黄河数学模拟系统建设规划

余 欣 ，寇怀忠 ，翟家瑞 ，姚文艺

（1.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员会，河南 郑州 450003）

0 引言

数学模拟，是运用数学模型和计算机技术对自然或社会系统进行仿真模拟的技术。黄河数学模拟系统是指在数据集成平台支持下，耦合集成各种水利专业、宏观经济社会和生态系统等模型，形成的面向黄河具体业务应用的虚拟仿真系统。为实现《“数字黄河”工程规划》建设目标，2006 年黄河水利委员会提出要加快构建黄河数学模拟系统（以下简称系统），提升“数字黄河”工程对黄河治理开发、保护与管理的决策支持能力[1]。面向治黄业务需求，模拟系统建设仍存在以下突出问题：核心模型研发滞后，已有模型功能和性能不完备，模型软件化程度不高，基础理论支撑不够，数据支撑不足，先进的统一集成平台缺乏。“十二五”期间，需要进一步明确建设目标，优化总体架构，开展业务应用模型和技术支撑体系建设等。

1 系统建设目标与原则

1.1 建设目标

1）总体目标。以河流自然场、经济社会场和生态系统场耦合的理念为指导，运用先进的水利和信息技术，构建水利专业、宏观经济社会和生态系统模型，构建虚拟仿真的黄河流域，并借助其实现黄河治理开发和保护管理过程中的预警预报及方案生成，为各类重大治黄决策提供技术支撑，使“数字黄河”工程更好地服务于维持黄河健康生命研究和实践。

2）近期目标。2015 年前，基本建成统一的黄河数学模拟系统集成平台，满足各类模型的构件化开发、视算一体化和共享服务要求；构建测试案例库和评价标准，为各类模型测试、率定和验证提供标准的计算案例；基本建成黄土高原土壤侵蚀、骨干水库调度、河道水沙演进、河口泥沙输移、宁蒙河道河冰动力学、水质预警预报等 6 大模型建设，使计算时效性和精度有显著提高。

1.2 建设原则

1）需求主导，先进实用。紧密围绕业务需求，提出建设什么模型、功能是什么、性能怎么样等；考虑相关学科发展的成熟度和 IT 技术的先进性，以及有关输入数据的可获取性。

2）平台优化，标准先行。采用统一的系统集成和运行平台，遵循统一的技术标准和模型数据接口，同类模型必须采用统一的本底数据。

3）协同开发，强化集成。加强已有模型的标准化改造和集成、成熟模型的吸收和耦合；公用模块/模型集中开发，个性化业务模块委托开发。

2 系统总体架构

2.1 逻辑架构

系统逻辑结构的最底层为模型数据支撑层，主要包括模型库、参数库、专业和空间数据库；中间层为应用服务平台层，主要包括 GIS 支撑和数学模型管理 2 个平台，可以实现对数学模型的可视化管理、调用和运行等；最上层为业务应用层，应用系统是数学模拟系统的服务对象，主要包括防汛减灾、水量调度、水资源保护、水土保持和流域规划等业务，以及面向领导层的综合会商决策。系统逻辑结构如图1 所示。

图1 系统总体逻辑结构图

2.2 模型库体系结构

模型库应包括管理系统界面、模型库、模型字典及驱动系统。通过模型库管理系统界面，用户可以新建、显示、修改、删除、查询、打印模型，将已有模型组合成新的模型，编译新建或修改后的模型，将编译通过的新建或修改后的模型植入模型库中，并在模型字典中加入该模型的属性信息。模型库体系结构如图2 所示。

图2 模型库体系结构图

3 业务应用数学模型建设

专业应用数学模型是黄河数学模拟系统的核心组件，建设的基本思路如下：1）以支持并服务于治黄业务处理为核心，并能覆盖相应治黄业务的主要工作环节；2）采用“构件组装”的生产模式[2]，突出核心公用模块的标准化开发和封装共享，通过耦合或调用公用模块，形成专业应用数学模型。

3.1 主要公用模块

公用模块主要是指与特定应用无关的、具有完整计算功能的通用组件。主要公用模块包括以下几类：1）产流模块，包括三水源蓄满、超渗产流，单一线、多线降雨径流相关法，萨克拉门托等模块；2）汇流模块，包括三水源滞后演算法、分段马斯京根算法、汇流系数法、扩散波等模块；3）演进模块，包括 1D/2D/3D 非恒定流模块；4）潮流波流模块，包括 2D/3D 潮流和波流模块；5）流域产沙模块，包括坡面、沟道产沙等模块；6）输沙模块，包括 1D/2D/3D 水库、河道输沙等模块；7）水质模块，包括可溶性、不可溶性等传质模块；8）河冰模块，包括温和流冰密度计算、冰盖的形成发展和输运、冰塞发展、冰盖热力生消等模块；9）地下水模块，包括 1D/2D/3D 地下水流，溶质、热量运移等模块；10）水库调控模块，包括防洪、调水调沙、防凌、发电、供水和灌溉、生态等调度模块。

3.2 各类业务需要模型

1）防汛减灾模型。黄河数学模拟系统可以为防汛减灾从降雨预报、洪水预报、工程调度、洪水演进、抢险救灾等各个环节，科学化、标准化、智能化管理提供模型支持[3]，防汛减灾模型要充分考虑水沙耦合、库群联合、防洪与调水调沙一体化调控和优化调度决策。相应模型建设内容如表1 所示。

表1 防汛减灾模型建设内容汇总表

续表

2）水资源管理与调度。黄河水资源管理调度将通过调用运行相关的数学模型，对已有数据进行处理，得到预测结果和调度方案。水资源管理调度模型要考虑水量与水质统一、地表水与地下水耦合，同时要充分考虑与防汛减灾模型内在的逻辑联系。相应模型建设内容如表2 所示。

表2 水资源管理与调度模型建设内容汇总表

3）水资源保护。黄河水资源保护数学模型重点考虑面向突发性污染事故预警预报和环境容量预测分析等需求。水资源保护模型要考虑与水量调度模型的统一。相应模型建设内容如表3 所示。

表3 水资源保护模型建设内容汇总表

4）水土保持。数学模型是开展水土保持信息分析、评价和仿真模拟的基础，对水土保持各类数学模型进行收集、整理、完善和开发，是建立具有强大分析功能的水土保持应用系统不可或缺的条件。相应模型建设内容如表4 所示。

（5）流域规划。数学模型建设可以为水文泥沙分析、水资源优化配置、动能指标计算和工程规划等方案比选提供支撑，相应建设内容如表5 所示。

3.3 模型集成实现

模型集成主要从 3 个层次考虑：1）模型输入输出标准化；2）实现各类模型有效管理的集成和运行环境建设；3）面向防汛减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持等应用系统，以及流域规划业务的模型构件化封装和嵌入实现。相应主要工作包括：基于.NET 和 ArcEngine 的系统开发运行环境建设；不同模型的集成方法研究（包括界面、数据、业务集成方式等）研究；数学模型标准化接口设计及技术实现等。

表4 水土保持模型建设内容汇总表

表5 水土保持模型建设内容汇总表

4 技术支撑体系建设

针对黄河数学模拟系统建设，当前研究的热点和难点问题主要包括以下几点：

1）数学模型不确定性及评价技术[5]。确定性研究的意义在于，力图反映河流水沙数值模拟能在多大程度上接近真实过程，以便使用者做到心中有数。主要研究方向包括，蒙特卡罗模拟等不确定性方法应用；模型误差来源、概率分布及其量化表达方法；数学模型质量评价准则及要素；数学模型评价标准用例建设等。

2）数学模型复杂数据高效存取及仿真可视化。针对数学模型复杂数据，研究流域数学模拟系统数据管理技术，实现海量复杂数据高效访问和存取；利用 VTK 等技术渲染模型结果复杂数据；研究相关技术，实现遥感影像、DEM 矢量数据、模型结果复杂数据的叠加耦合，以及基于流域实景地图环境的模型计算结果动态展示。

3）协调大尺度和跨学科模型集成及云服务技术。主要包括，不同流态/空间尺度的高效能数值格式应用研究（如坡面产流与溯源冲刷时流态计算等）；水－生态－经济等多时空尺度模型的双向耦合技术；集成化软件组件的公共开发环境开发；数字流域平台/软件云服务技术等。

4）卡尔曼滤波法和三维/四维变分同化技术应用。目的在于如何充分利用各类点/面观测数据，获得最佳的模式参数，构建适合的流域模型，减小观测值和计算值之间的误差；在复杂模型选择和海量观测数据提供间寻求平衡，提升无资料和不完全信息下水文过程预报精度。

5）水循环及其多物质输移过程及模拟技术。如流域水文与地貌特征关系研究及量化表达；黄土高原坡沟耦合侵蚀过程及模拟方法研究；坡面产沙与溯源冲刷过程相似性及模拟方法研究；水流运动-泥沙输移-河床变形全耦合模拟理论与技术；河道河势变化过程机理及模拟方法研究；波浪掀沙、潮流输沙过程耦合及其模拟方法研究；高含沙水流环境下不同类属污染物的沉降再悬浮、吸附解吸和降解过程及模拟方法研究；冰体热力生消、封冻河流阻力变化等过程及模拟方法；水库群联合调度模拟与优化耦合技术等。

5 结语

黄河数学模拟系统是“数字黄河”工程的核心和灵魂，是沟通业务应用与对河流规律性认识和各类基础数据之间的重要纽带。本研究面向流域层面的信息化建设，创新提出黄河数学模拟系统的建设框架，可以促进黄河数学模拟系统持续健康发展，也可为流域级模拟系统建设提供规划示范。当然，要真正实现规划目标，必须加强面向模拟系统建设的基础数据观测和融合，必须突出面向模型关键参数或物理图式确定的基本规律研究，以避免模拟系统建设成为无源无本的纯“数字游戏”。

[1]李国英.建设黄河数学模拟系统[J].中国水利，2006 (21):36-38.

[2]黄柳青，王满红. 构件中国：面向构件的方法与实践[M]. 北京：清华大学出版社，2006: 18-21.

[3]水利部黄河水利委员会.“数字黄河”工程规划[M]. 郑州：黄河水利出版社，2003: 32-33.

[4]祝宝良. 中国宏观经济运行定量分析[M]. 北京：中国经济出版社，2005: 159-161.

[5]余欣，朱庆平. 水动力学模型合理评价及发展趋势探讨[C]// 第六届全国泥沙基本理论研究学术讨论会文集. 郑州：黄河水利出版社，2005: 1441-1449.