摘要：该文设想构建南水北调西线工程数字化平台和虚拟环境，以完成多比例尺、多数据类型的水资源利用、生态环境、经济社会与国土状况信息的数字集成；通过西线调水区、输水沿线、受水区和后备水源区的数字仿真手段，对不同现有及存在的可能调水方案的工程可行性、有效性等予以综合分析和比选，并制定受水区水资源可持续利用与优化配置方案。

关键词：南水北调 西线工程 虚拟 仿真

1 背景
　　南水北调西线工程规划从长江上游大渡河、雅砻江、通天河上筑坝建水库，采用隧洞穿过巴颜喀拉山，向黄河上游补水，以补充黄河水资源不足，是解决我国西北地区干旱缺水问题的重大战略措施。同时，南水北调西线工程和东、中线工程共同组成一个有机整体，在一定条件和时间内，三条线可相互补充，尤其可通过适当调整黄河水量分配，使南水北调工程与北方东、中、西部水资源相互补偿，共同实现我国的水资源优化配置, 保证本世纪中叶我国人口高峰时国民经济和人民生活用水安全。
　　南水北调西线工程大规模的跨流域调水改变了原有水资源的时间、空间分布状况，相应地引起了调水区、受水区的自然环境、生态环境和社会经济发展的变化，并产生诸多有利的和不利的影响；同时，在施工和运行调度管理等方面，西线又是一个复杂、庞大、艰巨的系统工程，存在着许多世界性的难题。如：如何正确评价南水北调西线工程调水后对促进受水区社会经济发展以及生态环境改善的作用、对调水区可能引起的自然环境和生态环境变化？如何评价西线调水对黄河水资源的补偿作用？如何分析不同调水量的供水目标和供水范围？如何优化确定合适的坝高与洞线长度？如何研究远景规划中的后续水源的战略性问题？等等，对工程的规划决策及工程建成后的运行管理都有着重要意义。未雨绸缪，必须认真研究这些问题。
　　为解决南水北调西线工程实施中的一些世界性难题，通过全数字化数据平台的构建和数字仿真技术的应用，建立全新的数字化研究环境和虚拟调水工程环境，依靠大尺度、高精度情景数字模拟研究和实际验证，构建复杂系统优化决策模型，为回答西线调水中涉及国民经济建设和生态环境建设的重大战略问题以及工程的可行性和科学性问题提供工作平台。
　　2 目的
　　南水北调西线工程虚拟仿真及应用研究的目的：为解决南水北调西线工程实施中的一些世界性难题，集成全数字摄影测量、遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机辅助设计、数字三维仿真和多源空间数据无缝集成(Seamless Integration of Multi-source Spatial Data)等高新技术，建设南水北调西线工程勘测设计一体化数字集成平台和虚拟环境，完成多比例尺、多数据类型资料的数字集成，以功能强大的系统软件与模型为支撑，为相关科学家、工程规划设计人员高效的工作提供详实灵活便捷的数字流域研究环境，通过对南水北调西线工程调水区、输水沿线、受水区和后备水源区的数字仿真手段，对调水工程的可行性、有效性及存在的可能方案进一步予以综合分析与论证。可在调水线路沿线依据其地形、地震、工程地质等条件，对不同调水实施方案的投资规模、工程实施条件进行比选，并初步估计其生态环境影响；依据调水前提对受水区社会、经济与生态环境效益做出分析，提出客水分配与利用的优化模式；通过对后备水源区的相关研究，探讨后续扩大调水的可行性及其影响。为水资源跨流域配置方案的优化选择提供全新的高技术支撑工具，加快南水北调西线工程的准备，为规划决策及工程实施提供科学依据。
　　3 南水北调西线工程虚拟仿真及应用研究主要内容
　　研究内容主要包括两个方面，第一个方面，针对南水北调西线工程研究多信息源集成的数字平台和虚拟仿真的关键技术，构建一个涵盖调水区、输水沿线、受水区的数字平台和虚拟仿真系统；第二方面，在数字平台和虚拟仿真系统的支持下，对西线调水工程中的不同调水量、供水目标、外调水和内地水分配利用、输水路线以及对生态环境影响等问题进行系统分析和优化研究。
　　3.1 南水北调西线数字集成系统研究
　　研究如何以南水北调西线（含后备水源区）跨流域调水工程规划勘测设计准备工作为需求背景，在调水线路区、受水区、水源区构建一体化的数字集成平台，提供数字仿真研究数据基础。主要内容包括：
　　3.1.l 空间数据库设计及关键技术研究——1)数字化集成平台设计、数据标准规范制定、数据字典和表结构设计。研究数据库应包含的内容、数据项、涵盖范围、组织策略等；2) 海量多数据源、多类型、多要素、多尺度、多时相空间数据库管理系统的研究。在以往工作积累的基础上根据本项目的要求，完善大型空间数据库管理系统，使之能够管理图形数据、影像数据、三维高程数据和属性数据等多类型数据，探讨数据库多源数据逻辑一致性协调与管理方法。完善系统安全管理设计，最大限度地实现空间数据库系统与虚拟现实系统、计算机辅助设计系统的互操作。
　　3.1.2 南水北调西线数据库集成——开展西线调水环境与工程数据库建设。分别在调水工程线路、受水区和调出区建设多比例尺系列的多要素地理环境空间数据库，作为宏观和典型区域环境虚拟仿真研究的数据本底。在各方面数据条件允许的情况下具体内容为：1) 区域背景影像数据库,覆盖全部区域，配合1/5万、1/25万尺度分析需要，拟采用2000年ETM影像图为基础，对图像时相不佳的图像以2000年以后的夏季影像更替后制作成相应比例尺影像图；在需用1/1万数据的工程线路典型区段，如地图条件不能满足需要的情况下，不排斥使用高分辨率卫星立体对影像数据。2) 区域电子地形图、数字高程模型（DEM）数据库：1/25万数据覆盖全部工作区，1/5万数据覆盖调水区线路两侧、受水区黄河干流两侧300 m高程区间，1/1万数据覆盖工程线路典型区段。3) 区域土地覆盖、土地资源数据库：1/25万土地覆盖数据库覆盖全部工作区域，1/5万土地覆盖数据库覆盖调水区线路两侧、受水区黄河干流两侧200 M高程区间，1/1万土地覆盖数据库覆盖工程线路典型区段。依据影像数据参照2000年1/10万土地利用现状图解译编绘制作。1/100万土地资源数据库覆盖全部工作区域，由已有成果移植修编完成。4) 区域构造地质、水文地质、地勘数据库：1/20万普通地质空间数据库覆盖全部调水水源区;1/20万或更大比例尺普通地质电子地图、水文地质电子地图覆盖调水工程典型地段。5) 区域气象、水文数据库：兼顾受水区、重点在调水区和后备水源区，尽可能长地搜集时间序列基本气象(如气温、地温、降水、风速、蒸发、辐射等参数)、水文（流量、水位、悬移质含量、水质等参数）数据，在展布观测站空间位置的基础上，内插构成各要素的空间等值线分布或沿程分布数据库。6) 区域社会经济、人文综合基础数据库：在全部工作区以县为基本单位的人口、耕地面积、产值等社会经济状况统计数据，工程沿线展布到图斑。将重要文物、重点宗教设施等标定在电子地形图数据基底上构成人文综合数据库层面。7) 区域水资源数据库：以受水区水资源利用三级分区数据库为基础，补充调水区相应分区构成覆盖全部工作区的水资源及利用分区数据库；以地形数据为基底将全部工作区水利工程现状和规划资料展布在二维空间上。8) 生态环境数据库：生物多样性、林草地表覆盖度、土壤类型和质量、土壤侵蚀、人口承载力、荒漠化、盐碱地、主要野生动植物分布等。

3.2 南水北调西线虚拟仿真系统研究
　　虚拟仿真系统是在数据集成平台软硬件环境的支持下，研制模拟仿真、综合分析的工具。内容包括：
　　3.2.1 空间分析与仿真基本算法研究及开发 扩展GIS的空间分析功能，研究三维叠置分析、三维缓冲分析、三维最优路径与工程优化分析，为虚拟仿真研究提供基本三维空间分析函数库。
　　3.2.2 工程沿线可视化的三维虚拟地理环境构建 构建南水北调西线工程沿线可视化的三维虚拟地理环境，模拟地表质地、地表覆盖、道路交通、高程、坡度、气候等地理环境因素为不同调水方案工程实施研究提供三维地理环境。
　　3.2.3 工程沿线可视化的三维工程施工虚拟环境构建 构建南水北调西线工程沿线可视化的三维工程施工虚拟环境，模拟不同调水方案的各种工程参数，提供进行线路投资空间三维分布的计算手段；以三维工程施工虚拟环境提供解决坝高与洞线长度优化、多库联调输水方式优化等技术问题的工具。
　　3.2.4 工程沿线可视化的三维地质虚拟环境构建 在三维虚拟地理环境的基础上，结合南水北调西线工程沿线的活动断裂带、地震烈度区划、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害资料，对不同选线方案主要地质灾害危害和风险性进行虚拟研究和评估提供可视化平台和手段。
　　3.2.5 虚拟系统集成应用 在虚拟系统工具组件开发的基础上，根据调水区、受水区、水源区不同的应用目标，在数据集成平台的支持下，结合各专业模型，使虚拟系统平台将水资源优化配置、调水方案优化、调水线路及联合调度、生态环境影响等仿真模型能够完整地集成在一起，形成一个面向具体应用的虚拟仿真系统。
　　3.3 南水北调西线水资源合理配置研究
　　西北地区作为21世纪我国新的经济增长点，在国家粮食安全、能源、原材料工业等方面拥有无可替代的作用，突出的区位优势和相对薄弱的水资源条件，形成了该区域可持续发展的主要矛盾。在西部大开发和西部地区严重缺水的背景下，依据受水区对水资源的内在需求，就水资源开发、利用、配置、保护、管理等问题，进行受水区不同水平年的需水预测和缺水识别；论证南水北调西线外调水与当地水结合利用方式；对不同调水量的供水目标及供水范围进行分析，为确定西线各期调水工程合理的供水范围、供水线路提供决策手段和方法。主要内容包括：
　　3.3.1 受水区水资源演变内在规律研究 区域产水量变化的趋势，将直接影响水资源危机发生的频次和程度。伴随着工业化和城镇化进程以及不当用水方式，受水区生态环境有继续恶化的趋势。事实上，所研究的受水区的生态退化是水危机即将发生的重大征兆。根据流域水循环演变趋势，利用区域水资源二元演化模型，模拟受水区水资源在一定演变速率情景下流域供水和缺水变化趋势，揭示未来水资源演变对受水区供水和缺水形势的影响。
　　3.3.2 不同水平年需水与缺水预测 随着人口增加和经济发展，西北地区水资源需求不断上升，而脆弱的生态环境和资源型缺水的自然条件，加剧了城市与农村、工业与农业、经济与生态之间的用水竞争。以经济社会发展的长期态势和生态环境建设的需要为基础，在西部大开发的宏观战略指导下，结合受水区土地功能分区的分析，研究受水区不同水平年的需水预测，进行水资源供需形势和对经济发展影响展望，分析缺水性质以及缺水分布等态势。
　　3.3.3 供水工程方案研究 利用数字动态模拟系统，对受水区的不同供水线路、供水工程进行虚拟仿真，为确定供水工程的规模指标，分析供水工程的可能性、可行性，提供技术方案和建议。
　　3.3.4 水资源合理配置研究 根据受水区缺水分布和调水区的不同输出水量方案，利用虚拟研究环境平台，针对不同供水范围和供水目标，进行技术和经济合理性分析，提出不同来水条件下的水资源合理配置方案。
　　3.3.5 外调水与当地水置换方式研究 基于虚拟仿真环境，对南水北调西线外调水与当地水结合利用方式进行研究，主要内容包括：对黄河流域各支流进行流域水量的综合平衡，合理确定从各支流的引水量，合理确定受水区的用水规模，进一步确定支流向黄河干流的入流减少量，并通过水资源供需分析，合理确定南水北调西线工程需要对黄河干流增加的补水量。
　　3.3.6 沿线输水方式优化布置及调度研究 西线调水区的蓄水水库分处不同的河流，在同一年份其水量丰枯不同，为满足调水需要，对多库联合调度进行研究。输水方式若采用无压流，则输水隧洞断面大，但衬砌要求相对简单；若采用有压输水则断面可缩小，但衬砌要求高，不同方式的输水能力也不同，通过对输水方式进行优化研究，对合理确定西线工程的输水方式提供技术方案和建议。
　　3.4 南水北调西线后备水源战略研究
　　在建立的南水北调西线远景调水区虚拟仿真平台的基础上，重点研究西线调出区自然变化和人类活动影响下的水资源状况，远景调水区调水线路评价以及可调水量分析，主要内容有：
　　3.4.1 水源区水资源评价。调出区人迹罕至，水文、气象资料极度缺乏 通过对时空变异规律的分析，提出不同类型地区水文、水资源仿真模拟模型，从而在过去工作的基础上，进一步摸清调出区不同地区、不同海拔、不同时间水资源的数量与质量，较好地填补这一地区水资源时空分布和垂直变化的空白，为西线调水奠定可靠的物质基础。
　　3.4.2 远景调水区工程线路与规模研究 根据我国地势西高东低的特点，在大量空间数据支持下，采用地理信息技术，在可预见的时间尺度内，进一步探讨和评价西线调水可能实施的路线和调水路线上各种参数以及配套的工程型式和规模。在综合分析的前提下，客观反映各种调水线路的优缺点和存在的主要问题，为西线南水北调远期决策服务。
　　3.4.3 远景调水区可调水量研究 可调水量在一定程度上取决于水源区的各种限制条件,通过中长期社会经济发展需水分析、丰平枯不同频率下的影响模拟、流域生态系统用水预测、调水工程系统水量损失仿真以及调水区可能外援的水量，然后结合受水区的实际需要，拟定不同调水线路的调出水量。
　　3.5 南水北调西线调水对生态环境影响研究
　　3.5.1 调水对受水区土地利用/覆盖影响研究 在对受水区土地利用和生态环境评价基础上，研究不同调水量对土地利用/覆盖变化和生态环境的影响。进一步分析西线调水对生态建设的影响；研究西线调水对风沙带的影响。
　　3.5.2 调水对调出区生态环境影响研究 在不同调水方案基础上，研究不同调水量对调出区土地利用和生态环境的影响。分析调水对水源调出区在不同的水量调出方案(包括不同年调水总量和季节分配方案)，对土地利用和生态环境变化的影响。模拟供水量的时空变化对旱涝灾害调节与防灾减灾的影响，并提出综合应对策略。
　　3.5.3 调水对调水沿线生态环境影响研究 研究不同调水方案对调水沿线土地利用和生态环境的影响，评价沿线淹没损失，提出相应的对策。
　　4 结 语
　　南水北调西线工程从西南地区引水向西北地区补水，是解决我国西北地区干旱缺水问题的重大战略举措。南水北调西线工程可通过适当调整黄河水量分配，使南水北调工程与北方东、中、西部水资源相互补偿，共同实现我国的水资源优化配置, 保证本世纪我国人口高峰时国民经济和人民生活用水安全。南水北调西线工程虚拟仿真及应用研究成果对这一工程的规划决策及工程建成后的运行管理都有着重要意义，其研究方向是前瞻性的，对推动高新技术在解决我国北方地区水资源问题提出新的途径。