第八水利信息摩應用敬12月李桂芬，王連祥中國水利水電科學研究院摘要本文簡要介紹了水利信息學的由來，涵蓋的主要內(nèi)容，以及水利信息學在國內(nèi)水力學研究中的應用舉例等。以期在今后水力學研究中，更多地引入水利信息學的概念，使我們的傳統(tǒng)水力學研究，盡快地跟上信息化時代的步伐。一、水利信息學由來水利信息學(Hydroinformatics)是近十幾年來提出的一門新的學科，80年代后期，國際水利工程與研究協(xié)會(IAHR)計算水力學專委會主任阿博特教授(AbbottM.B.)首先提出了水利信息學的概念，他為水利信息學下了如下的定義：即“水利信息學是研究有關水體和水體所傳輸物質(zhì)的流動中同自然和人工的環(huán)境產(chǎn)生交互過程的知識和信息流一門科學”。水利信息學是以信息技術作為支撐平臺，綜合社會、環(huán)境、經(jīng)濟等各方面的因素，對各類水域中的水流運動與人類活動相互作用所造成的后果進行分析和評價的一門綜合學科。從水利信息學提出近四分之一世紀以來，在水利學科的教育、研究、設計和工程運用中多顯示了強大的生命力。水利信息學的產(chǎn)生是有一定背景的。傳統(tǒng)的水力學是以文字的形式或圖表來傳達知識并應用于實踐，從20世紀的60年代到80年代，世界上產(chǎn)生了第一階段的信息革命，信息的表現(xiàn)形式發(fā)生了由占絕對優(yōu)勢的紙上的有形符號到電子式數(shù)字的巨大變化。到目前為止，各種信息幾乎都以電子形式儲存和傳輸。知識的每一部分或每一方面都以數(shù)據(jù)來表現(xiàn)，并與其它數(shù)字信息化的知識相融合。正是由于這種信息表現(xiàn)形式的巨大變化，在知識產(chǎn)生及其應用領域和方式之間產(chǎn)生了一個新的空間，就水力學及其相關科學而言，正逐漸占領這個新空間的就是水利信息學。水利信息學是伴隨著電子知識封裝系統(tǒng)迅速發(fā)展，通過科學研究與工程管理實踐產(chǎn)生的，它涵蓋了傳統(tǒng)水力學的知識，計算水力學的手段以及其它相關的交叉科學。在祖國大陸地區(qū)，計算水力學的研究與應用開展的也很早，而且逐步將信息技術引用于水利工程研究和施工的各個領域，如數(shù)值仿真、數(shù)字仿真、設計規(guī)劃可視化，工程施工管理、數(shù)字流域、數(shù)字試驗室等等，也可以說水利信息學的產(chǎn)品和服務對象的面已很廣了，所取得的一系列的研究成果已齊當前世界水平。二、水利信息學的主要內(nèi)容水利信息學是整體信息化產(chǎn)業(yè)中的一個小部分，它對今后發(fā)展水利事業(yè)也是非常重要的。水利信息學的基礎技術和在水利工程中的應用，主要表現(xiàn)有：數(shù)據(jù)采集及處理、人工智能、數(shù)學模型，優(yōu)化技術、可視化技術、3S技術等等大量與水利學研究技術密切結合的信息技術專門領域，主要內(nèi)容簡述如下：數(shù)據(jù)采集與處理。水力學研究中，量測數(shù)據(jù)的采集與處理，是最基本的內(nèi)容。水利信息學的出現(xiàn)，水利學專家可以通過與感覺相似的感知手段將在計算器上與多彩的、動態(tài)的、生動的自然界接觸，把儀器觀測感應到的結果，用二進制數(shù)字符串來表現(xiàn)問題的精髓，進行存儲和傳播，將其結果轉(zhuǎn)換到我們關心的自然科學的問題上來。?人工智能。人工智能是當前科技發(fā)展中的一門前沿學科，它是將人類智能在機器上的模擬。人工智能研究領域中有專家系統(tǒng)、機械學習、智能控制、智識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘、智能決策支持系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等等。人工智能在水利信息學中應用非常廣泛，例如，洪水預報、工程布置選擇、工程結構破損預測、快速水力學數(shù)值模擬、水質(zhì)控制及水量調(diào)度等等。人工智能在其它領域里早已有應用，但在水力學研究中尚處起步階段。?優(yōu)化技術。優(yōu)化技術是運籌學中的一個部分，它是一門成熟的科學技術。其主要目的是對某個系統(tǒng)中的效益、工期、管理、費用等諸多方面，根據(jù)所規(guī)定的目標進行優(yōu)選。也就是利用優(yōu)化技術方法，對目標函數(shù)予以求解，得到最理想的目標。在水利信息學研究領域內(nèi)，優(yōu)化技術應用的重要之處，在于如何將水體與環(huán)境的交互中所引入的非物理/或非數(shù)學的約束條件，如法律條款、社會效益、環(huán)境效益、景觀效益和生態(tài)影響等體現(xiàn)在目標函數(shù)中，得到水利信息學所需要解決的問題。?數(shù)學模型。水利信息學應用的另一個更為主要的形式，就是數(shù)值模擬技術，也就是用數(shù)學語言仿真實體的模型。在水利信息學中，數(shù)學模擬的范圍很廣，它可以用于分析、模擬、預報、優(yōu)化、決策、控制等方面。按模型的空間維數(shù)，它可以有零維、一維、二維、三維模型。按應用領域可分為水文模型、水力學模型、水質(zhì)模型、經(jīng)濟模型、資源模型、控制模型等等多種。?可視化技術?？梢暬且婚T多學科交叉和整合的新技術，其實質(zhì)就是用圖形與圖像來表征數(shù)據(jù)，是用來解釋大量資料最為有效的手段。大型水利水電工程的空間查詢和分析系統(tǒng)需要可視化環(huán)境是當前國內(nèi)外重要的高新技術問題。例如研究成功而正在使用的IVOD三維可視化軟件，在建立空間信息查詢系統(tǒng)、施工管理與輔助決策以及仿真系統(tǒng)等方面廣泛應用。?3S技術。人們把遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）統(tǒng)稱為3S技術，是以處理地球表面上的大量數(shù)據(jù)為主要特征的空間信息技術。人類信息資源的80%與空間位置有關，水利信息更是大多數(shù)與空間位置有密切聯(lián)系。因此，3S技術在水利行業(yè)中有著廣泛的應用前途。在3S技術后面，還需要有數(shù)學模型、模式識別、決策支持系統(tǒng)等的其它信息技術的支撐。三、水利信息學在水利工程中的應用水利信息學在大陸已得到了卓有成效的發(fā)展和應用，特別是在水文水資源、環(huán)境水力學、災害水力學、水土保持、流域規(guī)劃與管理、水利工程設計、施工與管理等方面的應用尤為迅速。水利信息學在水利工程中的應用可歸納為以下幾個主要方面。數(shù)字流域數(shù)字流域是借助于現(xiàn)代化科技手段，建立的空間信息為核心的物理流域的數(shù)字平臺，在此平臺上建立流域的數(shù)字化研究環(huán)境，利用數(shù)學模型，對流域治理、資源開發(fā)，與管理各種方案進行模擬，分析和研究，并在可視化的條件下，提供決策支持系統(tǒng)，增強決策的科學性和預見性。黃委會實施“數(shù)字黃河”工程，就是全面應用水利信息學的手段解決黃河所需要解決的問題。工程規(guī)劃近期以急需的基礎設施和完善監(jiān)測體系為基礎，以防汛減災、水量調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)控、水土流失治理與監(jiān)測、工程建設與管理和電子政務等應用系統(tǒng)建設為重點。數(shù)字流域包含了各方面的水利信息技術，從水文、地形、地理、工程規(guī)劃、河道管理以及流域規(guī)劃設計中所需要進行的一系列的信息技術系統(tǒng)。其它各大江大河如長江、淮河、珠江等，都在逐步的使流域規(guī)劃走向數(shù)字化。都江堰管理局實施“數(shù)字都江堰”工程，以信息化帶動灌區(qū)水利現(xiàn)代化，充分利用先進的管理手段和現(xiàn)代科學技術，以計算器技術為支撐，建立起一個可安全、及時、準確地掌握雨情、水情、旱情、工程狀況、環(huán)境、管理等多種信息的都江堰水利自動化管理系統(tǒng)，提高信息采集、傳輸?shù)臅r效性和自動化水平，為實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置提供手段，為防汛抗旱決策提供依據(jù)。工程三維動態(tài)仿真技術近10年來，國內(nèi)不少單位借助于計算器技術，系統(tǒng)科學及工程科學的發(fā)展，深入研究了三維動態(tài)，可視化仿真理論及其在工程中的應用。天津大學錘登華教授于2002年出版的“可視化仿真技術及其應用”一書，從系統(tǒng)仿真原理，系統(tǒng)仿真技術，發(fā)展現(xiàn)狀及其應用，做了全面的詳細的介紹，這是水利信息學在水利水電工程規(guī)劃，設計中應用的成功實例。仿真可視化可以用適當?shù)膱D形表示和顯示數(shù)據(jù)場中各種物理量的情況，可以對畫面進行交互操作，也可以改變觀察位置，縮小與放大等等，能連續(xù)顯示整體或部分的三維數(shù)據(jù)場不同時刻的概況，以便人們有可視化人機界面下，實現(xiàn)駕駛計算可視化。例如：錘登華所介紹的地下廠房施工系統(tǒng)動態(tài)可視化仿真與進度優(yōu)化成果中，把二灘水電站的地下廠房如此全面、逼真的和施工管理及其方便的成果，可以隨時檢閱不同時期，不同階段的施工進度。此外，仿真模型也早已應用于其它各個領域，程曉陶等人對城市防澇仿真做了大量的發(fā)展和應用，他們先后對深圳、廣州及天津、沈陽、?？诘瘸鞘械某鞘泻闈撤抡孀龀隽顺晒?，在洪澇仿真模型中，考慮了不同頻率的城市河道洪水、市區(qū)暴雨及其它因素而組合的洪澇過程，考慮了城市區(qū)域建筑物的密度，防洪設施，排水系統(tǒng)，地形地貌的變化等，綜合反映了人為活動因素對洪澇風險變化的影響等等，最后將其成果具有良好的可視性，在這些建模與計算過程中，充分利用了一些先進的信息技術。水利信息學在大型工程的施工管理中的應用近年來，水利水電建設集團公司劉家川等開發(fā)了一系列的有成效的施工管理軟件，解決了三維建摸技術，施工仿真技術和信息可視化三大技術難題，為三峽船閘、廠壩建筑物、水布埡大壩、索風營、公伯峽等大型工程的施工管理做出了成績，特別是結合龍灘大壩的施工進程實際進行了仿真及優(yōu)化計算，最后的三維動畫、表格、文本等形式輸出，為施工單位動態(tài)可優(yōu)化和施工管理提供了十分便捷的管理工具。數(shù)字試驗室水利信息學在水力學研究中的應用，早在80年代已經(jīng)開始。近四分之一世紀以來，數(shù)學模型和數(shù)值仿真廣泛的應用在洪水演進、河口治理、波浪運動、泥沙運動和沖淤等方面，有許多成熟的方法，已取得大量的成果。大陸對災害水力學，環(huán)境水力學，城市水力學等，也早開始引進信息技術做出了成績。但是，對于三維的工程問題，至今尚未提出有效的信息技術來代替或部分代替物理模型的方法，有的工作也已開始了研究。在水工模型試驗方面，雖然整體和三維模型試驗尚不能一時全部代替，但是對一些局部的體型設計，也已開始了優(yōu)化選擇，如陳肇和教授等提出的溢流挑坎、彎道等體型的計算，就是很好的實例。盡管為了取得一些有用的參數(shù)，還需要進行必要的試驗，但總體上講，可以大大節(jié)省了實驗優(yōu)選時間。關于這方面，有人提出所謂“數(shù)字試驗室”，也就是今后應加大水利信息學在水工模型試驗中應用的研究力度，爭取在物理模型試驗方面也來一次更大的改革。5.水利信息化水利是一個信息密集型行業(yè)，水利信息包括水雨情信息、汛旱災情信息、水量水質(zhì)信息、水環(huán)境信息、水工程信息等。水利信息化就是在水利全行業(yè)普遍應用現(xiàn)代通信、計算器網(wǎng)絡等先進的信息技術，充分開發(fā)應用與水有關的信息資源，直接為防洪抗旱減災、水資源的開發(fā)、利用、配置、節(jié)約、保護等綜合管理及水環(huán)境保護、治理等決策服務，提高水及水工程的科學管理水平。水利信息化是水利現(xiàn)代化的基本標志和重要內(nèi)容，信息技術在水利工程管理中的越來越得到廣泛的應用。在2001年水利部提出“用水利信息化推動水利現(xiàn)代化”。大陸水利信息化的建設任務可分為三個層次：?水利基礎信息系統(tǒng)工程的建設，包括分布在全國的相關信息采集、信息傳輸、信息處理和決策支持等分系統(tǒng)建設，涉及到防汛指揮、水質(zhì)監(jiān)測評價、水土保持監(jiān)測與管理、水資源管理決策支持系統(tǒng)等。?基礎數(shù)據(jù)庫建設，包括防汛指揮系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫(雨情、工程數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、歷史大洪水數(shù)據(jù)、方法庫等)、水文數(shù)據(jù)庫、水資源數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、水土保持數(shù)據(jù)庫、水工程數(shù)據(jù)庫、水利經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫、水利科技信息庫、法規(guī)數(shù)據(jù)庫、水利文獻專題數(shù)據(jù)庫和水利人才數(shù)據(jù)庫等。?綜合管理信息系統(tǒng)建設，包括水利工程建設與管理信息系統(tǒng)；水利政務信息系統(tǒng)；辦公自動化系統(tǒng)；水利信息公眾服務系統(tǒng)建設；水利規(guī)劃設計信息管理系統(tǒng)等。2003年水利部正式頒布《全國水利信息化規(guī)劃》，2001年4月將水利信息化建設命名為“金水工程”。四、結束語世界性的信息技術革命，帶動了水利科學研究領域的巨大的變化，產(chǎn)生了水利信息學，這就使水力學研究產(chǎn)生了一片新的廣闊的天地。根據(jù)上述各章內(nèi)容可以看出，水利信息學可以根據(jù)不同的用戶的需求，將不同形式的電子封裝器封裝的知識統(tǒng)一成新的知識封裝器，以使指導實際應用。盡管實際問題千差萬別，但是水利信息學將各種不同形式上的知識匯集在一起，形成一種特定的有用知識的過程存在某種統(tǒng)一的特征。也就是說，它是由引出知識開始，通過以二進制表示的知識進行重新組合，并將其以信息為代表的知識應用于同樣以二進制表示的域知識，來最終達到將結論性的知識恢復成為實際的應用形式。水利信息學的提法來自于國外，但中國大陸水利學術界已有相當深入的研究。中國是水利大國，水利信息學在大陸將會迅速發(fā)展和取得輝煌成果。參考文獻bbott,M.B.，CentralIssueofTeachingwithintheHydroinformaticsParadigm,LeHoulleBlanche,1991,46(3-4)V.M.Bendre,HydroinformaticsintheContextofWaterResourcesDevelopmentinIndia:ChallengesandOpportunities,Proceedingofthe5theHydroinformaticsConference,2002,July.羅磷，傅曉英，水信息學與環(huán)境水力學，中國環(huán)境水力學2002,成都李樹平，水信息學概述，給水排水，2002,28(4)王煜，楊立彬，候傳河，王道席，胡永生，利用面向?qū)ο蠹夹g研究開發(fā)水量調(diào)度決策支持系統(tǒng)楊開林，調(diào)水工程運行的計算器仿真，水利水電技術，2003年劉永川，李桂芬，水利信息學的發(fā)展，?97水力學學術'討論會論文集，1997,6.廣州李國英，建設“數(shù)字黃河”工程，中國水利，2002年第2期錘登華，鄭家祥，劉東海，張偉波，可視化仿真技術及應用，中國水利水電出版社，2002年黃文典，何進朝，李志勤，GIS技術在成都水系水質(zhì)模擬中的應