呂 娟 劉昌軍 黃詩峰 馬建威 楊 昆

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

0 引 言

水資源是基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性的自然稀缺資源，是維持全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、維系生態(tài)平衡和環(huán)境優(yōu)美的重要基礎(chǔ)。習(xí)近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水方略，水利部黨組提出的“建設(shè)數(shù)字孿生流域，推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展”新時(shí)期治水思路，都要求利用高新技術(shù)，高效利用水利資源，防御水災(zāi)害。

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和全球氣候變化的影響加劇，我國面臨的水安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。在洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)模擬、大范圍干旱監(jiān)測(cè)模擬、流域水循環(huán)過程與機(jī)理、河湖演變監(jiān)測(cè)、水生態(tài)環(huán)境與水土保持監(jiān)測(cè)和評(píng)估、水工程安全監(jiān)測(cè)、跨界河流水土安全及權(quán)益保障等方面，我國亟須研制天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水系統(tǒng)全要素、全周期、全天候、高精度數(shù)據(jù)的科學(xué)觀測(cè)；進(jìn)而，利用天地多維度海量信息，提供水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)分析服務(wù)；同時(shí)，自主研發(fā)水文、水動(dòng)力、水能、泥沙、水生態(tài)、水環(huán)境、水工程安全運(yùn)用、水工程統(tǒng)一調(diào)度等專業(yè)模型，進(jìn)行水系統(tǒng)的智慧模擬，從而突破我國水系統(tǒng)全要素、全周期、全天候、高精度數(shù)據(jù)的獲取瓶頸，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)全要素?cái)?shù)據(jù)觀測(cè)與采集、存儲(chǔ)、管理與應(yīng)用、資源開放和共享等，可對(duì)七大流域水系統(tǒng)演變進(jìn)行長期觀測(cè)和科學(xué)研究，服務(wù)于我國高質(zhì)量發(fā)展。

1 水利行業(yè)業(yè)務(wù)需求

1.1 洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)模擬的迫切需求

我國洪澇災(zāi)害頻繁，每年造成損失巨大，面臨著重大洪澇災(zāi)害的嚴(yán)峻考驗(yàn)。我國在涉水災(zāi)害的天地一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系方面建設(shè)嚴(yán)重滯后，在監(jiān)測(cè)時(shí)效性、有效性、精度等方面仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)需要。當(dāng)前，洪澇災(zāi)害時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力不足，導(dǎo)致成災(zāi)過程和關(guān)鍵因子認(rèn)識(shí)不深入，洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)理論與方法不完善，成為國家防災(zāi)減災(zāi)決策的重大瓶頸和障礙。因此，研制天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)將促進(jìn)我國在氣候變化和城市化背景下水文特征變異性、洪澇災(zāi)害連鎖性與洪災(zāi)損失突變性及其形成機(jī)理方面的研究，將顯著提升我國洪澇監(jiān)測(cè)的響應(yīng)能力和防災(zāi)減災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范能力，進(jìn)一步促進(jìn)我國洪澇災(zāi)害快速監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急管理體系的完善[1]。

1.2 大范圍干旱監(jiān)測(cè)模擬的迫切需求

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1991-2020 年我國農(nóng)田受旱面積平均每年達(dá)1 998.133 萬hm2以上，成災(zāi)897.622 萬hm2，糧食減產(chǎn)162.99 億kg，歷年各次大旱都對(duì)國民經(jīng)濟(jì)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(jiān)測(cè)和響應(yīng)的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的站點(diǎn)土壤水分監(jiān)測(cè)方法可以獲取高精度的根區(qū)土壤水分觀測(cè)結(jié)果，但耗時(shí)耗力，代價(jià)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(wèi)星遙感產(chǎn)品目前時(shí)空分辨率低，且無法提供深層的土壤墑情信息。由于根區(qū)土壤水分反演的復(fù)雜性，國際上開展P波段雷達(dá)數(shù)據(jù)反演根區(qū)土壤水分的研究極少，國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚屬空白，發(fā)展基于P波段雷達(dá)數(shù)據(jù)的根區(qū)分層土壤水分反演算法具有重要的科學(xué)意義和理論意義，且反演結(jié)果可為旱情監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)、氣候變化等研究領(lǐng)域直接提供數(shù)據(jù)支持，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，大范圍墑情監(jiān)測(cè)還是科學(xué)指導(dǎo)灌溉、保障作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)，應(yīng)對(duì)糧食主產(chǎn)區(qū)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(huán)過程與機(jī)理研究的迫切需求

氣候變化引起水循環(huán)變化，直接影響中國各大流域水資源供應(yīng)和分布。在自然變化和人類活動(dòng)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(xù)變暖，異常多雨地帶可能發(fā)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(duì)流域或區(qū)域水循環(huán)、水資源產(chǎn)生重要影響，也會(huì)對(duì)現(xiàn)有的水利工程設(shè)施的功能和效率提出新的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要深入研究水系統(tǒng)理論，加強(qiáng)水系統(tǒng)模擬的推廣應(yīng)用；在水系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究中，通過對(duì)以水循環(huán)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(xué)過程）的基本參數(shù)的觀測(cè)及機(jī)理研究，構(gòu)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(tǒng)綜合模擬平臺(tái)；分析人口基本需求、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展消耗及生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)三者之間的用水矛盾，量化人為調(diào)控及環(huán)境治理工程的社會(huì)及生態(tài)后果，交叉應(yīng)用自然科學(xué)及社會(huì)科學(xué)，是水系統(tǒng)理論與方法在變化環(huán)境下流域水資源可持續(xù)利用規(guī)劃與決策管理中應(yīng)用推廣的重要途徑。因此，迫切需要研制水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)，從水系統(tǒng)的角度研究變化環(huán)境下水循環(huán)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)間的聯(lián)系與反饋機(jī)制以及水循環(huán)系統(tǒng)的整體調(diào)控與高效利用。

1.4 河湖演變監(jiān)測(cè)的迫切需求

目前，我國河湖水情的監(jiān)測(cè)通常是由過水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)觀測(cè)來實(shí)現(xiàn)，盡管目前全國各類水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(jiān)測(cè)需求。隨著現(xiàn)代衛(wèi)星遙感技術(shù)向輕量化、快捷化、多功能化發(fā)展，對(duì)于水情的監(jiān)測(cè)已經(jīng)能夠通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)全國水情全方位、全覆蓋的監(jiān)測(cè)，以彌補(bǔ)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)全國水情監(jiān)測(cè)的不足。發(fā)展天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全國河湖水情信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)，包括河湖水體范圍監(jiān)測(cè)、水位/水深遙感反演、河道流量遙感估算、湖庫水量、河湖水質(zhì)、河湖冰情及土壤墑情遙感監(jiān)測(cè)等，河湖水情信息的遙感監(jiān)測(cè)是對(duì)有限水文觀測(cè)站點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充。在特殊應(yīng)用時(shí)期還可以調(diào)用衛(wèi)星轉(zhuǎn)角或擺角對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行長時(shí)間、高精度的大范圍觀測(cè)，為突發(fā)、重大的水旱災(zāi)害、重點(diǎn)工程建設(shè)等提供應(yīng)急監(jiān)測(cè)服務(wù)。因此，研制天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)將提高我國在江河演變監(jiān)測(cè)方面的能力，對(duì)于建立天地一體水利監(jiān)測(cè)體系，促進(jìn)水利信息化建設(shè)，提高水利部門應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害能力，具有極其重大的意義。

1.5 水生態(tài)環(huán)境與水土保持監(jiān)測(cè)評(píng)估的迫切需求

隨著人類的生產(chǎn)活動(dòng)，水環(huán)境受到嚴(yán)重的污染及破壞，保護(hù)水生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為全世界共同的責(zé)任。我國目前大部分河流存在過度開發(fā)和嚴(yán)重的污染問題。對(duì)于我國水環(huán)境質(zhì)量而言，目前水生態(tài)環(huán)境保護(hù)明顯不足，還需要在水環(huán)境監(jiān)測(cè)、保護(hù)、修復(fù)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(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)，加快我國水系統(tǒng)的統(tǒng)籌一體化的水態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)管信息平臺(tái)的建設(shè)，科學(xué)、及時(shí)、精準(zhǔn)感應(yīng)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)并識(shí)別、分析問題；科學(xué)認(rèn)識(shí)我國各流域水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀和生態(tài)系統(tǒng)規(guī)律，建立合理有效的水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)治理防范體系。同時(shí)，依托大數(shù)據(jù)和人工智能等手段實(shí)現(xiàn)流域的精細(xì)化管理，提升流域整體的治理水平。

水土流失被認(rèn)為是我國主要的環(huán)境問題，國家已將水土保持作為長期堅(jiān)持的一項(xiàng)基本國策和生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)工程。在一些地區(qū)，水土流失與生態(tài)環(huán)境惡化的局面尚未得到有效遏制，工業(yè)化、城市化、區(qū)域開發(fā)等大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)又產(chǎn)生了新的水土流失。水土流失已成為我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙，國家對(duì)水土保持科技的需求比以往任何時(shí)候都更加迫切。亟須建立天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究我國復(fù)雜侵蝕環(huán)境下的水土流失過程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，建立復(fù)雜環(huán)境條件下土壤侵蝕模型構(gòu)建的理論與方法，基于天地一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水土保持信息化監(jiān)管[4]。

1.6 水工程安全監(jiān)測(cè)的迫切需求

水工程是關(guān)乎國計(jì)民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行安全極為重要。目前，我國擁有的水壩數(shù)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(diǎn)多面廣，建設(shè)數(shù)量多，偏遠(yuǎn)地區(qū)且受其氣候條件影響，監(jiān)測(cè)和應(yīng)對(duì)極端洪水防御能力低，已成為我國水利工程安全運(yùn)行和保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的突出問題，開發(fā)低成本工具來提高大壩檢測(cè)效率和監(jiān)測(cè)性能已成為研究熱點(diǎn)。基于差分干涉合成孔徑雷達(dá)的衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)成為大壩變形監(jiān)測(cè)的重要手段，精度達(dá)毫米到厘米量級(jí)，差分干涉合成孔徑雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在大壩形變長期監(jiān)測(cè)方面具有應(yīng)用前景。由于我國合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）衛(wèi)星發(fā)展較晚，目前在軌運(yùn)行的SAR衛(wèi)星僅有3顆高分三號(hào)衛(wèi)星，難以滿足水利工程安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。后續(xù)規(guī)劃的SAR衛(wèi)星主要應(yīng)用在海洋、減災(zāi)、測(cè)繪領(lǐng)域，我國雷達(dá)衛(wèi)星在水利工程形變監(jiān)測(cè)、自然資源調(diào)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(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)將為我國大壩等重大水利工程的形變和安全監(jiān)測(cè)等重大需求提供關(guān)鍵支撐，可為水利工程的安全運(yùn)行提供重要保障。

1.7 跨界河流水土安全及權(quán)益保障的迫切需求

我國共擁有國際河流（湖泊）110 多條（個(gè)），主要分布于東北、西北和西南三大片區(qū)[5]。其中，東北片區(qū)以毗鄰水道（界河、界湖）為主，西北和西南片區(qū)以連接水道（跨境河流）為主。隨著中國國際河流區(qū)的綜合開發(fā)和與周邊國家地緣合作的快速拓展，氣候變化和人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的跨境水安全問題也日益突出，中國西南地區(qū)與東南亞的河流水文變化及跨境影響、西藏與南亞地區(qū)的跨境氣象水文災(zāi)害、中國西北地區(qū)與中亞的跨境水與生態(tài)安全、中國東北地區(qū)與東北亞的跨境防洪與水污染等問題引起廣泛關(guān)注。但由于缺乏面向國家水安全監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星系統(tǒng)等水利科技基礎(chǔ)設(shè)施，我國在保障國家水安全特別是跨境河流水安全等關(guān)鍵問題上仍然受到眾多制約，現(xiàn)有的衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)無法滿足國家水安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵需求。隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)的實(shí)施，我國初步建立了基本的衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，但在面向國家水安全保障需求方面，仍遠(yuǎn)不能滿足需求。因此，研制天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)是涉及國家水土安全戰(zhàn)略的重大需求，也是補(bǔ)充當(dāng)前水利科技重大基礎(chǔ)設(shè)施的重大舉措。建立天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)將滿足我國對(duì)跨境河流資源本底調(diào)查、跨境河流國土安全、跨境河流水與生態(tài)安全保障等方面的關(guān)鍵需求，進(jìn)一步保障國家水安全及涉水危機(jī)的應(yīng)對(duì)。

2 建設(shè)初步方案

如圖1所示，天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)的主要建設(shè)內(nèi)容包括天地一體化水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)、水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)中心以及水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)3部分，簡稱“一網(wǎng)、一中心、一平臺(tái)”。

圖1 天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)架構(gòu)

2.1 天地一體化水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)

目前，我國已經(jīng)建成較為完善的地面觀測(cè)站點(diǎn)和由陸地觀測(cè)、海洋觀測(cè)、大氣觀測(cè)3個(gè)系列衛(wèi)星組成的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)[6]，但現(xiàn)有合成孔徑雷達(dá)SAR衛(wèi)星仍然不足，不能滿足全天候的水系統(tǒng)要素監(jiān)測(cè)的需求。按照《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025 年）》，“十三五”期間，我國成功發(fā)射了高分三號(hào)、高分五號(hào)、高分六號(hào)、高分七號(hào)衛(wèi)星以及高分一號(hào)02、03、04星等遙感衛(wèi)星，極大豐富了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源[7]。災(zāi)害事故的發(fā)生往往伴隨多云、雨雪等不利天氣。2016年8月，高分三號(hào)01星成功發(fā)射，成為我國首顆民用全極化C波段SAR衛(wèi)星，為我國災(zāi)害監(jiān)測(cè)尤其是洪澇、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)源，同時(shí)也為光學(xué)與微波數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，全面提升遙感技術(shù)支撐能力奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但在軌民用可用SAR 衛(wèi)星僅高分三號(hào)衛(wèi)星3 顆，尚不足以支撐突發(fā)災(zāi)害事故動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)需求。

基于此，天地一體化水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)由現(xiàn)有遙感衛(wèi)星資源及地面水文、氣象觀測(cè)站網(wǎng)以及補(bǔ)充研發(fā)的2顆高分辨率X波段雷達(dá)衛(wèi)星和1顆P波段全極化雷達(dá)衛(wèi)星組成，實(shí)現(xiàn)流域水系統(tǒng)全要素、全周期、全天候、高精度觀測(cè)。并開展衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)，通過統(tǒng)一的衛(wèi)星接收處理標(biāo)準(zhǔn)化模式，形成全天候水系統(tǒng)全要素空間觀測(cè)能力；利用當(dāng)前已建的全國水文觀測(cè)站點(diǎn)，融合5G通信網(wǎng)絡(luò)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，形成地面水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)能力，充分貫通空間和地面水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建成完備的水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)，支撐水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)中心和高效智慧的水系統(tǒng)模擬平臺(tái)的建設(shè)。

2.2 水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)中心

水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)中心基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域水系統(tǒng)空天地海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理以及多源數(shù)據(jù)融合、水系統(tǒng)要素專題產(chǎn)品反演等。由在水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)主中心和分中心（兼做災(zāi)備中心）組成。大數(shù)據(jù)中心主要包含四個(gè)分系統(tǒng)：數(shù)據(jù)接收處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、專題基礎(chǔ)產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)、產(chǎn)品共享發(fā)布分系統(tǒng)。數(shù)據(jù)接收處理分系統(tǒng)是接收全天候天地一體化水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)流，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，集成全國范圍水系統(tǒng)全要素天地一體化觀測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)用來存儲(chǔ)管理衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地面站網(wǎng)數(shù)據(jù)以及航空無人機(jī)數(shù)據(jù)等多源水系統(tǒng)觀測(cè)大數(shù)據(jù)；專題基礎(chǔ)產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)表層土壤水分、根區(qū)土壤水分、地表凍融態(tài)、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(wèi)星遙感共性基礎(chǔ)產(chǎn)品；產(chǎn)品共享發(fā)布分系統(tǒng)用于向不同用戶分發(fā)共享數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)產(chǎn)品。

2.3 水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)

開展水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)面向國家水安全保障的監(jiān)測(cè)監(jiān)管和水系統(tǒng)智慧模擬，水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)由監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)2部分組成（圖2）。

圖2 水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)架構(gòu)

（1）面向國家水安全保障重大需求，通過天地一體化水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)獲取各類衛(wèi)星、航空和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)中心，開展洪澇災(zāi)害、干旱、水利工程、河湖、國際河流、地表水資源等監(jiān)測(cè)監(jiān)管，主要包括：①洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)：包括山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、中小河流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、大江大河風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以及洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)。主要是基于陸表參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，結(jié)合氣象部門提供的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有洪水預(yù)報(bào)模型，利用土壤含水量、水域初值，分析全國各地洪澇災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)，可進(jìn)一步生產(chǎn)淹沒面積、水深、歷時(shí)、洪澇影響分析、直接經(jīng)濟(jì)損失等產(chǎn)品。②干旱監(jiān)測(cè)模擬子系統(tǒng)：生產(chǎn)受旱面積、旱情等級(jí)、旱情評(píng)估、旱情歷時(shí)產(chǎn)品、灌區(qū)土壤水分、灌溉面積等產(chǎn)品，結(jié)合模型可以進(jìn)一步開展旱情預(yù)警和作物長勢(shì)評(píng)估等。③水利工程形變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：生產(chǎn)大壩形變監(jiān)測(cè)、庫區(qū)邊坡形變監(jiān)測(cè)、堤防形變監(jiān)測(cè)等產(chǎn)品。④河湖監(jiān)管子系統(tǒng)：生產(chǎn)河湖面積動(dòng)態(tài)變化、蓄水量變化、河湖違法監(jiān)測(cè)等產(chǎn)品。⑤國際河流監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：生產(chǎn)境外水利工程建設(shè)及分布、河道沖淤監(jiān)測(cè)、境外灌區(qū)分布監(jiān)測(cè)、境外涉水災(zāi)害監(jiān)測(cè)等產(chǎn)品。⑥地表水資源監(jiān)管子系統(tǒng)：生產(chǎn)全國陸地水域面積，全國陸地濕地變化監(jiān)測(cè)、積雪變化監(jiān)測(cè)、冰川變化監(jiān)測(cè)等產(chǎn)品。⑦水土保持監(jiān)測(cè)監(jiān)管子系統(tǒng)：生產(chǎn)全國水土流失監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、全國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域監(jiān)管產(chǎn)品、重點(diǎn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目項(xiàng)目監(jiān)管產(chǎn)品等。

（2）以水系統(tǒng)科學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，基于超級(jí)計(jì)算平臺(tái)和流域?qū)嶓w模型，耦合氣象、水環(huán)境水生態(tài)發(fā)展、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等邊界，自主研發(fā)可擴(kuò)展、可移植、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一接口的水文、水動(dòng)力、泥沙、水生態(tài)、水環(huán)境、水工程安全運(yùn)用、水工程統(tǒng)一調(diào)度等專業(yè)模型，進(jìn)行水系統(tǒng)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(huán)仿真模擬：氣候變化和人類活動(dòng)影響模擬，流域水循環(huán)、水文徑流過程，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的地表水與地下水聯(lián)合分布式水文過程模擬。③水沙仿真模擬：由產(chǎn)流產(chǎn)沙、溝道水沙演進(jìn)和重力侵蝕等模塊構(gòu)成的流域泥沙過程模型、一維二維三維水流-泥沙-水質(zhì)模型，模擬多要素、多尺度、多過程的精細(xì)、仿真與預(yù)測(cè)。④水環(huán)境仿真模擬：基于全流域水生態(tài)環(huán)境數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力（流場、水位、水深等）、水質(zhì)（總氮、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）、典型重金屬等）、水溫和藻類時(shí)空演變過程的動(dòng)態(tài)仿真模擬。⑤水生態(tài)仿真模擬：基于流域水生態(tài)演變模型，模擬水文節(jié)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(shí)段的建設(shè)、監(jiān)測(cè)和運(yùn)行模擬。⑦水工程統(tǒng)一調(diào)度仿真模擬：面向流域水資源配置，以防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電和航運(yùn)等任務(wù)為目標(biāo)，進(jìn)行水工程統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行過程模擬。

3 預(yù)期建設(shè)目標(biāo)

3.1 衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)研制達(dá)到國際前沿水平

P 波段SAR 天線在國內(nèi)外均沒有研制經(jīng)歷，P 波段SAR衛(wèi)星研制需解決電離層對(duì)P波段SAR性能影響的補(bǔ)償校正、P波段SAR系統(tǒng)抗干擾技術(shù)、大規(guī)模P波段SAR天線技術(shù)、P波段SAR衛(wèi)星總體構(gòu)型設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，將在衛(wèi)星載荷研制、高分辨率SAR成像技術(shù)、InSAR干涉測(cè)量、地表參數(shù)定量反演等方面將取得突破性成果，填補(bǔ)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的空白。同時(shí)，P波段SAR衛(wèi)星研制也將促進(jìn)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)、分布式集群數(shù)據(jù)接收處理、多源數(shù)據(jù)同化、監(jiān)測(cè)預(yù)警模型等國際前沿技術(shù)發(fā)展，提升我國整體科學(xué)技術(shù)水平。

3.2 水利遙感應(yīng)用實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)跑

針對(duì)水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管等需求，充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感大范圍監(jiān)測(cè)、高頻次數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢(shì)，攻克天基、地基多源數(shù)據(jù)智能化快速處理、水系統(tǒng)專題信息提取、地表參數(shù)定量反演、水利工程干涉測(cè)量、地表水資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、河湖岸線變化檢測(cè)、疑似違法動(dòng)土監(jiān)測(cè)、水系統(tǒng)模擬等關(guān)鍵技術(shù)，為水旱災(zāi)害、水利工程、地表水資源、河湖岸線、水土保持、生態(tài)環(huán)境及國際河流等的持續(xù)監(jiān)測(cè)監(jiān)管、準(zhǔn)確評(píng)估、早期預(yù)警和快速應(yīng)急響應(yīng)提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。平臺(tái)建成后，海量的天基地基觀測(cè)數(shù)據(jù)，豐富了原有模型與方法所需的數(shù)據(jù)源，通過多空間、多時(shí)間尺度災(zāi)害表征信息，能夠及時(shí)獲得準(zhǔn)確的承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子信息及相互之間的關(guān)系，從而推動(dòng)災(zāi)害過程的研究；基于人工智能、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)模擬與仿真等高新技術(shù)手段，建立水系統(tǒng)智慧模擬平臺(tái)，具備大流域水系統(tǒng)物理、生態(tài)和人文三大過程整體模擬能力，能夠快速預(yù)測(cè)和再現(xiàn)災(zāi)害的災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后情景，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)智慧模擬，促進(jìn)數(shù)據(jù)同化、模擬與仿真技術(shù)在水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水利工程安全、水土流失防治、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣，在干旱、洪澇、水利工程、河湖岸線等監(jiān)測(cè)監(jiān)管方面實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)跑。

3.3 全面提升水利業(yè)務(wù)信息化水平

目前，我國水情、旱情、工情、災(zāi)情的監(jiān)測(cè)通常是由水文、墑情、氣象等地面站點(diǎn)實(shí)時(shí)觀測(cè)以及統(tǒng)計(jì)上報(bào)來實(shí)現(xiàn)，難以滿足自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)防御的需求。隨著現(xiàn)代衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感已經(jīng)成為水利監(jiān)測(cè)體系不可或缺的重要部分。基于衛(wèi)星遙感全方位、多時(shí)相的對(duì)地觀測(cè)能力可以極大地提升水情、旱情、工情、災(zāi)情信息獲取的范圍和效率，為我國水旱災(zāi)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(jiān)測(cè)監(jiān)管提供基礎(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)洪澇、旱情、水土流失、水資源等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，水利工程、河湖岸線、國際河流等動(dòng)態(tài)監(jiān)管，水循環(huán)、水環(huán)境、水生態(tài)等智慧模擬，支撐全國防洪抗旱減災(zāi)、水利工程管理、河湖監(jiān)管、水資源調(diào)度、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，為水安全保障提供服務(wù)。通過天地一體化水系統(tǒng)全要素觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)，將具備全要素觀測(cè)能力、小時(shí)級(jí)快速響應(yīng)、亞米級(jí)監(jiān)測(cè)精度，將顯著提升水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)能力，滿足水情、旱情、工情、災(zāi)情信息獲取需求，促進(jìn)遙感技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用，全面提升水利業(yè)務(wù)信息化水平。

4 結(jié) 語

本文提出了天地一體化水系統(tǒng)全要素監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)建設(shè)構(gòu)想，一旦建成，將形成具有完全自主產(chǎn)權(quán)、國際上卓越領(lǐng)先的監(jiān)測(cè)與模擬平臺(tái)，改變我國嚴(yán)重依賴國外雷達(dá)衛(wèi)星的狀況，顯著提升我國水系統(tǒng)全要素、全天候、大范圍、高頻次的觀測(cè)能力，提高河湖、水土保持及水利工程監(jiān)管水平，減輕水旱災(zāi)害造成的損失，保障生態(tài)環(huán)境改善。同時(shí)，還可為我國應(yīng)急管理、自然資源、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、海洋、軍事等部門提供數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)服務(wù)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，科學(xué)技術(shù)效果顯著。