王廣謙-從數(shù)字黃河到數(shù)字天河-V1.0

清華大學、青海大學從數(shù)字黃河到數(shù)字天河：水利大數(shù)據王光謙從數(shù)字流域到全球河網、數(shù)字天河第一部分數(shù)字流域模型（2000—)第二部分全球河網（2010—)第三部分全球水情預報（2010—)第四部分數(shù)字天河(2014—)第一部分

數(shù)字流域模型黃河泥沙問題：黃土高原水土流失嚴重粗沙細沙90%的沙量來自河口鎮(zhèn)至三門峽區(qū)間LoessPlateau泥沙問題：黃土高原水土流失嚴重

黃河下游難題－游蕩性河道目標與方法洪水威脅水資源供需矛盾水土流失嚴重原型黃河模型黃河數(shù)字黃河堤防不決口河道不斷流污染不超標河床不抬高黃河問題治理手段治理目標流域調控理論流域模型需要創(chuàng)新研究治黃方案基礎資料攔、排、調、放、挖泥沙運動力學河床演變學研究較多泥沙問題與解決方案黃河治理：②宏觀動力過程規(guī)律不成熟

——地貌學？土壤侵蝕方法？——流域演變學？①動力學理論與方法相對成熟的理論體系

—河流動力學(專著）相對成熟的方法體系

—河流模擬（專著）②宏觀動力過程規(guī)律相對成熟

—河床演變學(專著）河流泥沙流域泥沙①動力學理論與方法理論體系幾乎空白

——流域泥沙動力學？方法體系空白

——流域模擬？科學需求

由于泥沙問題的重要性，我國泥沙學科是獨立的學科：河流泥沙體系相對成熟，目前亟待突破：河流泥沙

流域泥沙的科學體系研究目標

建立流域水沙產輸和河流淤積控制的理論與方法初步建立流域泥沙動力學（專著：流域泥沙動力學，2009）建立流域與河流水沙運動模擬的模型體系初步完成流域泥沙模擬（專著：數(shù)字流域模型，2006）應用于黃河水沙預報及調度：黃河流域水土流失計算龍門水沙過程預報降雨-徑流-產沙-洪水-沖淤：全流域-從河源區(qū)-河口對象：坡面

溝道

江河

河口水沙產輸沖淤全過程侵蝕模數(shù):tons/km2/year黃土高原，面積

454,000km2多沙粗沙區(qū)：

輸沙模數(shù)>5000t/km2

a

且粗泥沙(d

0.05mm)輸沙模數(shù)>1300t/km2

a

覆蓋78,600km2

多沙粗沙區(qū)研究區(qū)域1.黃河問題與研究目標2.流域產流產沙機理與模型3.黃河流域水沙計算4.數(shù)字流域模型軟件匯報內容黃土丘陵溝壑區(qū)地貌峁頂溝坡溝道川地復雜侵蝕輸移過程的機理描述???流域泥沙過程機理峁坡③溝道高含沙水流流域泥沙過程機理①坡面產流產沙②溝坡重力侵蝕④河道輸沙理論框架：①概化出流域泥沙運動的四個子過程（黃河流域）：

坡面產流產沙溝坡重力侵蝕溝道高含沙水流河道水沙輸移②建立各子過程的動力學模型

③建立多過程耦合的數(shù)字流域模型泥沙源區(qū)主要侵蝕產沙過程的概化部位:現(xiàn)象理論模型溝坡:崩塌，滑坡溝道系統(tǒng):高含沙水流峁頂+峁坡:濺蝕、片

蝕、溝蝕坡面產沙模型溝道輸沙模型重力侵蝕模型河道系統(tǒng):挾沙水流河道水沙模型流域泥沙動力學模型模型的基本單元坡面—溝道為模型基本單元，每溝道對應二至三個坡面左(Left)右(Right)源(Source)(當Strahler級別為1時)產流產沙模型將每個坡面作為基本單元,

在坡面上進行基于物理機理的降雨徑流和侵蝕產沙模擬坡面

溝坡

溝道

河道坡面：降雨徑流模型模擬的主要過程植被冠層截留:Scan蒸發(fā):Ecan,Eu地表入滲:qzu土壤水分調整:qzd土壤自由水出流:QguandQgd連續(xù)方程坡面

溝坡

溝道

河道水力侵蝕濺蝕片蝕溝蝕

坡面：坡面水力侵蝕模型坡面

溝坡

溝道

河道重力侵蝕模型：基于重力侵蝕受力和模糊概率分析建立的重力侵蝕判別準則溝坡：重力侵蝕模型坡面

溝坡

溝道

河道不平衡輸沙模式反映溝道的侵蝕和淤積，不平衡輸沙公式：泥沙源區(qū)的溝道常為高含沙水流，適于黃土高原溝道的高含沙水流挾沙力方程：

費祥俊公式1974年7.29～8.3洛惠渠東干渠渠首與義井斷面實測資料驗證溝道：高含沙水流不平衡輸沙模型坡面

溝坡

溝道

河道河床沖淤、灘岸坍塌的力學模型非粘性土粘性土混合土河道：不均勻輸沙與沖淤演變模型坡面

溝坡

溝道

河道數(shù)字河網存儲模擬單元表征流域拓樸輔助并行計算不同地貌部位不同子過程不同坡—溝單元數(shù)字流域模型數(shù)字河網集成

黃河數(shù)字流域模型流域區(qū)域支流河段基于二叉樹的河網編碼：多沙粗沙區(qū)面積:78,600km2

輸沙模數(shù)

>5000t/km2

a粗沙(d

0.05mm)的輸沙模數(shù)

>1300t/km2

a數(shù)字流域模型在黃河流域的應用研究區(qū)域：集中在多沙粗沙區(qū)流域面積:

29,600km2無定河流域水沙模擬1977.8.1-9.20:流量輸沙率無定河流域水沙模擬

測站實測水量

(m3)實測洪峰(m3/s)計算水量

(m3)計算洪峰(m3/s)水量誤差洪峰誤差Nash

效率白家川5.79×10815605.85×10812801%

-18

%0.85丁家溝2.34×1083702.51×1085427%

46%<0綏德1.43×1086801.29×108378-10%

-44

%0.65主要水文站徑流量和含沙量模擬結果與實測值的比較測站實測輸沙量

(t)計算輸沙量

(t)輸沙量誤差

(%)白家川2.23×1083.23×10845.0%丁家溝3.51×1071.83×108----綏德7.41×1077.60×1072%無定河流域水沙模擬坡面侵蝕56%溝道侵蝕34%重力侵蝕10%降雨分析流域降雨—洪水過程模擬以北京7?21暴雨為例：分析水情估測的可行性降雨數(shù)據的主要來源非現(xiàn)場數(shù)據天氣預報（TIGGE計劃，2006至今）衛(wèi)星降雨產品(CMORPH,2002至今；TMPA)現(xiàn)場數(shù)據雨量站數(shù)字流域模型在北京7.21暴雨的應用TIGGE集合天氣預報THORPEX:TheObservingSystemResearchand PredictabilityExperiment

觀測系統(tǒng)研究與可預報性實驗TIGGE:THORPEXInteractiveGrandGlobalEnsemble

全球交互式大集合預報系統(tǒng)參與機構：中國CMA,美國NCEP,歐洲ECMWF,

加拿大CMC,巴西CPTEC,英國UKMO,

日本JMA,韓國KMA,法國MeteoFrance,澳大利亞BOM

時間分辨率：6hr預報時長：1-16day空間分辨率：各機構不同，最粗為1度覆蓋范圍：全球起始時間：2006TIGGE集合天氣預報CMORPH衛(wèi)星降雨融合技術性質：準實時衛(wèi)星降雨觀測全稱：NOAACPC(美國大氣海洋局氣候預測中心)

MorphingTechnique

(數(shù)據融合技術)

來源：NationalOceanicandAtmospheric Administration,ClimatePredictionCenter,融合

了多種低軌道衛(wèi)星傳感器的微波觀測估計，如SSM/I、 AMSU-B、AMSR-E、TMI等。時空分辨率：8km，30min實時性：about4hrafterevent覆蓋范圍：全球60°N～60°S起始時間：2003年CMORPH衛(wèi)星降雨數(shù)據7月21日15:30至21:30北京市及周邊總降雨量分布最大值134.9mm,出現(xiàn)在北京西南部134.9mmCMORPH衛(wèi)星降雨數(shù)據7月21日北京市及周邊逐0.5小時降雨過程分布CMORPH衛(wèi)星降雨數(shù)據分析衛(wèi)星降雨產品顯示：有兩個降雨中心第一個由北京西南開始，向東北方向移動。

移動范圍廣，中心強度漸弱，影響范圍漸大。第二個從16時開始，在拒馬河和易水上游地區(qū)產生，17:30起強度增強，范圍擴大，由西北向東南小幅移動北京西南部受兩個降雨中心的疊加影響TMPA衛(wèi)星降雨分析產品TMPA產品（多衛(wèi)星降雨分析技術）:TRMM-based,near-realtimeMulti-satellitePrecipitationAnalysis;

TRMM衛(wèi)星:TropicalRainfallMeasuringMissionTMPA來源:NASAGoddardSpaceFlightCenter;

TRMM衛(wèi)星:NASAandJapanAerospaceExplorationAgency時空分辨率：1/4°(約25km)，3hr/1hr覆蓋范圍：50°N～50°S起始時間：1998;TMPA-RealTime:2000對應3種實時產品TMPA-RT,about8

hrafterobservation3B40RT,3B41RT,3B42RT通過7月21日北京市及周邊逐小時降雨過程分析發(fā)現(xiàn)由于產品的時空分辨率更低，降雨分布的連續(xù)性和層次感更差能夠大致反映降雨中心的移動過程，不能區(qū)分兩個降雨中心降雨總量和最大雨強較CMORPH產品要小降雨數(shù)據分辨率、精確度整體劣于CMORPH衛(wèi)星降雨數(shù)據。89mm120mm3B41RT、3B42RT衛(wèi)星降雨數(shù)據雨量站降雨數(shù)據使用北京市雨量站115個雨量站降雨數(shù)據7月21日15:00至21:00北京市及周邊總降雨量分布最大值268.8mm,出現(xiàn)在北京西南部268.8mm雨量站降雨數(shù)據7月21日北京市逐小時降雨過程分布15:00~16:0016:00~17:0017:00~18:0018:00~19:0019:00~20:0020:00~21:00降雨鋒面由西南向東北方向分布，降雨中心在西南部，也基本可見兩個降雨中心。流域降雨-洪水過程模擬研究流域：拒馬河河網提取DEM：ASTERDEM，

30m×30m提取范圍：拒馬河流域，張坊站出口提取參數(shù)：臨界源面積CSA=4ha，最小初始溝道長度MSCL=200m河網基本信息：流域面積約3835km2，河段總數(shù)25833條，坡面總數(shù)約6.5萬個來源降雨深（mm）徑流深（mm）徑流系數(shù)洪峰值（m3/s）峰現(xiàn)時間CMORPH63.6819.700.309422177.2120:48TRMM

3B41RT44.4210.540.23737857.2120:42TRMM3B42RT44.1613.180.298513887.2122:00TIGGECMA38.840.610.0156//TIGGENCEP128.2037.580.293135947.2200:06TIGGEECMWF68.541.890.0276//拒馬河流域模擬結果統(tǒng)計衛(wèi)星降雨產品天氣預報研究區(qū)域與數(shù)據資料大石河流域（拒馬河支流）11個雨量站1個水文站（漫水河站）逐小時融合降雨數(shù)據113mm雨量站與CMORPH數(shù)據融合雨量站與CMORPH數(shù)據融合采用融合數(shù)據的漫水河站模擬結果精度最高全球數(shù)值天氣預報三種來源的全球預報在降雨總量和降雨強度上差別極大，對徑流模擬的影響非常顯著，其中，只有源自美國NCEP的數(shù)據能夠模擬形成暴雨洪水，且因其雨強較大，洪峰峰值也較衛(wèi)星降雨的更大。衛(wèi)星降雨分析產品CMORPH數(shù)據的模擬結果與實測值比較相符，但由于沒有考慮22時后河北境內降雨，沒有正確反映主洪峰。兩種TMPA數(shù)據在降雨總量上幾乎相等，但較CMORPH小，因此，模擬的洪峰峰值和洪量均相應較小。結果分析第二部分全球河網全球DEM數(shù)據基礎河網一般由數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據提取全球主要DEM數(shù)據來源與相應河網產品DEMGTOPO30’’SRTM3’’ASTERGDEMv2TanDEM-X資源3號DEM發(fā)布時間199620032009/2011~20142012+水平分辨率1km90m30m12m3.5m高程精度(標準差)30m10m7~14m10m?覆蓋范圍(緯度)全球-56~60-83~83??數(shù)據量級別1GB100GB1TB10TB100TB數(shù)字河網Hydro1kHydroSHEDS清華Hydro30??全球DEM分辨率逐步提高，

但全球高分辨率河網的生產相對落后！全球河網關鍵技術關鍵技術：1.高效河網提取算法2.全球河網編碼方法3.結構化分層河網4.河網數(shù)據云服務高分辨率DEM數(shù)據高效河網提取算法全球河網編碼方法海量河網存儲檢索云服務

用戶界面河網提取的原理與流程①②③④流向判斷：D8、D無窮集水區(qū)累計與河網提取臨界條件：CSA,MSCL矢量化：柵格數(shù)據

河網線+流域邊界多邊形拓撲化：地理信息

邏輯信息和地貌參數(shù)技術一：大規(guī)模河網提取算法高效性（排序樹）算法歷史清華大學高效算法：

O(N*Log(N))復雜度的河網提取全程算法基本原理：全程使用現(xiàn)代排序樹算法計算效率：每小時2億柵格點，最快算法精確性（溝頭識別）臨界集水面積方法（傳統(tǒng)方法）參數(shù)CSA確認河道方法單一條件確認溝頭與河道：集水面積>CSA只依靠自身信息，不考慮周圍以及河源信息存在的問題大流域的源頭集水面積不可能是一個確定的值會產生較多非真實存在河道的河網基于地形統(tǒng)計與動態(tài)窗口識別方法（新）參數(shù)：無確認河道方法多條件多次刷選：

先確定到溝谷，再確定為溝頭考慮周圍和上游信息進行溝頭判定坡面與溝道坡面-溝道模型單元溝頭提取結果與遙感影像對比描述流域的對象點:匯流點線:匯流點切割溝道、河道形成的河段面:與河段對應的坡面河網編碼的目標每河段唯一編碼指示流域基本單元間的邏輯性編碼的指標完整性:內部不空缺唯一性:不重復

方向性:上下游主從性:干支流高效性:全局反映河網的拓樸關系;快速檢索Pfafstetter編碼技術二：河網編碼與管理長度分量對應河段距流域出口的距離取值分量對應河段距流域干流的距離(2指數(shù))基于二叉樹的河網編碼方法將河網概化為二叉樹采用基于二叉樹的二元編碼相連河段間的關系可僅根據編碼直接判斷技術二：河網編碼與管理二叉樹編碼在大流域中溢出分區(qū)編碼，存儲各區(qū)間的樹狀關系在多沙粗沙區(qū)的應用：

12余萬河段，

30余個分區(qū)大流域分區(qū)編碼大洲自西向東，第一位洲編號每大洲流域由正北起順時針順序編碼，第二至三位凡兩條大江大河(奇數(shù))之間有一沿海區(qū)間流域(偶數(shù))保留內陸、島嶼流域的編碼區(qū)間沿海區(qū)間、內陸和島嶼流域重復上步后接包括分區(qū)的二叉樹編碼319028101……洲編號大河編號二叉樹編碼320005013……洲編號區(qū)間編號區(qū)間內大河編號二叉樹編碼320006003……洲編號區(qū)間編號區(qū)間內區(qū)間編號區(qū)間內大河編號二叉樹編碼全球流域編碼010305070911131517192123亞洲碼：3黃河流域碼：19長江流域碼：21

黃河ID：319長江ID：321大洲編碼：1：歐洲，2：非洲，3：亞洲4：大洋洲，5：北美洲，6：南美洲，7：南極洲全球河網的分區(qū)編碼方法方法特性：可以全面地表達全球所有河網，完備性與實際地理觀念吻合，具有物理邏輯性具有數(shù)學規(guī)律性，易于計算機實現(xiàn)大江大河沿海區(qū)間內流流域島嶼流域沿海區(qū)間、島嶼流域

放大后重復規(guī)則全球流域編碼方法技術三：結構化分層河網(a)初始河網，包含3級Horton-Strahlerorder(b)第2nd

層河網，最小

Horton-Strahlerorder為2(c)第

3rd

層最高層河網，最小Horton-Strahlerorder為3，只有一條干流

Hierarchicalrivernetworksofariverbasin簡單分層樣例年楚河：CSA=50cell=36haStrahler級數(shù)從1~7第1級：

河道總數(shù)6987，其中1級3535，2級16753級822，4級457，5級297，6級66，7級135

干流總長257Km，流域面積11064km2第2級：

河道總數(shù)1475，其中2級740，3級3474級171，5級123，6級21，7級73

干流總長256Km，流域面積11064km2第3級：

河道總數(shù)351，其中3級176，4級765級58，6級6，7級30

干流總長250Km，流域面積11064km2第4級：

河道總數(shù)71，其中4級36，5級21，6級3，7級11，干流總長240Km，流域面積11064km2第5級：

河道總數(shù)15，其中5級8，6級3，7級4，干流總長233Km，流域面積11064km2第6級：

河道總數(shù)5，其中6級3，7級2，干流總長146Km，流域面積11064km2第7級：

河道總數(shù)1，其中7級1，干流總長120Km，流域面積11064km2數(shù)據層

GeoDatabase@OracleDEM柵格數(shù)據河網矢量數(shù)據天氣預報數(shù)據衛(wèi)星降雨數(shù)據氣象、水文站ArcSDEEngine數(shù)據引擎服務層ArcGISServer應用層AndroidappsIOSappsWin8Metroapps技術四：河網數(shù)據云服務河網數(shù)據云服務：數(shù)據金字塔河網矢量數(shù)據的金字塔

根據河流特點研制分級依據：Horton-Strahler級別每級數(shù)據是前一級的1/2柵格數(shù)據金字塔模型(已有)提高高分辨率數(shù)據在小比例尺下的檢索、顯示效率TIGGE天氣預報集合CMORPH衛(wèi)星降雨數(shù)據TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據清華大學Hydro30水文站水情數(shù)據數(shù)字流域模擬水情ASTERGDEMv2遙感影像API(其他來源)河網數(shù)據云服務：數(shù)據集成成果示例：黃河流域黃河全貌最小河段S級別=6無定河流域最小河段S級別=4大理河流域最小河段S級別=3岔巴溝流域最小河段S級別=1最大Horton-Strahler級別

Ω=10無定河

30,000km2黃河

750,000km2大理河

4,000km2岔巴溝

205km2河網示例：黃河流域成果示例：黃河流域河網屬性信息及其顯示以河流寬度顯示的Horton-Strahler級別以河段顏色顯示的支流碼以河段顏色顯示的二叉樹編碼長度分量

反映流域匯水的等流時帶以河段顏色顯示的溝道坡度(越紅越陡)

坡面坡度/長度/坡向等信息均可顯示成果示例：黃河流域屬性表中的任何信息均可通過各河段的寬度、顏色、標注等方式分布式顯示靜態(tài)信息：

其他地形參數(shù)、水文參數(shù)動態(tài)信息：流量/水位——河段線寬、水質數(shù)據——河段顏色、告警信息——顏色閃爍河網靜態(tài)屬性表局部坐標河段參數(shù)坡面參數(shù)矢量編碼…………成果示例：尼羅河流域尼羅河河全貌最小河段S級別=7中游子流域最小河段S級別=5局部小流域最小河段S級別=3精細山坡河網最小河段S級別=1成果示例：剛果河流域剛果河全貌最小河段S級別=7上游子流域最小河段S級別=5局部小流域最小河段S級別=3精細山坡河網最小河段S級別=1成果示例：長江流域長江全貌最小河段S級別=7中游子流域最小河段S級別=5局部小流域最小河段S級別=3精細山坡河網最小河段S級別=1成果示例：黑龍江流域黑龍江全貌最小河段S級別=7中游子流域最小河段S級別=5局部小流域最小河段S級別=3精細山坡河網最小河段S級別=1成果示例：密西西比河流域密西西比全貌最小河段S級別=7上游子流域最小河段S級別=5局部小流域最小河段S級別=3精細山坡河網最小河段S級別=1河網示例：尼羅河流域尼羅河河全貌最小河段S級別=7中游子流域最小河段S級別=5局部小流域最小河段S級別=3精細山坡河網最小河段S級別=1最小河段S級別=7最小河段S級別=5最小河段S級別=3最小河段S級別=1河網示例:亞馬遜流域河網示例：雅魯藏布江流域最小河段S級別=5最小河段S級別=4最小河段S級別=3最小河段S級別=1河網示例：湄公河流域最小河段S級別=5最小河段S級別=4最小河段S級別=3最小河段S級別=2河網示例：伊洛瓦底江流域最小河段S級別=5最小河段S級別=4最小河段S級別=3最小河段S級別=2河網示例：湄公河與伊洛瓦底江伊洛瓦底江湄公河湄公河：Horton級別最高為9級，流域面積近80萬平方公里，干流總長4900多公里，上游在中國境內，為瀾滄江。伊洛瓦底江：Horton級別最高為10級，流域面積約40萬平方公里，干流總長2700多公里，上游在中國境內，為獨龍江。3000米伊洛瓦底江Horton級別=1河網屬性表對應Name含義示例OBJECTID地理數(shù)據庫對象標識2DEMNAME流域區(qū)塊名稱標識（大洲編碼_大河編碼_河流名稱）259_59_CongoCHANNELID流域內河段標識1DOWNID流域內下游河段標識0PYRAMIDID流域內河段金字塔編號0STRAHLERHorton-Strahler級別11LAMBDA迭代器順序號1XLAMBDA迭代器統(tǒng)計數(shù)690REGHIGHID支流分區(qū)編碼（高位）0REGIONID支流分區(qū)編碼（低位）259001BINSTRLEN河段二叉樹編碼長度分量1BINSTRVAL河段二叉樹編碼取值分量0RIVERNUM河段線對象的點數(shù)3143BOUNDNUM流域邊界多邊形對象的點數(shù)331581UPCNLNUM上游子流域河段個數(shù)（包括自身，下同）1UPCNLLEN上游子流域河段總長度（單位：km）684.44UPSUBAREA上游子流域面積（單位：km2）3704279UPELEVA河段入口高程（單位：m）293DOWNELEVA河段出口高程（單位：m）0DETXLENDEM柵格東西方向長度（單位：m）30.76DETYLENDEM柵格南北方向長度（單位：m）30.92SUB_ELV河段及對應坡面的平均高程（單位：m）732.925SRC_ELV源坡面高程（單位：m）738.878LFT_ELV左坡面高程（單位：m）547.935Name含義示例RGT_ELV右坡面高程（單位：m）451.917CHNL_LEN河段長度（單位：km）684.436SRC_LEN源坡面長度（單位：km）1808.971LFT_LEN左坡面長度（單位：km）123.856RGT_LEN右坡面長度（單位：km）59.469CHNL_SLOPE河段比降（高程差/河段長度；比例系數(shù)100）0.043SRC_SLOPE源坡面比降（比例系數(shù)100）0.051LFT_SLOPE左坡面比降（比例系數(shù)100）0.489RGT_SLOPE右坡面比降（比例系數(shù)100）0.754SUB_AREA河段及對應坡面的面積（單位：km2）3704279SRC_AREA源坡面面積（單位：km2）3604159.4LFT_AREA左坡面面積（單位：km2）69543.826RGT_AREA右坡面面積（單位：km2）30574.6UPSTREAMX河段入口經度16.18236UPSTREAMY河段入口緯度-3.18985OUTLETX河段出口經度12.44375OUTLETY河段出口緯度-6.05819MIDDLEX河段中央經度（(河段入口經度+河段出口經度)/2）14.31306MIDDLEY河段中央緯度（(河段入口緯度+河段出口緯度)/2）-4.62402XMIN河段及對應坡面的最小經度11.96097YMIN河段及對應坡面的最小緯度-13.45792XMAX河段及對應坡面的最大經度34.01655YMAX河段及對應坡面的最大緯度9.25821ZMIN河段及對應坡面的最低高程（單位：m）0ZMAX河段及對應坡面的最高高程（單位：m）42SHAPE_LEN河段長度（單位：經緯度；地理數(shù)據庫自動生成字段）6.1615512成果示例：網站服務訪問地址：/功能服務：降雨數(shù)據動態(tài)播放，切換底圖，地理空間信息查詢①河網密度分析

基于大規(guī)模真實河網的規(guī)律研究河網密度分析大于50km2原始河網大于10km2大于2km2河網密度分析全球河網可根據任意上游發(fā)源面積，確定河段數(shù)與河網密度上游發(fā)源面積越大河網密度越小,單位河段面積越大全國各大江河網密度全球河網可獲取任意流域的河網密度。河網密度隨著在發(fā)源面積的增大，而減小全國各大江河網密度對應的單位河段面積，隨著發(fā)源面積的增大而增大11112112323將源頭河流定義為Horton-Strahler級別數(shù)為1的河流；將兩個同級別數(shù)為的河流交匯形成的河流定義為+1級河流；將兩個不同級別數(shù)

河流交匯形成的河流定義為級別數(shù)較高的

級河流上下游相連的同等級別的河段(reach/link)合并計為1個河流(stream)定義流域的級別Ω為max(

)Horton-Strahler分級法則Horton,1945;Strahler,1952基于大規(guī)模真實河網的規(guī)律研究全球186個流域的RBW分布圖初始狀態(tài)，t=1經過1步迭代，t=2經過2步迭代，t=3河網的自相似性B.B.Mandelbort，分形，1977“TheFractalGeometryofNature”(自然界的分形幾何學),1982河網的自相似和分形迭代生成的自相似河網自相似河網的迭代算子迭代算子，迭代算子的譜λWangGQ.etal,2009經過1步迭代，t=2經過2步迭代，t=3經過1步迭代，t=2經過2步迭代，t=3在構建結構化河網的過程中，記錄的迭代器指數(shù)λ將以金字塔狀存儲，構成迭代器金字塔迭代器金字塔Drainagenetworkiteration迭代器金字塔:黃河流域迭代器金字塔:長江流域第三部分基于云計算的全球水情預報背景數(shù)字流域模型（2001-）全球結構化河網（2005-）數(shù)值天氣預報、衛(wèi)星及雷達降雨探測技術逐步成熟氣候變暖引發(fā)全球極端天氣災害頻發(fā)，尤其是無資料地區(qū)資源開發(fā)需求及防洪減災需求的增加目標提供全球河網拓撲結構及屬性、數(shù)值集合天氣預報數(shù)據查詢服務基于數(shù)值降雨預報的全球多尺度水情預報服務（全球-流域-中小流域-小流域-河段）提供流域水文模擬在線云服務提供流域-河網-工程耦合模擬服務全球水情預報平臺背景數(shù)據:全球化監(jiān)測數(shù)據

數(shù)據類型天氣預報數(shù)據氣象衛(wèi)星數(shù)據Landsat數(shù)據中分辨率衛(wèi)星高分辨率衛(wèi)星其他相關數(shù)據主要代表TIGGECMorphLandsat8MODISworldview互聯(lián)網起始時間20062002201320002002-空間分辨率0.25°8km/0.25°30m250m2.5m-時間分辨率6小時0.5h/3h16天16天26天-數(shù)據規(guī)模0.5T/年1T/年20T/年100T/年20T/年1T/年隨著人類監(jiān)測手段地不斷增強，數(shù)據日益增加，但這些數(shù)據分布在各個機構，并沒有被充分挖掘和利用，如何高效地存儲、分析并進行數(shù)據挖掘，是大數(shù)據時代下水利行業(yè)面臨的機遇和挑戰(zhàn)，也是非常規(guī)水資源開發(fā)利用的契機。全球氣象水文數(shù)據基礎全球氣象、水文數(shù)據集逐漸豐富，包括天氣預報:TIGGE衛(wèi)星降雨分析產品:CMORPH,TRMM氣象站數(shù)據集:GHCN水文站數(shù)據集這些數(shù)據的集成發(fā)布和深入利用還沒有！TIGGE：10個機構數(shù)值天氣預報成果共享TRMM全球降水分布GHCN全球降雨量均值(1961-1990)全球河網數(shù)據集清華Hydro30數(shù)字河網基于30米DEM數(shù)據提取得到，1TB全球10億條河段，訪問網站：水利數(shù)據服務接口SOA架構使用基于SOA的多模型集成實現(xiàn)數(shù)據的自動流轉使用唯一的Web業(yè)務入口提供多模型的統(tǒng)一界面，提供隨時隨地訪問，不增加用戶的業(yè)務流程獨立于實現(xiàn)服務的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，不同平臺的服務可以使用一種統(tǒng)一和通用的方式進行交互水利數(shù)據服務展示平臺提供各類數(shù)據可視化的交互查詢功能，動態(tài)播放未來天氣預報數(shù)據應用案列：中亞五國中亞五國水能評估水能重要評估參數(shù)河道上游集水面積多年平均降雨量河道比降全球河網水文氣象數(shù)據對56條大河進行了深入的評估，得到適合建設水庫進行水電開發(fā)的若干斷面可可西里申請世界自然遺產，提供數(shù)據支撐應用案列：可可西里烏蘭烏拉湖西金烏蘭湖可可西里湖庫賽湖卓乃湖勒斜武擔多爾改錯太陽湖面積（平方公里）592.0419.3321.0284.1270.9249.6228.9102.2可可西里河網、湖泊分布圖可可西里地表覆蓋分布圖可可西里多年平均降雨圖基于全球河網和數(shù)字流域模型的全球水情預報平臺框架及特點基于WindowsAzure公有云資源構建實現(xiàn)彈性云服務：在WindowsAzure的虛擬網絡中構建數(shù)據中心、HPCCluster高性能計算集群、WebService集群及WebServer集群全球河網數(shù)據查詢：河網拓撲結構、流域及河段屬性查詢，包括流域面積、流域平均坡度、河段縱比降、流域形狀系數(shù)、Strahler級別等全球降雨數(shù)據查詢：實現(xiàn)全球尺度、多機構的數(shù)值天氣預報數(shù)據查詢及動畫播放降雨

地表徑流模擬：提供全球尺度任意河段及以上流域水情預報，可根據用戶所選河段，快速生成上游流域河網拓撲，形成流域水文模擬方案模擬計算服務：可提供歷史洪水過程反演及連續(xù)模擬服務，通過WebGUI及WebService兩種方式提供模擬結果查詢服務系統(tǒng)功能結構系統(tǒng)關鍵技術—模型封裝及調度WebGUI提供交互界面WebService實現(xiàn)模型封裝數(shù)據統(tǒng)一存儲于Oracle數(shù)據庫中系統(tǒng)功能及界面—氣象預報數(shù)據查詢系統(tǒng)功能及界面—氣象預報數(shù)據查詢系統(tǒng)功能及界面—全球河網查詢系統(tǒng)功能及界面—計算區(qū)域查詢系統(tǒng)功能及界面—方案管理及參數(shù)設置系統(tǒng)功能及界面—預報結果查詢基于云計算的水情預報平臺，實現(xiàn)從降雨預報到徑流預報的模擬小流域洪水風險預報建立洪水災害風險評價指標體系，完成陜京三線臨縣段洪水災害風險評價；開發(fā)數(shù)值模擬關鍵技術，開發(fā)陜京三線臨縣段洪水災害模擬與預警模型。靜態(tài)評價動態(tài)預報高分辨率河網支持下的穿河點識別基于天氣預報數(shù)據的洪水模擬概率和集合預報技術水庫中短期徑流預報自動下載數(shù)值天氣預報數(shù)據解譯降雨數(shù)據基于河網的分布式水文模型徑流計算各站點徑流模擬結果發(fā)布基于來水預測的梯級水庫優(yōu)化調度系統(tǒng)四川白水江梯級水庫中短期徑流預報平臺案例分析：北京大石河流域:北京大石河面積：513km2時段：2012.7.21-22率定過程NSE:0.75降雨過程徑流過程實測雨量站模擬很好案例分析：四川白水江流域：四川白水江面積：1198km2時段：2010.7-8率定過程NSE：0.83降雨過程徑流過程數(shù)值天氣預報數(shù)據越準確，模擬效果越好第四部分數(shù)字天河克強總理之問：胡煥庸線怎么破？國土面積：43.8%：56.2%總人口比：94：6人口發(fā)展歸根到底也是水量問題李克強總理2014年11月27日參觀人居科學研究展，提出“胡煥庸線”怎么破西線工程由長江上游向黃河上游補水技術難度大、工程造價高>3000億生態(tài)環(huán)境影響等，論證周期長南水北調總體格局中國水工程：南水北調西線面臨的問題南水北調：長江流域年徑流是黃河流域的19倍，而人口不到3倍，從長江流域至黃河流域的跨流域調水是必然選擇南水北調東線：2013年10月完成南水北調中線：2014年12月完成南水北調西線：還在論證中開源云水資源與地表水資源耦合利用，地面調水與空中調水相輔相成探索研究云水資源與地表水資源的轉化規(guī)律及其開發(fā)利用手段降水與蒸發(fā)天河流量可降水量黃河之水天上來：三江之源即云水資源CloudSat衛(wèi)星(北京時14時與17時之間過境)統(tǒng)計青藏高原周邊區(qū)域各個季節(jié)的云量春夏秋冬天河猜想：云水資源的輸送河道19May200915Feb2011在高空中是否存在水汽的優(yōu)勢輸送通道（天河），其與陸表河流和大洋存在交叉尺度相互作用？如果存在，那么其分布與動力學規(guī)律是什么？能否利用，利用的技術途徑有什么，如何高效利用？天河工程：云水資源開發(fā)利用北半球夏季東亞的三條水汽輸送通道，分別是：印度季風輸送帶；東南亞季風輸送帶和跨赤道氣流帶1979-2002年NCEP數(shù)據顯示，夏季青藏高原東南部的水汽主要輸送自孟加拉灣和南海傳統(tǒng)氣象研究，以單一事件、事后評估為主研究空中水汽通道

水汽通道穩(wěn)定性？可否主動利用，替代調水工程？云水資源利用新體系：白水-藍水-綠水白水的計算方式outininoutinoutoutin考慮某區(qū)域內一定時間范圍的云水進出量我國大陸邊界2000年-2015年白水統(tǒng)計outin我國大陸邊界白水資源多年平均凈輸入（南北方向）我國大陸邊界2000年-2015年白水統(tǒng)計inouti我國大陸邊界白水資源多年平均凈輸入（東西方向）我國云水資源利用評估：

27萬億輸入水汽，其中白水占6萬億地下水存儲量變化水汽輸入27.36萬億m3地下水流入凈輸入水汽總量:2.04萬億m3河道流出徑流量

2萬億m3地下水流出水汽輸出

25.32萬億m3降水6.0萬億m3蒸發(fā)4.0萬億m3水汽濃度南北進出水汽東西進出水汽黃河空中水資源128空中水資源及降水轉化率

129黃河流域空中水資源唐乃亥以上為黃河流域源頭區(qū)，唐乃亥到頭道拐為黃河流域的上游段，頭道拐到花園口為黃河流域的中游段130黃河流域空中水資源黃河源區(qū)（12.7萬km2）每年空中水汽輸入量為8700億m3，其中3700億m3為空中水資源區(qū)域降水量為660億m3考慮區(qū)域內蒸發(fā)對空中水資源的補給，空中水資源的降水轉化率為16%上中游段（66.7萬km2，不含源區(qū)）空中水汽輸入量為36000億m3，其中10000億m3為空中水資源降水量為2900億m3考慮區(qū)域內蒸發(fā)對空中水資源的補給，空中水資源的降水轉化率為22%131黃河流域空中水資源項目唐乃亥以上唐乃亥至花園口花園口以上流域面積/萬km2

12.766.779.4水汽輸入量/（億m3·a-1）86733573340463空中水資源輸入量/（億m3·a-1）36871022912413空中水資源占總水汽輸入比例/%42.528.630.7單位面積空中水資源量/（mm·a-1）290315341563降水量/（億m3·a-1）68329223605降水深/（mm·a-1）537438454蒸發(fā)量/（億m3·a-1）49828443342蒸發(fā)深（mm·a-1）392426421未還原徑流量（億m3·a-1）185.177.4262.5

未還原徑流深（mm·a-1）14611.633.1空中水資源的降水轉化率/%16.322.322.9132黃河流域空中水資源水汽輸入、空中水資源輸入、降水量、徑流量的多年變化源頭區(qū)上中游133黃河流域空中水資源水汽輸入、空中水資源輸入、降水量、徑流量年值的相關關系總水汽輸入和空中水資源輸入的相關系數(shù)源頭區(qū)高達0.98、上中游為0.86，表明空中水資源輸入量的年際波動主要體現(xiàn)在輸送強度上，而不是水資源占總水汽的比例上。結論我國水資源南多北少，水資源不足極大限制了北方地區(qū)的社會經濟發(fā)展南水北調東線和中線工程已經實現(xiàn)為華北平原調水，但對處于絲綢之路沿線的黃河上中游地區(qū)，仍難有切實可行的大規(guī)模調水方案從加大黃河流域水資源開源與保障力度來看，合理適度地利用空中水資源是一種可行方案，開展相關研究和科學試驗具有重要意義從技術角度看，在可預見的時期內，以人工增雨/雪技術為基礎，提高特定區(qū)域內的降水轉化率將是空中水資源利用的主要形式，但人工增雨/雪的技術路徑仍有實現(xiàn)重大突破的可能從管理角度看，隨著我國水權制度和水資源配置體系的不斷完善，降水乃至空中水資源必將逐步納入到水資源評價與管理中134天空河流的內涵：定義天河（SkyRiver/AtmosphericRiver）是空中水汽優(yōu)勢輸送通道其與陸表河流和大洋存在交叉尺度相互作用，可通過統(tǒng)計系綜方法識別2014年1月1日全球水汽通量矢量圖（0.75°柵格，顏色越紅，通量越大）水汽通量矢量圖2014年5月1日全球水汽通量矢量圖（0.75°柵格，顏色越紅，通量越大）水汽通量矢量圖天河的識別2：水汽通量系綜連線法采用衛(wèi)星觀測數(shù)據，統(tǒng)計一定時段內各觀測點與鄰近點的優(yōu)勢水汽輸送方向與輸送通