許　磊

治水是人類與自然博弈史中最悠久的形式之一。上古大禹,治水有功,成一代圣主;李冰修都江堰,至今仍效益巨大;孫叔敖、西門豹、范仲淹、王安石……許多功垂千古之士均建有治水功績。

雖然河流數(shù)量與歐洲差不多,但復(fù)雜的水文情況,決定了中國必然是一個(gè)水旱頻發(fā)之地。以北方河流為例,一二月 “枯水期”與六七月“豐水期”水量的“豐枯比”能達(dá)到幾十比一。直至今日,每年汛期,許多地方仍視防汛為首務(wù)。

1981年,馮明琿考入清華大學(xué)水利工程系,在課堂上他第一次見到了計(jì)算機(jī),隨即就對這個(gè)能學(xué)BASIC編程的打孔機(jī)敬若神明。馮明琿現(xiàn)在已經(jīng)是中國水利水電科學(xué)研究院的教授級高工,在他看來,水利工作中,信息技術(shù)已經(jīng)從輔助走向主導(dǎo),影響著水利事業(yè)的未來方向。

水利建設(shè)由于其特殊性,信息技術(shù)應(yīng)用水平一直較高,從對大壩硬度、壩高的簡單計(jì)算到現(xiàn)在的復(fù)雜水情預(yù)測預(yù)報(bào),從一級級拍電報(bào)、區(qū)域性微波站發(fā)展到利用寬帶、衛(wèi)星傳輸水情信息,可以說,中國水利行業(yè)利用信息技術(shù)用于信息采集傳輸、數(shù)據(jù)存儲處理等方面,早就走在了其他行業(yè)前面。

“知己知彼,百戰(zhàn)不殆。”采訪中一名“老水利”將水利信息化稱為“大禹臂膀”,在他看來,對水利信息化的探索將是永無止境,因?yàn)樗亲龅健爸褐恕钡闹匾緩健?/p>

一場大水拉開信息化大幕

1975年8月上旬,淮河流域發(fā)生特大洪水。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅河南一省,就受淹32個(gè)縣、1800多萬畝耕地,受災(zāi)地區(qū)人口約1000萬……

而事實(shí)上,淮河是新中國第一條進(jìn)行全面治理的大河。早在1950年10月,《關(guān)于治理淮河的決定》是中央政府就大江大河治理做出的第一個(gè)決定。然而造成嚴(yán)重?fù)p失的淮河“75?8”洪水的主要原因卻是“通信中斷、情況不明、失去指揮,同時(shí)氣象、降水和工情等信息采集、傳輸、處理和應(yīng)用手段落后?！?/p>

針對這一“始料未及”的情況,1975年底,全國防汛和水庫安全會議在鄭州召開,首次提出了建立暢通可靠的報(bào)汛電信網(wǎng),并有重點(diǎn)地應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)報(bào)和調(diào)度,逐步實(shí)現(xiàn)水利調(diào)度現(xiàn)代化。這被視為中國水利信息化的開端。

“75?8”以后,水利通信網(wǎng)經(jīng)歷了從無到有、從有線到無線,逐步建成了包括有線、短波、超短波在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)?！癡AX系列機(jī)實(shí)時(shí)水情信息接收處理系統(tǒng)”和“水情、氣象信息傳輸實(shí)時(shí)處理預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)”等系統(tǒng)開發(fā)完成,解決了實(shí)時(shí)水情信息的計(jì)算機(jī)自動(dòng)接收、水情電報(bào)的計(jì)算機(jī)譯電處理。不過限于當(dāng)時(shí)技術(shù)和應(yīng)用水平,數(shù)據(jù)通信還要依賴郵政電報(bào)系統(tǒng),很長一段時(shí)間,水利信息化還以單機(jī)輔助計(jì)算為主。直到1981年,水利信息化專門機(jī)構(gòu)——水文水利調(diào)度中心正式成立,開始負(fù)責(zé)利用信息技術(shù)收集整理雨、水、工情等信息、為防汛工作服務(wù)的任務(wù)。

成效初顯

水利信息化的推進(jìn)與信息技術(shù)本身的發(fā)展和應(yīng)用軌跡基本吻合,國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)辦公室(以下簡稱“防汛系統(tǒng)”)總工程師倪偉新說:“興水利是政府重要職能,但水利信息化從技術(shù)上講沒什么特別之處,因?yàn)橛玫降亩际峭ㄓ眉夹g(shù)?！?/p>

防汛是帶動(dòng)水利建設(shè)的龍頭,而防汛信息化的重點(diǎn)是信息采集。以“防汛系統(tǒng)”一期工程為例,信息采集系統(tǒng)在項(xiàng)目數(shù)量和資金投入上都超過了60%的比例,20世紀(jì)80年代中期,廣東西枝江首次建立非人工信息采集系統(tǒng),由南京水利水文自動(dòng)化研究所承擔(dān)了其中核心部件——雨量水位傳感器的研發(fā)。但由于當(dāng)時(shí)的信息傳輸和存儲的成本非常高,這一系統(tǒng)沒能在全國推廣實(shí)施,全國性的防汛指揮體系也就一直沒能建立。

數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)出現(xiàn)后,水利部門分別對“防洪調(diào)度系統(tǒng)”和“水情監(jiān)測和預(yù)報(bào)技術(shù)”進(jìn)行了針對性研究,并開發(fā)了“淮河干流實(shí)時(shí)水情預(yù)報(bào)綜合分析系統(tǒng)”、“水情信息及洪水預(yù)報(bào)預(yù)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)”和“雨情氣象信息接收處理應(yīng)用系統(tǒng)”。此后,以“全國實(shí)時(shí)水情計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)系統(tǒng)”為代表的信息系統(tǒng)的建成和投入生產(chǎn)運(yùn)行,初步解決了實(shí)時(shí)水情信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題,信息的收集時(shí)間和信息量都得到了明顯提高,為防汛指揮決策提高了精度、贏得了時(shí)間,標(biāo)志水利信息化進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

1999年8月,水利部將水文水利調(diào)度中心與水利部信息中心整合,成立水利部水文局(水利信息中心),水利通信和信息化行業(yè)管理職能得到進(jìn)一步明確。之后,“以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”的發(fā)展思路得到確立,水利信息化建設(shè)被定名為“金水工程”(即國家“十二金”工程之一),建立一套統(tǒng)領(lǐng)全局的國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)也再次被提上了日程。

2005年5月,發(fā)改委正式批準(zhǔn)國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程建設(shè),總投資為8.02億元。工程由五部分組成:信息采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)和天氣雷達(dá)應(yīng)用系統(tǒng),分為280個(gè)單項(xiàng)工程進(jìn)行建設(shè)。

目前,覆蓋水利部機(jī)關(guān)、7個(gè)流域機(jī)構(gòu)、31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的水利信息骨干網(wǎng)絡(luò)和異地會商視頻會議系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)完成。125個(gè)水情分中心實(shí)施方案已全部得到批復(fù),并先后啟動(dòng)建設(shè)。洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度等決策支持系統(tǒng)等單項(xiàng)工程正在積極組織實(shí)施中。

實(shí)際應(yīng)用情況表明,“防汛系統(tǒng)”在近年的抗御洪水中已經(jīng)發(fā)揮了顯著作用,為國家防總和各級防汛部門的決策提供了科學(xué)、便捷、高效的支撐手段。

2007年夏,淮河干流發(fā)生了建國以來僅次于1954年的大洪水。7月3日20時(shí),王家壩水文站超過警戒水位?；春铀瘑T會水文局充分利用“防汛系統(tǒng)”,于7月4日8時(shí)前做出雨水情信息預(yù)報(bào):“王家壩水文站7月5日夜里將出現(xiàn)洪峰,洪峰水位28.4米,流量4200立方米/秒?！?月6日凌晨5時(shí),降雨如期而至。王家壩出現(xiàn)洪峰水位28.38米,超警戒水位0.88米,相應(yīng)流量4200立方米/秒,預(yù)報(bào)與實(shí)況相符。

這場洪水歷時(shí)一個(gè)多月,但其造成的洪澇災(zāi)害損失卻是歷年幾次流域性大洪水中最少的一次。隨著信息化水平的不斷提高,水情預(yù)報(bào)的速度和準(zhǔn)確度也在不斷提高。據(jù)倪偉新介紹,如今利用國家防汛指揮系統(tǒng),全國3000多個(gè)中央報(bào)汛水文站可以在30分鐘內(nèi)(最快的僅需要幾分鐘)將水情信息直接傳送到國家防總和水利部。

扎實(shí)基礎(chǔ) 決策支持

1991年淮河洪水發(fā)生時(shí),淮委水文局所有的天氣信息全部來自天氣圖,而且當(dāng)時(shí)接收的天氣云圖是4個(gè)小時(shí)一張照片,還需要在暗室中沖洗。洪水預(yù)報(bào)所需要的信息是靠郵政電報(bào)傳輸?shù)交次?再經(jīng)過人工譯電。全流域水情電報(bào)收集齊全大約需要2～3個(gè)小時(shí),再由預(yù)報(bào)人員通過圖上操作計(jì)算,兩個(gè)小時(shí)后才能做出一個(gè)站的洪水預(yù)報(bào)。

而現(xiàn)在天氣云圖、測雨雷達(dá)、天氣預(yù)報(bào)、流域各地的水情等海量信息的接收全是自動(dòng)化的,洪水預(yù)報(bào)的計(jì)算已經(jīng)全部由軟件完成,一個(gè)工作人員在一兩分鐘內(nèi),就能做出20個(gè)站的洪水預(yù)報(bào)。水利部淮河水利委員會信息中心主任羅澤旺說: “如今做出一個(gè)站的預(yù)報(bào)就是敲兩下‘回車鍵的時(shí)間,甚至連一分鐘都不到?！边@種效率提升的背后,正是中國的水利防汛專用通信網(wǎng)初步建成以及信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)的結(jié)果。

經(jīng)過幾十年的建設(shè),目前中國水利系統(tǒng)已初步建成了可滿足語音、數(shù)據(jù)和視頻等綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆姥磳Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)。其中微波通信干線達(dá)1.5萬多公里,微波站500多個(gè),分別在武漢、沙市、鄭州等19個(gè)防汛重點(diǎn)地區(qū)建成了集群移動(dòng)通信網(wǎng),初步建立了26個(gè)重要蓄滯洪區(qū)的縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)級洪水預(yù)警反饋系統(tǒng),并依托國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程建成了水利信息骨干網(wǎng)。

“數(shù)字黃河”是馮明琿眼中用數(shù)字化手段研究解決水利問題的典型案例。該項(xiàng)目由水利部黃河水利委員會于2001年7月提出,主要是借助現(xiàn)代化手段及傳統(tǒng)手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對全流域及相關(guān)地區(qū)的自然、經(jīng)濟(jì)、社會等要素構(gòu)建一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境,以功能強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件和數(shù)學(xué)模型對黃河治理開發(fā)與管理的各種方案進(jìn)行模擬、分析和研究,并在可視化的條件下提供決策支持。

“束水攻沙”是明朝治黃水利專家潘季馴組織推廣的一套治水理論,沿用至今。當(dāng)時(shí),潘季馴發(fā)現(xiàn)黃河的問題不僅是水患問題,水患是個(gè)表象。由于河水多沙,泥沙堵塞河道是個(gè)根本問題。如果流速緩慢,泥沙沉淀,河床抬高的速度一定加快,必然導(dǎo)至更為嚴(yán)重的洪災(zāi)。所以他提出“筑堤束水,以水攻沙,水不奔溢于兩旁,則必直刷乎河底?！逼浜诵氖菍⑺衅饋砉ド?但如何實(shí)施才能取得最優(yōu)效果一直是一個(gè)難題,水流太小沖不動(dòng)沙,水太大也不行,因?yàn)樗畬犹?流速同樣會慢?！皵?shù)字黃河”的實(shí)施使這一理論的科學(xué)性和預(yù)見性得到了質(zhì)的飛躍,通過數(shù)學(xué)模擬,能夠迅速形成關(guān)于水量、時(shí)間、區(qū)域協(xié)同的精確方案。幾千年來一直困擾人們的黃河泥沙問題,在信息化的作用下,初步得到了部分解決。

水利事業(yè)的發(fā)展是永無止境的,因?yàn)榻ㄔO(shè)環(huán)境和水利觀念的不同,不同階段有不同工作。馮明琿說,“最初靠修水庫抵御洪水,后來發(fā)現(xiàn)通暢下游河道也很重要,如今環(huán)保效果則越來越受到重視?！?/p>

倪偉新也認(rèn)為,雖然經(jīng)過幾十年的建設(shè)實(shí)踐,尤其是近20多年來幾次大的工程項(xiàng)目,中國的水利信息化建設(shè)水平與水利工程設(shè)計(jì)施工水平、科研能力一樣已經(jīng)位于世界前列,但將信息技術(shù)與水利建設(shè)有效結(jié)合起來的探索才剛剛開始。

國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)

國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程是“金水工程”的重要組成部分和骨干工程,是“金水工程”先期啟動(dòng)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。它是根據(jù)中國防汛抗旱工作的需要,建成的一個(gè)以水雨工旱災(zāi)信息采集和雷達(dá)測雨系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信系統(tǒng)為保障、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、決策支持系統(tǒng)為核心的指揮系統(tǒng)。其目標(biāo)是為各級防汛抗旱部門提供各類防汛抗旱信息,較準(zhǔn)確地做出降雨、洪水和旱情的預(yù)測預(yù)報(bào),為防汛抗旱調(diào)度決策和指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)提供有力的技術(shù)支持和科學(xué)決策依據(jù)。

2005年5月,發(fā)改委正式批準(zhǔn)國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程建設(shè),總投資為8.02億元。一期工程的建設(shè)為水利信息化打下了良好的基礎(chǔ),提高了水情信息采集自動(dòng)化水平,建設(shè)了水利行業(yè)信息“高速公路”,全面提升了水利信息基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)水平與能力。目前,一期工程進(jìn)入項(xiàng)目驗(yàn)收階段,二期工程前期工作也正式啟動(dòng),可行性研究報(bào)告已通過水規(guī)總院組織的審查。

新安江水利樞紐是新中國建國后自行設(shè)計(jì)、自制設(shè)備、自主建設(shè)的第一座大型水利樞紐,圖為20世紀(jì)60年代的新安江水庫大壩。

三峽大壩開閘泄洪。