治黄科技支撑体系的建设与发展探讨（刘斌,霍小虎,孙建奇,苏运启）

治黄科技支撑体系是指借助现代科学和技术的发展，通过原型观测、模型试验和数字模拟等手段，了解黄河各种现象之间的内在规律，掌握黄河水沙情况变化的趋势，制定切实可行的对策措施，为黄河治理开发与管理提供决策支持，实现以水资源的可持续利用支持经济生活的可持续发展。治黄科技支撑体系包括三个子体系，即水沙监测与预测预报、“数字黄河”工程和“模型黄河”工程。

1、治黄科技支撑体系的起步与建设

黄河是中华民族的母亲河，开展水文观测已有四千多年的历史[1]；固定的规范观测可追溯到近300年前清康熙年间[2]，从民国时期开始按近代水文科学知识布设水文测站和进行水文观测。1912年在山东泰安设立雨量站[3]，1915年在黄河支流大汶河南城子设立水文站，标志着黄河流域以近代科学方法进行水文观测的开始。以后，逐步设立了各种水文测站。黄河干流最早的水文站——陕县和泺口水文站,于1919年分别设立在河南、山东[4]。1946年人民治黄以来，黄河水沙测验工作有了长足的发展，开展了站网规划与建设、洪水测验、洪水调查、资料整编等一系列工作。 1956 年全流域第一次开展了流域统一站网规划[5]。并先后与1961年、1963～1965年、1977～1979年、1983年又进行了四次较大的站网规划的调整和补充。

为了加强水利科研发展，根据治黄发展的需求， 1950 成立了黄河水利科学研究院，重点开展以河流泥沙为中心的多学科、综合性水利科研工作[6]。为三门峡水库运用与改建、小浪底水库的规划、设计、施工中的关键问题等开展了大量卓有成效的实体模型试验，研究成果为解决工程的重大技术问题提供了依据。开展了河道整治、下游河道演变规律等模型试验。

随着计算机的应用、普及与发展，针对治黄存在的重点问题，我委建设和研发了“小花间致洪暴雨预报系统”、“小浪底水情自动测报系统”、“黄河防洪决策支持系统”、“黄河水量调度管理系统”等业务应用系统。但是，这些系统间存在着基础设施及功能不完善、建设分散、条块分割、新技术应用不足、管理水平不高、缺乏统一规划等问题[7]。为提升治黄业务的科技含量，加强流域统一管理，推动黄河水利现代化建设， 2001 年 7 月，我委正式提出建设“数字黄河”工程，并编制完成了《“数字黄河”工程规划》，2003年通过了水利部的批复（水规计[2003]166 号），标志着治黄科技发展掀起了新的篇章。

2、科技支撑体系现状

治黄科技支撑体系的三个子体系起步时期不同，也经历了不同的发展阶段，在治黄发展中发挥了重要作用。

2.1水沙监测与预测预报体系

水沙监测与预测预报体系包括水文站网、测验设施设备、水库河道滨海测验、水文情报预报等方面的内容。

1) 水文站网

根据河流水系、水文分区和行政区域相结合并尊重历史分工的原则，开展省区与黄委全流域一体化的水文站网规划。截至2005年，黄河流域现有水文站 416 处；水位站 76 处；雨量站2281 处；泥沙观测站 252 处；蒸发站 161处；地下水观测井 2128 处。流域内水文站平均单站控制面积为 1900 km2 ，雨量站平均单站控制面积为 330 km2 。现有水文站网在防汛抗旱、水资源管理、水利工程的规划设计、国民经济建设中发挥了巨大作用。

2) 测验设施设备

截止目前，黄河流域水文系统共建成各种水文缆道 592 处,各种测船 163 艘，专用测桥 85 座，水位观测平台 561 处，无线电台 532 部， ADCP 24 台，全站仪 86 台,全球定位测量宇宙站 66 台，以及生产业务用房、防汛用车等。

3) 水库、河道、滨海测验

黄河下游河道淤积测验工作开始于上世纪 50 年代， 1962 年以后开始进行统一性的河道淤积测验，并一直不间断的延续至今。截至目前，黄委管辖范围内水库、河道及河口滨海区淤积测验断面数量为 808 个，主要分布在三门峡库区及以下地区。

4）水文情报预报

目前,主要开展的预报项目有气象预报、洪水预报、径流预报等。黄河气象预报主要依赖天气学预报方法， MM5 和 AREM 中尺度数值降雨预报模式预报成果，预见期为 24-72 小时。现在已经开发多种黄河干支流主要站的洪水预报方案，黄委和省区基本建立了相应的洪水预报系统。实施中的“黄河小花间暴雨洪水预警预报系统”中的气象水文预报系统，可实现定量降水预报与洪水预报、径流预报有机结合，实现连续、滚动的气象、洪水、径流预报。

2.2 “数字黄河”工程

“数字黄河”工程总体框架主要由应用系统、应用服务平台、基础设施等三个层次组成，基础设施主要包括数据采集、数据传输、数据存储与处理等系统。应用服务平台包括应用服务和资源管理。业务应用系统主要包括防汛减灾、水量调度、水资源保护、水土保持、工程建设与管理、电子政务等。经过几年的建设，“数字黄河”工程取得了重大进展,并在黄河治理开发中发挥了重要作用。

1)应用系统建设进展顺利

防汛：开展了 "黄河小花间暴雨洪水预警预报系统" 建设；完成了黄河下游工情险情四级信息采集体系试点建设；建设了预报调度耦合系统；建成了异地视频会商系统；初步完成了黄河下游基于 GIS 的二维水沙演进数学模型；建成了黄河下游防洪防凌信息监视系统（试点），全面启动了国家防汛抗旱指挥系统一期工程。这些系统的建成，为黄河防洪防凌以及调水调沙的调度决策发挥了积极的作用。

水资源管理与调度：建设了黄河水量总调度中心，初步实现了水量调度信息的计算机管理，黄河下游 77 座引黄涵闸实现了远程监控；开展了黑河水量调度管理系统建设。

水资源保护：初步建设了水资源保护监控中心；建成水质移动监测车；开发了水资源环境信息系统。

水土保持：基本完成水土保持生态环境监测系统一期工程建设。

工程建设与管理：黄河下游防洪工程维护管理试点系统已基本完成，开发完成了工程管理维护模型，提高了黄河水利工程的建设管理和维护管理的水平。

电子政务：完成了水利部电子政务一期工程。

2）基础设施建设日益完善

基本建成了覆盖黄河中下游的通信和网络，完成数据中心一期工程，建成一些基础数据库和专业应用数据库。

3）建设管理体系基本形成

成立了专门的管理机构，制定了“数字黄河”工程标准体系，编制了多项技术标准，发布了相关规章制度。

2.3 “模型黄河”工程

“模型黄河”是由专用的实体模型所组成的科学试验技术体系。一方面“模型黄河”直接提供黄河治理开发方案，另一方面为“数字黄河”工程建设提供物理参数。

早在 1923 年，德国恩格斯教授就利用实体模型开展了黄河丁坝试验[8]。新中国成立后，实体模型试验在治黄中逐步得到发展并发挥了较好的指导作用，模拟技术也得到迅速发展。经过几十年的建设和发展，目前已建成了包括小浪底至陶城铺河段河道模型，小浪底库区模型、三门峡库区模型、部分概化模型、基础研究试验水槽和土壤侵蚀土槽等在内的诸多实体模型，黄土高原模型、黄河河口实体模型的设计和建设也在进行之中。

1）开展了洪水演进和河道整治模型试验

1992 年以来，多次开展了黄河下游游荡性河段洪水演进试验，增强了黄河下游防洪预案制定及防洪调度决策的科学性。近年来，针对小浪底水库运用后新的水沙条件，开展了大量的模型试验研究和检验，研究成果已在当前黄河下游游荡性河道整治中得到应用实施。

2）重大生产项目模型试验

包括潼关高程控制及三门峡水库运用方式、利用桃汛洪水冲刷降低潼关高程、三门峡水库汛期运用方式试验研究、黄河调水调沙、小北干流放淤等重大试验项目。

3）开展了基础试验研究

在进行大量实体模型试验研究的同时，也开展了基本理论和基本规律等基础试验研究，并都取得了可喜的成果。

4）促进了数学模型的发展

在理论分析的基础上，借助实体模型试验，黄委先后研发了多项二维（准二维）数学模型。

总之，60余年来，黄河实体模型试验，不仅解决了黄河治理开发规划、设计和工程建设中的众多关键问题，发挥了科学指导作用，而且，也极大地促进了治黄科技水平提高和黄河实体模型模拟理论及技术的发展。

3、存在问题

3.1 水沙监测与预测预报体系难以适应新的治黄形势要求

1) 水文站网建设不适应黄河治理开发需求

长期以来，水文主要是为防汛指挥决策，水利工程设计、建设和管理等方面服务。随着经济社会快速发展的新历史时期，当前，迫切需要水文在防洪、抗旱减灾、水量调度管理、水沙调控体系建设、水环境保护、生态环境恢复等多方面提供强有力的支撑。但是，黄河水文站网体系在功能、布局、密度等方面均不能满足黄河治理开发及经济社会发展的要求。

2) 水文基础设施建设不适应现代化的发展要求

目前，黄河流域国家重要水文站进行改造的站仅占 30% 。未改造的测站多数设施设备已老化落后，多数测站采用传统测验方法，部分站为人工观测，测报水平和能力低，不能适应水利现代化发展的要求。

3) 水库、河道、河口、滨海区水文泥沙测验体系不适应构建黄河水沙调控体系的整体要求

目前在上游梯级水利枢纽密集区、宁蒙河道冲淤变化剧烈区、中游水土流失严重区和河口滨海区的淤积测验断面和设施都存在着严重的不足和空白；下游河道淤积测验断面较少；测验方法、成果分析、仪器研发、测量技术提高、成果和资料的整编方法研究等方面都存在着不同程度的滞后现象。

4) 水文预报不适应治黄工作的总体要求

近年来，水文预报在预报项目上有所拓展，预报精度也在不断提高，但仍不能满足精确预报的需要；暴雨预报需提高洪水预报预见期；降水预报与洪水预报、径流预报尚未有效结合，没有实现气象、洪水、径流的连续、滚动预报；泥沙预报和冰凌预报刚刚开始研究，处于摸索阶段。

3.2 “数字黄河”工程亟待加强建设

1）基础设施建设急需加强

近年来，基础设施建设得到了有效加强，但随着业务应用功能和范围的不断扩展，仍不能满足应用需求的增长。

通信及计算机网络:数据点接入、网络覆盖规模、网络运行及网络安全问题都有待完善。

在数据存储与管理方面，数据中心的作用尚未完全发挥、资源共享体没有形成、存储空间不足、数据安全隐患等问题有待解决。

在遥感和基础地理信息管理方面，先进技术的应用深度和广度还远远不够。

2）业务应用水平亟待提高

针对治黄业务工作的主要流程和关键环节，六大应用系统中相应的系统功能依然不够完善。

3）应用的基础研究滞后

现有应用系统功能较为单一，普遍缺乏成熟的数学模型支撑，急需加快相应的基础研究。

4）信息资源共享依然存在难题

一方面是黄委内部的共享发展问题，另一方面是与流域相关省区资源共享问题。

3.3 “模型黄河”工程有待于深入和完善

1）部分迫切需求的实体模型和野外试验场仍未得以构建

如古贤水库模型、东平湖防洪调度模型、大型水利枢纽模型、堤防工程模型、宁蒙河段河道模型和陶城铺～利津河道模型等均未建设，难以满足黄河治理开发与管理多方面的重大实践需求。

2）一些模型的功能需要进一步扩展

例如，目前所建水土保持实体模型均为小型的坡面土槽，不具备研究沟道治理方案的功能，甚至还不具有对坡面工程措施方案进行优化研究的功能。

3）对实体模拟理论与技术开展的专项研究不够

如目前对岸坡或滩岸等重力侵蚀模拟、土壤侵蚀产沙模拟、多沙陆相弱潮河口海岸演变模拟等方面仍缺乏成熟的理论和方法，直接制约了“模型黄河”工程建设的可持续发展进程。

4）模型试验测控系统的建设缺少专项研究

黄河实体模型多属于高含沙动床模型，目前缺乏高含沙水流模型试验测控系统研发的专项支持，制约了模型试验参数量测精度和工作效率的提高。

5）“模型黄河”工程建设基地规模需要适度扩展

目前“模型黄河”沙门试验基地已趋饱和，已无法满足未来实体模型发展和试验研究的需要。迫切需要扩展试验基地规模。

3.4 科技支撑体系管理体制存在问题

由于治黄科技支撑体系三个子体系的起步时间不同，相应的工作分别由不同的单位承担，委内也没有专门部门统筹考虑这方面的管理工作，因此，在三个子体系的发展上存在很大的不平衡、不匹配，三个子体系之间的信息共享缺乏统一管理，在一定程度上制约了“三条黄河”的联动发展。

4、需求分析

4.1水沙监测与预测预报体系

4.1.1 进一步完善水文站网结构与布局

过去，治黄的主要任务是防洪和减淤，尤其是防御大洪水，因此，水文站网结构简单，布局集中。如今，黄河面临的是洪水威胁依然严重、水资源供需矛盾日益尖锐、水土流失尚未得到有效遏制、水污染不断加剧等４方面的重大问题，以往的水文站网结构与布局是不能满足当前治黄发展的需求的，结构上应重点加强对水土流失和水质方面的站网规划，布局上应在流域范围内扩大，建立较为完善的水文站网体系。

4.1.2 加强水文基础设施建设

目前，黄河流域水文基础设施建设尚难以满足要求，国家重要水文站进行改造的站仅占30%，未改造的站存在着建设标准低、设施设备陈旧老化的现象，难以经受大洪水的考验；低水测验设施设备缺乏，影响测验精度，难以满足抗旱工作的要求。

4.1.3 提高水文测报能力

由于长期的历史原因，以及水文工作的行业特殊性，水文测报能力与水利现代化及社会经济的发展要求尚存在一定差距，水文测报的时效性和精度要进一步提高需要。

4.1.4开展水文科学实验

开展水文科学实验，为水文生产实践提供有力的科技支撑。当前，需要在水文基本规律、水文监测技术、水文测报新仪器设备、水文自动化测报系统等方面开展系统研究。

4.1.5 重视治黄水文工作的特点

水文工作具有多项并重的特点：超前性和基础性并重；长期性和连续性并重；实时性和准确性并重；整体性和区域性并重；艰苦性和危险性并重。由于黄河具有含沙量高、河床冲淤变化大、一年四个汛期（伏汛、秋汛、凌汛和桃汛）、局地暴雨洪水频发等复杂性，给黄河水文测报带来许多困难和问题。重视水文工作特点，结合黄河实际，加大水文基建投入力度。

4.2 “数字黄河”工程

4.2.1加强应用系统建设

防汛：目前，黄河防汛的重点也从黄河下游拓展到包括渭河下游、宁蒙河段、流域大中型水库等，相应防汛应用系统需统一加强建设。另外，还应开展应急防汛的方面的工作。

水量调度：目前水量调度业务范围已从黄河干流扩展到重要支流，将逐渐覆盖全流域，涉及其他11个省区，需要建立完善的水量调度应用系统，并加强安全保障。

水资源保护：近年来，水生态保护规划列入流域水资源保护的业务范畴。急需加强水生态保护应用系统建设，重点是黄河河源和河口等湿地生态,以及黑河下游的生态变化。

水土保持：随着3S、遥感等新技术的飞速发展和治理措施的不断完善，在加强重点区域水土保持的同时，要尽快扩大监测和治理范围，并建立流域水土保持支持体系。

工程建管：自动化程度还有待提高，以全面满足水利工程建设管理、水利工程运行管理和水利移民管理等业务需求。

4.2.2扩大基础设施建设

通信网络：建设层次分明的黄河流域通信网络，开展黄河通信交换专网改造。采用多种方式,方便信息采集点就近接入网络节点。

数据存储：数据存储容量要满足“数字黄河”工程业务应用系统建设的总体需求，并留有余地。加强数据库建设，提高数据安全与保护能力，多方位解决数据共享问题。

基础信息采集：增加数据采集的范围，提高遥感信息服务质量，满足业务应用需求。

4.2.3完善应用服务平台

建立功能完善的应用服务平台，实现多层次资源的高度共享和集成。

4.2.4完善数学模型研发

扩大数模开发范围，加强模型的边界更新。建立和完善满足专业需求的业务数模。

4.3 “模型黄河”工程

建设“模型黄河”工程是研究黄河复杂演变规律、解决治理措施与对策等诸多重大应用基础问题及关键技术问题的重要手段的之一。

4.3.1 水土流失治理的需求

在黄土高原水土保持生态建设生产实践中，仍有一些重大的应用基础问题和关键技术未能得到解决，迫切需要在开展野外原型观测的同时，结合黄土高原小流域实体模型和水土保持室外试验场试验观测的方法，进行深入研究。

4.3.2 构建水沙调控体系的需求

黄河水沙调控及防洪减淤体系主要由已建的干流龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底和规划的碛口、古贤、黑山峡水库7座骨干工程，以及支流已建的陆浑、故县水库和规划的河口村、东庄水库组成。要充分发挥水沙调控体系的作用，对已建水库、待建水库、水库群的联合调度等多方面开展模型试验研究是必不可少的。

4.3.3 河道治理及泥沙处理利用的需求

根据治黄发展的要求，近期需要研究解决重点河段的河道治理和泥沙处理利用，包括宁蒙河段、小北干流河段、渭河下游河段、小浪底至陶城铺河段、陶城铺至利津河段等。

4.3.4 河口治理的需求

黄河口是黄河水沙的承泻区，总体上处于淤积延伸状态。黄河口的演变受河流动力和海洋动力的双重作用，以及河口河道、口门和滨海边界条件的共同制约。由于黄河口演化环境复杂，观测资料少且不系统，河口数学模型尚不成熟，涉及黄河口的关键技术问题，须借助于模型试验的手段，结合其他方法综合研究。

4.3.5 水资源管理与水生态修复需求

水资源管理与水生态修复研究跨越水文、水资源、生态、环境及社会、经济等多个学科，开展室内外试验，取得第一手观测资料，是深入研究的基础。

4.3.6 堤防安全的需求

堤防是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分，是保卫黄河安澜的最后一道防线，有必要建设堤防工程模型，开展堤防安全与防汛抢险中的关键技术问题研究，以满足保障堤防安全与防汛抢险的重大需求。

4.3.7 研究黄河基本规律需求

黄河演化规律复杂，仍需对于一些基本规律的进行深化研究，通过实体模型试验并结合其它研究手段开展对黄河基本规律研究。

5、今后发展建议

1）重视科技支撑体系在治黄实践中的重大作用

在治黄事业的建设和发展上，科技支撑体系属于非工程措施，以往的发展并没有得到应有的重视。随着科技进步的日新月异，科技支撑体系在黄河的治理开发与管理中的作用会越来越重要。

2）加大科技支撑体系的硬件建设

当前，黄河的治理开发与管理面临四大问题，即洪水威胁依然是严重、水资源供需矛盾十分突出、水土流失尚未得到有效遏制、水污染日趋严重。在总结治黄60多年经验的基础上，围绕当前治黄存在的重点问题，加大设施设备、模型基地等科技支撑体系的硬件投入，推动治黄现代化建设发展。

3）促进科技支撑体系的软件发展

科技支撑体系的软件包括人才和技术两方面。在重视专业人才的培养、培训的同时，重视程序编排、模型研发、科技成果推广等非物质产品，使科技支撑体系成为治黄事业快速发展的基石。

4）加强管理，全面发挥科技支撑体系的作用

科技支撑体系由三个子体系组成，不可或缺。近几年，一些重大实践项目都采用了“三条黄河”联动的形式，为治黄事业提供最先进的方法、最及时的成果。 在总结这些经验的基础上，提升各项业务的科技含量，充分发挥科技支撑体系的作用，全面推进科技治黄的发展。

参考文献

1、http://tech.163.com/06/0315/15/2C906L4F00091537_2.html;

2、徐新军 杨国伟，瓶颈的突破—黄河水文站网共建共管创新发展模式侧记，http://www.hwswj.gov.cn/Info/Publish/Publish014/ShowInfo.asp?nInfoID=20736&cTableName=S001;

3、http://www.hwswj.gov.cn/Info/Publish/Publish001/ShowInfo.asp?nInfoID=3132&cTableName=S001;

4、http://www.hnsl.gov.cn/look0/article.php?L_Type=1&id=303;

5、李国英，建设“原型黄河”完善的测验体系，http://www.hwswj.gov.cn/Info/Publish/Publish001/ShowInfo.asp?nInfoID=1083&cTableName=S001

6、http://www.yrihr.com.cn/hkygk.asp

7、黄委编，“数字黄河”工程规划，黄河水利出版社，2003年9月第一版;

8、黄委编，“模型黄河”工程规划，黄河水利出版社，2004年1月第一版。