余 欣 ，寇懷忠 ，翟家瑞 ，姚文藝

（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河水利委員會(huì)，河南 鄭州 450003）

0 引言

數(shù)學(xué)模擬，是運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)自然或社會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬的技術(shù)。黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)是指在數(shù)據(jù)集成平臺(tái)支持下，耦合集成各種水利專業(yè)、宏觀經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)等模型，形成的面向黃河具體業(yè)務(wù)應(yīng)用的虛擬仿真系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)《“數(shù)字黃河”工程規(guī)劃》建設(shè)目標(biāo)，2006 年黃河水利委員會(huì)提出要加快構(gòu)建黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），提升“數(shù)字黃河”工程對(duì)黃河治理開發(fā)、保護(hù)與管理的決策支持能力[1]。面向治黃業(yè)務(wù)需求，模擬系統(tǒng)建設(shè)仍存在以下突出問題：核心模型研發(fā)滯后，已有模型功能和性能不完備，模型軟件化程度不高，基礎(chǔ)理論支撐不夠，數(shù)據(jù)支撐不足，先進(jìn)的統(tǒng)一集成平臺(tái)缺乏?！笆濉逼陂g，需要進(jìn)一步明確建設(shè)目標(biāo)，優(yōu)化總體架構(gòu)，開展業(yè)務(wù)應(yīng)用模型和技術(shù)支撐體系建設(shè)等。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與原則

1.1 建設(shè)目標(biāo)

1）總體目標(biāo)。以河流自然場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)場(chǎng)和生態(tài)系統(tǒng)場(chǎng)耦合的理念為指導(dǎo)，運(yùn)用先進(jìn)的水利和信息技術(shù)，構(gòu)建水利專業(yè)、宏觀經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)模型，構(gòu)建虛擬仿真的黃河流域，并借助其實(shí)現(xiàn)黃河治理開發(fā)和保護(hù)管理過程中的預(yù)警預(yù)報(bào)及方案生成，為各類重大治黃決策提供技術(shù)支撐，使“數(shù)字黃河”工程更好地服務(wù)于維持黃河健康生命研究和實(shí)踐。

2）近期目標(biāo)。2015 年前，基本建成統(tǒng)一的黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)集成平臺(tái)，滿足各類模型的構(gòu)件化開發(fā)、視算一體化和共享服務(wù)要求；構(gòu)建測(cè)試案例庫和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為各類模型測(cè)試、率定和驗(yàn)證提供標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算案例；基本建成黃土高原土壤侵蝕、骨干水庫調(diào)度、河道水沙演進(jìn)、河口泥沙輸移、寧蒙河道河冰動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)等 6 大模型建設(shè)，使計(jì)算時(shí)效性和精度有顯著提高。

1.2 建設(shè)原則

1）需求主導(dǎo)，先進(jìn)實(shí)用。緊密圍繞業(yè)務(wù)需求，提出建設(shè)什么模型、功能是什么、性能怎么樣等；考慮相關(guān)學(xué)科發(fā)展的成熟度和 IT 技術(shù)的先進(jìn)性，以及有關(guān)輸入數(shù)據(jù)的可獲取性。

2）平臺(tái)優(yōu)化，標(biāo)準(zhǔn)先行。采用統(tǒng)一的系統(tǒng)集成和運(yùn)行平臺(tái)，遵循統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和模型數(shù)據(jù)接口，同類模型必須采用統(tǒng)一的本底數(shù)據(jù)。

3）協(xié)同開發(fā)，強(qiáng)化集成。加強(qiáng)已有模型的標(biāo)準(zhǔn)化改造和集成、成熟模型的吸收和耦合；公用模塊/模型集中開發(fā)，個(gè)性化業(yè)務(wù)模塊委托開發(fā)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的最底層為模型數(shù)據(jù)支撐層，主要包括模型庫、參數(shù)庫、專業(yè)和空間數(shù)據(jù)庫；中間層為應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)層，主要包括 GIS 支撐和數(shù)學(xué)模型管理 2 個(gè)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型的可視化管理、調(diào)用和運(yùn)行等；最上層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層，應(yīng)用系統(tǒng)是數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象，主要包括防汛減災(zāi)、水量調(diào)度、水資源保護(hù)、水土保持和流域規(guī)劃等業(yè)務(wù)，以及面向領(lǐng)導(dǎo)層的綜合會(huì)商決策。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.2 模型庫體系結(jié)構(gòu)

模型庫應(yīng)包括管理系統(tǒng)界面、模型庫、模型字典及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過模型庫管理系統(tǒng)界面，用戶可以新建、顯示、修改、刪除、查詢、打印模型，將已有模型組合成新的模型，編譯新建或修改后的模型，將編譯通過的新建或修改后的模型植入模型庫中，并在模型字典中加入該模型的屬性信息。模型庫體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 模型庫體系結(jié)構(gòu)圖

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型建設(shè)

專業(yè)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型是黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)的核心組件，建設(shè)的基本思路如下：1）以支持并服務(wù)于治黃業(yè)務(wù)處理為核心，并能覆蓋相應(yīng)治黃業(yè)務(wù)的主要工作環(huán)節(jié)；2）采用“構(gòu)件組裝”的生產(chǎn)模式[2]，突出核心公用模塊的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)和封裝共享，通過耦合或調(diào)用公用模塊，形成專業(yè)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型。

3.1 主要公用模塊

公用模塊主要是指與特定應(yīng)用無關(guān)的、具有完整計(jì)算功能的通用組件。主要公用模塊包括以下幾類：1）產(chǎn)流模塊，包括三水源蓄滿、超滲產(chǎn)流，單一線、多線降雨徑流相關(guān)法，薩克拉門托等模塊；2）匯流模塊，包括三水源滯后演算法、分段馬斯京根算法、匯流系數(shù)法、擴(kuò)散波等模塊；3）演進(jìn)模塊，包括 1D/2D/3D 非恒定流模塊；4）潮流波流模塊，包括 2D/3D 潮流和波流模塊；5）流域產(chǎn)沙模塊，包括坡面、溝道產(chǎn)沙等模塊；6）輸沙模塊，包括 1D/2D/3D 水庫、河道輸沙等模塊；7）水質(zhì)模塊，包括可溶性、不可溶性等傳質(zhì)模塊；8）河冰模塊，包括溫和流冰密度計(jì)算、冰蓋的形成發(fā)展和輸運(yùn)、冰塞發(fā)展、冰蓋熱力生消等模塊；9）地下水模塊，包括 1D/2D/3D 地下水流，溶質(zhì)、熱量運(yùn)移等模塊；10）水庫調(diào)控模塊，包括防洪、調(diào)水調(diào)沙、防凌、發(fā)電、供水和灌溉、生態(tài)等調(diào)度模塊。

3.2 各類業(yè)務(wù)需要模型

1）防汛減災(zāi)模型。黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)可以為防汛減災(zāi)從降雨預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、工程調(diào)度、洪水演進(jìn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等各個(gè)環(huán)節(jié)，科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化管理提供模型支持[3]，防汛減災(zāi)模型要充分考慮水沙耦合、庫群聯(lián)合、防洪與調(diào)水調(diào)沙一體化調(diào)控和優(yōu)化調(diào)度決策。相應(yīng)模型建設(shè)內(nèi)容如表1 所示。

表1 防汛減災(zāi)模型建設(shè)內(nèi)容匯總表

續(xù)表

2）水資源管理與調(diào)度。黃河水資源管理調(diào)度將通過調(diào)用運(yùn)行相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到預(yù)測(cè)結(jié)果和調(diào)度方案。水資源管理調(diào)度模型要考慮水量與水質(zhì)統(tǒng)一、地表水與地下水耦合，同時(shí)要充分考慮與防汛減災(zāi)模型內(nèi)在的邏輯聯(lián)系。相應(yīng)模型建設(shè)內(nèi)容如表2 所示。

表2 水資源管理與調(diào)度模型建設(shè)內(nèi)容匯總表

3）水資源保護(hù)。黃河水資源保護(hù)數(shù)學(xué)模型重點(diǎn)考慮面向突發(fā)性污染事故預(yù)警預(yù)報(bào)和環(huán)境容量預(yù)測(cè)分析等需求。水資源保護(hù)模型要考慮與水量調(diào)度模型的統(tǒng)一。相應(yīng)模型建設(shè)內(nèi)容如表3 所示。

表3 水資源保護(hù)模型建設(shè)內(nèi)容匯總表

4）水土保持。數(shù)學(xué)模型是開展水土保持信息分析、評(píng)價(jià)和仿真模擬的基礎(chǔ)，對(duì)水土保持各類數(shù)學(xué)模型進(jìn)行收集、整理、完善和開發(fā)，是建立具有強(qiáng)大分析功能的水土保持應(yīng)用系統(tǒng)不可或缺的條件。相應(yīng)模型建設(shè)內(nèi)容如表4 所示。

（5）流域規(guī)劃。數(shù)學(xué)模型建設(shè)可以為水文泥沙分析、水資源優(yōu)化配置、動(dòng)能指標(biāo)計(jì)算和工程規(guī)劃等方案比選提供支撐，相應(yīng)建設(shè)內(nèi)容如表5 所示。

3.3 模型集成實(shí)現(xiàn)

模型集成主要從 3 個(gè)層次考慮：1）模型輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)化；2）實(shí)現(xiàn)各類模型有效管理的集成和運(yùn)行環(huán)境建設(shè)；3）面向防汛減災(zāi)、水資源管理與調(diào)度、水資源保護(hù)、水土保持等應(yīng)用系統(tǒng)，以及流域規(guī)劃業(yè)務(wù)的模型構(gòu)件化封裝和嵌入實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)主要工作包括：基于.NET 和 ArcEngine 的系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)行環(huán)境建設(shè)；不同模型的集成方法研究（包括界面、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)集成方式等）研究；數(shù)學(xué)模型標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)及技術(shù)實(shí)現(xiàn)等。

表4 水土保持模型建設(shè)內(nèi)容匯總表

表5 水土保持模型建設(shè)內(nèi)容匯總表

4 技術(shù)支撐體系建設(shè)

針對(duì)黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)建設(shè)，當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題主要包括以下幾點(diǎn)：

1）數(shù)學(xué)模型不確定性及評(píng)價(jià)技術(shù)[5]。確定性研究的意義在于，力圖反映河流水沙數(shù)值模擬能在多大程度上接近真實(shí)過程，以便使用者做到心中有數(shù)。主要研究方向包括，蒙特卡羅模擬等不確定性方法應(yīng)用；模型誤差來源、概率分布及其量化表達(dá)方法；數(shù)學(xué)模型質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及要素；數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)用例建設(shè)等。

2）數(shù)學(xué)模型復(fù)雜數(shù)據(jù)高效存取及仿真可視化。針對(duì)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜數(shù)據(jù)，研究流域數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量復(fù)雜數(shù)據(jù)高效訪問和存?。焕?VTK 等技術(shù)渲染模型結(jié)果復(fù)雜數(shù)據(jù)；研究相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙感影像、DEM 矢量數(shù)據(jù)、模型結(jié)果復(fù)雜數(shù)據(jù)的疊加耦合，以及基于流域?qū)嵕暗貓D環(huán)境的模型計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)展示。

3）協(xié)調(diào)大尺度和跨學(xué)科模型集成及云服務(wù)技術(shù)。主要包括，不同流態(tài)/空間尺度的高效能數(shù)值格式應(yīng)用研究（如坡面產(chǎn)流與溯源沖刷時(shí)流態(tài)計(jì)算等）；水－生態(tài)－經(jīng)濟(jì)等多時(shí)空尺度模型的雙向耦合技術(shù)；集成化軟件組件的公共開發(fā)環(huán)境開發(fā)；數(shù)字流域平臺(tái)/軟件云服務(wù)技術(shù)等。

4）卡爾曼濾波法和三維/四維變分同化技術(shù)應(yīng)用。目的在于如何充分利用各類點(diǎn)/面觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得最佳的模式參數(shù)，構(gòu)建適合的流域模型，減小觀測(cè)值和計(jì)算值之間的誤差；在復(fù)雜模型選擇和海量觀測(cè)數(shù)據(jù)提供間尋求平衡，提升無資料和不完全信息下水文過程預(yù)報(bào)精度。

5）水循環(huán)及其多物質(zhì)輸移過程及模擬技術(shù)。如流域水文與地貌特征關(guān)系研究及量化表達(dá)；黃土高原坡溝耦合侵蝕過程及模擬方法研究；坡面產(chǎn)沙與溯源沖刷過程相似性及模擬方法研究；水流運(yùn)動(dòng)-泥沙輸移-河床變形全耦合模擬理論與技術(shù)；河道河勢(shì)變化過程機(jī)理及模擬方法研究；波浪掀沙、潮流輸沙過程耦合及其模擬方法研究；高含沙水流環(huán)境下不同類屬污染物的沉降再懸浮、吸附解吸和降解過程及模擬方法研究；冰體熱力生消、封凍河流阻力變化等過程及模擬方法；水庫群聯(lián)合調(diào)度模擬與優(yōu)化耦合技術(shù)等。

5 結(jié)語

黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)是“數(shù)字黃河”工程的核心和靈魂，是溝通業(yè)務(wù)應(yīng)用與對(duì)河流規(guī)律性認(rèn)識(shí)和各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的重要紐帶。本研究面向流域?qū)用娴男畔⒒ㄔO(shè)，創(chuàng)新提出黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)的建設(shè)框架，可以促進(jìn)黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展，也可為流域級(jí)模擬系統(tǒng)建設(shè)提供規(guī)劃示范。當(dāng)然，要真正實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)，必須加強(qiáng)面向模擬系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)觀測(cè)和融合，必須突出面向模型關(guān)鍵參數(shù)或物理圖式確定的基本規(guī)律研究，以避免模擬系統(tǒng)建設(shè)成為無源無本的純“數(shù)字游戲”。

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