天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺建設初探

呂 娟 劉昌軍 黃詩峰 馬建威 楊 昆

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京 100038）

0 引 言

水資源是基礎性、戰略性的自然稀缺資源，是維持全球經濟社會可持續發展、維系生態平衡和環境優美的重要基礎。習近平總書記提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”十六字治水方略，水利部黨組提出的“建設數字孿生流域，推動新階段水利高質量發展”新時期治水思路，都要求利用高新技術，高效利用水利資源，防御水災害。

隨著工業化、城鎮化和全球氣候變化的影響加劇，我國面臨的水安全形勢日趨嚴峻。在洪澇災害監測模擬、大范圍干旱監測模擬、流域水循環過程與機理、河湖演變監測、水生態環境與水土保持監測和評估、水工程安全監測、跨界河流水土安全及權益保障等方面，我國亟須研制天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺，實現對水系統全要素、全周期、全天候、高精度數據的科學觀測；進而，利用天地多維度海量信息，提供水系統科學大數據分析服務；同時，自主研發水文、水動力、水能、泥沙、水生態、水環境、水工程安全運用、水工程統一調度等專業模型，進行水系統的智慧模擬，從而突破我國水系統全要素、全周期、全天候、高精度數據的獲取瓶頸，實現水系統全要素數據觀測與采集、存儲、管理與應用、資源開放和共享等，可對七大流域水系統演變進行長期觀測和科學研究，服務于我國高質量發展。

1 水利行業業務需求

1.1 洪澇災害監測模擬的迫切需求

我國洪澇災害頻繁，每年造成損失巨大，面臨著重大洪澇災害的嚴峻考驗。我國在涉水災害的天地一體化監測網絡體系方面建設嚴重滯后，在監測時效性、有效性、精度等方面仍遠遠無法滿足水旱災害防御業務需要。當前，洪澇災害時空動態監測能力不足，導致成災過程和關鍵因子認識不深入，洪澇災害監測理論與方法不完善，成為國家防災減災決策的重大瓶頸和障礙。因此，研制天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺將促進我國在氣候變化和城市化背景下水文特征變異性、洪澇災害連鎖性與洪災損失突變性及其形成機理方面的研究，將顯著提升我國洪澇監測的響應能力和防災減災風險防范能力，進一步促進我國洪澇災害快速監測、預警和應急管理體系的完善[1]。

1.2 大范圍干旱監測模擬的迫切需求

據統計，1991-2020 年我國農田受旱面積平均每年達1 998.133 萬hm2以上，成災897.622 萬hm2，糧食減產162.99 億kg，歷年各次大旱都對國民經濟造成了巨大破壞[2]。土壤水分是水分平衡的重要參量，是大范圍旱情監測和響應的重要依據。傳統的站點土壤水分監測方法可以獲取高精度的根區土壤水分觀測結果，但耗時耗力，代價昂貴，且很難迅速地獲得大面積的土壤水分信息。土壤水分衛星遙感產品目前時空分辨率低，且無法提供深層的土壤墑情信息。由于根區土壤水分反演的復雜性，國際上開展P波段雷達數據反演根區土壤水分的研究極少，國內在該領域的研究尚屬空白，發展基于P波段雷達數據的根區分層土壤水分反演算法具有重要的科學意義和理論意義，且反演結果可為旱情監測、洪水預報、氣候變化等研究領域直接提供數據支持，具有極其重要的應用價值。此外，大范圍墑情監測還是科學指導灌溉、保障作物穩產豐產，應對糧食主產區跨年度極端干旱、國際糧食市場交易限制等“黑天鵝”事件的重要手段。

1.3 流域水循環過程與機理研究的迫切需求

氣候變化引起水循環變化，直接影響中國各大流域水資源供應和分布。在自然變化和人類活動的共同影響下，今后幾十年中國各大江河流域的氣溫可能繼續變暖，異常多雨地帶可能發生遷移，一些流域極端降水、極端干旱事件頻率可能升高。這些變化將對流域或區域水循環、水資源產生重要影響，也會對現有的水利工程設施的功能和效率提出新的挑戰。因此，迫切需要深入研究水系統理論，加強水系統模擬的推廣應用；在水系統理論與應用研究中，通過對以水循環為紐帶的三大過程（物理過程、人文過程、生物與生物地球化學過程）的基本參數的觀測及機理研究，構建多要素、多過程、多尺度雙向反饋回路耦合模型，建立流域水系統綜合模擬平臺；分析人口基本需求、社會經濟發展消耗及生態環境保護和恢復三者之間的用水矛盾，量化人為調控及環境治理工程的社會及生態后果，交叉應用自然科學及社會科學，是水系統理論與方法在變化環境下流域水資源可持續利用規劃與決策管理中應用推廣的重要途徑。因此，迫切需要研制水系統全要素監測與模擬平臺，從水系統的角度研究變化環境下水循環過程中各個環節間的聯系與反饋機制以及水循環系統的整體調控與高效利用。

1.4 河湖演變監測的迫切需求

目前，我國河湖水情的監測通常是由過水文監測站點實時觀測來實現，盡管目前全國各類水文監測站點已有119 914處[3]，但仍難于滿足許多中小河流和小型水庫等的水情監測需求。隨著現代衛星遙感技術向輕量化、快捷化、多功能化發展，對于水情的監測已經能夠通過衛星遙感監測手段實現對全國水情全方位、全覆蓋的監測，以彌補水文監測站點對全國水情監測的不足。發展天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺，實現全國河湖水情信息的實時動態遙感監測，包括河湖水體范圍監測、水位/水深遙感反演、河道流量遙感估算、湖庫水量、河湖水質、河湖冰情及土壤墑情遙感監測等，河湖水情信息的遙感監測是對有限水文觀測站點獲取數據的重要補充。在特殊應用時期還可以調用衛星轉角或擺角對重點區域進行長時間、高精度的大范圍觀測，為突發、重大的水旱災害、重點工程建設等提供應急監測服務。因此，研制天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺將提高我國在江河演變監測方面的能力，對于建立天地一體水利監測體系，促進水利信息化建設，提高水利部門應對自然災害能力，具有極其重大的意義。

1.5 水生態環境與水土保持監測評估的迫切需求

隨著人類的生產活動，水環境受到嚴重的污染及破壞，保護水生態環境已經成為全世界共同的責任。我國目前大部分河流存在過度開發和嚴重的污染問題。對于我國水環境質量而言，目前水生態環境保護明顯不足，還需要在水環境監測、保護、修復等方面做出更多的努力。因此，迫切需要建立天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺，加快我國水系統的統籌一體化的水態環境監測和監管信息平臺的建設，科學、及時、精準感應生態環境數據并識別、分析問題；科學認識我國各流域水環境質量現狀和生態系統規律，建立合理有效的水生態環境系統治理防范體系。同時，依托大數據和人工智能等手段實現流域的精細化管理，提升流域整體的治理水平。

水土流失被認為是我國主要的環境問題，國家已將水土保持作為長期堅持的一項基本國策和生態建設的基礎工程。在一些地區，水土流失與生態環境惡化的局面尚未得到有效遏制，工業化、城市化、區域開發等大規模的基礎設施建設又產生了新的水土流失。水土流失已成為我國實現可持續發展的嚴重障礙，國家對水土保持科技的需求比以往任何時候都更加迫切。亟須建立天地一體化水系統全要素監測系統，研究我國復雜侵蝕環境下的水土流失過程及驅動機制，建立復雜環境條件下土壤侵蝕模型構建的理論與方法，基于天地一體化監測網絡，實現水土保持信息化監管[4]。

1.6 水工程安全監測的迫切需求

水工程是關乎國計民生的重要基礎設施，其運行安全極為重要。目前，我國擁有的水壩數量居世界首位。截至2020 年年底，全國已建成各類水庫98 566 座，水庫總庫容9 306億m3。其中大型水庫774座，中型水庫4 098座[3]，安全度汛壓力極大。我國中小水庫和堤防點多面廣，建設數量多，偏遠地區且受其氣候條件影響，監測和應對極端洪水防御能力低，已成為我國水利工程安全運行和保障社會經濟可持續發展的突出問題，開發低成本工具來提高大壩檢測效率和監測性能已成為研究熱點?；诓罘指缮婧铣煽讖嚼走_的衛星測量技術成為大壩變形監測的重要手段，精度達毫米到厘米量級，差分干涉合成孔徑雷達測量技術在大壩形變長期監測方面具有應用前景。由于我國合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）衛星發展較晚，目前在軌運行的SAR衛星僅有3顆高分三號衛星，難以滿足水利工程安全監測的應用需求。后續規劃的SAR衛星主要應用在海洋、減災、測繪領域，我國雷達衛星在水利工程形變監測、自然資源調查和管理等方面仍難以滿足需求。因此，研制天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺將為我國大壩等重大水利工程的形變和安全監測等重大需求提供關鍵支撐，可為水利工程的安全運行提供重要保障。

1.7 跨界河流水土安全及權益保障的迫切需求

我國共擁有國際河流（湖泊）110 多條（個），主要分布于東北、西北和西南三大片區[5]。其中，東北片區以毗鄰水道（界河、界湖）為主，西北和西南片區以連接水道（跨境河流）為主。隨著中國國際河流區的綜合開發和與周邊國家地緣合作的快速拓展，氣候變化和人類活動驅動下的跨境水安全問題也日益突出，中國西南地區與東南亞的河流水文變化及跨境影響、西藏與南亞地區的跨境氣象水文災害、中國西北地區與中亞的跨境水與生態安全、中國東北地區與東北亞的跨境防洪與水污染等問題引起廣泛關注。但由于缺乏面向國家水安全監測的衛星系統等水利科技基礎設施，我國在保障國家水安全特別是跨境河流水安全等關鍵問題上仍然受到眾多制約，現有的衛星觀測系統無法滿足國家水安全監測的關鍵需求。隨著高分辨率對地觀測系統重大專項的實施，我國初步建立了基本的衛星觀測網絡體系，但在面向國家水安全保障需求方面，仍遠不能滿足需求。因此，研制天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺是涉及國家水土安全戰略的重大需求，也是補充當前水利科技重大基礎設施的重大舉措。建立天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺將滿足我國對跨境河流資源本底調查、跨境河流國土安全、跨境河流水與生態安全保障等方面的關鍵需求，進一步保障國家水安全及涉水危機的應對。

2 建設初步方案

如圖1所示，天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺的主要建設內容包括天地一體化水系統全要素觀測網、水系統科學大數據中心以及水系統智慧模擬平臺3部分，簡稱“一網、一中心、一平臺”。

圖1 天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺架構

2.1 天地一體化水系統全要素觀測網

目前，我國已經建成較為完善的地面觀測站點和由陸地觀測、海洋觀測、大氣觀測3個系列衛星組成的遙感衛星系統[6]，但現有合成孔徑雷達SAR衛星仍然不足，不能滿足全天候的水系統要素監測的需求。按照《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015-2025 年）》，“十三五”期間，我國成功發射了高分三號、高分五號、高分六號、高分七號衛星以及高分一號02、03、04星等遙感衛星，極大豐富了衛星遙感數據源[7]。災害事故的發生往往伴隨多云、雨雪等不利天氣。2016年8月，高分三號01星成功發射，成為我國首顆民用全極化C波段SAR衛星，為我國災害監測尤其是洪澇、臺風災害監測提供重要數據源，同時也為光學與微波數據融合應用，全面提升遙感技術支撐能力奠定了堅實基礎。但在軌民用可用SAR 衛星僅高分三號衛星3 顆，尚不足以支撐突發災害事故動態、精準監測需求。

基于此，天地一體化水系統全要素觀測網由現有遙感衛星資源及地面水文、氣象觀測站網以及補充研發的2顆高分辨率X波段雷達衛星和1顆P波段全極化雷達衛星組成，實現流域水系統全要素、全周期、全天候、高精度觀測。并開展衛星組網觀測，通過統一的衛星接收處理標準化模式，形成全天候水系統全要素空間觀測能力；利用當前已建的全國水文觀測站點，融合5G通信網絡和北斗導航系統，形成地面水系統全要素監測能力，充分貫通空間和地面水系統全要素監測系統，建成完備的水系統全要素觀測網，支撐水系統科學大數據中心和高效智慧的水系統模擬平臺的建設。

2.2 水系統科學大數據中心

水系統科學大數據中心基于大數據、云計算、人工智能、5G等先進技術，實現對流域水系統空天地海量數據存儲、管理以及多源數據融合、水系統要素專題產品反演等。由在水系統科學大數據主中心和分中心（兼做災備中心）組成。大數據中心主要包含四個分系統：數據接收處理分系統、數據管理分系統、專題基礎產品生產分系統、產品共享發布分系統。數據接收處理分系統是接收全天候天地一體化水系統全要素觀測網數據流，以統一的數據采集與存儲標準，集成全國范圍水系統全要素天地一體化觀測數據；數據管理分系統用來存儲管理衛星數據、地面站網數據以及航空無人機數據等多源水系統觀測大數據；專題基礎產品生產分系統負責表層土壤水分、根區土壤水分、地表凍融態、積雪覆蓋、冰川分布、濕地分布、水域分布、DSM（Digital Surface Model）、DEM（Digital Elevation Model）、生物量、地表粗糙度、地表沉降率等12種衛星遙感共性基礎產品；產品共享發布分系統用于向不同用戶分發共享數據及基礎產品。

2.3 水系統智慧模擬平臺

開展水系統智慧模擬平臺建設，實現面向國家水安全保障的監測監管和水系統智慧模擬，水系統智慧模擬平臺由監測預警系統和水系統智慧模擬平臺2部分組成（圖2）。

圖2 水系統智慧模擬平臺架構

（1）面向國家水安全保障重大需求，通過天地一體化水系統全要素觀測網獲取各類衛星、航空和地面監測數據，基于水系統科學大數據中心，開展洪澇災害、干旱、水利工程、河湖、國際河流、地表水資源等監測監管，主要包括：①洪澇災害監測預警子系統：包括山洪災害風險預警、中小河流風險預警、大江大河風險預警、城市內澇風險預警，以及洪澇災害應急監測。主要是基于陸表參數等基礎數據產品，結合氣象部門提供的氣象預報數據，結合現有洪水預報模型，利用土壤含水量、水域初值，分析全國各地洪澇災害發生風險。對于洪澇災害應急監測，可進一步生產淹沒面積、水深、歷時、洪澇影響分析、直接經濟損失等產品。②干旱監測模擬子系統：生產受旱面積、旱情等級、旱情評估、旱情歷時產品、灌區土壤水分、灌溉面積等產品，結合模型可以進一步開展旱情預警和作物長勢評估等。③水利工程形變監測子系統：生產大壩形變監測、庫區邊坡形變監測、堤防形變監測等產品。④河湖監管子系統：生產河湖面積動態變化、蓄水量變化、河湖違法監測等產品。⑤國際河流監測子系統：生產境外水利工程建設及分布、河道沖淤監測、境外灌區分布監測、境外涉水災害監測等產品。⑥地表水資源監管子系統：生產全國陸地水域面積，全國陸地濕地變化監測、積雪變化監測、冰川變化監測等產品。⑦水土保持監測監管子系統：生產全國水土流失監測產品、全國生產建設項目區域監管產品、重點生產建設項目項目監管產品等。

（2）以水系統科學大數據平臺為基礎，基于超級計算平臺和流域實體模型，耦合氣象、水環境水生態發展、風險評估等邊界，自主研發可擴展、可移植、統一設計、統一接口的水文、水動力、泥沙、水生態、水環境、水工程安全運用、水工程統一調度等專業模型，進行水系統智慧模擬，主要包括：①防洪仿真模擬：暴雨洪水模擬、極端降雨徑流變化模擬、潰壩模擬、管涌模擬等。②水循環仿真模擬：氣候變化和人類活動影響模擬，流域水循環、水文徑流過程，基于地理信息系統（GIS）的地表水與地下水聯合分布式水文過程模擬。③水沙仿真模擬：由產流產沙、溝道水沙演進和重力侵蝕等模塊構成的流域泥沙過程模型、一維二維三維水流-泥沙-水質模型，模擬多要素、多尺度、多過程的精細、仿真與預測。④水環境仿真模擬：基于全流域水生態環境數學模型，實現水動力（流場、水位、水深等）、水質（總氮、總磷、氨氮、化學需氧量（COD）、典型重金屬等）、水溫和藻類時空演變過程的動態仿真模擬。⑤水生態仿真模擬：基于流域水生態演變模型，模擬水文節律、水溫和重要指示物種“三場一通道”。⑥水工程安全仿真模擬：水利樞紐工程全要素、全周期、全時段的建設、監測和運行模擬。⑦水工程統一調度仿真模擬：面向流域水資源配置，以防洪、供水、生態、發電和航運等任務為目標，進行水工程統一調度運行過程模擬。

3 預期建設目標

3.1 衛星載荷設計研制達到國際前沿水平

P 波段SAR 天線在國內外均沒有研制經歷，P 波段SAR衛星研制需解決電離層對P波段SAR性能影響的補償校正、P波段SAR系統抗干擾技術、大規模P波段SAR天線技術、P波段SAR衛星總體構型設計等關鍵技術，將在衛星載荷研制、高分辨率SAR成像技術、InSAR干涉測量、地表參數定量反演等方面將取得突破性成果，填補對地觀測數據獲取的空白。同時，P波段SAR衛星研制也將促進對地觀測技術、分布式集群數據接收處理、多源數據同化、監測預警模型等國際前沿技術發展，提升我國整體科學技術水平。

3.2 水利遙感應用實現全球領跑

針對水旱災害監測預警、水利行業強監管等需求，充分發揮衛星遙感大范圍監測、高頻次數據采集優勢，攻克天基、地基多源數據智能化快速處理、水系統專題信息提取、地表參數定量反演、水利工程干涉測量、地表水資源監測評價、河湖岸線變化檢測、疑似違法動土監測、水系統模擬等關鍵技術，為水旱災害、水利工程、地表水資源、河湖岸線、水土保持、生態環境及國際河流等的持續監測監管、準確評估、早期預警和快速應急響應提供強有力的科學依據。平臺建成后，海量的天基地基觀測數據，豐富了原有模型與方法所需的數據源，通過多空間、多時間尺度災害表征信息，能夠及時獲得準確的承災體、孕災環境和致災因子信息及相互之間的關系，從而推動災害過程的研究；基于人工智能、大數據、計算機模擬與仿真等高新技術手段，建立水系統智慧模擬平臺，具備大流域水系統物理、生態和人文三大過程整體模擬能力，能夠快速預測和再現災害的災前、災中和災后情景，實現水系統智慧模擬，促進數據同化、模擬與仿真技術在水旱災害監測、水利工程安全、水土流失防治、水生態環境保護等領域的應用與推廣，在干旱、洪澇、水利工程、河湖岸線等監測監管方面實現全球領跑。

3.3 全面提升水利業務信息化水平

目前，我國水情、旱情、工情、災情的監測通常是由水文、墑情、氣象等地面站點實時觀測以及統計上報來實現，難以滿足自然災害監測防御的需求。隨著現代衛星遙感技術的快速發展，衛星遙感已經成為水利監測體系不可或缺的重要部分?；谛l星遙感全方位、多時相的對地觀測能力可以極大地提升水情、旱情、工情、災情信息獲取的范圍和效率，為我國水旱災害、水利工程、地表水資源、河湖岸線、水土保持以及國際河流的監測監管提供基礎信息，實現洪澇、旱情、水土流失、水資源等動態監測評價，水利工程、河湖岸線、國際河流等動態監管，水循環、水環境、水生態等智慧模擬，支撐全國防洪抗旱減災、水利工程管理、河湖監管、水資源調度、生態環境保護等水利業務應用，為水安全保障提供服務。通過天地一體化水系統全要素觀測網的建設，將具備全要素觀測能力、小時級快速響應、亞米級監測精度，將顯著提升水系統全要素監測能力，滿足水情、旱情、工情、災情信息獲取需求，促進遙感技術在水利行業的應用，全面提升水利業務信息化水平。

4 結 語

本文提出了天地一體化水系統全要素監測與模擬平臺建設構想，一旦建成，將形成具有完全自主產權、國際上卓越領先的監測與模擬平臺，改變我國嚴重依賴國外雷達衛星的狀況，顯著提升我國水系統全要素、全天候、大范圍、高頻次的觀測能力，提高河湖、水土保持及水利工程監管水平，減輕水旱災害造成的損失，保障生態環境改善。同時，還可為我國應急管理、自然資源、生態環境、農業、海洋、軍事等部門提供數據支撐及技術服務，具有巨大的經濟、社會和生態效益，科學技術效果顯著。