作者:史俊庭 来源:中国科学报 发布时间:2014-5-12 10:53:25
选择字号:
黄河数学模拟系统研发纪实:撑起数字黄河的脊梁



 
■史俊庭
 
在黄河水利科学研究院(以下简称黄科院)一号科研楼里,有一支勤于探索、勇于攻关的团队——黄河数学模拟系统攻关课题组。
 
课题组成立于2003年5月,是一支由16人组成的年轻而有活力的团队。他们依托于黄河水利委员会(以下简称黄委),主要由黄科院泥沙所和水保所主要业务骨干组成,遵循“以我为主,博采众长”的原则,以建设具有自主知识产权的黄河数学模拟系统为目标,并借助其实现黄河治理开发与保护管理过程中的预警预报和方案生成,提高黄河重大决策的科学化与智能化水平。
 
历经十余年,黄河数学模拟系统从无到有,一路走来并逐渐成熟,在黄河规划和治理中发挥越来越重要的无可替代作用。
 
各自为战促生统一模型
 
“黄河数学模拟系统是指由相互关联、影响和作用的数学模型所构成的、能对黄河水问题进行数值模拟的功能体。黄河数学模拟系统主要由水利专业数学模型、服务于模型的前后处理构件以及对模型进行有效管理的技术架构平台三部分构成。”黄委副总工程师翟家瑞首先向记者介绍起来。
 
说起黄河数学模拟系统的来源,翟家瑞说还有不少背景故事。1998年小浪底投入运用后,当时对小浪底未来的研究方案,不少参与单位计算出来的结果差异很大,让黄委的领导很是头疼。
 
然而,在分析差异存在原因时,黄委进行了调查后吓了一跳。原来黄委内部各个部门在使用和开发的模型竟然有几十个,硬件、软件系统都在开发应用,“各自为战”。因此,黄委决定解决这个问题,做一个统一的、质量高的、有科研延续性的模型。
 
2001年,水利部副部长、黄委原主任李国英指出:“数字黄河(三条黄河——原型黄河、模型黄河、数字黄河)的关键在于数学模型的好坏,其核心和灵魂就是黄河数学模拟系统。”为此,黄委组织专家在原来的基础上,对全国流域机构作了系统调研,结果发现存在的问题比黄委原先设想的还严重。
 
由于黄河泥沙这个特殊问题的存在,很多软件在黄河上很难发挥作用。李国英对此要求,静下心来做一个有自主知识产权、能够切实解决黄河问题的模型,能对黄河重大决策预测分析、实施中跟踪、事后评价进行模拟的模型。
 
在黄科院办公楼的一楼,有一个专门房间,它就是黄河超级计算中心的机房。作为我国流域机构首家以高性能计算为核心的机构,它成立于2006年9月14日。
 
据悉,该超级计算中心以开发应用于黄河水利水电大型科学计算、数学模拟与仿真分析为主要任务,是结合黄河下游二维水沙数学模型的开发和黄河小浪底水库至花园口区间洪水预警预报系统建设,借助水利部黄河泥沙重点实验室建设来完成的。今后,治黄现代化所必需的黄土高原土壤侵蚀模型、水库调度模型、黄河下游河道水沙演进模型、河口模型等一系列数学模拟系统的建设都将依托这个超级计算平台来进行,黄委将据此打造具有自主知识产权的“黄河数学模拟系统”。
 
同时,黄河超级计算中心又是一个开放式、基于网络的、可共享的大型科学计算分析环境。它以“服务黄河、服务社会”为宗旨,可为水利、水电、气象、遥感等领域用户提供计算资源和技术支持。黄科院院长时明立表示,黄河超级计算中心将依据“共建共享、开放扩展”的原则,加强与高等院校、科研院所及国内外高性能计算机构的合作交流,使科学计算中心成为计算、人才培养和科普教育的基地。
 
2006 年10 月黄委提出尽快构建黄河数学模拟系统。2007年元月,黄委召开了主任专题办公会,要求编制黄河数学模拟系统规划。同年6月,黄委组织有关单位编制了《“数字黄河”工程数学模拟系统建设规划》。
 
难题和挑战并存
 
西方发达国家数学模型开发水平比较高,国际上流行的水文、水力学、水质方面的多数模型是由他们开发完成的。但与国内外领先的商业软件和数学模型相比,面向黄河治理开发、保护与管理业务需要的黄河数学模型建设存在问题依然突出。
 
众所周知,其他河流不必研究泥沙预报,但黄河挟带巨量泥沙,不研究泥沙预报,水库调度运行就要受到很大影响。
 
黄科院副院长姚文艺介绍说,黄土高原的土壤侵蚀有水力侵蚀、重力侵蚀、风力侵蚀等多种形态,想要预报泥沙,就要研究降雨量和降雨强度对不同土壤结构、不同类型区、不同地形地貌、不同植被、不同下垫面条件下随时空的变化,通过机理分析,建立相应的数学模型,然后根据加密的实测资料对模型进行验证、修改和完善。
 
2006年10月18日,李国英指出,“开展数学模拟系统建设,是新时期数字黄河工程建设最核心也是最迫切的任务。”
 
据悉,经过几年的调水调沙实践,在下游主河槽的过流能力较大程度上恢复的情况下,控制游荡性河道河势,确保花园口最大洪峰流量堤防不决口,在很大程度上依赖现有和待建的下游防洪工程,而这些工程不可能在“原型黄河”上一一试验。因此,建立黄河下游河道数字流场,在虚拟的环境条件下对工程进行布置,并在数字流场中通过改变来水来沙条件,模拟洪水对各种不同工程方案的影响,然后优化方案,再通过实体模型检验,确定设计方案,能达到事半功倍的效果。
 
余欣说,数学模拟系统的建设要围绕六大模型系统全面开展,它们分别是黄土高原土壤侵蚀模型、水库调度模型、河道水沙演进模型、河口模型、水质预警预报模型和宁蒙河段冰凌预报模型。
 
然而团队也明白,黄河数学模拟系统建设是一项长期、复杂的工程。该系统建设必须应对新挑战、满足治黄决策新要求。黄河数学模拟系统建设面临着两方面的挑战,一是如何应对风起云涌的模拟系统建设新高潮;二是模型功能和性能如何持续满足领导决策的新要求,不断适应用户业务增值的新需求。
 
记者了解到,从张勇传院士提出的以数学模型为引擎的“数字清江”到王光谦院士提出的“数字流域模型”;从程国栋院士提出的“黑河流域交叉集成研究的模型开发和模拟环境建设”到王浩院士提出的“流域水量及其伴生水化学、泥沙、生态过程综合模拟”,都昭示着构建多物理过程综合模拟系统已成为“数字流域”发展的新方向。
 
此外,流域管理的多目标和精细化,愈加突出自然过程、生态环境和经济社会的综合模拟,愈加需要全过程、全要素的动态定量模拟预报。用户选择模型的多途径和个性化,必然要求黄河数学模拟系统在功能上更加完备、在性能上更加便捷高效。
 
事实上,黄河数学模拟系统的研发,不是一个证实的过程,而是一个证伪的过程,只有不断应用、改进,才能更逼近最终的真实。
 
翟家瑞举例说,2006~2009年,每年6月19日~30日是实际调水调沙,应该在19日之前预测一下来水情况、水库调度情况和河道的变化情况,把计算结果交给防办。在调水调沙运行一半的时候,大概到25日,将19日~25日这个过程,将实际调度过程加上25日以后未来调度过程,变成一个完整过程,再计算一次,将计算结果再交给防办。等30日结束之后,再计算一次,把计算结果交给防办。等水文部门把下游实际情况真实数据交给防办,然后防办再把计算结果和实际结果进行比对,提出改进方案,通过应用改进过程,逐步提高模型预报的精度。2009年之后,基本调度就采用模型计算的结果直接为调度方案的决策提供直接的数据支撑。
 
迎难而上终铸创新成果
 
“穿梭于数字空间的舞者”,这是黄委机关报纸——《黄河报》对黄科院科研处长、黄河超级计算中心主任余欣的盛赞。
 
余欣现在是黄河数学模拟系统首席专家之一。他身上有股子钻劲,常以“上班好好工作,下班好好学习”自励。有一次他因聚精会神埋头工作,让一位领导在他办公桌前足足站了一个小时竟浑然不觉。
 
1996~2000 年在从事黄河小浪底水库运用方式研究项目中,他由零做起,研发出小浪底水库水动力学数学模型。2003 年,作为黄河数学模型研发的特殊人才调入黄科院,他站在了科技治黄的最前沿。
 
余欣深知,黄河数学模拟系统是“数字黄河”的核心,更是治黄管理和决策的现实需求以及治黄业务增值的基本要求,但这也是一个极其枯燥且要耐得住寂寞的工作。
 
黄河数学模拟系统研发以“首席专家+团队”为主要模式。担当首席专家以来,余欣致力推进黄河数学模拟系统规划、黄河口数学模拟系统、面向突发事件的污染物迁移转化以及模型系统的集成等项目研究。
 
十余年的发展,也让研发队伍从初始的几人发展到现在的十几人,在系统内外拥有了一批志同道合的战略合作伙伴。按照最初的设想,黄河数学模拟系统目前已在水库模型、河道模型、河口模型研发和应用方面取得了突破性进展,利用当下最先进的IT 技术,建成可以满足各类模型有效集成和运行的系统平台。
 
2009 年12 月,芬兰赫尔辛基大学Matti 教授在黄委现场使用黄河数学模拟系统后,十分惊奇。他说:“我的印象中,国际上一般都用欧美开发的流体、河口海岸软件包进行科研、生产,在中国、在黄河竟然看到你们自行开发出功能完善的模拟系统,针对黄河的复杂河道和水沙特点开展相应的基础研究,并能够保证计算的可靠性。”他由衷地赞叹:“你们利用数年时间完成了欧美国家耗时几十年才完成的数学模拟系统,真了不起!”
 
在相当长的时期内,国内传统的水动力学数学模型大多停留在“程序”阶段,仅为某一生产任务编制相应的代码,严重制约了数学模型的发展,模型精度也难以保证。
 
研发团队锐意进取,力求在黄河数学模型的研发上彰显黄河自己的特色,相对于国内外的其他数学模型系统,实现了如下创新。
 
首次建立了较完备的模块、构件、整体模型设计和测试、率定、验证的研发体系,极具实用性、可重用性和可追溯性,同时弥补了以往模型开发过程中的不严谨和测试过程不完备的缺陷,纠正了以往模型率定和验证相互混淆的理念。
 
突破了黄河下游游荡性河道主槽地形自动生成难题,自主研发了河道水下地形断面内插技术。这种利用有限的实测资料快速生成精确数字地形的软件包引起荷兰 Bas VanMaren 博士等数学模型研发专家的极大关注,2004 年,对方付费两次邀请攻关组成员赴荷兰开展为期6 个月的技术交流。
 
首次采用紧密集成模式将GIS、计算可视化和过程模拟计算集合成一个运行环境,并为可视化系统开发了专用黄河下游水、沙、地貌数据库管理系统,使计算结果得到充分直观的表达,可同时再现水流、泥沙在河道中的真实演进情况。
 
针对黄河下游滩区广阔、河势变化剧烈、水沙演进复杂等特点,采用有限体积数值方法和无结构网格,保证模型的可持续扩展。
 
创造性开展了网格计算关键技术研究,实现了黄河下游二维模型等空间大尺度模型的并行计算,通过“黄河超级计算中心”,为黄河流域中尺度数值天气预报和二维/三维水沙模型计算提供了高效能计算环境。
 
十载辛苦换来累累硕果
 
水沙输移是黄河科研的重要领域。十年以来,黄河泥沙数学模拟系统攻关课题组在高含沙洪水模拟预测、高性能数值计算、水流泥沙水质输移,以及河道冰凌模拟等方面取得了前所未有的发展。
 
合作开展的国家自然科学基金“黄河中下游泥沙输移规律及二维数学模型研究”重点项目取得了重大突破,解决了泥沙输移规律研究中的难点问题,受到国家自然科学基金委的高度重视,得到了很高的评价。
 
“十一五”国家科技支撑计划重点项目“基于GIS的黄河水沙输移模拟系统研发”课题中,“3S”技术、面向服务的组件技术、虚拟现实和系统仿真技术的应用,成功构建了先进实用的黄河中下游数学模拟系统。在国家防汛指挥系统(I期)、黄河调水调沙、黄河下游河道整治工程方案设计、黄河洪水风险图等大量生产实践中的运用,均取得了良好的经济效益和社会效益。
 
国家“863”计划重大项目——“面向水利信息化的高性能计算与网格应用”的成功开展,对于搭建黄河网格,开展二维、三维水沙过程等空间大尺度模型的高效能计算起到了很大的促进作用,直接促成了黄河超级计算中心的建立。
 
翟家瑞介绍说,目前,黄河数学模拟系统建设已取得七大突破性进展:一是编制完成《“数字黄河”工程黄河数学模拟系统建设规划》,明确了“十二五”期间黄河数学模拟系统的建设目标和任务,已全面指导了黄河数学模拟系统建设;二是构建了黄河数学模拟系统支撑平台,基本可以满足不同来源各类专业模型的高效集成和运行;三是研发了黄土高原第一副区水土流失模型、河道平面二维水沙数学模型、河道一维非恒定流水流—泥沙—水质模型、水库一维恒定流水沙模型、水库三维紊流水沙模型、河口平面二维潮流输沙模型等 6 类模型,并初步开展了宁蒙河段河冰动力学模型框架建设;四是建成了黄河超级计算中心,为数值天气预报、空间大尺度水沙模拟提供了全天候的稳定高效服务;五是编制了《黄河数学模型研发导则》《黄河数学模型评价办法》,规范了研发过程,提供了评价标准,创新开展黄河数学模型评测环境,初步满足河道水沙演进和水库冲淤数学模型评价;六是数学模型广泛应用于典型流域土壤侵蚀预测预报、防洪风险图编制、水库运用方式研究、调水调沙试验与生产运行、小北干流放淤试验、河道整治方案研究等重大治黄业务,产生了显著的经济和社会效益;七是创新践行了“首席专家+团队”的研发模式,打造了一支能打硬仗的攻关团队。
 
新征程要作好准备
 
2012年12月,黄委提出了新时期“数字黄河”的发展目标,要求到 2020年基本实现治黄水利工作信息化,基本实现水沙情势可感知、资源配置可模拟、工程运行可掌控、调度指挥可协同。“四个可”的实现是由“数字黄河”到“智慧黄河”的标志。
 
黄河数学模拟系统研发首席专家翟家瑞、寇怀忠撰文指出,10年间,“数字黄河”框架基本建成,应用系统和水沙数学模型与核心业务融合,在维持黄河健康、支持流域经济社会发展方面发挥了重要作用;初步建成了信息化基础设施和信息高速公路,开展了防汛减灾、水资源管理与调度、水土保持、水资源保护、工程建设管理、电子政务等六大系统建设。
 
在数字化的今天,黄河不只是一条自然河流,她承载了更加丰富的内容,流域、社会、经济、文化、生态、历史、自然。
 
黄河数学模拟系统目前是水利行业第一家面向水利行业的软件专题规划,其规划目标是建立一个河流自然—生态环境—经济社会耦合系统。在河流安全的情况下,从经济社会方面治理河流,考虑社会发展和生态环境,同时让沿河老百姓得到好处。
 
同时,大数据时代,要让数据说话,整合水文观测、工程运用、规划设计、水利普查、卫星遥感应用、调水调沙等大量数据,利用大数据技术对数据挖掘分析处理,为科学决策提供强力支持;把“数字黄河”建成为公众认识、理解黄河的平台,成为公众参与塑造黄河流域人水和谐关系的平台,成为黄河治理开发与保护的科学支撑平台。
 
在一个组织中,团队是坚强战斗力的有力保障,创新是永葆生机的制胜法宝。攻关课题组积极践行“献身、负责、求实”的水利精神,面向信息化发展的大潮、同步世界软件发展趋势、追踪国内外水沙基本理论研究进展,服务黄河治理开发生产第一线,精诚团结,为维持黄河健康生命提供持续坚实的科技支撑。
 
然而,余欣却告诉记者,尽管取得了骄人的成绩,但是他们的团队却遇到了发展瓶颈。在经济和生态方面的人才欠缺,要求他们为了发展必须搞二次创业。
 
据悉,以前团队成员都是从水利专业和“IT”专业引进,今后根据“智慧黄河”的建设需求,团队可能会引进经济、化学、生态、生物等方面的人才。
 
2013年2月,现任黄委主任陈小江告诉相关部门,团队需要什么样的人才,就要提供和培养什么样的人才,这也让团队成员感到肩上的担子更加沉甸甸的。
 
如今,团队考虑更多的是,在引进新人才的时候,一定要通过和国内外深度合作,调整现有人员的知识结构,尽管从熟悉的领域进入到不熟悉的领域是一件最大的挑战。
 
据悉,首席专家们的苦心获得了团队的认可和支持,团队成员已经按照团队的方向开始调整知识结构。预计2020年三场耦合核心框架已经建成,现在已经开始培养后续人才。
 
回首十年来,黄河数学模拟系统从无到有,从弱变强,大家深深感受到,团队是一个文化,不能因为害怕改变而退却,应该适应变化、拥抱变化。否则,这个团队只能是一群乌合之众。余欣深信,团队多年来沉淀下来的是一种文化,需要在精神层面进行沉淀。“可以预见,我们团队文化就来源于每个人的行为沉淀,照此下去,2050年,希望我们这个团队将依旧存在。”他说。
 


▲黄河超级计算中心揭牌
 

▲中荷合作研讨
 

 
▲黄河超级计算中心
 
《中国科学报》 (2014-05-12 第8版 专题)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 
SSI ļʱ
相关新闻 相关论文

图片新闻
李言荣团队在高温超导中发现量子金属态  严重干旱为新亚述帝国迅速灭亡埋下隐患
火星探测任务首次公开亮相 有刺植物在中海拔比例最高
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐