吕 娟 刘昌军 黄诗峰 马建威 杨 昆

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038）

0 引 言

水资源是基础性、战略性的自然稀缺资源，是维持全球经济社会可持续发展、维系生态平衡和环境优美的重要基础。习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”十六字治水方略，水利部党组提出的“建设数字孪生流域，推动新阶段水利高质量发展”新时期治水思路，都要求利用高新技术，高效利用水利资源，防御水灾害。

随着工业化、城镇化和全球气候变化的影响加剧，我国面临的水安全形势日趋严峻。在洪涝灾害监测模拟、大范围干旱监测模拟、流域水循环过程与机理、河湖演变监测、水生态环境与水土保持监测和评估、水工程安全监测、跨界河流水土安全及权益保障等方面，我国亟须研制天地一体化水系统全要素监测与模拟平台，实现对水系统全要素、全周期、全天候、高精度数据的科学观测；进而，利用天地多维度海量信息，提供水系统科学大数据分析服务；同时，自主研发水文、水动力、水能、泥沙、水生态、水环境、水工程安全运用、水工程统一调度等专业模型，进行水系统的智慧模拟，从而突破我国水系统全要素、全周期、全天候、高精度数据的获取瓶颈，实现水系统全要素数据观测与采集、存储、管理与应用、资源开放和共享等，可对七大流域水系统演变进行长期观测和科学研究，服务于我国高质量发展。

1 水利行业业务需求

1.1 洪涝灾害监测模拟的迫切需求

我国洪涝灾害频繁，每年造成损失巨大，面临着重大洪涝灾害的严峻考验。我国在涉水灾害的天地一体化监测网络体系方面建设严重滞后，在监测时效性、有效性、精度等方面仍远远无法满足水旱灾害防御业务需要。当前，洪涝灾害时空动态监测能力不足，导致成灾过程和关键因子认识不深入，洪涝灾害监测理论与方法不完善，成为国家防灾减灾决策的重大瓶颈和障碍。因此，研制天地一体化水系统全要素监测与模拟平台将促进我国在气候变化和城市化背景下水文特征变异性、洪涝灾害连锁性与洪灾损失突变性及其形成机理方面的研究，将显著提升我国洪涝监测的响应能力和防灾减灾风险防范能力，进一步促进我国洪涝灾害快速监测、预警和应急管理体系的完善[1]。

1.2 大范围干旱监测模拟的迫切需求

据统计，1991-2020 年我国农田受旱面积平均每年达1 998.133 万hm2以上，成灾897.622 万hm2，粮食减产162.99 亿kg，历年各次大旱都对国民经济造成了巨大破坏[2]。土壤水分是水分平衡的重要参量，是大范围旱情监测和响应的重要依据。传统的站点土壤水分监测方法可以获取高精度的根区土壤水分观测结果，但耗时耗力，代价昂贵，且很难迅速地获得大面积的土壤水分信息。土壤水分卫星遥感产品目前时空分辨率低，且无法提供深层的土壤墒情信息。由于根区土壤水分反演的复杂性，国际上开展P波段雷达数据反演根区土壤水分的研究极少，国内在该领域的研究尚属空白，发展基于P波段雷达数据的根区分层土壤水分反演算法具有重要的科学意义和理论意义，且反演结果可为旱情监测、洪水预报、气候变化等研究领域直接提供数据支持，具有极其重要的应用价值。此外，大范围墒情监测还是科学指导灌溉、保障作物稳产丰产，应对粮食主产区跨年度极端干旱、国际粮食市场交易限制等“黑天鹅”事件的重要手段。

1.3 流域水循环过程与机理研究的迫切需求

气候变化引起水循环变化，直接影响中国各大流域水资源供应和分布。在自然变化和人类活动的共同影响下，今后几十年中国各大江河流域的气温可能继续变暖，异常多雨地带可能发生迁移，一些流域极端降水、极端干旱事件频率可能升高。这些变化将对流域或区域水循环、水资源产生重要影响，也会对现有的水利工程设施的功能和效率提出新的挑战。因此，迫切需要深入研究水系统理论，加强水系统模拟的推广应用；在水系统理论与应用研究中，通过对以水循环为纽带的三大过程（物理过程、人文过程、生物与生物地球化学过程）的基本参数的观测及机理研究，构建多要素、多过程、多尺度双向反馈回路耦合模型，建立流域水系统综合模拟平台；分析人口基本需求、社会经济发展消耗及生态环境保护和恢复三者之间的用水矛盾，量化人为调控及环境治理工程的社会及生态后果，交叉应用自然科学及社会科学，是水系统理论与方法在变化环境下流域水资源可持续利用规划与决策管理中应用推广的重要途径。因此，迫切需要研制水系统全要素监测与模拟平台，从水系统的角度研究变化环境下水循环过程中各个环节间的联系与反馈机制以及水循环系统的整体调控与高效利用。

1.4 河湖演变监测的迫切需求

目前，我国河湖水情的监测通常是由过水文监测站点实时观测来实现，尽管目前全国各类水文监测站点已有119 914处[3]，但仍难于满足许多中小河流和小型水库等的水情监测需求。随着现代卫星遥感技术向轻量化、快捷化、多功能化发展，对于水情的监测已经能够通过卫星遥感监测手段实现对全国水情全方位、全覆盖的监测，以弥补水文监测站点对全国水情监测的不足。发展天地一体化水系统全要素监测与模拟平台，实现全国河湖水情信息的实时动态遥感监测，包括河湖水体范围监测、水位/水深遥感反演、河道流量遥感估算、湖库水量、河湖水质、河湖冰情及土壤墒情遥感监测等，河湖水情信息的遥感监测是对有限水文观测站点获取数据的重要补充。在特殊应用时期还可以调用卫星转角或摆角对重点区域进行长时间、高精度的大范围观测，为突发、重大的水旱灾害、重点工程建设等提供应急监测服务。因此，研制天地一体化水系统全要素监测与模拟平台将提高我国在江河演变监测方面的能力，对于建立天地一体水利监测体系，促进水利信息化建设，提高水利部门应对自然灾害能力，具有极其重大的意义。

1.5 水生态环境与水土保持监测评估的迫切需求

随着人类的生产活动，水环境受到严重的污染及破坏，保护水生态环境已经成为全世界共同的责任。我国目前大部分河流存在过度开发和严重的污染问题。对于我国水环境质量而言，目前水生态环境保护明显不足，还需要在水环境监测、保护、修复等方面做出更多的努力。因此，迫切需要建立天地一体化水系统全要素监测与模拟平台，加快我国水系统的统筹一体化的水态环境监测和监管信息平台的建设，科学、及时、精准感应生态环境数据并识别、分析问题；科学认识我国各流域水环境质量现状和生态系统规律，建立合理有效的水生态环境系统治理防范体系。同时，依托大数据和人工智能等手段实现流域的精细化管理，提升流域整体的治理水平。

水土流失被认为是我国主要的环境问题，国家已将水土保持作为长期坚持的一项基本国策和生态建设的基础工程。在一些地区，水土流失与生态环境恶化的局面尚未得到有效遏制，工业化、城市化、区域开发等大规模的基础设施建设又产生了新的水土流失。水土流失已成为我国实现可持续发展的严重障碍，国家对水土保持科技的需求比以往任何时候都更加迫切。亟须建立天地一体化水系统全要素监测系统，研究我国复杂侵蚀环境下的水土流失过程及驱动机制，建立复杂环境条件下土壤侵蚀模型构建的理论与方法，基于天地一体化监测网络，实现水土保持信息化监管[4]。

1.6 水工程安全监测的迫切需求

水工程是关乎国计民生的重要基础设施，其运行安全极为重要。目前，我国拥有的水坝数量居世界首位。截至2020 年年底，全国已建成各类水库98 566 座，水库总库容9 306亿m3。其中大型水库774座，中型水库4 098座[3]，安全度汛压力极大。我国中小水库和堤防点多面广，建设数量多，偏远地区且受其气候条件影响，监测和应对极端洪水防御能力低，已成为我国水利工程安全运行和保障社会经济可持续发展的突出问题，开发低成本工具来提高大坝检测效率和监测性能已成为研究热点。基于差分干涉合成孔径雷达的卫星测量技术成为大坝变形监测的重要手段，精度达毫米到厘米量级，差分干涉合成孔径雷达测量技术在大坝形变长期监测方面具有应用前景。由于我国合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星发展较晚，目前在轨运行的SAR卫星仅有3颗高分三号卫星，难以满足水利工程安全监测的应用需求。后续规划的SAR卫星主要应用在海洋、减灾、测绘领域，我国雷达卫星在水利工程形变监测、自然资源调查和管理等方面仍难以满足需求。因此，研制天地一体化水系统全要素监测与模拟平台将为我国大坝等重大水利工程的形变和安全监测等重大需求提供关键支撑，可为水利工程的安全运行提供重要保障。

1.7 跨界河流水土安全及权益保障的迫切需求

我国共拥有国际河流（湖泊）110 多条（个），主要分布于东北、西北和西南三大片区[5]。其中，东北片区以毗邻水道（界河、界湖）为主，西北和西南片区以连接水道（跨境河流）为主。随着中国国际河流区的综合开发和与周边国家地缘合作的快速拓展，气候变化和人类活动驱动下的跨境水安全问题也日益突出，中国西南地区与东南亚的河流水文变化及跨境影响、西藏与南亚地区的跨境气象水文灾害、中国西北地区与中亚的跨境水与生态安全、中国东北地区与东北亚的跨境防洪与水污染等问题引起广泛关注。但由于缺乏面向国家水安全监测的卫星系统等水利科技基础设施，我国在保障国家水安全特别是跨境河流水安全等关键问题上仍然受到众多制约，现有的卫星观测系统无法满足国家水安全监测的关键需求。随着高分辨率对地观测系统重大专项的实施，我国初步建立了基本的卫星观测网络体系，但在面向国家水安全保障需求方面，仍远不能满足需求。因此，研制天地一体化水系统全要素监测与模拟平台是涉及国家水土安全战略的重大需求，也是补充当前水利科技重大基础设施的重大举措。建立天地一体化水系统全要素监测与模拟平台将满足我国对跨境河流资源本底调查、跨境河流国土安全、跨境河流水与生态安全保障等方面的关键需求，进一步保障国家水安全及涉水危机的应对。

2 建设初步方案

如图1所示，天地一体化水系统全要素监测与模拟平台的主要建设内容包括天地一体化水系统全要素观测网、水系统科学大数据中心以及水系统智慧模拟平台3部分，简称“一网、一中心、一平台”。

图1 天地一体化水系统全要素监测与模拟平台架构

2.1 天地一体化水系统全要素观测网

目前，我国已经建成较为完善的地面观测站点和由陆地观测、海洋观测、大气观测3个系列卫星组成的遥感卫星系统[6]，但现有合成孔径雷达SAR卫星仍然不足，不能满足全天候的水系统要素监测的需求。按照《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025 年）》，“十三五”期间，我国成功发射了高分三号、高分五号、高分六号、高分七号卫星以及高分一号02、03、04星等遥感卫星，极大丰富了卫星遥感数据源[7]。灾害事故的发生往往伴随多云、雨雪等不利天气。2016年8月，高分三号01星成功发射，成为我国首颗民用全极化C波段SAR卫星，为我国灾害监测尤其是洪涝、台风灾害监测提供重要数据源，同时也为光学与微波数据融合应用，全面提升遥感技术支撑能力奠定了坚实基础。但在轨民用可用SAR 卫星仅高分三号卫星3 颗，尚不足以支撑突发灾害事故动态、精准监测需求。

基于此，天地一体化水系统全要素观测网由现有遥感卫星资源及地面水文、气象观测站网以及补充研发的2颗高分辨率X波段雷达卫星和1颗P波段全极化雷达卫星组成，实现流域水系统全要素、全周期、全天候、高精度观测。并开展卫星组网观测，通过统一的卫星接收处理标准化模式，形成全天候水系统全要素空间观测能力；利用当前已建的全国水文观测站点，融合5G通信网络和北斗导航系统，形成地面水系统全要素监测能力，充分贯通空间和地面水系统全要素监测系统，建成完备的水系统全要素观测网，支撑水系统科学大数据中心和高效智慧的水系统模拟平台的建设。

2.2 水系统科学大数据中心

水系统科学大数据中心基于大数据、云计算、人工智能、5G等先进技术，实现对流域水系统空天地海量数据存储、管理以及多源数据融合、水系统要素专题产品反演等。由在水系统科学大数据主中心和分中心（兼做灾备中心）组成。大数据中心主要包含四个分系统：数据接收处理分系统、数据管理分系统、专题基础产品生产分系统、产品共享发布分系统。数据接收处理分系统是接收全天候天地一体化水系统全要素观测网数据流，以统一的数据采集与存储标准，集成全国范围水系统全要素天地一体化观测数据；数据管理分系统用来存储管理卫星数据、地面站网数据以及航空无人机数据等多源水系统观测大数据；专题基础产品生产分系统负责表层土壤水分、根区土壤水分、地表冻融态、积雪覆盖、冰川分布、湿地分布、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种卫星遥感共性基础产品；产品共享发布分系统用于向不同用户分发共享数据及基础产品。

2.3 水系统智慧模拟平台

开展水系统智慧模拟平台建设，实现面向国家水安全保障的监测监管和水系统智慧模拟，水系统智慧模拟平台由监测预警系统和水系统智慧模拟平台2部分组成（图2）。

图2 水系统智慧模拟平台架构

（1）面向国家水安全保障重大需求，通过天地一体化水系统全要素观测网获取各类卫星、航空和地面监测数据，基于水系统科学大数据中心，开展洪涝灾害、干旱、水利工程、河湖、国际河流、地表水资源等监测监管，主要包括：①洪涝灾害监测预警子系统：包括山洪灾害风险预警、中小河流风险预警、大江大河风险预警、城市内涝风险预警，以及洪涝灾害应急监测。主要是基于陆表参数等基础数据产品，结合气象部门提供的气象预报数据，结合现有洪水预报模型，利用土壤含水量、水域初值，分析全国各地洪涝灾害发生风险。对于洪涝灾害应急监测，可进一步生产淹没面积、水深、历时、洪涝影响分析、直接经济损失等产品。②干旱监测模拟子系统：生产受旱面积、旱情等级、旱情评估、旱情历时产品、灌区土壤水分、灌溉面积等产品，结合模型可以进一步开展旱情预警和作物长势评估等。③水利工程形变监测子系统：生产大坝形变监测、库区边坡形变监测、堤防形变监测等产品。④河湖监管子系统：生产河湖面积动态变化、蓄水量变化、河湖违法监测等产品。⑤国际河流监测子系统：生产境外水利工程建设及分布、河道冲淤监测、境外灌区分布监测、境外涉水灾害监测等产品。⑥地表水资源监管子系统：生产全国陆地水域面积，全国陆地湿地变化监测、积雪变化监测、冰川变化监测等产品。⑦水土保持监测监管子系统：生产全国水土流失监测产品、全国生产建设项目区域监管产品、重点生产建设项目项目监管产品等。

（2）以水系统科学大数据平台为基础，基于超级计算平台和流域实体模型，耦合气象、水环境水生态发展、风险评估等边界，自主研发可扩展、可移植、统一设计、统一接口的水文、水动力、泥沙、水生态、水环境、水工程安全运用、水工程统一调度等专业模型，进行水系统智慧模拟，主要包括：①防洪仿真模拟：暴雨洪水模拟、极端降雨径流变化模拟、溃坝模拟、管涌模拟等。②水循环仿真模拟：气候变化和人类活动影响模拟，流域水循环、水文径流过程，基于地理信息系统（GIS）的地表水与地下水联合分布式水文过程模拟。③水沙仿真模拟：由产流产沙、沟道水沙演进和重力侵蚀等模块构成的流域泥沙过程模型、一维二维三维水流-泥沙-水质模型，模拟多要素、多尺度、多过程的精细、仿真与预测。④水环境仿真模拟：基于全流域水生态环境数学模型，实现水动力（流场、水位、水深等）、水质（总氮、总磷、氨氮、化学需氧量（COD）、典型重金属等）、水温和藻类时空演变过程的动态仿真模拟。⑤水生态仿真模拟：基于流域水生态演变模型，模拟水文节律、水温和重要指示物种“三场一通道”。⑥水工程安全仿真模拟：水利枢纽工程全要素、全周期、全时段的建设、监测和运行模拟。⑦水工程统一调度仿真模拟：面向流域水资源配置，以防洪、供水、生态、发电和航运等任务为目标，进行水工程统一调度运行过程模拟。

3 预期建设目标

3.1 卫星载荷设计研制达到国际前沿水平

P 波段SAR 天线在国内外均没有研制经历，P 波段SAR卫星研制需解决电离层对P波段SAR性能影响的补偿校正、P波段SAR系统抗干扰技术、大规模P波段SAR天线技术、P波段SAR卫星总体构型设计等关键技术，将在卫星载荷研制、高分辨率SAR成像技术、InSAR干涉测量、地表参数定量反演等方面将取得突破性成果，填补对地观测数据获取的空白。同时，P波段SAR卫星研制也将促进对地观测技术、分布式集群数据接收处理、多源数据同化、监测预警模型等国际前沿技术发展，提升我国整体科学技术水平。

3.2 水利遥感应用实现全球领跑

针对水旱灾害监测预警、水利行业强监管等需求，充分发挥卫星遥感大范围监测、高频次数据采集优势，攻克天基、地基多源数据智能化快速处理、水系统专题信息提取、地表参数定量反演、水利工程干涉测量、地表水资源监测评价、河湖岸线变化检测、疑似违法动土监测、水系统模拟等关键技术，为水旱灾害、水利工程、地表水资源、河湖岸线、水土保持、生态环境及国际河流等的持续监测监管、准确评估、早期预警和快速应急响应提供强有力的科学依据。平台建成后，海量的天基地基观测数据，丰富了原有模型与方法所需的数据源，通过多空间、多时间尺度灾害表征信息，能够及时获得准确的承灾体、孕灾环境和致灾因子信息及相互之间的关系，从而推动灾害过程的研究；基于人工智能、大数据、计算机模拟与仿真等高新技术手段，建立水系统智慧模拟平台，具备大流域水系统物理、生态和人文三大过程整体模拟能力，能够快速预测和再现灾害的灾前、灾中和灾后情景，实现水系统智慧模拟，促进数据同化、模拟与仿真技术在水旱灾害监测、水利工程安全、水土流失防治、水生态环境保护等领域的应用与推广，在干旱、洪涝、水利工程、河湖岸线等监测监管方面实现全球领跑。

3.3 全面提升水利业务信息化水平

目前，我国水情、旱情、工情、灾情的监测通常是由水文、墒情、气象等地面站点实时观测以及统计上报来实现，难以满足自然灾害监测防御的需求。随着现代卫星遥感技术的快速发展，卫星遥感已经成为水利监测体系不可或缺的重要部分。基于卫星遥感全方位、多时相的对地观测能力可以极大地提升水情、旱情、工情、灾情信息获取的范围和效率，为我国水旱灾害、水利工程、地表水资源、河湖岸线、水土保持以及国际河流的监测监管提供基础信息，实现洪涝、旱情、水土流失、水资源等动态监测评价，水利工程、河湖岸线、国际河流等动态监管，水循环、水环境、水生态等智慧模拟，支撑全国防洪抗旱减灾、水利工程管理、河湖监管、水资源调度、生态环境保护等水利业务应用，为水安全保障提供服务。通过天地一体化水系统全要素观测网的建设，将具备全要素观测能力、小时级快速响应、亚米级监测精度，将显著提升水系统全要素监测能力，满足水情、旱情、工情、灾情信息获取需求，促进遥感技术在水利行业的应用，全面提升水利业务信息化水平。

4 结 语

本文提出了天地一体化水系统全要素监测与模拟平台建设构想，一旦建成，将形成具有完全自主产权、国际上卓越领先的监测与模拟平台，改变我国严重依赖国外雷达卫星的状况，显著提升我国水系统全要素、全天候、大范围、高频次的观测能力，提高河湖、水土保持及水利工程监管水平，减轻水旱灾害造成的损失，保障生态环境改善。同时，还可为我国应急管理、自然资源、生态环境、农业、海洋、军事等部门提供数据支撑及技术服务，具有巨大的经济、社会和生态效益，科学技术效果显著。