南水北调VRSIM工程方案.docx

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南水北调VRSIM工程方案

南水北调中线工程虚拟仿真（VR-SIM）系统

平台构建方案

课题背景

我国水资源总量大约2.8万亿立方米，居世界第6位，但是由于人口众多，人均水资源量只有世界平均水平的1/4，是世界上最为缺水的国家之一。

目前全国年用水量大约为5600亿立方米，水资源开发利用程度已经达到了中高度紧张的水平，经济、社会生活已经开始影响生态需水，水资源过度利用造成的环境问题开始显现。

跨流域调水工程在我国出现的很早，早在2000年前的秦汉乃至春秋战国时期就出现了灵渠、鸿沟、邯沟等沟通不同流域的水利工程，但是那时主要是为了航运，这些水利工程的引水、调水作用也是航运服务的。

南水北调的正式开始构想由新中国第一代领导人于19世纪50年代中期提出，由于对工程规模和建设顺序的举棋不定，也出于对巨大投资的经济效益和工程对环境影响的担忧，南水北调从提出规划到开工建设经历了50年的论证。

南水北调，是一项跨流域的宏伟工程，旨在缓解北方水危机，实现南北经济齐飞，其深远意义为世人瞩目。

南水北调工程共分为东、中、西三线，三条调水线各有任务，不可相互替代。

三条调水线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。

南水北调中线工程从长江支流汉江丹江口引水，绕行南阳盆地北缘，越过方城隘口江淮分水岭沿伏牛山、太行山东麓自流到北京，干渠总长1245公里。

以解决沿线100多个城市生活和工业用水为主要供水对象，兼顾农业及其它用水，建成以后经济效益和社会效益巨大，主要体现在：

第一，将较大地改善北方地区的生态和环境特别是水资源条件，增加水资源承载能力，提高资源的配置效率，促进经济结构的战略性调整；对于扩大内需，保持全国经济的快速增长，实现全国范围内的结构升级和经济社会环境的可持续发展，具有重要的战略意义。

第二，通过改善水资源条件来促进潜在生产力形成现实的经济增长，通过建立南水北调工程新型的运行机制，促进受水地区加大节水、治污的力度，逐步改善黄淮海地区的生态环境状况，使我国北方地区逐步成为水资源配置合理、水环境良好的节水、防污型社会，实现可持续发展。

第三，能有效解决北方一些地区地下水因自然原因造成的水质问题，如高氟水、苦咸水和其他含有对人体不利的有害物质的水源问题，改善当地饮水的质量。

第四，有利于缓解水资源短缺对北方地区城市化发展的制约，促进当地城市化进程。

跨流域调水工程是人类运用现代科学技术，改造自然，改变人类生存环境，保护生态平衡和促进经济发展的伟大壮举。

南水北调工程的兴建对华北的经济环境、生态环境以及社会环境都将带来巨大的改善，并带动全国经济和社会的持续发展与稳定。

然而南水北调工程是一项浩大而繁琐的工程，想要顺利而高效地完成，就需要新的决策方法、设计技术、施工方案、管理能力。

计算机仿真技术能够提供一个按照真实环境模拟的系统，人们可以根据预先设想或真实完成后事物的各种变化，对决策的效果和作用进行分析比较，做出合理选择，达到辅助决策、优化方案、高效管理的良好效果。

计算机仿真技术和虚拟现实技术将为南水北调工程的决策、设计、施工、管理、维护注入新鲜的血液，也必将成为我国特大型工程创新性使用先进科学技术手段的先例。

一、基于虚拟仿真技术的南水北调中线工程需求分析

南水北调中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，南水北调又是一个复杂、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中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？

如何评价中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？

如何科学的规划设计每一个施工段？

工程过程中如何高效的管理监督好施工标准？

工程建成后如何高效的管理和运营？

等等，回答这些问题对整个南水北调工程都有着重要而深远的意义。

南水北调工程经过地区的地形、地势情况千差万别，有的地形险峻，有的地形平坦，有的地势情况复杂，这些都增加了施工的难度，就需要各方面的领导、专家，甚至包括全社会的群策群力。

但是如果能将这些复杂的地形、地势用一种直观、生动的方法表达出来，就会对工程的设计、决策、实施有很大的帮助，而且对非专业人员在工程实施方面的指导和相互交流都要求非常有利。

在南水北调工程中，工程设计的立体外观结构一直是工程设计部门非常重要的资料之一，也是决策者与参观者关注的资料，更是项目的有力说明。

但设计出的平面图往往是非常抽象、非常专业的，只适合专业技术人员使用，非专业人员是很难看懂的。

同时设计出的平面图，有时也难免会出现疏漏，给以后的工程施工带来隐患。

此外，在一些工程技术难度大或地形地势复杂的施工中，也可以先利用三维设计进行虚拟现实的工程试验。

这样一方面可以检验工程技术是否可行、是否完善，另一方面也可以预测施工中可能遇到的各种问题，确保工程顺利地实施。

在南水北调工程项目中，无论是勘察测绘、土方开挖、场地规划，还是道路设计，能够使用一些软件系统帮助设计人员快速准确地完成以前比较烦琐且精度很低的工作，把他们从繁琐的制图和计算中出来解放出出来，会大大加快了项目的进度。

工程阶段性实施或全部完成通水后，水资源的合理调配及对沿途流经区域的环境、气象、人文、生态等各方面影响将是另一个科技含量极高的学术课题。

南水北调中线工程实施过程中，如何有效的管理保留原始数据，为以建成后的课题研究提供科学精准的数据，并在此数据基础上提供研究保障甚至研究平台，这也是一个需要长远考虑问题。

在这一浩瀚的工程中，水资源的科学调配需要进行规划测算，而且南水北调工程的水资源测算并不是固定资源的测量计算，是一个包含供水与受水区域内异常复杂的动态资源测算。

需要使用一套高标准高准确性的动态数学模型来支持，这对于预先仿真、精确施工、后效管理都有着重大的影响。

二、南水北调中线工程构建虚拟仿真系统的必要性分析

计算机仿真技术和虚拟现实技术是基于数学模型和可视化几何模型的试验科学，通过构造系统模型，在模型上做试验，达到对实际设想的系统进行动态试验研究的目的。

计算机仿真技术具有安全、经济、可控、便于观测、无破坏性、可多次重复等显著优点，因而在国民经济各部门广泛应用于辅助决策、工程设计和建设、系统运行调度和管理等。

为解决南水北调中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三维数字仿真技术的应用，建立全新的数字化研究环境和虚拟现实调水工程环境，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，为回答中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。

三、南水北调中线工程虚拟仿真系统构建目标

南水北调中线工程虚拟仿真系统平台构建的目的，是为解决南水北调中线工程实施中的一些世界性难题。

该系统集成全数字航空测量、遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机辅助设计、数字三维虚拟现实和多源空间数据无缝集成等高新技术，建设南水北调中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，通过对南水北调中线工程调水区、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。

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；依据调水前对受水区社会、经济与生态环境效益做出分析，提出用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，加快南水北调中线工程建设，为规划决策及工程实施提供科学依据。

研究内容主要包括两个方面，第一个方面，针对南水北调中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，对中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。

四、南水北调中线工程虚拟仿真系统的构建框架

系统利用南水北调中线干线的基础地形数据、航空遥感数据及工程设计规划等数据构建一体化的集成平台和三维虚拟环境，采用先进的三维虚拟现实技术、交互控制管理技术及数据库管理技术，实现整个中线工程虚拟场景的交互式控制浏览及运行调度管理，对南水北调工程设计、开发、建设和管理的各种方案进行模拟、分析和研究，同时在自主开发的基础上，保留系统的可扩展性和可扩充性，需要时可增加其它功能子系统。

（一）主干虚拟现实系统

虚拟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：

　　1、基于GIS的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辅助决策分析函数库。

2、工程沿线可视化的三维虚拟地理环境构建　构建南水北调中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、工程沿线可视化的三维工程施工虚拟环境构建　构建南水北调中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。

　　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，结合南水北调中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。

5、扩充扩展功能互操作接口　研究如何以南水北调中线（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，以便于系统的扩充和扩展。

（二）系统研制关键技术

1、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、地理信息GIS辅助决策系统、计算机辅助设计系统的互操作。

2、南水北调中线数据库集成

开展中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。

3、虚拟现实系统开发

虚拟现实系统开发必须依靠自主开发，以便于全系统的扩充扩展，使用较为底层的渲染引擎开发专用于南水北调工程的虚拟现实系统。

只有掌握了源代码才能更好的服务于该系统的建设，否则只能是演示而已，不利于全系统研制。

4、其它功能子系统开发

根据需要，开发相应的数学模型，以应用于辅助决策、水力管理、调配管理、人文管理、水污染管理等其它功能子系统。

这些子系统需要相关专业学科提供支持。

 （三）主干系统功能特点

1、大地理场景工程三维可视化

  使用基础信息数据库，组建大型三维可视化场景，建立地形、地质及工程、主要建筑物的模型及空间关系之间的协调，实现直观的施工总布置形象，达到真实的现场感。

使用户对整个工程项目及细节都在掌握之中。

2、辅助决策功能

基于GIS辅助决策功能，为用户提供强大的辅助决策能力，直观看到方案实施后的三维效果，并提供系统信息查询，使决策者将方案录用系统后，不仅仅看到方案实施后的结果，还可以对该方案实施后所产生的细节信息进行实时查询。

3、强大的工程三维管理功能

对全系统三维可视化使任何一阶段性或区域性工程，其规划、计划、阶段、参数等内容具备实时的查询、监督、方案比较、阶段任务都进行可视化管理。

自主漫游浏览这一工程任意阶段的实施结果。

4、功能性可扩展接口预留

该系统除主干虚拟现实系统功能之外，预备交互性接口，便于系统扩充扩展。

四、南水北调路线工程虚拟仿真系统可扩展子系统功能

在该系统主干虚拟现实系统开发完成的基础上，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，结合其它各专业数学模型，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，形成一个面向更多具体应用的虚拟仿真系统。

主要内容可包括：

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）沿线输水方式优化布置及调度研究 中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，对合理确定中线工程的输水方式提供技术方案和建议。

（六）南水北调中线后备水源战略研究在建立的南水北调中线远景调水区虚拟仿真平台的基础上，重点研究中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。

（七）南水北调中线调水对生态环境影响研究

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。

进一步分析中线调水对生态建设的影响；研究中线调水对风沙带的影响。

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自然灾害调节与防灾减灾的影响，并提出综合应对策略。

　　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。

五、南水北调中线工程虚拟仿真系统开发应用前景

南水北调中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。

南水北调中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。

南水北调中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，其构建方向是前瞻性的，对推动高新技术在解决我国北方地区水资源调配使用问题提出新的途径。

五、南水北调中线工程虚拟仿真系统运行支持

（一）数据支持

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。

（二）运行环境支持

南水北调工程浩瀚，三场景显示面积超大规模，硬件运算能力要求极高，同步显示和功能操作也绝非普通计算机能够胜任。

基于这几个内容的考虑，该系统的运行必须在多通道高配置硬件环境系统上运行，才能收到构建预想的效果。