究及開發(fā)擴(kuò)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(kù)。3.2.2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(shí)施研究提供三維地理環(huán)境。3.2.3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