工程虛擬仿真研究管理論文

導語：工程虛擬仿真研究管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1背景

南水北調西線工程規劃從長江上游大渡河、雅礱江、通天河上筑壩建水庫，采用隧洞穿過巴顏喀拉山，向黃河上游補水，以補充黃河水資源不足，是解決我國西北地區干旱缺水問題的重大戰略措施。同時，南水北調西線工程和東、中線工程共同組成一個有機整體，在一定條件和時間內，三條線可相互補充，尤其可通過適當調整黃河水量分配，使南水北調工程與北方東、中、西部水資源相互補償，共同實現我國的水資源優化配置,保證本世紀中葉我國人口高峰時國民經濟和人民生活用水安全。

南水北調西線工程大規模的跨流域調水改變了原有水資源的時間、空間分布狀況，相應地引起了調水區、受水區的自然環境、生態環境和社會經濟發展的變化，并產生諸多有利的和不利的影響；同時，在施工和運行調度管理等方面，西線又是一個復雜、龐大、艱巨的系統工程，存在著許多世界性的難題。如：如何正確評價南水北調西線工程調水后對促進受水區社會經濟發展以及生態環境改善的作用、對調水區可能引起的自然環境和生態環境變化？如何評價西線調水對黃河水資源的補償作用？如何分析不同調水量的供水目標和供水范圍？如何優化確定合適的壩高與洞線長度？如何研究遠景規劃中的后續水源的戰略性問題？等等，對工程的規劃決策及工程建成后的運行管理都有著重要意義。未雨綢繆，必須認真研究這些問題。

為解決南水北調西線工程實施中的一些世界性難題，通過全數字化數據平臺的構建和數字仿真技術的應用，建立全新的數字化研究環境和虛擬調水工程環境，依靠大尺度、高精度情景數字模擬研究和實際驗證，構建復雜系統優化決策模型，為回答西線調水中涉及國民經濟建設和生態環境建設的重大戰略問題以及工程的可行性和科學性問題提供工作平臺。

2目的

南水北調西線工程虛擬仿真及應用研究的目的：為解決南水北調西線工程實施中的一些世界性難題，集成全數字攝影測量、遙感、地理信息系統、全球定位系統、計算機輔助設計、數字三維仿真和多源空間數據無縫集成(SeamlessIntegrationofMulti-sourceSpatialData)等高新技術，建設南水北調西線工程勘測設計一體化數字集成平臺和虛擬環境，完成多比例尺、多數據類型資料的數字集成，以功能強大的系統軟件與模型為支撐，為相關科學家、工程規劃設計人員高效的工作提供詳實靈活便捷的數字流域研究環境，通過對南水北調西線工程調水區、輸水沿線、受水區和后備水源區的數字仿真手段，對調水工程的可行性、有效性及存在的可能方案進一步予以綜合分析與論證?？稍谡{水線路沿線依據其地形、地震、工程地質等條件，對不同調水實施方案的投資規模、工程實施條件進行比選，并初步估計其生態環境影響；依據調水前提對受水區社會、經濟與生態環境效益做出分析，提出客水分配與利用的優化模式；通過對后備水源區的相關研究，探討后續擴大調水的可行性及其影響。為水資源跨流域配置方案的優化選擇提供全新的高技術支撐工具，加快南水北調西線工程的準備，為規劃決策及工程實施提供科學依據。

3南水北調西線工程虛擬仿真及應用研究主要內容

研究內容主要包括兩個方面，第一個方面，針對南水北調西線工程研究多信息源集成的數字平臺和虛擬仿真的關鍵技術，構建一個涵蓋調水區、輸水沿線、受水區的數字平臺和虛擬仿真系統；第二方面，在數字平臺和虛擬仿真系統的支持下，對西線調水工程中的不同調水量、供水目標、外調水和內地水分配利用、輸水路線以及對生態環境影響等問題進行系統分析和優化研究。

3.1南水北調西線數字集成系統研究

研究如何以南水北調西線（含后備水源區）跨流域調水工程規劃勘測設計準備工作為需求背景，在調水線路區、受水區、水源區構建一體化的數字集成平臺，提供數字仿真研究數據基礎。主要內容包括：

3.1.l空間數據庫設計及關鍵技術研究——1)數字化集成平臺設計、數據標準規范制定、數據字典和表結構設計。研究數據庫應包含的內容、數據項、涵蓋范圍、組織策略等；2)海量多數據源、多類型、多要素、多尺度、多時相空間數據庫管理系統的研究。在以往工作積累的基礎上根據本項目的要求，完善大型空間數據庫管理系統，使之能夠管理圖形數據、影像數據、三維高程數據和屬性數據等多類型數據，探討數據庫多源數據邏輯一致性協調與管理方法。完善系統安全管理設計，最大限度地實現空間數據庫系統與虛擬現實系統、計算機輔助設計系統的互操作。

3.1.2南水北調西線數據庫集成——開展西線調水環境與工程數據庫建設。分別在調水工程線路、受水區和調出區建設多比例尺系列的多要素地理環境空間數據庫，作為宏觀和典型區域環境虛擬仿真研究的數據本底。在各方面數據條件允許的情況下具體內容為：1)區域背景影像數據庫,覆蓋全部區域，配合1/5萬、1/25萬尺度分析需要，擬采用2000年ETM影像圖為基礎，對圖像時相不佳的圖像以2000年以后的夏季影像更替后制作成相應比例尺影像圖；在需用1/1萬數據的工程線路典型區段，如地圖條件不能滿足需要的情況下，不排斥使用高分辨率衛星立體對影像數據。2)區域電子地形圖、數字高程模型（DEM）數據庫：1/25萬數據覆蓋全部工作區，1/5萬數據覆蓋調水區線路兩側、受水區黃河干流兩側300m高程區間，1/1萬數據覆蓋工程線路典型區段。3)區域土地覆蓋、土地資源數據庫：1/25萬土地覆蓋數據庫覆蓋全部工作區域，1/5萬土地覆蓋數據庫覆蓋調水區線路兩側、受水區黃河干流兩側200M高程區間，1/1萬土地覆蓋數據庫覆蓋工程線路典型區段。依據影像數據參照2000年1/10萬土地利用現狀圖解譯編繪制作。1/100萬土地資源數據庫覆蓋全部工作區域，由已有成果移植修編完成。4)區域構造地質、水文地質、地勘數據庫：1/20萬普通地質空間數據庫覆蓋全部調水水源區;1/20萬或更大比例尺普通地質電子地圖、水文地質電子地圖覆蓋調水工程典型地段。5)區域氣象、水文數據庫：兼顧受水區、重點在調水區和后備水源區，盡可能長地搜集時間序列基本氣象(如氣溫、地溫、降水、風速、蒸發、輻射等參數)、水文（流量、水位、懸移質含量、水質等參數）數據，在展布觀測站空間位置的基礎上，內插構成各要素的空間等值線分布或沿程分布數據庫。6)區域社會經濟、人文綜合基礎數據庫：在全部工作區以縣為基本單位的人口、耕地面積、產值等社會經濟狀況統計數據，工程沿線展布到圖斑。將重要文物、重點宗教設施等標定在電子地形圖數據基底上構成人文綜合數據庫層面。7)區域水資源數據庫：以受水區水資源利用三級分區數據庫為基礎，補充調水區相應分區構成覆蓋全部工作區的水資源及利用分區數據庫；以地形數據為基底將全部工作區水利工程現狀和規劃資料展布在二維空間上。8)生態環境數據庫：生物多樣性、林草地表覆蓋度、土壤類型和質量、土壤侵蝕、人口承載力、荒漠化、鹽堿地、主要野生動植物分布等。

3.2南水北調西線虛擬仿真系統研究

虛擬仿真系統是在數據集成平臺軟硬件環境的支持下，研制模擬仿真、綜合分析的工具。內容包括：

3.2.1空間分析與仿真基本算法研究及開發擴展GIS的空間分析功能，研究三維疊置分析、三維緩沖分析、三維最優路徑與工程優化分析，為虛擬仿真研究提供基本三維空間分析函數庫。

3.2.2工程沿線可視化的三維虛擬地理環境構建構建南水北調西線工程沿線可視化的三維虛擬地理環境，模擬地表質地、地表覆蓋、道路交通、高程、坡度、氣候等地理環境因素為不同調水方案工程實施研究提供三維地理環境。

3.2.3工程沿線可視化的三維工程施工虛擬環境構建構建南水北調西線工程沿線可視化的三維工程施工虛擬環境，模擬不同調水方案的各種工程參數，提供進行線路投資空間三維分布的計算手段；以三維工程施工虛擬環境提供解決壩高與洞線長度優化、多庫聯調輸水方式優化等技術問題的工具。

3.2.4工程沿線可視化的三維地質虛擬環境構建在三維虛擬地理環境的基礎上，結合南水北調西線工程沿線的活動斷裂帶、地震烈度區劃、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害資料，對不同選線方案主要地質災害危害和風險性進行虛擬研究和評估提供可視化平臺和手段。

3.2.5虛擬系統集成應用在虛擬系統工具組件開發的基礎上，根據調水區、受水區、水源區不同的應用目標，在數據集成平臺的支持下，結合各專業模型，使虛擬系統平臺將水資源優化配置、調水方案優化、調水線路及聯合調度、生態環境影響等仿真模型能夠完整地集成在一起，形成一個面向具體應用的虛擬仿真系統。

3.3南水北調西線水資源合理配置研究

西北地區作為21世紀我國新的經濟增長點，在國家糧食安全、能源、原材料工業等方面擁有無可替代的作用，突出的區位優勢和相對薄弱的水資源條件，形成了該區域可持續發展的主要矛盾。在西部大開發和西部地區嚴重缺水的背景下，依據受水區對水資源的內在需求，就水資源開發、利用、配置、保護、管理等問題，進行受水區不同水平年的需水預測和缺水識別；論證南水北調西線外調水與當地水結合利用方式；對不同調水量的供水目標及供水范圍進行分析，為確定西線各期調水工程合理的供水范圍、供水線路提供決策手段和方法。主要內容包括：

3.3.1受水區水資源演變內在規律研究區域產水量變化的趨勢，將直接影響水資源危機發生的頻次和程度。伴隨著工業化和城鎮化進程以及不當用水方式，受水區生態環境有繼續惡化的趨勢。事實上，所研究的受水區的生態退化是水危機即將發生的重大征兆。根據流域水循環演變趨勢，利用區域水資源二元演化模型，模擬受水區水資源在一定演變速率情景下流域供水和缺水變化趨勢，揭示未來水資源演變對受水區供水和缺水形勢的影響。

3.3.2不同水平年需水與缺水預測隨著人口增加和經濟發展，西北地區水資源需求不斷上升，而脆弱的生態環境和資源型缺水的自然條件，加劇了城市與農村、工業與農業、經濟與生態之間的用水競爭。以經濟社會發展的長期態勢和生態環境建設的需要為基礎，在西部大開發的宏觀戰略指導下，結合受水區土地功能分區的分析，研究受水區不同水平年的需水預測，進行水資源供需形勢和對經濟發展影響展望，分析缺水性質以及缺水分布等態勢。

3.3.3供水工程方案研究利用數字動態模擬系統，對受水區的不同供水線路、供水工程進行虛擬仿真，為確定供水工程的規模指標，分析供水工程的可能性、可行性，提供技術方案和建議。

3.3.4水資源合理配置研究根據受水區缺水分布和調水區的不同輸出水量方案，利用虛擬研究環境平臺，針對不同供水范圍和供水目標，進行技術和經濟合理性分析，提出不同來水條件下的水資源合理配置方案。

3.3.5外調水與當地水置換方式研究基于虛擬仿真環境，對南水北調西線外調水與當地水結合利用方式進行研究，主要內容包括：對黃河流域各支流進行流域水量的綜合平衡，合理確定從各支流的引水量，合理確定受水區的用水規模，進一步確定支流向黃河干流的入流減少量，并通過水資源供需分析，合理確定南水北調西線工程需要對黃河干流增加的補水量。

3.3.6沿線輸水方式優化布置及調度研究西線調水區的蓄水水庫分處不同的河流，在同一年份其水量豐枯不同，為滿足調水需要，對多庫聯合調度進行研究。輸水方式若采用無壓流，則輸水隧洞斷面大，但襯砌要求相對簡單；若采用有壓輸水則斷面可縮小，但襯砌要求高，不同方式的輸水能力也不同，通過對輸水方式進行優化研究，對合理確定西線工程的輸水方式提供技術方案和建議。

3.4南水北調西線后備水源戰略研究

在建立的南水北調西線遠景調水區虛擬仿真平臺的基礎上，重點研究西線調出區自然變化和人類活動影響下的水資源狀況，遠景調水區調水線路評價以及可調水量分析，主要內容有：

3.4.1水源區水資源評價。調出區人跡罕至，水文、氣象資料極度缺乏通過對時空變異規律的分析，提出不同類型地區水文、水資源仿真模擬模型，從而在過去工作的基礎上，進一步摸清調出區不同地區、不同海拔、不同時間水資源的數量與質量，較好地填補這一地區水資源時空分布和垂直變化的空白，為西線調水奠定可靠的物質基礎。

3.4.2遠景調水區工程線路與規模研究根據我國地勢西高東低的特點，在大量空間數據支持下，采用地理信息技術，在可預見的時間尺度內，進一步探討和評價西線調水可能實施的路線和調水路線上各種參數以及配套的工程型式和規模。在綜合分析的前提下，客觀反映各種調水線路的優缺點和存在的主要問題，為西線南水北調遠期決策服務。

3.4.3遠景調水區可調水量研究可調水量在一定程度上取決于水源區的各種限制條件,通過中長期社會經濟發展需水分析、豐平枯不同頻率下的影響模擬、流域生態系統用水預測、調水工程系統水量損失仿真以及調水區可能外援的水量，然后結合受水區的實際需要，擬定不同調水線路的調出水量。

3.5南水北調西線調水對生態環境影響研究

3.5.1調水對受水區土地利用/覆蓋影響研究在對受水區土地利用和生態環境評價基礎上，研究不同調水量對土地利用/覆蓋變化和生態環境的影響。進一步分析西線調水對生態建設的影響；研究西線調水對風沙帶的影響。

3.5.2調水對調出區生態環境影響研究在不同調水方案基礎上，研究不同調水量對調出區土地利用和生態環境的影響。分析調水對水源調出區在不同的水量調出方案(包括不同年調水總量和季節分配方案)，對土地利用和生態環境變化的影響。模擬供水量的時空變化對旱澇災害調節與防災減災的影響，并提出綜合應對策略。

3.5.3調水對調水沿線生態環境影響研究研究不同調水方案對調水沿線土地利用和生態環境的影響，評價沿線淹沒損失，提出相應的對策。

4結語

南水北調西線工程從西南地區引水向西北地區補水，是解決我國西北地區干旱缺水問題的重大戰略舉措。南水北調西線工程可通過適當調整黃河水量分配，使南水北調工程與北方東、中、西部水資源相互補償，共同實現我國的水資源優化配置,保證本世紀我國人口高峰時國民經濟和人民生活用水安全。南水北調西線工程虛擬仿真及應用研究成果對這一工程的規劃決策及工程建成后的運行管理都有著重要意義，其研究方向是前瞻性的，對推動高新技術在解決我國北方地區水資源問題提出新的途徑。